ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / Energosberezhenie_2005

110

В следующем параграфе рассматривается отечественный контроллер «ДЕКОНТ» фирмы «ДЭП» (Дизайн, электроника, программирование) со встроенными УСО. Контроллер обеспечивает непосредственное измерение термосопротивлений и коммутацию мощной нагрузки. Благодаря встроенным УСО использование контроллера «ДЕКОНТ» в АСУ ТП позволяет существенно снизить затраты на оборудование в пересчете на один обрабатываемой системой сигнал.

4.6. Управляющие контроллеры

Большинство управляющих контроллеров, представленных на рынке АСУ ТП можно подразделить на две категории:

-программируемые логические контроллеры;

-специализированные логические контроллеры.

Кпрограммируемым управляющим контроллерам (ПЛК)

относятся контроллеры, требующие разработки и загрузки программы управления технологическим процессом. ПЛК универсальны, и возможность их использования в конкретной АСУ ТП определяется производительностью, объемом памяти и наличием необходимых периферийных устройств.

Рынок АСУ ТП отличается разнообразием ПЛК различной архитектуры и производительности. Выбор конкретного ПЛК является многофакторной задачей и определяется как требованиями технологического процесса, так и стоимостью аппаратных, программных средств, наличием средств разработки и отладки, поддержкой сетевого взаимодействия.

Одним из представителей ПЛК российского производства является программно-технический комплекс «ДЕКОНТ», состоящий из набора унифицированных аппаратных и программных модулей, позволяющих, как в конструкторе, собирать практически любые системы автоматизации. Комплекс с успехом применяется как база для создания современных автоматизированных систем в таких отраслях, как энергоснабжение, на предприятиях машиностроительной, металлургической, химической, горнодобывающей промышленности и связи, в жилом фонде и других объектах городского хозяйства.

Комплекс «ДЕКОНТ» позволяет создавать:

-системы диспетчеризации и телемеханики;

111

-системы локальной автоматики и регулирования;

-системы архивирования технологической информации и регистрации событий;

-системы технического и коммерческого учета энергии;

-комбинированные системы.

Всостав комплекса входят:

-модули ввода-вывода;

-программируемый контроллер Deсont-182;

-сменные интерфейсные платы;

-малогабаритный пульт оператора (минипульт);

-стационарный пульт оператора;

-программное обеспечение для контроллера;

-программное обеспечение верхнего уровня.

Модули ввода-вывода – это микропроцессорные устройства связи с объектом, осуществляющие первичную обработку входных непрерывных и дискретных сигналов и выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы. Каждый модуль имеет выход в технологическую сеть на основе интерфейса RS-485, поэтому его можно отнести к классу интеллектуальных УСО.

Контроллер Decont-182 играет ключевую роль в построении любой автоматизированной системы управления технологическими процессами на базе комплекса. Он обслуживает взаимодействие с модулями ввода-вывода, реализует алгоритмы, ведет архивы, поддерживает связь с другими контроллерами и ЭВМ. Дополняемый сменными интерфейсными платами контроллер позволяет организовать разнообразные каналы связи между удаленными объектами автоматизации и ЭВМ.

Основные характеристики контроллера:

-базовый процессор ZILOG80182 (30Мгц);

-вспомогательный процессор PIC16C73A;

-энергонезависимое ОЗУ 512 Кбайт;

-флэш-ПЗУ 512 Кбайт;

-количество портов последовательной связи – 4:

порт «A» – RS-232, порт «B» – RS-485,

порты «C» и «D» – универсальные;

-часы реального времени;

-сторожевой таймер.

112

Программное обеспечение (ПО) комплекса «ДЕКОНТ» делится на два класса: инструментальная (Development) и исполняемая (Run Time) части.

Инструментальная часть – это комплекс программ, позволяющий пользователю выполнять привязку и настройку необходимых программных компонентов к конкретным объектам системы.

Исполняемая часть – результат привязки программных возможностей комплекса к конкретному проекту.

Основными компонентами инструментальной части являются программы WdeConfig (конфигуратор) и Wdeveloper (разработчик).

Конфигуратор используется для загрузки ПО в контроллеры. Программа позволяет изменять настройку и ПО контроллеров, оперативно просматривать текущие значения системных и прикладных параметров по всей системе.

