Библиографическое описание:

Савчиц А. В., Шкляр В. Н. Разработка системы управления котельной «NOVITER» с целью повышения экономической эффективности // Молодой ученый. — 2013. — №6. — С. 133-137.

В данной статье рассматривается проект модернизации системы управления котельной «NOVITER» на предприятии ООО «Кока — Кола ЭЙЧБИСИ Евразия» (г. Волжский Волгоградской области), выполненный с целью повышения экономической эффективности процесса.

Теплоэнергетические установки характеризуются непрерывностью протекающих в них процессов. При этом выработка тепловой энергии в любой момент времени должна соответствовать потреблению (нагрузке). Особое значение придается вопросам автоматизации теплоэнергетических процессов в связи с взрыво — и пожароопасностью перерабатываемых веществ, с необходимостью предотвращения вредных выбросов в окружающую среду.

В результате длительной эксплуатации котельной NOVITER, эксплуатируемые средства автоматизации морально и физически устарели. В результате чего стали возникать частые поломки, сбои в работе оборудования, и как следствие необходимость модернизации средств автоматизации. В связи свыше сказанным целью данной работы является разработка системы управления котельной «NOVITER» с целью повышения экономической эффективности.

На основе проведенного анализа научной и научно-технической литературы и патентов, для реализуемого проекта была выбрана централизованная система управления малой котельной на базе модульного контроллера.

Перед автоматизацией технологического объекта должны быть выполнены следующие мероприятия:

-          оборудование технологического объекта управления должно быть механизировано, и работать в установленный межремонтный период;

-          технологическая схема должна быть составлена таким образом, чтобы процесс был управляемым, и разделен на определенные зоны с возможностью воздействия на технологический режим в каждой из них;

-          должен быть обеспечен доступ к местам установки датчиков, запорных и регулирующих органов;

-          число возмущающих воздействий должно быть сведено к минимуму.

Только при выполнении этих условий можно повысить эффективность технологического объекта управления.

Требования к поддержанию режимных и особенно выходных параметров является обязательным условием проведения технологического процесса.

Контролю и регулированию подлежат параметры, характеризующие протекание технологического процесса в отдельных аппаратах. К этим параметрам относятся:

-          давления газа;

-          давление пара в котле;

-          давление в сети отопления;

-          уровень воды в котле, в деаэраторе, в вытяжном баке, в баке доп. воды;

-          рН воды в деаэраторе, в баке дополнительной воды;

-          температура в деаэраторе, в вытяжном баке, в сети отопления, в сети ГВС, в помещении котельной, на улице;

-          расход в сети ГВС;

-          контроль пламени.

Для системы управления был выбран контроллер BECKHOFF CX. Контроллеры BECKHOFF CX — это модульные программируемые контроллеры, предназначенные для построения систем автоматизации средней и высокой степени сложности. Программирование контроллера BECKHOFF CX осуществляется средой TwinCAT. Программирование контроллеров в TwinCat производится в стандарте МЭК 61131–3.

Процессор является сердцем системы управления. Почти все системные операции контролируются процессором, поэтому важно, чтобы он был правильно установлен и отлажен. Для данной системы управления был использован процессор CX2020(рис.1).

Рис. 1. Внешний вид процессора

Для сетевого ввода/вывода информации был использован сетевой модуль CX2500–0031. Внутренне они подключаются через разъем PCI Express. Последовательные интерфейсы могут быть добавлены с помощью модуля CX2500–0031 (RS422/RS485).

Для ввода дискретных сигналов в контроллер был использован модуль EL1004. В

EL1004 цифровой входной разъем приобретает двоичные сигналы управления от уровня процесса и передает их, в электрически изолированы, с более высокого уровня автоматизации единицы. Цифровые входные разъемы, с EL100x серии имеют 3 мс входного фильтра.

Для вывода дискретных сигналов из контроллера был использован модуль EL2872. В EL2872 цифровой выходной терминал предлагает очень компактную конструкцию с его 16 каналами. 20-контактный разъем обеспечивает безопасное подключение разъемов, используя прорезанием изоляции контакт, как это привычно для кабелей и специальных круглых кабелей. Это значительно упрощает разводку многим каналам.

В данном проекте была выбрана панель управления серии CP7901 (рисунок 2).

Рис. 2. Внешний вид панели управления

В качестве блока питания для процессора, сетевого модуля, модулей дискретного ввода/вывода, панели управления был выбран блок питания серии CX2100–0904. В источнике питания CX2100–0904 также имеется встроенный емкостной ИБП. В случае сбоя питания это позволяет системе сохранять данные на носителе, а затем завершите работу упорядоченным образом.

В качестве блока питания для датчиков был выбран однофазный блок питания DRP024V060W1AA. Устройства обеспечивают высокую надежность и длительный срок службы благодаря встроенной защите от короткого замыкания, перегрузки и тепловой защите.

Для измерения давления были выбраны датчики давления415, предназначенные для преобразования избыточного давления (ДИ) в цифровой выходной сигнал.

Для измерения уровня был выбран бесконтактный микроволновый уровнемер PiloTREK — 4.

Для контроля пламени был выбран фотодатчик сигнализирующий ФДС-01. Предназначен для преобразования пульсаций потока инфракрасного оптического излучения в электрический сигнал в виде переключающихся контактов реле.

Для измерения температуры были выбраны термоэлектрические преобразователи сопротивления ТЭРА ТСП — RS.

