Модернизация системы управления на базе контроллера SIMATIC S7 фирмы Siemens

дипломная работа

-разработка программы для автоматической работы водогрейной котельной в среде разработки STEP 7.

1. Технология котельной

1.1 Общая характеристика процесса

Проектируемая САЭ предназначена для обеспечения автономной безопасной работы блочно-модульной котельной, для автоматического пуска, работы и останова узлов и агрегатов в соответствии с заложенной программой. САЭ должна обеспечивать непрерывную работу котельной без присутствия обслуживающего персонала, производить автоматическое включение резерва, производить погодозависимое регулирование отдачи тепла, осуществлять контроль и защиту технологического оборудования по заданным параметрам, обеспечивать хранение архива событий и параметров заданной глубины. Защитное и коммутационное оборудование САЭ должно обеспечивать защиту электрооборудования, обеспечивающую его сохранность при перегрузках, коротком замыкании, утечках, а также аварийное включение резервного фидера при исчезновении питания на основном.

Структура производства приведена на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Структура производства

1.2 Физико-химические основы процессов производства

Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной, являются:

- процесс горения топлива;

- процесс теплообмена между продуктами сгорания или самим горящим топливом с водой;

- процесс нагрева воды.

Во время работы в котлоагрегатах образуются два взаимодействующих друг с другом потока: поток рабочего тела и поток образующегося в топке теплоносителя [1].

В результате этого взаимодействия на выходе объекта получается горячая вода заданного давления и температуры.

Процессы нагрева воды и передачи энергии в котлоагрегате однозначно связаны с количеством вещества в потоках рабочего тела и теплоносителя. Горение топлива является сложным физико-химическим процессом. Химическая сторона горения представляет собой процесс окисления его горючих элементов кислородом, проходящий при определенной температуре и сопровождающийся выделением тепла. Интенсивность горения, а так же экономичность и устойчивость процесса горения топлива зависят от способа подвода и распределения воздуха между частицами топлива. Условно принято процесс сжигания топлива делить на три стадии: зажигание, горение и дожигание. Эти стадии в основном протекают последовательно во времени, частично накладываются одна на другую.

Расчет процесса горения обычно сводится к определению количества воздуха в м3, необходимого для сгорания единицы массы или объема топлива количества и состава теплового баланса и определению температуры горения. водогрейная котельная контроллер технологический

Процесс теплообмена в котле идет через водогазонепроницаемые теплопроводные стенки, называющиеся поверхностью нагрева. Поверхности нагрева выполняются в виде труб. Внутри труб происходит непрерывная циркуляция воды, а снаружи они омываются горячими топочными газами или воспринимают тепловую энергию лучеиспусканием. Таким образом, в котлоагрегате имеют место все виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Соответственно поверхность нагрева подразделяется на конвективные и радиационные. Количество тепла, передаваемое через единицу площади нагрева в единицу времени носит название теплового напряжения поверхности нагрева. Это напряжение ограничена, во-первых, свойствами материала поверхности нагрева, во-вторых, максимально возможной интенсивностью теплопередачи от горячего теплоносителя к поверхности, от поверхности нагрева к холодному теплоносителю.

Интенсивность коэффициента теплопередачи тем выше, чем выше разность температур теплоносителей, скорость их перемещения относительно поверхности нагрева и чем выше чистота поверхности.

Основные факторы, влияющие на процесс теплообмена:

- площадь поверхности теплообмена;

- коэффициент теплопроводности;

- разность температур;

- количество пластин в теплообменнике.

1.2.1 Описание схемы технологического процесса

В схеме котельной можно выделить три контура.

Котловой контур состоит из трех водогрейных котлов, два их которых являются основными с номинальной мощностью 1040 кВт, а один резервный с номинальной мощностью 360 кВт, установленных параллельно, котловых насосов, производительностью 60 м3/ч и 21 м3/ч и термогидравлического разделителя.

Термогидравлический разделитель - это вертикальная перемычка с диаметром, превышающим диаметр коллекторов в 3-5 раз, где за счет низких скоростей происходит эффективный теплообмен, причем этот узел позволяет разделить контуры регулирования и сделать их «независимыми». Оптимальный режим, благоприятный для оборудования, при котором достигается наивысший КПД создается, если в котловом контуре поддерживается температура около 90-95°С. На теплообменник температура регулируется в зависимости от разницы между температурным графиком подачи теплотрассы, зависящим от температуры наружного воздуха, и фактической температурой подачи теплотрассы.

В данном контуре вода подогревается до нужной температуры в зависимости от температуры на улице и далее попадает во второй контур.

Контур теплообменников состоит из пластинчатых теплообменников и двух насосов (рисунок 1.2).

1 - неподвижная плита с присоединительными патрубками; 2 - задняя прижимная плита; 3 - теплообменные пластины с уплотнительными прокладками; 4 - верхняя направляющая; 5 - нижняя направляющая.; 6 - задняя стойка; 7 - комплект резьбовых шпилек

Рисунок 1.2 - Строение теплообменника

Пластинчатый теплообменник - это устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодной (нагреваемой) среде через стальные гофрированные пластины, которые установлены в раму и стянуты в пакет [2].

Такая конструкция теплообменника обеспечивает эффективную компоновку теплообменной поверхности и, соответственно, малые габариты самого аппарата.

Все пластины в пакете одинаковы, только развернуты одна за другой на 180°C, поэтому при стягивании пакета пластин образуются каналы, по которым и протекают жидкости, участвующие в теплообмене. Такая установка пластин обеспечивает чередование горячих и холодных каналов.

В процессе теплообмена жидкости движутся навстречу друг другу (в противотоке). В местах их возможного перетекания находится либо стальная пластина, либо двойное резиновое уплотнение, что практически исключает смешение жидкостей (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Направление потоков в теплообменнике

Вид гофрирования пластин и их количество, устанавливаемое в раму, зависят от эксплуатационных требований к пластинчатому теплообменнику. Материал, из которого изготавливаются пластины, может быть различным: от недорогой нержавеющей стали до различных сплавов, способных работать с агрессивными жидкостями.

Материалы для изготовления уплотнительных прокладок также различаются в зависимости от условий применения пластинчатых теплообменников. Обычно используются различные полимеры на основе натуральных или синтетических каучуков.

Вода, нагретая в котлах, попадает в теплообменники и в зависимости от интенсивности работы насосов второго контура, производительностью 60 м3/ч, которая задается ПИД - регулятором, происходит нагрев воды в третьем контуре.

Третий контур состоит из теплообменников, мощностью 894400 ккал/час, теплотрассы и сетевых насосов, производительностью 60 м3/ч. Вода третьего контура, нагретая в теплообменниках, проходит по теплотрассе и попадает к потребителю. Циркуляция воды в третьем контуре обеспечивается непрерывной работой одного из двух сетевых насосов.

1.3 Характеристики исходного сырья, материалов, полуфабрикатов и продуктов

Топливом для котельной является природный газ.

Газ, поступающий из скважин, необходимо подготовить к транспортировке конечному пользователю - котельной. Необходимость подготовки газа вызвана присутствием в нём кроме целевых компонентов примесей, вызывающих затруднения при транспортировке либо применении. Так, пары воды, содержащейся в газе, при определенных условиях могут образовывать гидраты или, конденсируясь, скапливаться в различных местах (изгиб трубопровода, например), мешая продвижению газа; сероводород вызывает сильную коррозию газового оборудования (трубы, ёмкости теплообменников и т. д.).

Газ подготавливают по различным схемам. Согласно одной из них, в непосредственной близости от месторождения сооружается установка комплексной подготовки газа (УКПГ), на котором производится очистка и осушка газа.

Если газ содержит в большом количестве гелий либо сероводород, то газ обрабатывают на газоперерабатывающем заводе, где выделяют гелий и серу.

Ориентировочные физические характеристики:

- плотность ? = 0,7 кг/м? (сухой газообразный) либо 400 кг/м? (жидкий);

- температура возгорания t = 650 °C;

-теплота сгорания 16 - 35 МДж/м? (для газообразного).

Качество подпиточной и сетевой воды должны соответствовать требованиям «Правил технической эксплуатации коммунальных тепловых котельных» [1]. Качество питательной воды паровых котлов должно удовлетворять нормам, представленным в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Нормы питательной воды

Показатель

Рабочее давление, МПа (кгс/см?)

0,9 (9)

1,4 (14)

2,4 (44)

4 (40)

Прозрачность по шрифту не менее, м

0,3

0,4

0,4

0,4

Общая жесткость, мкг-экв/кг

30*

------

40

15*

------

20

10*

------

15

5*

------

10

Содержание соединений железа (в пересчете на Fе), мкг/кг

Не

нормируется

300

------------

Не нормируется

100

------

200

50

------

100

Содержание растворенного кислорода (для котлов с паропроизводительностью 2 т/ч и более), мкг/кг

50

------

100

30

-----

50

20

-----

50

20

-----

30

Значение рН при 25° С

8,510,5

Содержание нефтепродуктов, мкг/кг

5

3

3

0,5

Качество сетевой воды и подпиточной воды водогрейных котлов должно удовлетворять требованиям, представленным в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Требования к качеству воды

Показатель

Система теплоснабжения

открытая

закрытая

Температура сетевой воды, °С

115

150

115

150

Прозрачность по шрифту не менее, м

0,4

0,4

0,4

0,3

Карбонатная жесткость при рН:

не более 8,5

800

------

700

750

------

600

800

------

700

750

------

600

более 8,5

Не допускается

По расчету ОСТ 108.030.47-81

Содержание растворенного кислорода, мкг/кг

50

30

50

30

Содержание соединений железа (в пересчете на Fе), мкг/кг

300

300

-------250

600

------500

500

------

400

Значение рН при 25 °С

От 7,0 до 8,5

От 7,0 до 11,0

Содержание нефтепродуктов, мг/кг

-

1,0

-

2. Патентная проработка

2.1 Направление и обоснование предмета поиска

В данном дипломном проекте рассматривается автоматизация котельной предприятия ОАО «Туймазытехуглерод». Автоматизация осуществляется с помощью технических средств автоматизации. Они должны обеспечить нормальное прохождение технологических процессов котельной, а также обеспечить сигнализацию аварийных ситуаций. Основным параметром безопасности являются контроль воздушной среды газоанализаторами, поэтому патентные исследования проводились для применяемого газоанализатора Polytron IR - Тип 334 работающего на принципе поглощения инфракрасного излучения.

2.2 Регламент патентного поиска

Патентный поиск проводился с использованием фондов УГНТУ по источникам патентной документации Российской Федерации. Глубина патентного поиска пять лет (2007-2011 гг.). Поиск проводился по индексам международной классификации измерении (МПК) G 01N 21/61 «Исследование или анализ материалов с помощью оптических средств, т.е. с использованием инфракрасного излучения».

При этом были использованы следующие источники патентной информации:

- документы справочно-поискового аппарата;

- полные описания к патентам Российской Федерации;

- официальный бюллетень комитета Российской Федерации по патентным и товарным знакам «Изобретения. Полезные модели».

2.3 Результаты патентного поиска

Результаты просмотра источников патентной информации приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты патентного поиска

Страна

Индекс МПК

Номера просмотренных патентов

Выявленные аналоги

Россия

G 01N 21/61

№№ 2299423-2421709

№ 2299423 «Оптико-электронный спектральный газоанализатор»

№ 2299424 «Оптико-электронный спектральный газоанализатор»

№ 2395799 «Газоанализатор угарного газа»

№ 2420732 «Газоанализатор»

№ 2421709 «Оптический абсорбционный газоанализатор»

2.4 Анализ результатов патентного поиска

Анализ патентных исследований позволяет дать оценку некоторым устройствам, найденным в результате проведенных патентных исследований.

Рассмотрим более подробно аналоги, приведенные в таблице 2.1.

Изобретение по патенту № 2299423 относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, двигателей внутреннего сгорания, а также для контроля качества парфюмерных изделий. Устройство содержит блок питания, к выходу которого подсоединены осветительный элемент, быстрый фотозатвор входного пучка, быстрый фотозатвор выходного пучка, блок детекторов и многоканальный усилитель, а к входу присоединен блок управления через цифроаналоговый преобразователь, к оптической кювете последовательно присоединены элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, быстрый фотозатвор выходного пучка, оптическая система, содержащая спектральные окна, блок детекторов, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок управления. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и повышение разрешающей способности за счет обеспечения возможности анализа спектров испускания.

Изобретение по патенту № 2299424 относится к технике газового анализа и может быть использовано для определения качественного и количественного состава газовых смесей, образуемых в результате жизнедеятельности организмов или выделяемых в процессе работы различных устройств, двигателей внутреннего сгорания, а также для контроля качества парфюмерных изделий. Устройство содержит блок питания, к выходу которого подсоединены осветительный элемент, быстрый фотозатвор входного пучка, быстрый фотозатвор выходного пучка, блок детекторов, многоканальный усилитель, а к входу присоединен блок управления, через цифроаналоговый преобразователь; оптическую кювету, к которой последовательно присоединены быстрый фотозатвор выходного пучка, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, оптическая система, фотоприемник, многоканальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, при этом осветительный элемент, быстрый фотозатвор входного пучка и оптическая кювета расположены на одной оптической оси; а оптическая кювета, быстрый фотозатвор выходного пучка, элемент для формирования спектрального разложения анализируемого сигнала, оптическая система, блок детекторов расположены на другой оптической оси. Оптическая система содержит спектральные окна от 1 до n для передачи анализируемого сигнала на фотоприемник, выполненный в виде блока детекторов, содержащего от 1 до ... n детекторов, позволяющий по отдельности регистрировать и преобразовывать испускаемый оптический сигнал в каждом заранее заданном спектральном диапазоне. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и повышение разрешающей способности.

Изобретение по патенту № 2395799 относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Датчик содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки теллурида цинка, легированного антимонидом галлия. Подложкой служит электродная площадка пьезокварцевого резонатора. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности датчика и технологичности его изготовления.

Изобретение по патенту № 2420732 относится к машиностроению, в частности к устройствам систем безопасности. Газоанализатор содержит корпус воздухозаборного устройства, в котором расположен гофрированный резиновый сильфон 9 с двумя фланцами и стакан 10 с пружиной, а во внутренних гофрах сильфона установлены распорные кольца для придания ему жесткости и сохранения постоянного объема, шток 7 для сжатия сильфона, фиксатор 5 со стопором, при этом на верхней плите корпуса имеется неподвижная втулка для направления штока при сжатии сильфона, причем на штуцер 2 с внутренней стороны надета резиновая трубка, которая через нижний фланец соединяется с внутренней полостью сильфона, а к противоположному свободному ее концу подсоединена индикаторная трубка, на цилиндрической поверхности штока 7 сделаны четыре продольные канавки с двумя углублениями, предназначенными для фиксации двух положений штока стопором, причем расстояние между углублениями на канавках подобрано таким образом, чтобы при ходе штока от одного углубления до другого сильфон забирал заданный объем исследуемого воздуха. Достигается повышение эффективности, быстродействия и надежности срабатывания системы.

Изобретение по патенту № 2421709 относится к области измерительной техники и может быть использовано для количественного определения концентрации отдельных компонентов в многокомпонентных газовых смесях.

Газоанализатор содержит источник лазерного излучения с устройством разделения лучистого потока на два одинаковых пучка, камеру для анализируемой смеси и приемник рабочего канала, последовательно расположенные на пути прохождения одного пучка; камеру с «нулевым» газом и приемник сравнительного канала, расположенные на пути другого пучка. Приемники, расположенные на пути двух раздельных лучей, выполнены в виде идентичных металлических пластин, изготовленных из сплава, претерпевающего мартенситное превращение в заданном интервале температур измерения, размещенных на диэлектрических подложках с малым коэффициентом теплопроводности, и соединенных с соответствующими входами устройства измерения электросопротивления, сопряженного с блоком управления, приема и обработки данных. Изобретение расширяет спектральный диапазон газоанализатора в сторону длинноволновой области и повышает его надежность.

Патентные исследования показали, что существующие на сегодняшний день инфракрасные газоанализаторы разнообразны по своему устройству и обладают как достоинствами, так и недостатками.

Таким образом, проведенный патентный поиск показал целесообразность применения приборов, позволяющих определить концентрацию газа по поглощению инфракрасного излучения.

3. Автоматизация котельной

3.1 Анализ процесса как объекта автоматизации

Для оптимального хода процесса теплообмена некоторые его параметры требуется поддерживать постоянными, а некоторые - изменять по определенному закону. Одной из основных задач автоматического регулирования является постоянное изменение температуры в теплотрассе в зависимости от температуры окружающей среды для погодозависимого регулирования.

Основными факторами, влияющими на процесс теплообмена, являются: площадь поверхности теплообмена, коэффициент теплопроводности, разность температур, количество пластин в теплообменнике. Технологический режим теплообмена определяется в первую очередь работой самого теплообменника. Соответственно для управления процессом необходимо поддерживать давление, температуру в контурах и уровень жидкости в подпиточной ёмкости в заданных пределах.

В проекте предусматривается ведение процесса теплообмена с применением современной техники автоматического контроля и регулирования с целью максимального облегчения труда обслуживающего персонала, для обеспечения его нормальной работы и повышения безопасности и надёжности работы котельной, структурная схема АСУ ТП представлена на рисунке 3.1.

3.2 Функциональная схема автоматизации водогрейной котельной ОАО «Туймазытехуглерод»

Функциональная схема автоматизации водогрейной котельной ОАО «Туймазытехуглерод» представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.1 - Структурная схема АСУТП

Перечень средств КИП и А представлен в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Перечень средств КИП и А

Позиция

Наименование

Кол., шт.

1, 4, 6, 8, 24

Датчик давления АИР-10/Ех

5

EEx ia IICT6

2, 23, 25

Клапан регулирующий Samson SV72.4

3

EEx ia IICT6

3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 30

Заслонка отсечная Samson LTR43

8

EEx d IICT6

10, 12, 14

Датчик погасания пламени СПП 1.01.04

3

EEx ia IICT6

16, 18, 20, 26

Термометр сопротивления ТСМУ 0104/Ех

4

EEx ia IICT6

17, 19, 21, 27, 28

Привод частотный ABB ACS550

5

EEx d IICT6

22

Датчик уровня Foxboro 244LD

1

EEx ia IICT6

29

Датчик загазованности Polytron IP тип 334

1

EEx ia IICT6

31

Датчик перепада давления Foxboro IDP10

1

EEx ia IICT6

При ведении технологического режима необходимо контролировать параметры, представленные в таблицах 3.2 и 3.3.

Таблица 3.2 - Контролируемые параметры

Номер позиции

Наименование параметра

Температура

16

Температура воды на входе котла 1

18

Температура воды на входе котла 2

20

Температура воды на входе котла 3

26

Температура воды на выходе в теплосеть

Давление

1

Давление топливного газа

4

Давление воды на выходе котла 1

6

Давление воды на выходе котла 2

8

Давление воды на выходе котла 3

24

Давление воды на выходе в теплосеть

31

Перепад давления на фильтре

Таблица 3.3 - Регулируемые параметры

Номер позиции

Наименование параметра

Температура

16

Температура на выходе котла 1

18

Температура на выходе котла 2

20

Температура на выходе котла 3

Давление

1

Давление газа на входе в котельную

24

Давление воды на выходе в теплосеть

Уровень

2

Уровень в подпиточной емкости

Перечень блокировок представлен в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Перечень блокировок

№ сценария

Позиция

Условие

Действие

1

PISA 1-2

Давление топливного газа на входе P<Pmin

1) Закрытие задвижки SV3

2

PISA 4-2

Давление воды на входе в котел К1 P<Pmin

1) Закрытие задвижки SV5

3

PISA 6-2

Давление воды на входе в котел К2 P<Pmin

1) Закрытие задвижки SV7

4

PISA 8-2

Давление воды на входе в котел К3 P<Pmin

1) Закрытие задвижки SV9

5

BSA 10-2

Отсутствие пламени на горелке Г1

1) Закрытие задвижки SV11

6

BSA 12-2

Отсутствие пламени на горелке Г2

1) Закрытие задвижки SV13

7

BSA 14-2

Отсутствие пламени на горелке Г3

1) Закрытие задвижки SV15

8

QSA 29-2

Загазованность в помещении >50% НКПВ

1) Закрытие задвижки SV30

3.3 Параметры сигнализации и блокировки

В целях предотвращения аварийной ситуации в случае понижения давления топливного газа ниже порога срабатывания блокировки PISA1-3, закрывается отсекатель SV3 на общем трубопроводе воды в котлы К1, К2, К3.

В целях предотвращения прогара змеевиков в случае понижения давления воды на входе в котлы К1, К2, К3 ниже порога срабатывания блокировок PISA4-3, PISA6-3, PISA8-3 закрываются соответственно отсекатели SV5, SV7, SV9 на трубопроводах топливного газа в соответствующие котлы К1, К2, К3.

В случае срабатывания сигнализаторов отсутствия пламени BSA10-3, BSA12-3, BSA14-3 закрываются соответственно отсекатели SV11, SV13, SV15 на трубопроводах воды в соответствующие котлы К1, К2, К3.

В случае наличия углеводородного газа в помещении котельной свыше 50% НКПВ срабатывает блокировка QSA29-3 и закрывается отсекатель SV30 на общем трубопроводе топливного газа.

3.3.1 Блокировка котлов

Блокировка котлов происходит программно, DO контроллера «пуск горелки» (B1BURN_ON, B2BURN_ON, B3BURN_ON) не замыкается до тех пор, пока не будут устранены причины блокировки и сняты в меню. Блокировка происходит при:

- наличии сигнала «пожар в котельной» FIRE_A срабатывает сигнализация (HORN);

- снижении давления воды на выходе котла (B1OUT_P, B2OUT_P, B3OUT_P, поз. 4, поз. 6, поз. 8) ниже заданного (BOUT_P_1), включается звуковая сигнализация (HORN);

- повышении температуры теплоносителя на выходе (B1OUT_T, B2OUT_T, B3OUT_T, поз. 16, поз. 18, поз. 20) котлов выше 110°С и до тех пор, пока не снизится до заданной 105°С срабатывает звуковая сигнализация (HORN);

- повышении температуры воды на выходе в теплосеть до C1_T02_max=110°С (C1_T02, поз. 26), срабатывает звуковая сигнализация (HORN);

- отсутствии сигнала о том, что котловой насос набрал рабочее давление через заданное время после его включения, срабатывает звуковая сигнализация (HORN).

3.3.2 Запреты на пуск котлов

Котлы не запускаются, DO контроллера «пуск горелки» (B1BURN_ON, B2BURN_ON, B3BURN_ON) не замыкается до тех пор, пока есть запрет. Как только запрет снимется (неважно как, самостоятельно или с участием персонала), контроллер может замкнуть DO «пуск горелки» (B1BURN_ON, B2BURN_ON, B3BURN_ON). Флажки «котел заблокирован» не появляются. Перечень запретов:

- срабатывание датчика CH - CH_A_01;

- срабатывание второго порога датчика CO - CO_A_02;

- аварийное повышение давления газа на входе в котельную KG_P (поз. 1) до заданного KG_P_4, при этом срабатывает звуковая сигнализация (HORN), запрет и сигнализация работают до понижения давления до заданного KG_P_3;

- понижение давления газа на входе в котельную KG_P (поз. 1) до заданного KG_P_1, при этом срабатывает звуковая сигнализация (HORN) запрет и сигнализация работают до повышения давления до заданного KG_P_2;

- неисправность (сигнал ниже 4 мА или выше 20 мА) датчиков: давления газа на входе в котельную (поз. 1), температуры на выходе (поз. 16, поз. 18, поз. 20) каждого котла, давления на выходе котла (поз. 4, поз. 6, поз. 8);

- повышение давления воды в котле (B1OUT_P, B2OUT_P, B3OUT_P, поз. 4, поз. 6, поз. 8) выше заданного (BOUT_P_3), включается звуковая сигнализация (HORN), запрет и сигнализация работают до понижения давления до заданного BOUT_P_2.

По последним пунктам запрет на пуск только того котла, датчик которого неисправен.

Если в контроллер приходит сигнал «горелка авария» (B1BURN_ERR, B2BURN_ERR, B3BURN_ERR), то контроллер не подает сигнал на запуск горелки.

3.3.3 Сигнализация состояний

Температура воды на выходе в теплосеть: С2_T (поз. 26). Значение температуры регистрируется, и при достижении верхней (С2_T_max) или нижней (С2_T_min) уставки звучит сирена (HORN) и производится запись в архив тревог.

При повышении давления KIN_P (поз. 24) выше заданного (KIN_P_max) контроллер выдает сигнал DO «открыть клапан снижения давления» (VSPD_ON), включается звуковая сигнализация (HORN), и работают пока давление не снизится до заданного (KIN_P_1).

Информация об аварийном состоянии сетевых насосов формируется в контроллере, при отсутствии зайданного давления. При снижении давления ниже заданного, контроллер отключает насос и выдают на DI контроллера сигнал «авария сетевого насоса» (P3_ERR, P4_ERR). При этом в работу вступает второй сетевой насос. Отключение происходит на определенное время ожидания, после чего сигнал «авария сетевого насоса» (P3_ERR, P4_ERR) снимается и происходит попытка повторного пуска насоса.

Значения параметров теплоносителя регистрируются, и сигнализация (HORN) срабатывает при:

- понижении температуры воды теплоносителя на выходе котельной (KOUT_T, поз. 26) ниже заданного (KOUT_T_min);

- понижении давления воды на выходе котельной (KOUT_P, поз. 24) ниже заданного (KOUT_P_min).

Затопление пола: на DI контроллера поступает сигнал WATER_A, звучит сирена.

Подпиточная емкость: при достижении уровня в подпиточной емкости (KT_L, поз. 22) KY_L_1 включается сирена, и не отключается, пока не достигнет KT_L_2. При достижении уровня KY_L_4 включается сирена, и не отключается пока не достигнет KT_L_3.

