Барабанний котел

        Обгрунтування необхідності використання  АСУ саме такої конфігурації  більш детально розглянуте у  п.1.2 «Огляд і аналіз сучасних  АСУ ТОУ».

        Усі функції автоматичної системи  управління, що розглядається в даній роботі, поділяються на інформаційні, керуючі та допоміжні. Основна частина інформаційних функцій реалізується верхнім рівнем АСУ ТОУ. Ним у даному випадку виступає HMI/SCADA-система Wonderware InTouch. До інформаційних функцій можна віднести:

• Алармування та сигналізація про вихід режимних параметрів за вказані межі (в реальному часі);
• Історичне алармування та сигналізація про вихід режимних параметрів за вказані межі;
• Повне анімоване відображення технологічної схеми ТОУ;
• Відображення «домашнього» вікна з функцією захисту від неавторизованого доступу (авторизація здійснюється при вході в систему);
• Можливість ознайомлення обслуговуючого персоналу з інструкцією по контролю за перебігом технологічного процесу, можливість перегляду відео інструктажу з правил техніки безпеки;
• Можливість ознайомлення оператора АСУ з трендами основних параметрів у реальному часі;
• Можливість ознайомлення оператора АСУ з історичними трендами основних параметрів та ін. [4];

 

        Керуючі функції розподілені  між супервізорним та контролерним рівнями АСУ. Безпосередньо задачами контролю параметрів в необхідних для нормального перебігу технологічного процесу межах займається контролерний рівень. Він реалізує управління температурою в зварювальній зоні методичної печі за рахунок зміни витрати коксо-домінної суміші на пальниках за рахунок відкриття/закриття поворотної заслінки, встановленої на газопроводі на певний кут. Супервізорно реалізується функція задавача, тобто оператор має змогу задати необхідне значення температури прямо зі

свого робочого місця  за допомогою HMI/SCADA-системи Wonderware InTouch, яка в свою чергу обмінюється даними з контролером. Виходячи з вимог до контролерного рівня автоматичної системи управління мною було підібрано контролер Овен ПЛК150 [6].

        Обмін даними між нижнім та верхнім рівнями автоматичної системи управління реалізований за допомогою ОРС-протоколів обміну [4].

 

 

5. Опис вимог до реалізації функцій АСУ ТОУ

 

      В даному  пункті розглянемо вимоги, що  висуваються до основних функцій  АСУ ТОУ.

        Основні функції автоматичної  системи управління будь-яким  технологічним об’єктом управління наступні:

1. Інформаційна функція;
2. Захисна функція;
3. Керуюча функція;

        Найвищі вимоги висувають до  захисної функції. Вона забезпечує  мінімізацію вірогідності виникнення аварійної ситуації на об’єкті, яка може призвести до значних збитків, або що ще гірше – до травмування чи загибелі обслуговуючого персоналу. Основні способи задоволення потреб у високій надійності захисної функції – підбір надійного відмово стійкого обладнання та реалізація резервування. Щодо останнього способу, то він поділяється на три підтипи:

1. Дублювання – паралельне функціонування одного або одразу декількох допоміжних елементів щодо основного. Спеціальне обладнання проводить моніторинг усіх елементів (як основного, так і допоміжних) в реальному часі та вибирає найбільш надійне рішення з усіх можливих, наприклад по схемі співпадіння «два з трьох». Даний тип резервування є рекомендованим на основі специфічності технологічного процесу, що розглядається в даній роботі, але водночас він же – найдорожчий з усіх трьох типів резервування;
2. Холодне резервування. Найбільш уживаний та найдешевший спосіб, в умовах даного технологічного процесу не рекомендується. Полягає в наступному алгоритмі: при закупівлі обладнання на об’єкт закуповуються запасні елементи та приналежності в розмірі близько 10% складових частин виробів. За відмови будь-якого елементу він міняється на запасний.
3. Гаряче резервування – середній за надійністю, вживаністю та вартістю спосіб. Полягає в тому, що резервний елемент знаходиться в гарячому резерві, тобто відслідковує внутрішній стан основного елемента, та копіює його у себе. В разі відмови основного елемента резервний починає працювати майже з точки відмови, чим реалізується безперебійність технологічного процесу [4].

