Выбор структуры регулятора

При реализации системы автоматического управления на базе контроллера КР-500 возможно использовать два варианта регуляторов – с аналоговым и широтно-импульсным сигналом.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путем изменения скважности импульсов, при постоянной частоте. Один из методов двухуровневой ШИМ с помощью аналогового компаратора. На один из входов компаратора подаётся пилообразное напряжение от вспомогательного генератора, на другой вход — модулирующее напряжение. Состояние выхода компаратора — ШИ-модуляция. На рис. 2.2: сверху — пилообразный сигнал и модулирующее напряжение, снизу — результат ШИМ.

Рис. 2.2 Двухуровневая ШИМ с помощью аналогового компаратора.

Так как для регулирования температуры пара будет использоваться исполнительный механизм постоянной скорости, то ведомый регулятор будет дискретный, с широтно-импульсным выходным сигналом, а ведущий – аналоговый, с унифицированным токовым сигналом (4..20 мА).

Выбор контроллера

На ТЭС АО «Кратонтара» для управления к/а ст. № 3 более 10 лет используется программируемый логический контроллер серии КОНТРАСТ – КР-300.

На рис. 2.13 представлен внешний вид контроллера КР-300Ш – в шкафном исполнении.

Рис. 2.13. Внешний вид контроллера КР-300Ш

На рис. 2.14 представлена структурная схема контроллера КР-300Ш.

Рис. 2.14. Структурная схема контроллера КР-300.

Состав и конструкция контроллера.

Основным блоком контроллеров является блок контроллера БК-Ш.

В состав БК-Ш входят:

каркас с генмонтажной платой;

модуль процессора ПРЦ-301Ш;

от 1 до 3 модулей УСО;

модуль питания МПИ.

На передней панели блока расположены 3 вилки IDСC 24: Гр.1…Гр.3 для ввода – вывода аналоговых и дискретных сигналов. На панели модуля МПИ расположены розетка DB-9 ПУЛЬТ для подключения пульта контроллера ПК-301 и розетка DB-15 ПИТ для подключения питания и приборных цепей. На задней стенке расположен винт заземления.

Блок БУСО-Ш

Блок БУСО-Ш предназначен для увеличения числа входов-выходов контроллеров. Состав контроллеров определяется блоками, модулями и другими изделиями, входящими в его состав.

Конструктивно блоки БК и БУСО выполнены в виде блочного каркаса в контроллере КР-300Ш в которых расположены модули питания, процессора и УСО (до пяти модулей).

Соединение БК-Ш с БУСО-Ш выполняется путем внутреннего подключения между собой. К одному блоку БК-Ш возможно подсоединить до четырех блоков БУСО-Ш.

На рис. 2.15 изображены его установочные размеры:

Рис. 2.15. Установочные размеры контроллера КР-300Ш.

В состав БУСО-Ш входят:

каркас с генмонтажной платой;

от 1 до 4 модулей УСО;

модуль питания МП;

На передней панели блока расположены четыре вилки IDCС-24 (Гр.1…Гр.4) для ввода – вывода аналоговых и дискретных сигналов.

Модули УСО

К устройствам связи с объектом УСО относятся:

модули аналоговых сигналов МАС-3, МАВ;

модуль аналоговых и дискретных сигналов МДА-3;

модуль дискретных сигналов МСД.

Модули аналоговых сигналов МАС-3Ш

Модули аналоговых сигналов выполняют функции преобразования входных аналоговых сигналов напряжения постоянного тока в цифровой двоичный код (АЦП) и цифрового двоичного кода в выходной аналоговый сигнал силы постоянного тока (ЦАП).

Модули аналоговых и дискретных сигналов МДА-3Ш

Модули выполняют функции преобразования входных аналоговых сигналов напряжения постоянного тока в цифровой двоичный код (АЦП) и преобразования цифрового кода в дискретный выходной сигнал (ЦДП).

Несколько лет назад ЗАО «Волмаг» начала выпуск контроллеров КР-500.

Многофункциональные высокопроизводительные контроллеры серии КОНТРАСТ предназначены для построения систем автоматизации различной архитектуры.

Современные скоростные интерфейсы, открытый протокол связи, каналы подключения полевых сетей, фирменные программные продукты обеспечивают работу контроллеров в составе сложных многоуровневых систем автоматизации.