3.4 Анализ существующей АСУ ТП

Существующая схема автоматизации отсутствует, т.к. проект данной котельной является новым и находится на стадии реализации.

3.5 Требования к проектируемой АСУТП

Технические средства должны включать в себя:

- панель визуализации для отображения технологического процесса с возможностью просмотра всех параметров котельной, изменения параметров и осуществления управления;

- контроллер, который производит сбор, обработку, накопление информации и управление технологическим процессом;

- кабели и устройства связи между операторской панелью и контроллерами.

Система должна обеспечивать ввод следующих типов сигналов:

- аналоговых (4-20 мА);

- дискретных (24В, сухой контакт).

Система должна обеспечивать вывод следующих типов сигналов:

- аналоговых (4-20 мА);

- дискретных (24В до 0,5А пост. тока).

Отображение информации на панели визуализации должно обеспечивать получение полной характеристики текущего состояния технологического процесса и оборудования в виде наиболее удобном для восприятия каждой конкретной ситуации. Информационные сообщения на экранах панели визуализации должны быть понятными пользователю и выводиться на русском языке.

3.6 Разработка системы управления

На среднем уровне используется программируемый логический контроллер S7-314-2DP, ЧРП MICROMASTER 420, панель оператора OP-177B [2].

Операторская станция реализована на SCADA-системе WinCC flexible фирмы «SIEMENS».

SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

3.6.1 Состав системы

Система включает:

- модули блоков питания (PS), которые используются для подключения SIMATIC S7-300 к источникам питания переменного напряжения 120/230 вольт или постоянного 24 вольт;

- блоки центральных процессоров (CPU); в составе контроллера могут использоваться центральные процессоры различной производительности;

- сигнальные модули (SM) для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов;

- частотно-регулируемые приводы.

3.6.2 Выбор и обоснование датчиков и преобразователей

Для контроля и регулирования технологических параметров процесса теплообмена используются отечественные средства автоматизации.

При выборе средств автоматизации необходимо учитывать следующие требования: обеспечение необходимой точности измерения, взаимозаменяемость, надежность в работе, дешевизна.

Исходя из этих требований, были выбраны следующие средства контроля и регулирования.

Датчики давления АИР, и предназначеные для использования в системах контроля и регулирования нейтральных и агрессивных сред. Датчики имеют одно-мембранную "сухую" конструкцию преобразователя давления, в котором отсутствует разделительная жидкость.

Основные преимущества датчиков давления АИР:

- долговременная стабильность сигнала;

- высокая точность преобразования;

- стойкость к вибрации и гидроударам;

- повышенная стойкость к изменению температуры окружающей среды;

- долговечность.

В качестве датчика уровня жидких сред, также используется датчик избыточного давления АИР, позволяющий измерять и гидростатическое давление.

Для первичного преобразования температур процесса выбраны термопреобразователи SТС-035-80 с унифицированным токовым выходным сигналом (4 …20 мА) ТСМУ 0104. Они состоят из первичного преобразователя температуры и измерительного преобразователя (ИП), предназначенного для преобразования температуры в токовый выходной сигнал. Имеется компенсатор нелинейности сигнала первичного преобразователя температуры.

Термопреобразователи предназначены для преобразования температуры различных, в том числе и агрессивных, сред в унифицированный токовый сигнал 4...20 мА.

3.6.3 Выбор программно-технических средств

Микроконтроллер SIMATIC S7-300 [5] .

Он находит применение для автоматизации машин специального назначения (текстильных и упаковочных машин, машиностроительного оборудования, оборудования для производства технических средств управления и электротехнического оборудования, в системах автоматизации судовых установок и систем водоснабжения и т.д.).

Программируемые контроллеры S7-300 могут включать в свой состав:

- модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемых задач в программируемом контроллере могут использоваться различные типы центральных процессоров;

- сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов, в том числе FailSafe и модули со встроенными Ex-барьерами. Поддерживаются отечественные ГОСТ градуировки термопреобразователь сопротивления;

- коммуникационные процессоры (CP) -интеллектуальные модули, выполняющие автономную обработку коммуникационных задач для промышленных сетей AS-Interface, PROFIBUS, Industrial Ethernet и интерфейс PtP. Применение загружаемых драйверов для CP 341 позволяет расширить коммуникационные возможности контроллера поддержкой обмена данными в сетях MODBUS RTU и Data Highway. Для организации модемной связи в составе программируемого контроллера S7-300 могут использоваться коммуникационные модули семейства SINAUT ST7;

- функциональные модули (FM) - интеллектуальные модули, оснащенные встроенным микропроцессором и способные выполнять задачи автоматического регулирования, взвешивания, позиционирования, скоростного счета, управления перемещением и т.д. Целый ряд функциональных модулей способен продолжать выполнение возложенных на них задач даже в случае остановки центрального процессора;

- интерфейсные модули (IM) для подключения стоек расширения к базовому блоку контроллера, что позволяет использовать в системе локального ввода-вывода до 32 модулей различного назначения. Модули IM 365 позволяют создавать 2-рядные конфигурации, модули IM 360 и IM 361 - 2-, 3- и 4-рядные конфигурации;

- блоки питания (PS) для питания контроллера от сети переменного или постоянного тока.

Конструкция контроллера отличается высокой гибкостью и удобством обслуживания:

- все модули устанавливаются на профильную шину S7-300 и фиксируются в рабочих положениях винтами. Объединение модулей в единую систему выполняется с помощью шинных соединителей (входят в комплект поставки каждого модуля), устанавливаемых на тыльную часть корпуса;

- произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках. Фиксированные посадочные места занимают только модули PS, CPU и IM;

- наличие съемных фронтальных соединителей (заказываются отдельно), позволяющих производить быструю замену модулей без демонтажа их внешних цепей и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей. Механическое кодирование фронтальных соединителей исключает возможность возникновения ошибок при замене модулей;

- применение гибких и модульных соединителей TOP Connect, существенно упрощающих выполнение монтажных работ и снижающих время их выполнения.

Все центральные процессоры S7-300 характеризуются следующими показателями:

- высокое быстродействие;

- загружаемая память в виде микро карты памяти MMC (3В NFlash) емкостью до 8 Мбайт;

- развитые коммуникационные возможности, одновременная поддержка большого количества активных коммуникационных соединений;

- работа без буферной батареи.

MMC используется для загрузки программы, сохранения данных при перебоях в питании CPU, хранения архива проекта с символьной таблицей и комментарии, а также для архивирования промежуточных данных.

Центральные процессоры CPU 3xxC и CPU 31xT-2 DP оснащены набором встроенных входов и выходов, а их операционная система дополнена поддержкой технологических функций. Указанные особенности позволяют использовать такие центральные процессоры в качестве готовых блоков управления.

Типовой набор встроенных технологических функций позволяет решать задачи скоростного счета, измерения частоты или длительности периода, ПИД-регулирования, позиционирования, перевода части дискретных выходов в импульсный режим.

Все центральные процессоры S7-300 оснащены встроенным интерфейсом MPI, который используется для программирования, диагностики и построения простейших сетевых структур. В CPU 317 первый встроенный интерфейс имеет двойное назначение и может использоваться для подключения либо к сети MPI, либо к сети PROFIBUS DP. Целый ряд центральных процессоров имеет второй встроенный интерфейс:

- CPU 31…-2 DP имеют дополнительный интерфейс ведущего/ведомого устройства PROFIBUS DP;

- CPU 31…C-2 PtP имеют дополнительный интерфейс для организации PtP связи;

- CPU 31x-2 PN/DP оснащены встроенным интерфейсом Industrial Ethernet, обеспечивающим поддержку стандарта PROFInet;

- CPU 315T-2 DP / 317T-2 DP оснащен встроенным интерфейсом PROFIBUS DP/Drive, предназначенный для обмена данными и синхронизации работы преобразователей частоты, выполняющих функции ведомых DP устройств.

Система команд центральных процессоров включает в свой состав более 350 инструкций и позволяет выполнять:

- логические операции, операции сдвига, вращения, дополнения, операции сравнения, преобразования типов данных, операции с таймерами и счетчиками;

- арифметические операции с фиксированной и плавающей точкой, извлечение квадратного корня, логарифмические операции, тригонометрические функции, операции со скобками;

- операции загрузки, сохранения и перемещения данных, операции переходов, вызова блоков, и другие операции.

Для программирования и конфигурирования S7-300 могут использоваться пакеты STEP 7 или STEP 7 Lite. Пакет STEP 7 Lite применяется для программирования и конфигурирования контроллеров S7-300, используемых в качестве автономных систем управления, не содержащих CP и FM.

Кроме того, для программирования контроллеров S7-300 может использоваться также весь набор программного обеспечения Runtime, а также широкий спектр инструментальных средств проектирования.

Промышленная сеть стандарта PROFIBUS.

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) - это промышленная сеть полевого уровня, отвечающая требованиям части 2 европейских норм EN 50170 и международного стандарта IEC 61158-3 Ed2. Она используется для организации связи между программируемыми контроллерами с одной стороны, и станциями распределенного ввода-вывода ET 200, устройствами человеко-машинного интерфейса и другими приборами полевого уровня с другой. Кроме того, PROFIBUS позволяет выполнять дистанционное программирование и конфигурирование систем автоматизации, их отладку и диагностирование.

PROFIBUS позволяет использовать как электрические, так и оптические каналы связи. В последнем случае существенно возрастает стойкость сети к воздействию электромагнитных помех. Существенному снижению затрат на построение оптоволоконных каналов связи способствует наличие широкой гаммы интерфейсных модулей, коммуникационных процессоров и других сетевых компонентов, оснащенных встроенным оптическим интерфейсом.

Основными преимуществами сети PROFIBUS являются высокая степень готовности, защита данных, стандартная структура сообщений и возможность свободного подключения и отключения сетевых узлов во время работы сети.

В качестве активных (ведущих) устройств сети PROFIBUS могут использоваться:

- системы SIMATIC S7-300, S7-400, M7-300, M7-400 и С7 с интерфейсом PROFIBUS-DP;

- устройства человеко-машинного интерфейса;

- программаторы PG 720, PG 740, PG 760 со встроенным интерфейсом;

- персональные компьютеры с коммуникационными процессорами СР 5412(А2) /5511/ 5611 / 5613;

- системы управления SINUMERIK;

- системы управления SIMADYN;

- SCADA пакет WinCC flexible.

Программное обеспечение SIMATIC WinCC flexible предназначено для решения обширного комплекса задач человеко-машинного интерфейса: от разработки проекта отдельно взятой панели оператора до разработки мощных систем человеко-машинного интерфейса с архитектурой клиент/сервер. Оно объединяет в себе простоту работы с пакетом SIMATIC ProTool, широкие функциональные возможности SIMATIC WinCC, а также новые инновационные технологии

WinCC flexible обеспечивает возможность разработки проектов для всех типов панелей оператора на базе Windows. Разработка проектов для текстовых и графических панелей с операционной системой RMOS (OP3/ TD17/OP7/OP17/OP27/TP27/OP37/TP37) не поддерживается. Однако WinCC flexible поддерживает конвертацию проектов RMOS-панелей в проекты панелей на базе Windows CE.

WinCC flexible может работать под управлением операционных систем Windows 2000 Professional/ 2000 Server/ XP Professional и характеризуется следующими показателями:

- поддержка сквозной разработки проектов различной степени сложности;

- наглядный интуитивно понятный интерфейс, существенно повышающий эффективность выполнения проектных работ.

Новые функциональные возможности программного обеспечения Runtime. Использование Web-технологий для:

- обеспечения доступа с одной панели оператора или SIMATIC PC к данным другой панели;

- дистанционного обслуживания, наблюдения, диагностики, загрузки проектов.

- поддержки текстовых библиотек для многоязычных текстов;

- поддержки функций эмуляции работы проектов для всех панелей оператора на базе Windows CE, а также компьютерных систем визуализации на основе SIMATIC WinCC flexible Runtime;

- мощной системы обслуживания сообщений и переменных;

- поддержки проектирования коммуникационных соединений и определения параметров передачи данных;

- включения HMI-станций в проекты STEP 7. Просмотр HMI-объектов в дереве STEP 7;

- сокращения затрат на обучение персонала;

- расширенной графической системы с поддержкой шаблонов и языково-зависимой графики;

- поддержкой аналоговых сообщений и свободно конфигурируемых классов сообщений;

- улучшенной защиты доступа с учетом требований различных секторов промышленного производства;

- обеспечения доступа к Runtime графическим объектам с помощью Visual Basic Scripts на панелях операторов серий 270 и 370, а также на компьютерах;

- расширенных коммуникативные возможности для управления, сервиса и диагностики:

- обмена данными с одновременной поддержкой нескольких коммуникационных протоколов;

- дистанционного управления, диагностики и администрирования;

- событийной пересылки сообщений по каналам электронной почты;

- поддержки специализированных HTML страниц, соответствующих конкретным типам приборов SIMATIC HMI;

- HTTP связь с другими SIMATIC HMI системами.

Возможность применения опциональных пакетов для архивирования данных, обслуживания сообщений, поддержки функций OPC.

В зависимости от требуемого объема поддерживаемых функций пакет SIMATIC WinCC flexible может поставляться в различных вариантах:

- SIMATIC WinCC flexible Micro: для конфигурирования микро панелей оператора SIMATIC TP177 Micro и OP73 Micro;

- SIMATIC WinCC flexible Compact: функции пакета SIMATIC WinCC flexible Micro + конфигурирование панелей SIMATIC серии 70 (OP73, OP77A, OP77B), серии 177 (TP177A/ TP177B/ OP177B/ Mobile Panel 177), а также панелей систем автоматизации C7-635;

- SIMATIC WinCC flexible Standard: функции пакета SIMATIC WinCC flexible Compact + конфигурирование панелей SIMATIC серий 270 (TP 270/ OP270/ MP 270B) и 370 (MP370), а также панелей систем автоматизации C7-636;

- SIMATIC WinCC flexible Advanced: функции пакета SIMATIC WinCC flexible Standard + проектирование компьютерных систем визуализации на базе SIMATIC WinCC flexible Runtime. WinCC flexible Runtime поставляется с лицензиями на обслуживание 128, 512 и 2048 переменных (Power Tags). Дополнительно оно позволяет обслуживать до 4000 сообщений и использовать внутренние переменные.

Программное обеспечение STEP 7.

STEP 7 - это базовый пакет программ, включающий в свой состав весь спектр инструментальных средств, необходимых для программирования и эксплуатации систем управления, построенных на основе программируемых контроллеров SIMATIC S7/C7, а также систем компьютерного управления SIMATIC WinAC.

STEP 7 поставляется в трех вариантах:

- STEP 7 Lite - облегченная версия, используемая для программирования только SIMATIC S7-300 и SIMATIC C7;

- STEP 7 - полная версия для приложений, связанных с применением всех систем автоматизации SIMATIC;

- STEP 7 Professional - это пакет программ. В состав пакета входят STEP 7, S7-SCL, S7-GRAPH и S7-PLCSIM.

Отличительной особенностью пакета STEP 7 является возможность разработки комплексных проектов автоматизации, базирующихся на использовании множества программируемых контроллеров, промышленных компьютеров, устройств и систем человеко-машинного интерфейса, устройств распределенного ввода-вывода, сетевых структур промышленной связи. Ограничения на разработку таких проектов накладываются только функциональными возможностями программаторов или компьютеров, на которых установлен STEP 7.

Инструментальные средства STEP 7 позволяют реализовать:

- конфигурирование и определение параметров настройки аппаратуры;

Делись добром ;)