Автоматизация блочно-модульной водогрейной котельной
Автор: Травникова Марина Андреевна 841-об
В докладе показана и обоснована целесообразность применения блочно-модульных котельных с системой автоматизированного управления на технологическим процессом. Автоматизация процесса управления реализована на базе модульной концепции на двух уровнях. Нижний уровень системы управления построен на программируемых логических контроллерах Siemens S7-200 с программированием на языке STEP 7 c человеко-машинным интерфейсом на базе Simatic WinCC flexible. Верхний уровень системы управления реализуется посредством SCADA-системы на персональном компьютере.
Развитие технологии автоматизации производственных процессов привело к тому, что современная котельная представляет целую совокупность разнообразнейших технических приспособлений, предназначенных для контроля и управления рядом физических процессов, общей целью которых является преобразование потенциальной энергии сжигаемого топлива в тепловую энергию и передача ее потребителю. К таким процессам относятся сжигание и подача топлива, которым может быть как газ, так и мазут или дизельное топливо; нагрев и транспортировка теплоносителя, которым может быть как пар, так и вода, удаление продуктов сгорания. Необходимо иметь устройства, автоматически прекращающие подачу топлива к горелкам при следующих ситуациях:
• повышении или понижении давления газообразного топлива перед горелками;
• понижении давления жидкого топлива перед горелками, кроме котлов, оборудованных ротационными горелками;
• понижении давления воздуха перед горелками для котлов, оборудованных горелками с принудительной подачей воздуха;
• уменьшении разрежения в топке;
• погашении факелов горелок, отключение которых при работе котла не допускается:
• повышении температуры воды на выходе из котла;
• повышении или понижении давления воды на выходе из котла;
• уменьшении расхода воды через котел;
• неисправности цепей защиты, включая исчезновение напряжения, только для котельных второй категории.
По согласованию с заказчиком данный перечень дополняется в каждом отдельном случае, в частности, практически всегда является обязательным устройство охранно-пожарной сигнализации и датчиков загазованности помещения оксидом углерода (СО) и метаном (СН4).
Краткая характеристика технологического процесса
Процесс управления котельной заключается в следующем: контроль вышеупомянутых параметров и приведение в действие электромагнитных клапанов безопасности при их аварийных значениях, регулирование температуры воды в подающем трубопроводе в зависимости от температуры наружного воздуха посредствам управляемого электроприводом клапана, регулирование объема сжигаемого топлива в зависимости от количества передаваемого тепла.
Система централизованного контроля
Исходя из целей обеспечения высокого качества воспроизводимого теплоносителя, надежного функционирования технологического оборудования и повышения экономических показателей, была разработана система централизованного контроля котельной. Для этого была разработана SCADA-система.
Основными задачами системы централизованного контроля являются:
• мониторинг технологических параметров работы блочно-модульных котельных;
• автоматическое управление исполнительными механизмами при изменении количества потребляемой энергии и аварийных ситуациях;
• передача данных о состоянии протекающих процессов в котельной на компьютер в помещении оператора;
• возможность формирования на сервере базы данных с параметрами протекающих процессов;
• выдача данных о технологических параметрах текущего процесса выработки тепла на экране отображающего устройства - сенсорной панели, установленной непосредственно в щите автоматики котельной;
• передача предупредительных сигналов при возникновении предаварийных ситуаций;
• возможность выполнения всех вышеперечисленных функций одновременно на нескольких объектах под контролем всего одного диспетчера без снижения критериев качества.
Модульная концепция построения системы
Современные тенденции развития производства предполагают модульную концепцию построения системы, которая реализуется следующим образом.
Нижний уровень системы спроектирован так, что в каждом блок-боксе устанавливается свой щит управления, в котором размещается контроллер, средства визуализации и управления, коммутационная аппаратура. Таким образом, процесс управления оборудованием внутри одного блок-бокса может осуществляться автономно. Подавляющая часть прокладки силовых и контрольных проводников осуществляется в пределах данного блок-бокса, что позволяет сделать это непосредственно на предприятии - изготовителе котельной. За счет этого транспортировать котельную можно с подключенным оборудованием, что также позволяет значительно снизить затраты на командировочные расходы электромонтажников. Близость размещения управляющей аппаратуры к средствам измерения и электродвигателям обуславливает экономию силовых и контрольных кабелей, а также затраты на их прокладку. При попытке реализации модульной концепции системы управления с единым пультом или щитом неизбежно возникновение клеммных коробок на стыке блок-боксов, что значительно снижает надежность данной системы. Наличие идентичных щитов управления позволяет использовать при необходимости их частичную аппаратную и программную взаимозаменяемость, что также позитивно сказывается на качестве процесса управления.
Верхний уровень системы управления реализуется посредствам SCADA-системы. Дистанционно осуществляется управление рядом котельных, создание архивов, аварийная сигнализация. В той или иной степени процесс управления различными котельными совпадает, что позволяет копировать участки уже отработанной программы. При определенной доработке монитор реального времени диспетчерского пункта может быть установлен на нескольких компьютерах или размещен в интернете, что также обеспечит его взаимозаменяемость. Управление рядом котельных из одной точки позволяет значительно снизить затраты на заработную плату обслуживающего персонала, так как один диспетчер может контролировать параметры работы множества объектов, имея в своем распоряжении один компьютер, коммуникационный аппарат, специализированное программное обеспечение.