Для измерения рН были выбраны датчики AnaCONT LGP-Ex. С помощью компактных преобразователей рН возможно беспрерывно контролировать кислотность (pH<7) и щелочность (pH>7) жидкостей, а на основании полученных данных дозировать необходимые химикаты или совершать другие технологические операции.

Для измерения расхода был выбран расходомер-счетчик электромагнитный «ВЗЛЕТ ЭРСВ-5×0Л».

Измерительная информация от датчиков в контроллер будет поступать по сетевому интерфейсу RS-485, управляющие воздействия так же будут передаваться по сетевому интерфейсу.

Пуск двигателей будет осуществляться с помощью устройств плавного пуска, что позволит снизить затраты а электроэнергию.

Информация с контроллера будет передаваться на панель оператора и рабочую станцию для отображения и архивирования.

Объектом автоматического регулирования выбран пластинчатый теплообменник (поз.12, лист № 1). С его помощью происходит изменение температуры воды на выходе путем изменения подачи пара.

Описание: Фрагмент2.jpg

Рис. 3. Схема регулирования системы ГВС.

Для разработанной САУ составили математическое описание пластинчатого теплообменника, как выбранного объекта автоматического регулирования. Применив аналитический метод, состоящий в определении характеристик реального объекта из составленной математической модели по дифференциальным уравнениям.

Теплообменник имеет следующие динамические каналы:

-          – канал регулирования температуры выходящей воды расходом пара;

-          – канал возмущения по температуре входа воды;

-          – канал возмущения по расходу воды.

Передаточные функции теплообменника:

по каналу x — y

по каналу x1 — y

по каналу z — y

Получили общую передаточную функцию объекта управления:

Кривая нагрева, полученная по аналитической математической модели, представлена на рисунке 4.

Описание: Без.2.png

Рис. 4. Кривая нагрева

АЧХ, ФЧХ и АФХ, полученной передаточной функции представлены на рисунках 5 и 6, 7.

Описание: Без.7.png

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика объекта

Описание: Без.6.png

Рис. 6. Фазо-частотная характеристика объекта

Описание: Без.8.png

Рис. 7. Амлитудно-фазовая характеристика

Составили матрицу управляемости Q:

По критерию Калмана в рассматриваемой системе ранг матрицы Q = 2, следовательно, система управляема.

Составили матрицу наблюдаемости N:

В рассматриваемой системе ранг матрицы N = 2, следовательно, система наблюдаема.

Исследовали устойчивость системы, используя корневой метод оценки устойчивости системы (критерий Ляпунова), для этого привели к каноническому виду характеристическое уравнение системы, предварительно разделив уравнение на коэффициент перед старшей степенью уравнения.

Для корневой устойчивости линейной системы необходимо и достаточно, чтобы все корни характеристического уравнения ее передаточной функции имели отрицательные вещественные части.

Анализ корней показывал, что система устойчива, поскольку все корни расположены в левой полуплоскости.

На основании этого сделали вывод, что система управляема, наблюдаема и устойчива.

Так как в объекте управления отсутствует, поступление частых резких возмущений, был выбран для моделируемой системы управления ПИ-регулятор.

ПИ-регулятор обладает двумя важными достоинствами. Во-первых, введение его в статическую САР вместо П-регулятора превращает САР в астатическую, что улучшает качество регулирования в установившемся режиме. Во-вторых, ПИ-регулятор позволяет посредством форсирующего звена, входящего в его состав, в существенной мере компенсировать на высоких частотах инерционность, вносимую интегратором, и сохранить качество переходного режима исходной статической САР, в частности ее быстродействие.

Определили коэффициенты ПИ-регулятора и провели анализ эффективности системы. Сделали выводы, что увеличилось быстродействие, и введение ПИ-регулятора позволило сократить время достижения задания.

Провели экономическое обоснование технического решения проекта и сделали вывод. Что разработка и внедрение технических решений по проекту позволит получить следующие результаты:

-          Капитальные затраты на осуществление проекта К2 = 1,279млн.руб.;

-          Годовой экономический эффект Эг = 317,4 тыс. руб.;

-          Рентабельности капитальных затрат по проекту Рк2 = 25 %;

-          Срок окупаемости капитальных вложений

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что система управления котельной «NOVITER», созданная на базе микропроцессорной техники с использованием современного оборудования в области автоматизации технологических производственных процессов, будет удовлетворять заданным требованиям.

Литература:

1.         Нестеров А. Л. Проектирование АСУТП. Методическое пособие. Книга 1 — СПб.: ДЕАН, 2010. — 552с.

2.         Нестеров А. Л. Проектирование АСУТП. Методическое пособие. Книга 2 — СПб.: ДЕАН, 2009. — 994с.

3.         Каталог продукции BECKHOFF,2012г: URL: http: //www.beckhoff.ru, дата обращения на сайт 15.10.2012г.

4.         Устройства плавного пуска Altistart: URL: http: //www.Schneider — electric. ru, дата обращения на сайт 10.10.2012г.

5.         Каталог продукции ТЭРА: URL: http: //www.ao-tera.com.uа, дата обращения на сайт 12.10.2012г.

6.         Дьяконов В. П. VisSim + MathCAD + Matlab. Визуальное математическое моделирование. — М.: СОЛОН — Пресс, 2004. — 384 с.: ил.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle