Автоматизация управления системой теплоснабжения

1. Состав и характеристика объекта автоматизации

Система теплоснабжения закрытая. Основным топливом для котельной служит газ теплотой сгорания Q_н = 8485 ккал/м³ , а резервным, мазут. Котельная оборудована четырьмя котлами ДКВР — 6,5/13 без пароперегревателей. Производительность котла в соответствии с расчетными данными 6,5 т/час (таблица 1).Давление пара 13 кгс/см². Максимальное количество тепла, выдаваемого котельной в виде горячей воды составляет 100%. Возврат конденсата 10%. Исходная вода для питания котлов — речная осветленная или артезианская.

Рис. 1 Котел марки ДКВР

1- экранные трубы; 2- верхний барабан; 3- манометр; 4- предохранительные клапаны; 5- трубы питательной воды; 6- сепаратор пара; 7- предохранительная пробка; 8- камера догорания; 9- перегородки; 10- конвективные трубки; 11- обдувочное устройство; 12- нижний барабан; 13- продувочный трубопровод.

Котельный агрегат ДКВР — 6,5/13 рис. 1 комплектуется одноходовым чугунным экономайзером системы ВТН с трубами длиной 3 м. Регулятор питания установлен до ВЭК, неотключаемый как по газу, так и по воде. Предусмотрена сгонная линия с автоматическим устройством для ограничения повышения температуры воды после ВЭК выше 174⁰С. Движение газов в экономайзере сверху вниз. Газы из экономайзера направляются к дымососу, установленному в стенах котельной. Дутьевой вентилятор монтируется под котлом. Забор воздуха вентилятором осуществляется по металлическому воздуховоду.

Топочная камера производительностью до 6,5 т/час включительно разделена кирпичной стеной на собственно топку и камеру догорания, которая позволяет повысить КПД котла за счет снижения химического недожога. Вход газов из топки в камеру догорания и выход газов из котла — ассиметричные.

Установкой одной шамотной перегородки, отделяющие камеру догорания от пучка, и одной чугунной перегородки, образующей два газохода, в пучках создается горизонтальный разворот газов при поперечном отмывании труб.

В котлах с пароперегревателями последние размещаются в первом газоходе с левой стороны котла.

Современные котлы рассчитаны, как правило, на работу в безнакипном режиме и нуждаются в докотловой обработке воды, поэтому в состав тепловых схем включаются установки для приготовления питательной воды: химводоочистка и деаэраторы. Для сбора возвращаемого конденсата и его перекачки устраивается конденсатное хозяйство. В состав тепловой схемы входят также система питания котлов, паропроводы и другие трубопроводы. Для централизованного получения горячей воды в котельной служат водоподогревательные установки. В целях повышения экономичности предусматривается использование воды и теплоты от продувки котлов, а также выпарка из деаэраторов. Из котлов пар поступает в главный паропровод и оттуда направляется к внешним технологическим потребителям, к сетевой подогревательной установке и на собственные нужды котельной установки.

Получившийся при охлаждении пара конденсат от внутренних и внешних потребителей собирается в конденсатный бак. Конденсат составляет основную часть потока питательной воды для котлов; он содержит минимальное количество нелетучих примесей и имеет достаточно высокую температуру. Для освобождения от растворенных газов конденсат перекачивается конденсатными насосами в атмосферный деаэратор.

Потери и утечки конденсата, пара и котловой воды возмещаются добавочной водой, которая приготовляется в химводоочистке. В ее состав входят фильтры, насосы, и теплообменники. Сырая вода подается насосами; перед поступлением в фильтры она подогревается до 15−40?С в водо-водяном и пароводяном теплообменниках. Подогрев воды перед фильтрами производится для устранения конденсации водяных паров из воздуха на холодных поверхностях оборудования и трубопроводах и предотвращения их коррозии. Из фильтров химически очищенная вода поступает в деаэратор: ее подогрев в пароводяном теплообменнике способствует более быстрому и полному прогреву для последующей деаэрации.

Питание котлов производится от групповой питательной установки, включающей центробежные насосы с электроприводом и паровые поршневые насосы. Они забирают воду из деаэратора и через индивидуальные питательные водяные экономайзеры подают ее в котлы.

В состав сетевой водоподогревательной установки входят пароводяные подогреватели, охладители конденсата и насосы. Использование водо-водяных теплообменников для охлаждения конденсата позволяет обеспечить значительное снижение его температуры и уменьшить расход пара на подогрев сетевой воды. По отношению к потоку пара и конденсата сетевая вода движется в водоподогревательной установке противотоком: она проходит сначала через охладитель конденсата, а затем через пароводяные подогреватели. Циркуляция воды в тепловой сети обеспечивается сетевыми насосами. Вода для подпитки тепловой сети приготавливается в общих для всей котельной химводоочистке и деаэраторе. Часть деаэрированной воды забирается из деаэратора подпилочными насосами и подается в обратную линию теплосети.

Работа котлов предусматривается с непрерывной продувкой. Для уменьшения потери теплоты с продувочной водой и воды из системы питания котлов в схеме используется расширитель продувки и охладитель продувочной воды. Образующийся в расширителе продувки пар отводится в деаэратор. В теплообменнике производится нагрев добавочной воды. Продувочная вода после теплообменника отводится в продувочный колодец.

Теплота выпари из деаэратора утилизируются в охладителе выпари. В этом теплообменнике пар, отводимый вместе с газами, конденсируется, а теплота передается химически очищенной воде. Барабан котла ДКВР на давление 13 там изготовляются из стали 16 ГОСТ 5520–69 и имеют внутренний диаметр 1000 мм при толщине 13 мм.

В котлах ДКВР при шаге экранных труб 80 мм стенки верхнего барабана хорошо охлаждаются потоками пароводяной смеси, выходящими из труб боковых экранов и крайних труб кипятильного пучка, что было подтверждено специальными исследованиями температуры стенки барабана при различном снижении уровня воды, а также многолетней практикой эксплуатации нескольких тысяч котлов ДКВР.