        Виходячи зі специфіки даного  технологічного процесу можна  зробити висновок, що захисна  функція майже повністю залежить  від справності та похибок  вимірювань параметрів технологічного  процесу. Тому найжорсткіші вимоги мають бути висунені до підбору датчиків та до їх резервування.

        Вимоги до похибок регулювання  задовольняються в повній мірі  за рахунок підбору високоточного  контролера Овен ПЛК150, що має  клас точності 0,5 , значну кількість  дискретних входів та виходів, що зумовлює можливість підключення одразу декількох датчиків, а оскільки контролер є вільно програмованим, то є можливість забезпечення будь-якого з видів резервування програмним шляхом (що зумовлює собою підвищення надійності захисної функції).

        Нарешті вимоги до інформаційної  функції задовольняються використанням HMI/SCADA-системи Wonderware InTouch. Вона дозволяє операторові повністю контролювати перебіг технологічного процесу, повідомляє про вихід параметрів ТП за необхідні межі, а також доповнює собою реалізацію захисної функції за рахунок унеможливлення неавторизованого доступу до системи [4].

 

 

6. Вибір програмної і апаратної платформи

                                     АСУ ТОУ

 

        Як вже було зазначено вище (див. п. 1.4. «Опис функціональної структури АСУ ТОУ») автоматична система управління технологічним процесом є дворівневою.

        Платформою верхнього рівня є HMI/SCADA-система Wonderware InTouch. Наведемо її основні властивості:

• Інтелектуальні графічні можливості і незалежні від роздільної здатності екрану графічні об'єкти для створення реалістичної і чіткої графіки;
• Різноманітний інструментарій створення сценаріїв для розширення і налаштування програм;
• Система розподілених алармів, ведення історії в реальному часі для аналізу перебігу технологічного процесу;
• Вбудовані тренди - реального часу та історичні;
• Інтеграція елементів управління Microsoft ActiveX і .NET;
• Велика бібліотека, що включає більше 500 попередньо створених і настроюваних графічних об'єктів і символів;
• Підтримка Microsoft Remote Desktop Services, аутентифікації за допомогою смарт-карт і технології віртуалізації Hyper-V та ін. [7].

 

        Платформою нижнього рівня обрано  контролер Овен ПЛК150.

Контролер призначений  для вимірювання фізичних величин, значення яких первинними перетворювачами (датчиками) може бути перетворено в напругу постійного струму, уніфікований елетричний сигнал постійного струму, або активний опір.

- Вимірювання аналогових сигналів  струму або напруги;

- Вимірювання дискретних вхідних сигналів;

- Управління дискретними (релейними)  виходами;

- Управління аналоговими виходами;

- Прийом і передачу даних  по інтерфейсах RS -485, RS -232, Ethernet;

- Виконання користувальницької  програми з аналізу результатів  вимірювання дискретних та аналогових входів.

- Управління дискретними входами  і виходами, передачі і прийому  даних по інтерфейсах RS -485, RS -232, Ethernet [6].

        Технічні характеристики  контролера Овен ПЛК150 зазначено  у таблицях 1 – 5.