Разработчик – это интерактивная среда разработки пользовательских прикладных программ (алгоритмов), встраиваемых затем в контроллеры Decont-182. В основе программы лежит современный графический проблемно-ориентированный язык функциональных блоковых диаграмм FDB (Function Block Diagram), соответствующий международному стандарту IEC 1131-1.

FDB является языком визуального программирования, в котором программный алгоритм строится в виде связей между элементами блочной диаграммы – блоками. Каждый блок диаграммы может представлять собой элементарную операцию, определенную FDB (арифметическую, логическую), либо сложный объект (алгоритм), являющийся сам по себе блочной диаграммой. Также в виде блока может быть представлена процедура, написанная на каком либо другом языке программирования, например Ассемблере, С, Паскале. Не вдаваясь в подробности синтаксиса и семантики FDB, отметим, что разработка программы управления технологическим процессом на языке FDB также естественна для инженера КИПиА, как разработка принципиальной схемы цифрового устройства для инженера по электронной технике.

Базовое ПО исполнительной части для работы в среде Windows (программа WinDecont) прежде всего обеспечивает доступ ПЭВМ к технологической сети контроллеров. Программа WinDecont имеет также встроенные программные интерфейсы для обмена текущими прикладными данными с другими приложениями Windows (в том

113

числе интерфейс OPC-сервера). Используя эти интерфейсы на компьютере можно создавать системы отображения и архивирования текущей информации, получаемой с контроллеров, и выдавать управляющие воздействия на объект.

Программа WdeArchive, относящаяся к исполнительной части, обеспечивает считывание архивных данных из контроллеров в ПЭВМ. В ПЭВМ при этом создается отдельная база данных, доступ к которой может осуществляться через SQL-запросы и экспорт данных в Excel.

Специализированные логические контроллеры (СЛК) в от-

личие от ПЛК являются законченными устройствами, предназначенными для реализации предопределенных функций и требующих лишь настройки на конкретный объект. Пример СЛК – регулятор температуры.

Использование специализированных логических контроллеров для решения типовых задач автоматизации позволяет уменьшить время и затраты на внедрение АСУ ТП. К недостаткам СЛК, особенно отечественного производства, следует отнести:

-невозможность адаптации процесса регулирования к особенностям конкретного объекта (если такие имеются);

-сложность реализации нетрадиционных алгоритмов управления, характерных, например, для задач энергосбережения;

-проблематичность построения распределенных АСУ ТП. Одним из производителей СЛК для управления теплоэнергети-

ческими установками является Московский завод тепловой автоматики (МЗТА).

МЗТА выпускает ряд приборов серий «Минитерм», использующихся в системах отопления, ГВС, вентиляции и т.д. В качестве примера рассмотрим использование прибора Минитерм 400.25.79 для системы управления приточной вентиляцией в соответствии с рассмотренной схемой (см. рис.4.5).

Прибор обеспечивает:

-автоматический или ручной режим управления исполнительным механизмом;

-регулирование температуры приточного воздуха или обратной воды калорифера;

-автоматический перевод в зимний/летний режимы по температуре наружного воздуха;

114

-защиту от замораживания зимой при низкой температуре обратной воды калорифера или приточного воздуха;

-управление включением-отключением вентилятора, открытиемзакрытием воздушной заслонки;

-автоматическое включение и выключение вентилятора по заданной программе;

-сигнализацию обрыва и замыкания датчиков, неисправности вентилятора, срабатывания защиты от замораживания;

-возможность соединения с ЭВМ по последовательному каналу. Контроллеры серии «Минитерм» оснащены цифровым дисплеем

иклавишами управления, позволяющими осуществлять настройку и оперативное управление. К их недостаткам можно отнести необходимость комплектации специализированными усилителями типа У330, выполняющим функцию сопряжения дискретных выходов прибора с КЗР, МЭО, МП.

4.7. Системы диспетчеризации

Системы диспетчеризации АСУ ТП относятся к системам типа

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition).

В состав систем диспетчеризации входят локальные и удаленные диспетчерские пульты (ДП), которые, как правило, оснащены персональными компьютерами в обычном или промышленном исполнении с соответствующим ПО, устройствами и каналами связи с удаленными ДП (модемы, радиомодемы и т.д.).

Технологический процесс на экране монитора представляется в виде мнемосхемы, при этом параметры технологического процесса могут отображаться в реальном масштабе времени как в виде числа, так и посредством анимированных изображений, изменяющих свой цвет, размер, положение, внешний вид в зависимости от состояния соответствующего параметра.

