Разработка программы управления котельной с применением программируемого микроконтроллера фирмы SIEMENS

  • Стойки могут устанавливаться  горизонтально или вертикально.

   Промышленная связь

   Контроллеры SIMATIC S7-300 обладают широкими коммуникационными возможностями:

• Наличие коммуникационных процессоров для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet и AS-интерфейсу.

• Наличие коммуникационных процессоров для подключения к PPI интерфейсу.

• В каждый центральный процессор встроен MPI (multi point interface) интерфейс, позволяющий создавать простые и дешевые сетевые решения для связи с программаторами, персональными ЭВМ, устройствами человеко-машинного интерфейса, другими системами SIMATIC S7, M7, C7. Параметры конфигурации MPI интерфейса могут быть определены встроенными средствами STEP 7.

Центральные процессоры поддерживают следующие виды связи:

• Циклический обмен данными с устройствами распределенного ввода-вывода по сети PROFIBUS или AS интерфейсу.

• Обмен данными между системами автоматизации или между станцией человеко-машинного интерфейса и несколькими системами автоматизации. Обмен данными может осуществляться циклически или по прерываниям.

     Связь с объектом  управления через сеть PROFIBUS-DP Подключение контроллеров SIMATIC S7-300 к сети PROFIBUS-DP может производиться с помощью коммуникационного процессора или через встроенный интерфейс центрального процессора.

   Центральные процессоры  со встроенным интерфейсом PROFIBUS-DP позволяют создавать распределенные системы автоматического управления со скоростным обменом данными между ее компонентами по сети PROFIBUS-DP. Контроллер в такой системе может выполнять функции ведущего или ведомого устройства.

  Обращение к входам-выходам  устройств распределенного ввода-вывода  производится теми  же способами, что и к входам-выходам центрального контроллера.

Функции ведущих сетевых устройств могут выполнять:

• Контроллеры SIMATIC S7-300, подключенные к сети через встроенный интерфейс центрального процессора или через коммуникационный процессор.

 

   Программируемый контроллер SIMATIC S7-400 имеет модульную конструкцию и позволяет   использовать в своем составе:

• Модули блоков питания (PS). В контроллере может быть использовано несколько типов

блоков питания, имеющих различную нагрузочную способность и/или различные параметры входного напряжения (~120/230В или =24В). В одну монтажную стойку может устанавливаться до двух блоков питания, резервирующих друг друга.

• Модули центральных процессоров (CPU). В контроллерах может быть использовано не-

сколько типов центральных процессоров. Некоторые из них имеют встроенный интерфейс

PROFIBUS-DP. В стойку центрального  контроллера может устанавливаться  до 4 цен-

тральных процессоров.

• Сигнальные модули (SM). Модули, предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов.

• Коммуникационные процессоры (CP). Интеллектуальные модули, предназначенные для

организации различных вариантов связи.

• Функциональные модули (FM). Интеллектуальные модули, предназначенные для решения специализированных задач управления.

 

 Возможности расширения

При необходимости в составе SIMATIC S7-400 могут быть использованы:

• Интерфейсные модули (IM), предназначенные для соединения центрального контроллера со стойками расширения. Центральный контроллер SIMATIC S7-400 может управлять работой до 21 стойки расширения ввода-вывода.

• Модули управляющего компьютера SIMATIC M7-400. Центральные процессоры или модули прикладных программ (FM 456-4).

• Все модули ввода-вывода (SM) контроллеров SIMATIC S5-115U, S5-135U и S5-155U, а

также целый ряд их интеллектуальных модулей (IP, WF), устанавливаемые в специальные

адаптеры.

 

 

2.Описание технологического процесса

и постановка задачи

 

Устройство и работа котельной

        Котельная БКГ-2,5 представляет собой модульное здание из жесткого несущего металлического каркаса, облицованного трехслойными теплоизолированными панелями типа “сэндвич”. Здание оборудовано окнами, дверьми, проемами для проводки коммуникаций, дефлекторами для естественной вентиляции.

К зданию блочной котельной примыкают газоходы, дымовая и металлическая труба, поддерживаемая растяжками.

Внутри здания установлены: 2 водогрейных котла и различное вспомогательное оборудование для функционирования котельной по назначению – нагрева и подачи горячей воды в теплосеть.

В котельной установлено газораспределительное устройство (ГРУ).