На нижней образующей верхнего барабана при расположении его в топочной камере установлены контрольные легкоплавкие пробки. Они предназначены для предупреждения кочегара об отсутствии воды в барабане и увеличении температуры его стенок. Действие пробок основано на том, что при повышении температуры стенки барабана выше 290−300?С легкоплавкий сплав, которым залита пробка, начинает плавиться, и шум пароводяной струи, выходящей через пробку, является сигналом для немедленной остановки котла.

В водяном пространстве верхнего барабана находится питательная труба, труба для ввода фосфатов, в паровом объеме — сепарационные устройства. В нижнем барабане размещаются перфорированная труба для периодической продувки, устройство для прогрева барабана при растопке и штуцер для спуска воды.

Для наблюдения за уровнем воды в верхнем барабане устанавливаются два водоуказательных стекла и сигнализатор уровня. Из переднего днища верхнего барабана отводятся импульсные трубки к регулятору питания.

Для осмотра барабанов и расположенных в них устройств, а также для очистки труб шарошками на задних днищах имеются лазы; у котла ДКВР-20 с длинным барабаном имеется еще лаз на переднем днище верхнего барабана.

У котлов с длинным барабаном водоуказательные стекла присоединены к цилиндрической части барабана, а у котлов с коротким барабаном к переднему днищу. В водяном пространстве верхнего барабана находятся питательная труба, у котлов ДКВР 6,5−13 с длинным барабаном — труба для непрерывной продувки; в паровом объеме — сепарационные устройства. В нижнем барабане установлены перфорированная труба для периодической продувки, устройство для прогрева барабана при растопке и штуцер для спуска воды. Боковые экранные коллекторы расположены под выступающей частью верхнего барабана, возле боковых стен обмуровки. Для создания циркуляционного контура в экранах передний конец каждого экранного коллектора соединен опускной необогреваемой трубой с верхним барабаном, а задний конец — перепускной трубой с нижним барабаном. Вода поступает в боковые экраны одновременно из верхнего барабана по передним опускным трубам, а из нижнего барабана по перепускным. Такая схема питания боковых экранов повышает надежность работы при пониженном уровне воды в верхнем барабане, увеличивает кратность циркуляции. Экранные трубы паровых котлов ДКВР изготовляют из стали 512.5 мм. В котлах с длинным верхним барабаном экранные трубы приварены к экранным коллекторам, а в верхний барабан вальцованы. Шаг боковых экранов у всех котлов ДКВР 80 мм, шаг задних и фронтовых экранов — 80 130 мм. Пучки кипятильных труб выполнены из стальных бесшовных гнутых труб диаметром 512.5 мм.

Концы кипятильных труб паровых котлов типа ДКВР прикреплены к нижнему и верхнему барабану с помощью вальцовки. Циркуляция в кипятильных трубах происходит за счет бурного испарения воды в передних рядах труб, т.к. они расположены ближе к топке и омываются более горячими газами, чем задние, вследствие чего в задних трубах, расположенных на выходе газов из котла вода идет не вверх, а вниз. Топочная камера в целях предупреждения затягивания пламени в конвективный пучок и уменьшения потери с уносом (Q₄ — от механической неполноты сгорания топлива), разделена перегородкой на две части: топку и камеру сгорания. Перегородки котла выполнены таким образом, что дымовые газы омывают трубы поперечным током, что способствует теплоотдаче в конвективном пучке.

Таблица 1. Технологические параметры

Обоснование необходимости контроля, регулирования и сигнализации технологических параметров.

Регулирование питания котельных агрегатов и регулирование давления в барабане котла главным образом сводится к поддержанию материального баланса между отводом пара и подачей воды. Параметром характеризующим баланс, является уровень воды в барабане котла. Надежность работы котельного агрегата во многом определяется качеством регулирования уровня. При повышении давления, снижение уровня ниже допустимых пределов, может привести к нарушению циркуляции в экранных трубах, в результате чего произойдет повышение температуры стенок обогреваемых труб и их пережег.

Повышение уровня также ведет к аварийным последствиям, так как возможен заброс воды в пароперегреватель, что вызовет выход его из строя. В связи с этим, к точности поддержания заданного уровня предъявляются очень высокие требования. Качество регулирования питания также определяется равенством подачи питательной воды. Необходимо обеспечить равномерное питание котла водой, так как частые и глубокие изменения расхода питательной воды могут вызвать значительные температурные напряжения в металле экономайзера .

Барабанам котла с естественной циркуляцией присуща значительная аккумулирующая способность, которая проявляется в переходных режимах. Если в стационарном режиме положение уровня воды в барабане котла определяется состоянием материального баланса, то в переходных режимах на положение уровня влияет большое количество возмущений. Основными из них являются: изменение расхода питательной воды, изменение паросъема котла при изменении нагрузки потребителя, изменение паропроизводительности при изменении при изменении нагрузки топки, изменение температуры питательной воды.

Регулирование соотношения газ-воздух необходимо как чисто физически, так и экономически. Известно, что одним из важнейших процессов, происходящих в котельной установке, является процесс горения топлива. Химическая сторона горения топлива представляет собой реакцию окисления горючих элементов молекулами кислорода. Для горения используется кислород, находящийся в атмосфере. Воздух в топку подается в определенном соотношении с газом посредством дутьевого вентилятора. Соотношение газ-воздух примерно составляет 1:10. При недостатке воздуха в топочной камере происходит неполное сгорание топлива. Не сгоревший газ будет выбрасываться в атмосферу, что экономически и экологически не допустимо. При избытке воздуха в топочной камере будет происходить охлаждение топки, хотя газ будет сгорать полностью, но в этом случае остатки воздуха будут образовывать двуокись азота, что экологически недопустимо, так как это соединение вредно для человека и окружающей среды.

Система автоматического регулирования разрежения в топке котла сделана для поддержания топки под наддувом, то есть чтобы поддерживать постоянство разряжения (примерно 4 мм.вод.ст.). При отсутствии разряжения пламя факела будет прижиматься, что приведет к обгоранию горелок и нижней части топки. Дымовые газы при этом пойдут в помещение цеха, что делает невозможным работу обслуживающего персонала.

В питательной воде растворены соли, допустимое количество которых определяется нормами. В процессе парообразования эти соли остаются в котловой воде и постепенно накапливаются. Некоторые соли образуют шлам — твердое вещество, кристаллизующееся в котловой воде. Более тяжелая часть шлама скапливается в нижних частях барабана и коллекторов.

Повышение концентрации солей в котловой воде выше допустимых величин может привести к уносу их в пароперегреватель. Поэтому соли, скопившиеся в котловой воде, удаляются непрерывной продувкой, которая в данном случае автоматически не регулируется. Расчетное значение продувки парогенераторов при установившемся режиме определяется из уравнений баланса примесей к воде в парогенераторе. Таким образом, доля продувки зависит от отношения концентрации примесей в воде продувочной и питательной. Чем лучше качество питательной воды и выше допустимая концентрация примесей в воде, тем доля продувки меньше. А концентрация примесей в свою очередь зависит от доли добавочной воды, в которую входит, в частности, доля теряемой продувочной воды.

Сигнализация параметров и защиты, действующие на останов котла, физически необходимы, так как оператор или машинист котла не в силах уследить за всеми параметрами функционирующего котла. Вследствие этого может возникнуть аварийная ситуация. Например при упуске воды из барабана, уровень воды в нем понижается, вследствие этого может быть нарушена циркуляция и вызван пережег труб донных экранов. Сработавшая без промедления защита, предотвратит выход из строя парогенератора. При уменьшении нагрузки парогенератора, интенсивность горения в топке снижается. Горение становится неустойчивым и может прекратиться. В связи с этим предусматривается защита по погашению факела.

Надежность защиты в значительной мере определяется количеством, схемой включения и надежностью используемых в ней приборов. По своему действию защиты подразделяются на действующие на останов парогенератора; снижение нагрузки парогенератора; выполняющие локальные операции.

Согласно вышеперечисленного автоматизация работы парового котла должна осуществляться по следующим параметрам: по поддержанию постоянного давления пара;

по поддержанию постоянного уровня воды в котле;

по поддержанию соотношения «газ — воздух» ;

по поддержанию разрежения в топочной камере.

2. Характеристика КТС объекта автоматизации

Для автоматизации котла ДКВР 6,5−13, который работает на топливе газ/мазут, использованы комплекты автоматического регулирования на базе системы «Контур 1», автоматики безопасности и управления (рис.2). Система «Контур 1» освоена Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА) в 1978 г. До этого времени МЗТА выпускал электронно-гидравлическую систему «Кристалл». Данная система представляет собой комплект датчиков, усилителей, преобразователей и исполнительных механизмов, которые в различных сочетаниях позволяют комплектовать регуляторы разной структуры с постоянной скоростью исполнительного механизма (астатические), с жёсткой обратной связью (статические или пропорциональные) и упругой обратной связью (изодромные) и т. д. Автоматика регулирования. Автоматика регулирования «Контур 1» предназначена для регулирования параметров технологического процесса котлоагрегатов. Каждый автоматический регулятор имеет: датчик (первичный прибор); регулирующий прибор (усилитель); исполнительный механизм; регулирующий орган.

Рис. 2 Схема автоматизации объекта Где:

Д — датчик давления РУ — регулирующий прибор Р 25.1.1.

П.Б.Р.- пускатель бесконтактный реверсивный М.Э.О. — исполнительный механизм типа МЭО Р.О. — регулирующий клапан на питательной линии Схема включает регулирующий прибор, в который поступает сигнал от датчика. Датчик первичный прибор, который воспринимает изменение регулируемого параметра и преобразует его в электрический сигнал. Регулирующий прибор принимает команду в виде электрического сигнала от задатчика, сравнивает её с электрическим сигналом датчика, усиливает имеющуюся разность электрических сигналов и даёт команду на включение исполнительного механизма. Исполнительный механизм воздействует на регулирующий орган. Обратная связь улучшает качество регулирования. Требования к регулированию давления пара в барабане наиболее жёсткие в сравнении с другими котловыми регуляторами. Это вызвано условиями безопасности и надёжности работы котла. Автоматика регулирования проверяется ежемесячно. Для проверки работы регуляторов необходимо: — зафиксировать по прибору на щите котла значение регулируемого параметра; - перевести режим работы регулятора из положения «автомат» на ручное управление; - тумблером в сторону «больше» или «меньше» изменить значение параметра (не более чем на 10%); - возвратить переключатель режима работы регулятора в положение «автомат». Значение параметра по прибору должно восстановиться до начального.

Измерительный прибор (Датчик давления) Измерительной задачей является: измерение давления в барабане. В данном случае точность измерения влияет на условие взрывобезопасности, поэтому к ней предъявляются соответствующие требования. Измерение также следует производить дистанционно и для связи с промышленным компьютером датчик должен иметь интерфейс. Принцип действия всех датчиков давления (манометры, мановакууметры, вакуумметры, микроманометры, микромановакууметры, дифференциальные манометры, барометры) основан на измерении деформации чувствительного элемента, которая, как правило, в современных датчиках воспринимается тензометрическим датчиком при использовании преобразователей, принадлежащих электрической ветви, либо выдают пневматический унифицированный сигнал, что нас не устраивает. Преобразователи различных фирм выпускаются с различными классами точности, поэтому относительно погрешности измерения обоснование выбора не является необходимым. Выбор преобразователя имеет смысл лишь по виду и материалу чувствительного элемента, но в данном случае это не имеет значения, ввиду того, что отбор импульсов давления производится через мембранный разделитель. В проекте использован преобразователь избыточного давления с выходным сигналом, способным корректно сообщаться с промышленным компьютером. Используются датчики типа «Метран».

Характеристики измерительных приборов. Устройство и работа датчика «Метран 43»

«Метран 43» позволяет с погрешностью ±0,2 измерять давление в низком диапазоне при высоком статическом давлении Р_стат..

«Метран43» модель 3494−01 измеряет среды, такие как: газ, пар, жидкость. Датчик имеет избыточное рабочее давление: 4,0; 6; 10; 25. Основная допустимая приведенная погрешность ±г составляет для всех 0,2; 0,25; 0.5. Его масса не более 3 кг. Выходной сигнал у этого датчика составляет 0−5; 0−20; 4−20; 5−0; 20−0; 20−4,так как характер выходного сигнала линейно возрастающий или линейно убывающий. Диапазон температур измеряемой среды от 40 до 400⁰С. Датчики устойчивы к воздействию относительной влажности окружающего воздуха до (95 ±3)% при 35⁰С и более низких температурах без концентрации влаги. Степень защиты датчика от воздействия воды по ГОСТу 14 254. Энергетическое питание датчиков осуществляется (36±0,72)В постоянного тока.

Материал деталей измерительного блока, штуцеранержавеющая сталь 12*18 Н10Т, мембрана датчиковсталь 36НХТЮ, корпусалюминиевый сплав.

3. Регулирующие приборы

Регулирующие приборы Р25, предназначены для применения в системах автоматического регулирования и управления технологическими процессами (таблица 3).

Таблица 3

Питание приборов осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц.

Технические характеристики подведены в таблицу 4.

Таблица 4

Мощность потребляемая от сети не более 22 В*А Входное сопротивление а) для сигнала 0−5 мА — не более 100 Ом б) для сигнала 0−20 мА — не более 25 Ом в) для сигнала 0−10В — не менее 15 кОм Выходные сигналы:

а) импульсы напряжения постоянного пульсирующего тока среднего значения напряжения 24 В б) изменение состояния бесконтактных ключей, которые допускают коммутацию пульсирующего постоянного или переменного тока.

Перемещение указателя положения исполнительного механизма при изменении сигнала измерительного преобразователя положения на 1 В не менее 100% шкалы индикатора. Выходные бесконтактные ключи приборов коммутируют переменной частотой 50 Гц и пульсирующий постоянный ток с амплитудным значением до 1 А. при действующем значении тока от 0,1 до 0,5 А. и действующим значении напряжения внешнего источника питания выходных цепей не более 250 В.

Функции выполняемые прибором:

- совместное с исполнительным механизмом формирование постоянной скорости пропорционально-интегрального закона регулирования;

— суммирование сигналов, поступающих от измерительных преобразователей с естественными электрическими выходными сигналами, формирование и усиление сигнала рассогласования, введение информации о заданном значении величины;

— управление исполнительным механизмом в режиме ручного управления;

— преобразование сигнала от дифференциально-трансформаторного измерительного преобразователя положения исполнительного механизма в сигнал постоянного тока.

— формирование электрических импульсов постоянного или переменного тока на выходе для управления исполнительным механизмом с постоянной скоростью перемещения;

Технические устройства, работающие с МЭО

Пускатель бесконтактный реверсивный ПБР-2.

ПБР-2 предназначен для без контактного управления электрическим исполнительным механизмом по ГОСТ 7192–80 (таблица 5). Управление пускателями осуществляется от регулирующих устройств.

Пускатели предназначены для эксплуатации в следующих условиях:

a) температура окружающего воздуха от +5 до +50°С;

б) относительная влажность окружающего воздуха от 30 до 80%;

в) вибрация с частотой до 25 Гц и амплитудой виброперемещения 0,1 мм;

г) высота не более 1000 м над уровнем моря;

д) положение в пространстве — любое.

Конструктивно пускатель выполнен в виде вдвигаемой в кожух платы из гетинекса, на которой установлены все элементы схемы. Электрические межэлементные соединения выполнены методом печатного монтажа. Плата закрепляется в кожухе винтами. Выводные клеммы проходят через колодку и закрываются крышкой, которая крепится винтами. Через вырез в колодке выведен винт заземления.

Управление пускателями ПБР-2 от регулирующих устройств с пассивными выходными ключами или при дистанционном управлении осуществляется путем замыкания клемм пускателя. При этом происходит реверсивное управление электродвигателем исполнительного механизма. Управление пускателями ПБР-2 от регулирующих устройств с активным выходом осуществляется подачей управляющего сигнала на клеммы пускателей. При этом отпираются теристоры и на управляющие электоды силовых семисторов подается отрицательное отпирающее напряжение. Это вызывает отпирание семисторов, осуществляя реверсивное управление электродвигателем исполнительного механизма.

4. Характеристика исполнительных механизмов

На котле в качестве исполнительных механизмов используются МЭО-250/25−0.25Р механизм электрический однооборотный. МЭО предназначен для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств. Его технические характеристики зафиксированы в таблице 6.

Назначение

Механизмы исполнительные электрические однооборотные постоянной скорости МЭО-250 предназначены для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования в соответствии с командными сигналами, поступающими от регулирующих и управляющих устройств. Механизмы должны размещаться под крышей и в закрытых необогреваемых помещениях и предназначены для работы в следующих условиях: — температура окружающего воздуха от -30 до +50 ⁰C;

относительная влажность окружающего воздуха до 95% при температуре 35 ⁰C и более низких температурах без конденсации влаги;

вибрация в диапазоне частот от 5 до 30 Гц и амплитудой до 0,1 мм

наличие пыли и брызг воды;

отсутствие прямого воздействия солнечной радиации и атмосферных осадков;

Механизмы тропического исполнения выполнены в исполнении T категории размещения 2 и предназначены для работы при температуре от -10 до +50 ⁰C и относительной влажности до 100% при температуре 35 ⁰C с конденсацией влаги.

Механизмы не предназначены для работы в средах, содержащих агрессивные пары, газы и вещества, вызывающие разрушение покрытий изоляции и материалов и во взрывоопасных средах.

Электрическое питание механизмов осуществляется однофазным током напряжением 220 или 240 В с частотой (50 +1)Гц или 220 В с частотой (60+1) Гц. Допустимое отклонение напряжение питанияот +10 до -15%.

Режим работы механизмов повторнократковременный реверсивный с номинальной частотой включений до 320 раз в 1 час и продолжительностью включений до 25% при нагрузке на выходном валу в пределах от номинальной противодействующей до 0,5 номинального значения сопутствующей. При этом механизмы допускают работу в течение 1ч. в повторно-кратковременном режиме с частотой включений до 630 раз 1 час и продолжительностью включений до 25% со следующим повторением не раньше, чем через 3 часа. Интервал времени между выключением и включением на обратное направление — не менее 50мс. Максимальная продолжительность непрерывной работы механизма в реверсивном режиме не должна превышать 10 мин.

Пусковой крутящий момент механизмов при номинальном напряжении питания превышает номинальный момент не менее, чем в 1,7 раза.

Выбег выходного вала механизмов при отсутствии нагрузки на выходном валу не превышает

1% полного хода выходного вала — для механизмов с временем полного хода 10с;

0,5% полного хода выходного вала — для механизмов с временем полного хода 25с;

0,25% полного хода выходного вала — для механизмов с временем полного хода 63с и более.

Люфт выходного вала механизмов не более 0,75⁰. Для механизмов с номинальной нагрузкой на выходном валу 40 Н*м допускается люфт до 1⁰

5. Обоснование требований к разрабатываемой САУ

С развитием науки, новых технологий, постоянно возрастают требования к качеству, надежности и безопасности технологических процессов. В связи с этим следует использовать наиболее современные средства автоматического управления на базе IBM PC совместимых микроконтроллеров.

По заданию руководителя, заменяя контроллер, марки Ремиконт-25.1.1., реализуем систему управления на базе регулирующего микропроцессорного контроллера Ремиконт-Р130.

Котлоагрегат представляет значительную опасность для обслуживающего персонала и всего производства в целом, поэтому требования к надежности средств измерения, их точности и качества измерения имеют самые высокие значения. Во избежание возникновения аварийных ситуаций, требуется выбрать наиболее современные, точные и быстродействующие средства измерения. С помощью которых было бы возможно обеспечить вышеназванные требования, контроль, дистанционную передачу и управление технологическими параметрами.

В процессе регулирования необходимо обеспечивать необходимую точность регулируемых параметров. Так при регулировании уровня воды в барабане котла, точность датчика уровня должна быть такой чтобы обеспечивать слежение за следующим значением относительно оси котла

min=-100мм, max=+100мм.

Исходя из сложности всех процессов протекающих в котлоагрегате необходимо обеспечить наиболее «чистое» в экологическом аспекте производство, то есть такое, которое не повлекет за собой различного рода загрязнения окружающей среды.

Структура системы и распределение функций должны быть выполнены в соответствии с этими требованиями. Необходимым условием при разработке САУ является обеспечение максимально возможной безопасности и надёжности работы системы. Основные требования к разрабатываемой САУ:

· Визуализация процесса регулирования на пульте оператора

· Обеспечение быстрого перехода системы в безопасный режим при аварийной ситуации

· Дистанционное управление оператором с пульта

· Сигнализация на пульте оператора

· Визуализация состояния технологического процесса и оборудования на пульте

· Оперативное изменение настроек регулятора

6. Выбор комплекса технических средств системы автоматизации

Рис. 3 Схема автоматизации объекта

Выбор регулирующего прибора

По заданию преподавателя переходим на микроконтроллер «Ремиконт" — Р-130. Он является оптимальным для решения поставленных задач

Этот контроллер предназначен для автоматического регулирования и логико-программного управления технологическими процессами в электротермической, энергетической, металлургической, химической, нефтеи газоперерабатывающей, стекольной, пищевой и других отраслях промышленности. Благодаря малоканальности Ремиконт Р -130 позволяет, с одной стороны, экономично управлять небольшим агрегатом и, с другой —обеспечить высокую живучесть крупных систем управления. Преимуществом такой системы является ее гибкость, позволяющая оперативно, при необходимости программными средствами изменять алгоритм управления, регулирования и защиты, параметры и законы регулирования. Повышенная надежность, высокие технико-экономические показатели, а также возможность качественного отображения информации и осуществления дистанционного управления дают большие преимущества новой системе управления технологическими процессами перед старой.

Ремиконт Р -130 имеет две модели — логическую и регулирующую .

Регулирующая модель предназначена для решения задач автоматического регулирования, логическая модель — реализации логических программ шагового управления .

Регулирующая модель Ремиконта Р -130 позволяет вести локальное, многосвязное, каскадное, супервизорное, программное регулирование. В сочетании с обработкой дискретных сигналов эта модель позволяет выполнять также логические преобразования сигналов и вырабатывать не только аналоговые или импульсные, но и дискретные команды управления .

Строение этой модели дает возможность вручную или автоматически включать, отключать, реконфигурировать и переключать контуры регулирования, при этом все эти операции выполняются безударно независимо от сложности структуры управления .

Логической моделью Ремиконта Р-130 формируется логическая программа шагового управления анализом условий выполнения каждого шага, условным или безусловным переходом программы к заданному шагу, заданием контрольного времени на каждом шаге. Модель позволяет выполнять также разнообразные функциональные преобразования аналоговых сигналов и вырабатывать не только дискретные, но и аналоговые управляющие сигналы. Один комплект Ремиконт Р-130 позволяет комплексно решить задачу автоматизации, включая автоматическое регулирование, логическое управление или их комбинацию.

Программирование контроллера выполняется специалистами, знакомыми со средствами контроля и управления в АСУТП. Процесс программирования сводится к тому, что путем последовательного нажатия нескольких клавиш из библиотеки, зашитой в постоянной памяти, извлекаются нужные алгоритмы, эти алгоритмы объединяются в систему заданной конфигурации и в них устанавливаются требуемые параметры настройки.

Ремиконт Р-130 имеет энергонезависимую память. С помощью встроенной батареи при отключении питания запрограммированная информация сохраняется. Запрограммированная информация может быть записана в ППЗУ Для сопряжения с вычислительными средствами верхнего уровня управления (персональным компьютером) в Ремиконте Р-130 предусмотрен канал цифровой последовательной связи с интерфейсом ИРПС и RS-232. Существует возможность объединения нескольких контроллеров в цифровую локальную сеть кольцевой конфигурации — «Транзит» кольцевой конфигурации. Для такого объединения никаких дополнительных устройств не требуется. В одну сеть могут включаться как одинаковые, так и различные модели контроллеров. Через сеть контроллеры могут обмениваться информацией в цифровой форме по витой паре проводов. Стандартные аналоговые и дискретные датчики и исполнительные устройства подключаются к Ремиконту Р -130 с помощью индивидуальных кабельных связей. Внутри контроллера сигналы обрабатываются в цифровой форме.

В состав Ремиконта Р-130 входят: центральный блок (имеющий 30 модификаций, отличающихся числом аналоговых и дискретных сигналов ввода/вывода), клеммно-блочные соединители для подключения внешних устройств, блок питания и ряд дополнительных блоков (БУТ, БУМ, БУС, БПР), использующиеся для предварительного усиления сигналов с различных датчиков и формирования стандартных выходных сигналов. Центральный блок преобразует аналоговую и дискретную информацию в цифровую форму, ведет обработку цифровой информации и вырабатывает управляющие воздействия. Все модели Ремиконта Р-130 содержат средства оперативного управления, расположенные лицевой панели контроллера, позволяющие вручную изменять режимы работы, также вручную управлять исполнительными устройствами, устанавливать задание, контролировать сигналы и индицировать ошибки, управлять ходом выполнения программы .

Ремиконт Р-130 снабжён развитой системой самодиагностики и тестирования, благодаря которой могут быть быстро обнаружены неисправности и легко локализованы.

Для дистанционной передачи информации об отказе предусмотрены специальные дискретные выходы .

Для регистрации параметров технологических процессов (t, p и т. д.) и аварийных сообщений используется принтер. Вывод на печать параметров осуществляется во времени и по запросу оператора.

На месте оператора может использоваться РС:

просмотр информации просмотр состояния оборудования приём и подтверждение сигналов аварийных сообщений архивирование информации распечатка протоколов вывод графиков

Технические характеристики:

Габаритные размеры (приборное исполнение) 80?160?360

Параметры питания:

а) напряжение, В 220,240

б) частота, Гц 50,60

в) потребляемая мощность, не более 9Вт, 15ВА

Общие функциональные параметры Максимальное число алгоблоков 99

Число алгоритмов в библиотеке 76

Время цикла, с 0,2−2,0

Погрешность цифровой обработки информации,%

а)суммирование и вычитание 0

б)умножение и деление 0,01

в)извлечение квадратного корня 0,1

г)объем памяти, кБайт:

— ПЗУ 32

— ЗЗУ 32

Вход-выход:

Аналоговые входные сигналы:

унифицированные 0−5 мА (Rвх=400Ом) 0−20мА (Rвх=100Ом) 4−20 мА (Rвх=100Ом) 0−10 В (Rвх=27кОм) Аналоговые выходные сигналы:

— унифицированные 0−5 мА (Rн?2кОм) 0−20мА (Rн?0,5кОм) 4−20 мА (Rн?0,5кОм) Дискретные входные сигналы:

Сигнал логического 0, В 0−7

Сигнал логической 1, В 18−30

Входной ток (при напряжении 24В), мА 9

Дискретные выходные сигналы: транзисторный выход:

максимальное напряжение коммутации, В 40

максимальный ток нагрузки каждого выхода, А 0,3 сильно точный релейный выход:

тип реле РПГ-8 максимальное напряжение коммутации переменного (действ. значение) или постоянного тока, В 220 максимальный ток нагрузки каждого выхода, А 2

Выбор блока ручного управления (БРУ)

БРУ позволяет осуществить переход от автоматического режима управления к ручному режиму, и управлять системой в этом режиме.

БРУ состоит из переключателя «автоматическое-ручное управление» и кнопок управления исполнительным механизмом.

Выбран тип БРУ-32

Данный блок предназначен для переключения цепей управления исполнительными механизмами. Переключатель режимов предназначен для ручного переключения цепей управления. Режиму управления «Автомат» соответствует положение нажатое, с поворотом против часовой стрелки, а не нажатое — режиму «Ручной».

Данный блок имеет:

— мощность, потребляемую из блоков, не превышающую 2,5 Вт

— массу блока 0,7 кг

— средний срок службы 10 лет Завод изготовитель: «Промприбор», г. Чебоксары

Выбор технического устройства, работающего с МЭО

В качестве усилителя мощности выбираем пускатель бесконтактный реверсивный ПБР-3А. Пускатель предназначен для бесконтактного управления электрическим исполнительным механизмом. ПБР-3А содержит устройство, обеспечивающее защиту трехфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от перегрузки.

Выбор исполнительного механизма.

Вместо МЭО -250/25 -0,25P, включаем в нашу систему исполнительный механизм типа МЭОФ-100/10−0,25−97К, имеющим наименьший номинальный полный ход выходного вала равный 10 оборотов.

Замена приведёт:

1) к лучшему функционированию в целом;

2) к увеличению долговечности (до15 лет) ;

3) к увеличению работоспособности;

4) к повышению надёжности;

5) к быстродействию.

Этот более современный исполнительный механизм, обладает более лучшими характеристиками (Таблица 7) по сравнению с прежде установленным.

Таблица 7

Принцип работы механизмов заключается в преобразовании электрического командного сигнала во вращательные перемещения выходного органа.

Механизмы МЭОФ, в системах автоматического регулирования, предназначены для перемещения рабочих органов запорно-регулирующей трубопроводной арматуры поворотного принципа действия (шаровые и пробковые краны, поворотные дисковые затворы, заслонки и пр.) технологическими процессами различных отраслей промышленности руководствуясь командными сигналами, поступающими от регулирующих или управляющих устройств.

Основные функции выполняемые исполнительным механизмом:

· позиционирование рабочего органа трубопроводной арматуры в любом промежуточном положении;

· автоматическое, дистанционное или ручное открытие/закрытие трубопроводной арматуры;

· автоматический и дистанционный останов рабочего органа арматуры в любом промежуточном положении;

· формирование информационного сигнала о конечных и промежуточных положениях рабочего органа арматуры и динамике его перемещения;

Механизмы состоят из следующих основных частей: редуктора, электродвигателя, блока сигнализации положения, ручного привода.

Существует два способа управления этими механизмами:

1)Бесконтактное управление. Оно осуществляется с помощью пускателей ПБР-3А, ПБР-2М или трехпозиционных тиристорных усилителей ФЦ.

2)Контактное управление. Оно осуществляется с помощью электромагнитных пускателей.

Выбор регулирующего органа

В качестве регулирующего органа выбрали клапан серии Q-Top5 фирмы NELES-JAMESBURY.

Клапан с верхним эксплуатационным входом и с регулирующим элементом Q-TRIM, снижающим шум и кавитацию, где перфорированные пластины позволяют регулировать потоки в очень широком диапозоне расходов, даже очень загрязненных сред.

Одно из достоинств этого клапана это то, что номинальные размеры клапанов Q-T5, включая фланцы, соответствуют размерам плунжерных клапанов и стандартам ANSI, что позволяет им быть взаимозаменяемыми. Используются для регулирования потоков жидких углеводородов, газов, пара и воды.

Размеры DN 40−400

Температура среды −200…+600?С Давление 25 кPа Материалы Углеродистая сталь

6. Выбор структуры регулятора

Для решения задач регулирования используется регулирующая модель контроллера (рис 4). В каждом контроллере можно реализовать до четырех независимых или взаимосвязанных контуров регулирования. В каждом контуре регуляторы могут быть одного или разных типов, никаких ограничений на сочетание видов регулятора не накладывается .

При построении регуляторов чаще всего используются следующие алгоритмы:

ЗДН — задание;

РИМ — регулирование импульсное;

РАН — регулирование аналоговое;

РУЧ — ручное управление;

ВАА, ВАБ — ввод аналоговый группы, А и (или) Б;

ОКО — оперативный контроль контура регулирования;

ИВА, ИВБ — импульсный вывод группы, А и (или) Б;

АВА, АВБ — аналоговый вывод группы, А и (или) Б;

ЗДН — алгоритм, формирующий сигнал задания. Этот алгоритм снабжен также переключателем вида задания, с помощью которого можно выбирать один из трех видов задания: ручное, программное или внешнее. При ручном задании сигнал задания устанавливается оператором вручную; при программном задании изменяется во времени по заданной программе (этом дополнительно используются алгоритмы программного задания ПРЗ); при внешнем задании сигнал задания либо формируется внутри контроллера с помощью других алгоритмов, либо поступает извне через цепи аналогового входа, либо поступает, извне по сети «Транзит».

РИМ — это «ядро» импульсного регулятора. Алгоритм используется при построении ПИД регулятора, работающего в комплекте с исполнительным механизмом постоянной скорости. Помимо формирования закона регулирования, в алгоритме вычисляется сигнал рассогласования, этот сигнал, фильтруется, вводится зона нечувствительности. Алгоритм как правило применяется в сочетании с алгоритмом импульсного вывода ИВА (ИВБ), который преобразует выходной аналоговый сигнал алгоритма РИМ в последовательность импульсов; управляющих исполнительным механизмом. Алгоритм содержит узел настройки, позволяющий автоматизировать процесс настройки регулятора.

РУЧ — алгоритм, с помощью которого регулятор из автоматического режима можно перевести на режим ручного или дистанционного управления. В ручном режиме алгоритм РУЧ позволяет управлять исполнительным механизмом вручную, при дистанционном управлении сигнал, управляющий исполнительным механизмом, может либо формироваться какими — алгоритмами (основного ПИ) внутри контроллера, либо поступать извне через аналоговые входы контроллера, либо поступать извне по сети Транзит .

Алгоритм ОКО выполняет двойную функцию. С одной стороны, он позволяет передать команды, поступающие от клавиш лицевой панели, алгоритмам оперативного управления и, с другой, — всю оперативную информацию вывести на индикаторы расположенные, на лицевой панели контроллера. Алгоритм ОКО необходимо задействовать для того чтобы алгоритмы оперативного управления — ЗДН, РУЧ — выполняли свои функции. С помощью специальной группы алгоритмов ввода — вывода организуется связь регулятора с внешними цепями контроллера — датчиками и исполнительными механизмами.