Метрологически аттестованные каналы позволяют создавать измерительные системы. Встроенные индикаторы и органы управления, блочно-модульная конструкция, ориентированная на технологов система программирования обеспечивают применение контроллеров в качестве автономных устройств

Контроллеры выполнены с использованием технологии поверхностного монтажа на базе электронных компонентов производства Atmel, Altera, Analog Devices, Bourns и других ведущих зарубежных фирм и имеют технические характеристики на уровне современных зарубежных аналогов. Контроллеры обеспечивают удобство проектной компоновки и сравнительно низкую стоимость.

По сравнению с КР-300 увеличился объем предыстории регистрируемого в ОЗУ процесса с заданным периодом (до 64кБ) и объем истории регистрируемого на флэш-диске процесса с заданным периодом (до 4Мб), для связи с верхним уровнем появился интерфейс Ethernet. Была улучшена система программирования. Так же изменился форм-фактор всех модулей контроллера – они стали меньше в габаритных размерах и имеют универсальное крепление на рейку DIN-35.

Рис.2.16 Внешний вид и габаритные размеры БК-500М

Основным устройством контроллера является блок контроллера БК-500М рис. 2.16), предназначенный для выполнения следующих функций в реальном времени:

обработка информации, собранной с модулей УСО, и формирование управляющих воздействий;

обмен данными с устройствами сетей и верхним уровнем управления через поддерживаемые интерфейсы;

счет календарного времени;

самодиагностика и формирование дискретного сигнала при отказе контроллера.

Коммуникации блока контроллера реализованы на основе портов с интерфейсами RS-485, RS-232, Ethernet, USB. Интерфейс Подключение к сети Ethernet осуществляется при помощи сетевого коммутатора Ethernet Hub или Ethernet Switch.

Основные параметры блока контроллера БК-500М (далее – блока БК-500М): а) исполнения, оснащенность коммуникационными портами и поддерживаемые интерфейсы приведены в таблице 2.4

Таблица 2.4

Поддерживаемые интерфейсы кроме интерфейсов RS-232, USB и RS-485 порта ПУЛЬТ гальванически развязаны от остальных цепей.

Используемые протоколы обмена данными – МАГИСТР-шлюз, МАГИСТР-ведущий, МАГИСТР-ведомый, MОDBUS RTU Master, MОDBUS RTU Slave, ADAM-4000, ICOS-7000, СЭТ-4ТМ;

б) линии связи интерфейсов:

соединитель ИС-9М или нульмодемный кабель длиной до 15 м для интерфейса RS-232 порта КАНАЛ 1;

кабель «витая пара» длиной до 1,2 км для интерфейса RS-485 портов КАНАЛ1…КАНАЛ 3, ПС1…ПС4, РК/ПС7;

соединитель РС-Ш для интерфейса RS-485 порта РК/ПС7;

экранированный кабель «витая пара», Cat. 5 (категория 5) для интерфейса Ethernet;

кабель USB типа А-В для интерфейса USB.

в) параметры питания:

напряжение постоянного тока (24±6) В;

потребляемая мощность не более 5 Вт.

Световая сигнализация блока БК-500М отображается индикаторами:

ПИТАНИЕ – светящимся постоянно при наличии питания;

КАНАЛ 1…КАНАЛ 3, ПС1…ПС4 – мигающими при обмене данными c устройствами, подключенными к соответствующим портам;

ПУЛЬТ – мигающим при работе с пультом контроллера ПК-302 (далее – пультом ПК-302);

РК – мигающим при обмене данными между основным и резервным контроллерами или по каналу РК / ПС7;

ОТК – светящимся постоянно при отказе контроллера или мигающим при наличии ошибки;

РЕЖИМ – светящимся постоянно в режиме «программирование». Мигает на лицевой панели блока БК-500М, находящегося в пассивном состоянии, при резервировании контроллера.

Обмен данными с устройствами сети Ethernet отображают индикаторы:

LINK – мигает при обмене данными;

100M – светится постоянно при обмене данными на частоте 100 МГц;

FULL DUPLEX – светится постоянно при обмене данными в полнодуплексном режиме.

Индикаторы ОТК, РЕЖИМ светятся красным цветом, остальные индикаторы – зеленым цветом. Напряжения питания постоянного тока подается через разъем «24 В».

Внешние цепи сигнализации и пульт ПК-302 подключаются через разъемы ОТКАЗ и ПУЛЬТ соответственно.