Аппаратная реализация системы
Рассмотрим аппаратную реализацию системы управления блочно-модульными котельными на примере одной паро-водогрейной котельной, выработка горячей воды систем отопления и горячего водоснабжения которой, а также пара производится при помощи водогрейных КВ-Г и паровых котлов ICI AX-200, оснащенных различным вспомогательным оборудованием и средствами автоматизации.
Система централизованного управления блочно-модульной котельной построена на базе промышленных программируемых контролеров Siemens серии S7-200, является распределенной и состоит из нескольких подсистем. Щит управления водогрейным котлом №1 управляет вспомогательным оборудованием водогрейного котла №1, электродвигателями, приводами, анализирует показания датчиков, расположенных в данном блок-боксе; щит управления водогрейным котлом №2 выполняет аналогичные функции для водогрейного котла №2; щит управления водогрейным котлом №3 - аналогичные функции для водогрейного котла №3 и, кроме того, дистанционную передачу сигналов посредствам GSM (GPRS)-модема. Щит автоматики осуществляет координацию работы двух паровых котлов и визуализацию параметров работы всей котельной на сенсорной панели; щиты управления паровыми котлами №1 и №2 поставляются комплектно с котлами и отвечают за управление оборудования, входящего в комплект поставки котла, имеют в своем составе ПЛК. Связь подсистем осуществляется по протоколу RS-485. Выбор протокола передачи данных был обусловлен длиной кабеля, соединяющего щиты управления (не превышает 30 м), а также наличием 2-х встроенных в контроллер портов RS-485.
Кроме того, каждый котел укомплектован газо-горелочным устройством фирмы Unigas, которое, в свою очередь, оснащено встроенными менеджерами горения, представляющими собой микропроцессорный блок с фиксированной логикой. Основная функция менеджера горения заключается в выполнении локальной задачи автоматизации - процесса сжигания топлива. Для того чтобы процесс сжигания газа был безопасным и рациональным, менеджеру горения необходимо осуществлять следующий перечень управляющих воздействий: регулирование соотношения сжигаемой газо-воздушной смеси, в том числе управление приводом газового дросселя, регулирование частоты вращения дутьевого воздушного вентилятора; контроль давления газа, контроль давления воздуха, контроль пламени запальника, контроль герметичности газовых клапанов, осуществление циклов продувки и розжига горелки, измерение температуры воды после котла и поддержание ее постоянного значения при помощи регулирования мощности горелки.
Контроллер, находящийся в щите, собирает данные со всех датчиков, обрабатывает их, сохраняет в блоке данных для последующей передачи в базу данных. Нижний уровень аппаратуры управления представлен датчиками температуры горячей воды; датчиком температуры пара в паропроводе и окружающем воздухе (термопреобразователи сопротивления Pt100), датчиками температуры дымовых газов, (термосопротивление Pt500), датчиками давления воды с аналоговым сигналом, с дискретным сигналом; давления газа, давления пара, датчиками уровня жидкости.
Применяемые программные средства
Программирование контроллера производится с помощью программного пакета STEP 7 v.5.3. Система централизованного контроля использует SCADA-систему MasterScada, которая в силу своей абсолютной открытости легко взаимодействует со стандартными и пользовательскими программами, решает задачи визуализации.
Система диспетчеризации осуществляет информационное обеспечение оперативного персонала специалистов и руководителей, позволяет своевременно предупреждать и выявлять аварийные ситуации, обеспечивает формирование отчетных документов непосредственно на рабочих местах специалистов, снизить количество обслуживающего персонала и соответственно затраты на его содержание.
Результаты внедрения АСУ ТП в блочно-модульных котельных
В данной работе были реализованы две концепции построения систем автоматизации, отвечающие современным тенденциям развития данной отрасли производства. Это концепция централизованного контроля информации и концепция модульного построения системы.
При внедрении концепции централизованного контроля информации были получены следующие преимущества:
• повышение надежности работы котельных за счет улучшения оперативности обработки информации, поступающей из котельных;
• возможность протоколирования и архивирования информации, анализа работы операторов и оборудования, разбора аварийных ситуаций на основании архивных данных;
• улучшение условий труда обслуживающего персонала;
• снижение затрат на энергоносители при оптимальном регулировании поддерживаемых параметров;
• снижение эксплуатационных затрат и сокращение обслуживающего персонала;
• возможность установки и с необходимой точностью поддержания требуемой температуры воды, что позволило повысить качество продукции.
Относительно модульной концепции построения системы можно сказать, что размещение локальной коммутационной и управляющей аппаратуры в пределах одного блок-бокса позволило получить следующие преимущества:
• снижение затрат на монтаж контрольных и силовых проводников;
• возможность производить подключение оборудования непосредственно на заводе-производителе блочно-модульной котельной, что позволяет транспортировать котельную с более высокой степенью готовности до места назначения;
• повышение надежности работы котельной за счет внедрения в систему управления надежных и взаимозаменяемых комплектующих.