Необходимые режимы температуры и освещения  в здании котельной при ее обслуживании обеспечиваются системами водяного и воздушного отопления,  естественным и электрическим освещением.

Сетевые насосы (основной и резервный) создают циркуляцию воды через водогрейный котел и теплосеть.

Подпиточные насосы (основной и резервный)  поддерживают необходимое давление на входе сетевых насосов и восполняют утечки воды из теплосети. Исходная вода для подпитки поступает из водопроводной сети или наружного резервуара.

Для защиты котлов и тепловой сети от накипеобразования в обратную сетевую воду  с помощью дозатора подмешивается антинакипин  (лигносульфонат) марки Н50 при общей жесткости исходной воды до 6 мг-экв/л.

Установка котла (водогрейный котел, горелка, дымосос, котловая автоматика) производит нагрев сетевой воды за счет энергии сжигаемого топлива.

Удаление дымовых газов из котла производится дымососом и естественной тягой через металлическую дымовую трубу.

Тепловой агрегат 

Тепловой агрегат представляет собой горизонтально-водотрубный котел, который содержит четыре коллектора с перегородками, жестко связанные в прямоугольную раму. Верхний и нижний коллекторы связаны плотным П-образным пакетом труб, образующих верхний, задний и нижний экраны топки.

Два боковых плотных пакета горизонтальных экранных труб передними концами соединены с боковыми коллекторами, а задние концы труб удлинены за пределы топки, заглушены и соединены между собой каждая горизонтальным рядом конвективных труб меньшего диаметра с напрессованными или навитыми ребрами, образующих вместе конвективный пакет. При этом коллекторы, экранные и конвективные трубы соединены между собой последовательно, а конвективная часть имеет одну или несколько горизонтальных перегородок.

Горелка устанавливается в окно рамы, образованной коллекторами.

Дымовые газы через разведенные в нижней части топки трубы заднего экрана поступают из топки в поворотную камеру и далее в конвективную часть. Нагретая жидкость через патрубок поступает в левый коллектор, проходит через горизонтальные трубы боковых экранов и конвективные трубы в правый коллектор, затем аналогичным образом через другие ряды труб жидкость совершает четыре хода. При этом в конвективной части жидкость движется по группам рядов четыре хода сверху вниз, противотоком к дымовым газам.

Система подачи топлива к котлам 

Система топливоподачи котельной включает в себя:

-    трубопроводы топлива котельной: задвижка с изолирующими фланцами на входе в котельную, газопроводы до котлов, трубопроводы продувки;

-    блок газооборудования котла: отсечные электромагнитные клапаны на основной и запальный газ, электромагнитный клапан безопасности; запорная арматура с ручным приводом; КИП; газопроводы и импульсные трубопроводы в пределах котла

   Система топливоподачи работает  следующим образом: природный газ  из ГРУ при автоматически поддерживаемом  давлении 0,8-1,0 кгс/см2 (давление газа уточняется при пусконаладочных испытаниях) по трубопроводу подается на блок газооборудования котла, установленного на фронте котла и подключенного к подводам газа и к узлам автоматики котла.

Система циркуляции сетевой воды

   Система циркуляции сетевой воды  работает следующим образом: обратная  сетевая вода из теплотрассы  через грязевик сетевым насосом  подается на водогрейный котел, нагревается и подается в теплосеть. Для поддержания температуры сетевой воды на выходе из котельной в заданном значении (в зависимости от температуры наружного воздуха) обратная сетевая вода через обводную линию с регулирующим клапаном подмешивается в горячую воду из котла.

  Необходимая  температура воды на выходе  из котла поддерживается изменением  мощности котла – длительностью  работы на “малом” или на  “большом” горении факела горелки  с плавным регулированием.

Восполнение утечек из теплосети производится подпиточным насосом из бака запаса или от хозпитьевого водопровода.

Сброс и удаление утечек воды из системы в котельной – через сальники насосов, из воздушного котла при его заполнении, опорожнении котла.

Сброс через предохранительные клапаны производится системой безнапорного дренажа котельной.

 

3. Разработка функциональной схемы алгоритма

 

Автоматическое регулирование

    Для котлов с горелками  БИГ-2-14, работающими на газе среднего  давления, в качестве управляющего  блока принят комплект средств управления «АВК-91М».

    Для котлов предусмотрен  режим работы с постоянной  температурой воды на входе  в котел не менее 70°С.