Связь с абонентом, поддерживающим интерфейс USB, и устройствами сети Ethernet осуществляется через порты USB Device и ETHERNET.

Коммуникации блока БК-500М, реализованные на основе интерфейса RS-485, обеспечивают:

связь с контроллерами серии КОНТРАСТ в сети МАГИСТР через порт КАНАЛ 3;

связь с устройствами полевых сетей (модулями УСО, шлюзовым микроконтроллером ШМК) через порты ПС1…ПС7;

связь с резервным блоком БК-500М через порт РК.

Порт КАНАЛ 1 предназначен для взаимодействия блока БК-500М с абонентами в т. ч. с верхним уровнем управления через интерфейс RS-232/RS-485. Обмен данными по интерфейсу RS-232 через порт КАНАЛ 1 может быть реализован с использованием модема GSM, GPRS, радиомодема или модема по коммутируемой или выделенной линии.

Модули УСО

Контроллер имеет широкий выбор модулей ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов (модулей УСО), предназначенных для взаимодействия с периферийными устройствами. Модули УСО осуществляют:

прием и преобразование сигналов от различных датчиков к уровню и формату сигналов для передачи их ведущему устройству (микроконтроллеру ШМК, блоку контроллера или верхнему уровню управления);

прием и преобразование сигналов от ведущего устройства для передачи их исполнительным устройствам.

Модули УСО – ведомые устройства полевой сети, взаимодействующие с ведущим устройством по протоколам МАГИСТР, MODBUS RTU через интерфейс RS-485 в радиальной сети. Модулям, подключенным к одной полевой сети, присваивается сетевой номер от 1 до 31.

Рис.2.17 . Внешний вид и габаритные размеры модулей УСО-Д

Модуль аналоговых сигналов МАС-Д

Модуль аналоговых сигналов МАС-Д (далее – модуль МАС-Д) предназначен для аналого-цифрового преобразования входных сигналов напряжения и силы постоянного тока в цифровые двоичные коды и цифро-аналогового преобразования цифровых двоичных кодов в выходные сигналы силы постоянного тока. Модуль МАС-Д-01 имеет 8 аналоговых входов.

Модуль дискретных сигналов МСД-Д

Модуль дискретных сигналов (далее – модуль МСД-Д) предназначен для преобразования цифровых двоичных кодов в дискретные выходные сигналы и/или преобразования дискретных входных сигналов в цифровые двоичные коды. Модуль МСД-Д-00 имеет 8 дискретных выходов.

Блок управления электродвигателем реверсивный БУЭР 1-30

Блок БУЭР 1-30 (рис. 2. ) предназначен для управления электрическим исполнительным механизмом (ЭИМ) типа МЭО, МЭОФ, МЭМ или МЭП с однофазным электродвигателем типа ДСР, ДСОР или аналогичным по техническим характеристикам.

Рис. 2.18 Общий вид и габаритные размеры БУЭР1-30.

Параметры силовых входов-выходов:

1) один вход, два выхода.

Вход и выходы гальванически связаны между собой, но развязаны от остальных цепей;

2) входной сигнал – переменное напряжение 220+22-33 В при частоте тока (50±1) Гц или (60±1) Гц;

3) параметры выхода:

коммутируемое переменное напряжение 220+22-33 В при частоте тока (50±1) Гц или (60±1) Гц; ток от 0,1 до 3,0 А;

Режим работы – повторно-кратковременный при продолжительности включения (ПВ) до 25 %;

Потребляемая мощность не более 4 В А. Мощность электродвигателя, управляемого блоком БУЭР 1-30, не более 1,1 кВт. Световая сигнализация блока БУЭР 1-30 отображает:

наличие напряжения питания индикатором ПИТ;

Индикатор ОТКАЗ светится красным цветом, остальные индикаторы – зеленым цветом.

Силовые цепи входного сетевого напряжения и нагрузки (электродвигателя ЭИМ) подключаются через штекерный разъем Х1.1, цепи управления – через штекерные разъемы Х1.2, Х2.2.

Блок усиления мощности БУМ-30

Блок усиления мощности БУМ-30 (далее – блок БУМ-30) с релейными выходами предназначен для коммутации силовой электрической нагрузки в автоматической системе управления.