Помимо функций визуализации состояния технологического процесса, системы диспетчеризации обеспечивают архивирование параметров технологического процесса, формирование, протоколирование и выдачу сигналов тревог (визуальных, звуковых), протоколирование действий персонала.

115

Оператор имеет возможность вмешиваться в ход технологического процесса непосредственно с ДП.

Программное обеспечение современных SCADA-систем состоит из систем разработки SCADA-приложений и систем исполнения. Система разработки используется разработчиком ДП для создания программы, которая поставляется вместе с системой исполнения заказчику.

SCADA-приложение взаимодействует с контроллерами, входящими в АСУ ТП, как правило, через какую либо локальную промышленную сеть.

Сцелью обеспечить независимость ПО SCADA от программных

иаппаратных особенностей промышленной сети и контроллеров разработана спецификация OPC (OLE for Proсess Control), позволяющая независимым разработчикам программного обеспечения и аппаратных средств создавать совместимые между собой продукты.

OPC базируется на технологии связывания и внедрения объектов (OLE) фирмы Microsoft. Технология OPC воплощается в виде ПО сервера OPC, разрабатываемого производителем аппаратных средств.

Для любой современной системы SCADA описанная система комплекса ДЕКОНТ является OPC-сервером – поставщиком унифицированных данных.

Спецификация OPC определяет стандартный интерфейс к OPCсерверу, посредством которого OPC-клиенты (в нашем случае SCADA-клиенты) обмениваются информацией с OPC-сервером. Механизм взаимодействия OPС-сервера с аппаратными средствами АСУ ТП определяется их разработчиком.

Стандарт OPC состоит из трех основных спецификаций:

-доступ к данным реального времени (Data Access);

-обработка тревог и событий (Alarms&Events);

-доступ к архивам данных (Historical Data Access).

OPC-сервер отображает технологический процесс в виде набора данных – тегов. Базовым элементом модели технологического процесса является элемент данных (Item). Каждый элемент данных имеет следующие атрибуты: значение, время последнего обновления (timestamp), признак качества, определяющий степень достоверности значения. Значение может быть практически любого скалярного типа: булевое, целое, с плавающей точкой или строкой. Качество данных представляет собой код, содержащий грубую оценку достоверности

116

UNCERTAIN, GOOD и BAD (неопределенное, хорошее и плохое), а в последнем случае еще и расшифровку, например QUAL SENSOR FAILURE – ошибка датчика.

В последующих главах будут рассмотрены примеры использования систем автоматизации в технологических процессах.

К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Из каких компонентов состоит структура АСУ ТП?

2.Какие функции в АСУ ТП выполняет регулятор?

3.Какие унифицированные выходные сигналы распространены в настоящее время?

4.Какие физические принципы положены в основу конструкций датчиков тока и напряжения?

5.Как классифицируются по физическому принципу датчики перемещений?

6.Как градуируются термосопротивления?

7.В чем заключаются принципы работы измерительных преобразователей расхода теплоносителя электромагнитного, вихревого, ультразвукового, тахометрического типов?

8.Каким образом управляются запорно-регулирующие клапаны и электрические однооборотные механизмы?

9.На какие группы делятся устройства связи с объектом?

10.На какие категории можно разделить логические контроллеры?

11.Какие особенности имеют программируемые логические контроллеры?

12.Какое программное обеспечение имеют современные программируемые контроллеры?

13.В чем заключаются особенности специализированных логических контроллеров?

14.На каких технологиях построены современные системы диспетчеризации?

15.Из каких основных спецификаций состоит стандарт ОРС?

117

ГЛАВА 5

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕПЛА В КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ

Котельная установка – это комплекс устройств, предназначенных для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Основными элементами отопительной котельной являются котел, топка, питательные, подпиточные и тягодутьевые устройства. К вспомогательным элементам отопительных котельных относятся устройства подачи топлива, водоподготовки, подогрева воды, очистки дымовых газов, приборов теплового контроля и средства автоматизации.

Производственные котельные обычно комплектуются только паровыми котлами, вырабатывающими пар для технологических нужд. Отпуск пара для отопления, вентиляции (ОВ) и горячего водоснабжения (ГВС) производится только для нужд предприятия. В этом случае для производства горячей воды на нужды ОВ и ГВС оборудуются индивидуальные (местные) тепловые пункты (ИТП).

Отопительно-производственные котельные оборудуют как паровыми, так и водогрейными котлами, если доля паровой технологической нагрузки относительно невелика (до 20…40 % от общей тепловой нагрузки). Водогрейные котлы служат для снабжения теплотой систем ОВ, паровые – генерации технологического пара и ГВС.

Отопительные котельные предназначены для подачи горячей воды на ОВ и ГВС жилых и общественных зданий. Максимальная температура прямой и обратной воды отопительных котельных малой мощности составляет 95-70 0С соответственно, крупных 150-70 0С. Для нагрева воды в сети ГВС до 60 0С вода из котлов с постоянной температурой подается к водяным теплообменникам ГВС.

5.1. Производство тепла в котельных установках

Технологическая схема производства пара приведена на рис.5.1. В основе производства тепла в котельных установках лежат процессы горения топлива (преимущественно природного газа).

118

Горение – это процесс химического соединения горючих элементов топливного газа с кислородом воздуха, сопровождающийся резким повышением температуры и выделением значительного количе-

ства теплоты. В результате процесса горения образуются газообразные продукты сгорания (дымовые газы). Материальный баланс процесса горения выглядит следующим образом: на каждые 16 кг сжигаемого метана (основной компонент природного газа, составляющий 80…98 % от его общей массы) требуется 64 кг кислорода. При этом на выходе получим 80 кг дымовых газов (44 кг углекислого газа и 36 кг водяного пара). На каждый требуемый 1 м3 окислителя (кислорода) потребуется 5 м3 воздуха, так как его в атмосферном воздухе 21 %. Все сказанное означает, что для полного сгорания газа требуется обеспечить соотношение «газ-воздух» в топке котла на уровне 1:10. Значительные отклонения от этой пропорции повлекут за собой дополнительные потери энергии либо от недожога, либо от перерасхода газа на нагрев избыточного количества воздуха.

Рис.5.1. Технологическая схема производства пара в котле

119

Топливо Gт и воздух Gв поступают в топку Т котла. Необходимый для окисления топлива воздух Gв нагнетается в топку котла дутьевым вентилятором ДВ через воздухоподогреватель ВП, в котором его температура повышается за счет теплоты выпускных газов. Продукты сгорания отдают теплоту воде, циркулирующей по контуру: барабан котла БК – опускные трубы ОТ – подъемные трубы ПТ – барабан котла. Пароводяная смесь в барабане котла разделяется на пар и воду. Пар Gп под давлением рб подается в пароперегреватель ПП, где его температура повышается до требуемой величины tп, а вода из барабана котла вновь опускается в нижний коллектор. Температура перегрева пара регулируется количеством воды Gвпp, впрыскиваемой через регулируемый клапан РК в пароохладитель ПО.

Движение выпускных газов Gг создается дымососом ДС и регулируется направляющим аппаратом НА таким образом, чтобы в верхней части топки было небольшое разрежение Sт, исключающее "выбивание" выпускных газов в помещение котельной.

Питательная вода Gпв подается в барабан котла через регулирующий питательный клапан РПК и водяной экономайзер ВЭ, где она подогревается за счет теплоты дымовых газов. Расход питательной воды Gпв зависит от производительности котла. По мере отбора пара меняется уровень воды в котле. Вода подается в котел в количестве, обеспечивающем ее постоянный уровень Нб в барабане котла. Несмотря на химводоочистку, питательная вода содержит определенное количество солей. Чтобы не допустить их отложения на поверхности котла, необходимо периодически (или непрерывно) осуществлять продувку котла. Продувочная вода Gnp смывает соли с поверхности теплообмена и сбрасывается из нижней части барабана.

Таким образом, основными регулируемыми параметрами котла являются производительность Gn, давление насыщения рп и температура перегретого пара tп, причем первый параметр должен изменяться в соответствии с нагрузкой потребителей, а рп и tп должны быть стабилизированы. Эффективность сжигания топлива в топке котла оценивается по остаточному содержанию O2 (до 1 %) в дымовых газах. Вспомогательные регулируемые параметры: уровень воды в барабане Нб, ее солесодержание Св и разрежение в топке Sт.

Технологическая схема производства горячей воды в водо-

грейной котельной отличается от приведенной тем, что вода не нагревается до температуры насыщения. Чтобы избежать вскипания во-