Аналоговые сигналы вводятся в контроллер с помощью АЦП, однако, для того, чтобы «подключиться» к этим сигналам, необходимо задействовать алгоритмы ввода аналогового сигнала: ВАА для группы, А и (или) ВАБ для группы Б. В этих алгоритмах производиться калибровка аналогового сигнала. При калибровке путем смещения корректируется «нуль», а путем масштабирования — диапазон изменения входного сигнала. Выходные сигналы алгоритма ВАА представляют собой аналоговые сигналы, которые поступают на вход контроллера.

Сигналы на аналоговом выходе контроллера формируются аналогично. Для этого используются алгоритмы аналогового вывода АВА (группа, А) и (или) АВБ (Б). В этих алгоритмах также корректируется «нуль» и диапазон изменения выходного сигнала. Поступление выходных сигналов импульсного регулятора на исполнительный механизм происходит через дискретные выходные цепи контроллера. Однако на выходе алгоритма РИМ формируется не дискретный, а аналоговый сигнал. Поэтому этот сигнал необходимо преобразовать в импульсную форму, что выполняется с помощью алгоритма импульсного вывода ИВА для группы, А и (или) ИВБ для группы Б. В алгоритме ИВА устанавливается минимальная длительность импульса, поступающего на дискретный выход контроллера, также в нем указывается, какой по номеру контур обслуживается каждым каналом алгоритма (необходимо для того, чтобы задействовать индикаторы «меньше» — «больше» на лицевой панели контроллера)

Блок ручного управления (БРУ)

Осуществляет: ручное или дистанционное переключение и автоматический режим управления на ручной и обратно; световую сигнализацию положения цепей (БРУ — 22); кнопочное управления интегрирующими исполнительными устройствами; световую индикацию выходного сигнала регулирующего устройства с импульсным выходным сигналом; определение положения регулирующего органа по сигналу 0−5мА или 0−10 В от ЭИМ (БРУ-32) (рис 5);

Алгоритм используется для управления и контроля за аналоговыми сигналами. Алгоритм применяется в сочетании с алгоритмом ОКД и совместно с ним позволяет переключать цепь внешнего аналогов сигнала на ручной задатчик и изменять сигнал этого задатчика вручную с помощью клавиш лицевой панели контроллера.

7. Организация безударных переходов САУ

По заданию преподавателя в данном проекте необходимо организовать безударный переход при отступлении к последнему значению управляющего сигнала.

Организация безударного перехода нужна для обеспечения надежности системы регулирования уровня в барабане котла. Эту задачу можно решить подключив к системе регулирования второй регулятор Р-130, соединив их между собой сетью «Транзит». Данный вариант организации безударного перехода обеспечивает более надежное регулирование, чем использование второго РИМа.

Сеть «Транзит» предназначена для обмена информацией между алгоблоками, находящимися в разных контролерах. Сетевое взаимодействие осуществляется посредством библиотечных алгоритмов:

ИНВ — интерфейсный вывод ВИН — ввод интерфейсный.

Без этих алгоритмов алгоблоки разных контролеров взаимодействовать не могут.

Для организации обмена данными, в процессе технологического программирования, сигналы (данные) алгоблоков, подлежащие передаче другим контроллерам, связываются с входами алгоритма ИНВ, а данные для алгоблоков, которые предполагается получить из сети связываются с выходами алгоритма ВИН, соответствующих контроллеров.

Помимо базовых алгоблоков ИВА, ВАА, ОКО, РУЧ, РИМ, ЗДН и библиотечных алгоритмов ВИН и ИНВ, используем алгоритм ФИЛ для снижения уровня помех на линиях от ВАА, а алгоблок ПОР для контроля за выходом сигнала или разности двух сигналов из ограниченной справа области допустимых значений. Каждый алгоритм может содержать несколько (до 20) независимых пороговых элементов. На выход алгоритма ПОР подключаем АВР. Этот алгоритм позволяет алгоритмическими средствами сформировать два независимых сигнала на аварийных выходах контроллера: на выход «отказ» и на выходе «отключение интерфейса». Алгоритм применяется в тех случаях, когда какая-либо ситуация (т.е. появление каких-либо сигналов, поступивших извне или сформированных внутри контроллера) должна рассматриваться как аварийная, либо как сигнал о том, что следует заблокировать связь контроллера с абонентами по интерфейсному каналу. Алгоритм позволяет также выявить наличие короткого замыкания на дискретных или импульсных выходах контроллера.

Рис 6 Схема безударного перехода

8. Разработка технической структуры САУ

САУ работой котла ДКВР-6,5/13 строится на базе технических средств контроллера Ремиконт Р-130 и состоит из отдельных блочных модулей.

Сигнал с датчика поступает на модуль ввода МАС (модуль аналоговых сигналов) контроллера Ремиконт Р-130.Помимо этого сигнала на Ремиконт поступает сигнал с датчика положения исполнительного механизма. Сигнал с датчика сравнивается со значением установленного сигнала задания, в результате чего на выходе с модуля МСД (модуль сигналов дискретных) формируется электрический унифицированный сигнал (4−20 mA). Сигнал с Ремиконт Р-130 поступает на БРУ и далее на ПБР (пускатель бесконтактный реверсивный), где происходит его усиление. В дальнейшем сигнал идет на исполнительный механизм, который приводит в движение рабочий орган. (Поворотный регулирующий клапан серии Q-Top5 фирмы NELES-JAMESBURY).

Техническая структура разрабатываемой САУ представлена на рисунке 7.

Рис. 7 Схема технической структуры САУ

9. Разработка электрической схемы САУ

Принципиальная электрическая схема предназначена для отображения состава элементов и связей между ними и дает представление о работе системы во всех режимах управления.

Данная электрическая схема выполняется без соблюдения масштаба.

Приборы на схеме показываются упрощенно в виде прямоугольников, внутри которых записываются буквенное обозначение и марка прибора. Данное замечание справедливо для всех частей схемы кроме исполнительных механизмов и регулирующих органов.

Графическое обозначение приборов и линий соединения выполняется линиями одинаковой толщины.