   Комплект «АВК-91М» осуществляет  плавное регулирование тепловой  мощности горелки, при которой  поддерживается заданная температура воды на выходе из котла.

    Если температура воды не превысила нижнего регулирующего значения, то на выходе цепи управления открытием газовой заслонки будут вырабатываться импульсы напряжения длительностью 2 секунды с интервалом между импульсами 120 секунд, приводящие к дискретному перемещению заслонок в сторону открытия и, как следствие, к постепенному увеличению тепловой мощности горелки.

    Тепловая мощность горелки  будет увеличиваться до тех  пор, пока в процессе прогрева  котла температура воды не достигнет значения выше нижнего регулирующего значения, но не превысит верхнего регулирующего значения.

    При этом на выходе  цепи управления закрытием газовой  заслонки будут вырабатываться  импульсы напряжением с аналогичными  параметрами, приводящие к дискретному перемещению заслонки в сторону закрытия и, как следствие, к постепенному уменьшению тепловой мощности горелки.

    Тепловая мощность горелки  будет уменьшаться до тех пор, пока температура воды не достигнет  значения ниже нижнего регулирующего значения.

    Если температура воды  достигнет максимального значения, то на выходе цепи управления  закрытием заслонки будет постепенно  вырабатываться напряжение, приводящее  к непрерывному перемещению заслонки  в сторону закрытия и, как следствие, к резкому уменьшению тепловой мощности горелки.

     В этом положении  заслонка будет находиться до  тех пор, пока в процессе остывания  температура воды на выходе  из котла не достигнет значения  ниже нижнего регулирующего значения.В  дальнейшем процесс регулирования повторяется.

    Поддержание постоянного  разрежения в топке котла осуществляется  заслонкой на дымоходе, синхронно  связанной с исполнительным механизмом  МЭО заслонки на газе.

    Пуск котла осуществляется  нажатием кнопки «Пуск» на  пульте управления комплекта средств управления «АВК-91М», после чего все операции по пуску выполняются автоматически.

     Состояние  аварийных датчиков постоянно  отображается на лицевой панели  блока, что позволяет контролировать  состояние датчиков до включения, отслеживать процесс пуска и позволяет настраивать датчики без включения комплекта. Аварийное отключение происходит только в определенных интервалах. Если авария произошла до включения клапана отсекателя, то блок переходит в начальное состояние, если после – то осуществляется продувка котла после отключения, с запоминанием причины аварии и включением звукового сигнала.

     Включение  котла производится только после  выяснения и устранения причины  аварийного останова котла.

    В комплект  средств управления «АВК-91М» входит  блок управления котлом БУК-МП с датчиками контроля работы котла.

    Приборы  визуального контроля работы  котла располагаются на фронте  котла.

    Схема  звуковой и световой сигнализации  собрана в малогабаритном щите 600х400х250.

Функциональная схема автоматизации

 

Принципиальная схема автоматизации

 

1 -сетевой насос

2 -подпиточный  насос

3 -бак подпиточной  воды

4 -насос исходной  воды

5 -насос подачи  воды к эжектору

6 -расходный бак  эжекторной установки

7 -водоструйный  эжектор

8 -охладитель  выпара

9 -вакуумный деаэратор

10 -подогреватель  химический очищенной воды

11 -фильтр химводоочистки

12 -подогреватель  исходной воды

13 -водогрейный  котел

14 -рециркуляционный  насос

15 -линия перепуска.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принципиальная схема:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

 

В соответствии с заданной схемой автоматизации, по количеству необходимых входных сигналов и выходных управляющих воздействий, а также в соответствии с необходимыми техническими параметрами был выбран микроконтроллер 6ES7 314-1AE02-0AB0 фирмы SIEMENS семейства SIMATIC S-300. Данный микроконтроллер обладает рабочей памятью объёмом в 24 кБ, поддерживает 1000 команд, каждая команда выполняется за 0.3 мс, содержит MPI подключения, а также multi-tier конфигурацию вплоть до 32-х модулей.

В качестве блока питания была выбрана модель 6ES7 307-1BA00-0AA0, входные электрические параметры которой 120/230 VAC (переменный ток), выходные электрические параметры - 24 VDC (постоянный ток); модель рассчитана на силу тока до 2А.

В качестве блока ввода/вывода была выбрана модель 6ES7 323-1BL00-0AA0. Электрические параметры входов и выходов: напряжение – 24 VDC, сила тока  - не более 0.5 А.