 

 

 

 

                                                           Таблиця 1. Дискретні входи Овен ПЛК150

 

Кількість дискретних входів	6
Гальванічна ізоляція дискретних входів	є, групова
Електрична міцність ізоляції  дискретних входів	1,5 кВ
Максимальна частота сигналу, що подається  на дискретний вхід	1 кГц при програмної обробці  10 кГц при застосуванні апаратного лічильника  і обробника енкодера

 

                                                         Таблиця 2. Дискретні виходи Овен ПЛК150

 

Кількість дискретних виходів	4 е / м реле
Характеристики дискретних виходів	Ток комутації до 2 А при напрузі не  більше 220 В 50 Гц і cos φ> 0,4
Гальванічна ізоляція дискретних виходів	є, індивідуальна
Електрична міцність ізоляції  дискретних виходів	1,5 кВ

 

                                                           Таблиця 3. Аналогові входи Овен ПЛК150

 

Кількість аналогових входів	4
Типи підтримуваних уніфікованих  вхідних сигналів	Напруга 0 ... 1 В, 0 ... 10 В, -50 ... +50 мВ  Ток 0 ... 5 мА, 0 (4) ... 20 мА  Опір 0 ... 5 кОм  Типи підтримуваних датчиків термоопору:  ТСМ50М, ТСП50П, ТСМ100М, ТСП100П,  ТСН100Н, ТСМ500М, ТСП500П, ТСН500Н,  ТСП1000П, ТСН1000Н  термопари:  ТХК (L), ТЖК (J), ТНН (N), ТХА (K), ТПП (S),  ТПП (R), ТПР (В), ТВР (А +1), ТВР (А +2)
Розрядність вбудованого АЦП	16 біт
Внутрішній опір аналогового  входу:  в режимі вимірювання струму  в режимі вимірювання напруги 0 ... 10 В	50 Ом Близько 10 кОм
Час опитування одного аналогового входу	1,5 с
Межа основної зведеної похибки  вимірювання аналоговими входами	± 0,5%
Гальванічна ізоляція аналогових входів	відсутня

 

      Таблиця 4. Аналогові виходи Овен ПЛК150

 

Кількість аналогових виходів	2
Розрядність ЦАП	10 біт
Гальванічна ізоляція аналогових  виходів	групова
Електрична міцність ізоляції  аналогових виходів	1,5 кВ

 

    Таблиця 5. Інтерфейси зв’язку Овен ПЛК150

 

Інтерфейси      Швидкість обміну по інтерфейсах RS	Ethernet 100 Base - T  RS -232  RS -485 від 4800 до 115200 bps
протоколи ОВЕН	ModBus  RTU, ModBus  ASCII  DCON  ModBus  TCP  GateWay (протокол CoDeSys)

 

 

2. Проектування АСУ ТОУ

 

3. Структура програмно-технічного комплексу

      засобів автоматизації (ПТКЗА)

 

 

        В  даному проекті розглядається  дворівнева автоматична система  управління температурою в топці барабанного котла. Верхній рівень АСУ представлений HMI/SCADA-системою Wonderware InTouch. Нижній рівень функціонує на базі програмованого логічного контролера Овен ПЛК150.

 

                                    Рис.8 . Структурна схема ПТКЗА

 

        Принцип  роботи вищевказаної схеми наступний:  за допомогою термопари Метран  ТПП 211-13 виконується відбір температури відтічних димових газів в зварювальній зоні методичної печі. Вихідним сигналом даної термопари є уніфікований сигнал (4..20 мА постійного струму). Він надходить на відповідний аналоговий вхід контролера Овен ПЛК150. Контролер здійснює обробку отриманого сигналу, порівнює отримане значення з заданим, розраховує сигнал неузгодження та пропорційно величині цього сигналу подає командний вплив на аналоговий вихід, до якого підключено електропривід поворотної заслінки газопроводу Belimo CM24-SR-L. Даний електропривід керує поворотною заслінкою, повертаючи її пропорційно отриманому вхідному впливу на певний кут в межах (0°..90°).

 

                                              

          Рис. 9. Наглядне зображення роботи контролерного рівня АСУ

 

        SCADA/HMI-система Wonderware InTouch опитує контролер через стандартну польову шину (Modbus/RS-232), забирає дані від контролера, та надсилає дані до контролера через ту саму шину.