Основные параметры и характеристики блока БУМ-30:

а) вид климатического исполнения УХЛ 4.2;

б) четырехканальный – по одному дискретному входу и два релейных выхода на каждый канал;

б) параметры дискретного входа:

1) сигнал – уровень напряжения постоянного тока:

0 -7 В при логическом «0»;

(24±6) В при логической «1»;

2) ток, не более 35 мА;

3) отрицательная логика;

в) параметры релейного выхода:

два переключающихся контакта для каналов 1, 2;

переключающий контакт и н. о. контакт для каналов 3, 4;

коммутируемое переменное напряжение до 220 В при токе до 2 А;

коммутируемое постоянное напряжение до 220 В при токе до 0,25 А; Внешний вид блока усиления мощности и габаритные размеры представлены на рис 2.

Рис. 2.19 Внешний вид и габаритно-присоединительные размеры БУМ-30.

Блок питания БП-Д

Блок питания БП-Д (далее – блок БП-Д) предназначен для преобразования напряжения постоянного тока 24 В в стабилизированное напряжение постоянного тока для питания датчиков АСУ ТП.

БП-Д-01 имеет два гальванически развязанных выхода, максимальный ток – 100 мА

Блок питания БП-Г

Блок питания БП-Г (далее – блок БП-Г) предназначен для преобразования сетевого напряжения переменного тока 220 В в напряжение постоянного тока 24 В.

БП-Г-00 имеет 4 гальванически развязанных выхода, максимальный ток на выходе 1,2 – 4А, 3-8 - 0,5 А

Как было сказано выше контроллер КР-500 современнее, компактней и быстрее своего предшественника, поэтому в работе используем его.

На рис. 2.20 представлена техническая структура САУ

Рис. 2.20 Техническая структура САУ температурой перегретого пара.

Токовый сигнал (4..20 мА) от датчика температуры пара после пароперегревателя (ТХАУ Метран-271) поступает на аналоговый вход модуля МАС-Д, после чего цифровой сигнал по кабелю «витая пара» с выхода модуля МАС-Д поступает на вход блока контроллера БК-500. Туда же поступает сигнал от задатчика с операторской станции через интерфейс Ethernet. Сформированный по ПИ-закону алгоритмом РАН сигнал токовый подается на вход алгоритма РИМ, туда же поступает сигнал с датчика температуры пара после пароохладителя (через модуль МАС-Д) и результирующий сигнал, сформированный по ПИ-закону алгоритмом РИМ, поступает на модуль дискретного вывода (по кабелю «витая пара») МСД-Д. Дискретный сигнал от МСД-Д через блок ручного управления БР поступает на блок управления электродвигателем БУЭР1-30, а от него на исполнительный механизм МЭОФ-250/25, который воздействует на регулирующий орган, изменяя расход питательной воды на пароохладитель.

В заказной спецификации (табл. 2.5) представлены все выбранные технические средства автоматизации.

Позиция	Наименование и техническая характеристика	Тип, марка	Код оборудования	Завод-изготовитель	Единица измерения	Кол-во	Масса единицы	Примечание
1	2	3	4	5	6	7	8	9
	Исполнительный механизм МЭОФ-250/25-0,25У-99К с блоками БСПТ10 и БП20, с конечными выключателями положения.	МЭОФ-250/25-0,25У-99К		ОАО”Завод Электроники и Механики” г. Чебоксары	шт.	3
	Датчик температуры ТХАУ Метран-271 -02-160-0,5-t10-(0…600ºС)4-20мА-У1.1(30) ТУ4211-003-12580824-2001-ГП	ТХАУ Метран-271		Промышленная группа «Метран» г.Челябинск	шт.	2
	Блок питания БП-Г	БП-Г		ЗАО «Волмаг г. Чебоксары	шт.	2
	Блок питания БП-Д.02	БП-Д.02		ЗАО «Волмаг г. Чебоксары	шт.	3
	Блок управления электродвигателем реверсивный БУЭР 1-30-00	БУЭР 1-30-00		ЗАО «Волмаг г. Чебоксары	шт.	3
	Контроллер КР-500	КР-500		ЗАО «Волмаг г. Чебоксары	шт.	1
	Модуль дискретных выходов МСД-Д	МСД-Д		ЗАО «Волмаг г. Чебоксары	шт.	1
	Модуль аналоговых входов МАВ-Д	МАВ-Д		ЗАО «Волмаг г. Чебоксары	шт.	1
	Запорно-регулирующая арматура METSO T5_03	METSO T5_03		Metso Flow Control Inc	шт.	3

Таблица 2.5