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.

Основные термины: повышения экономической эффективности, системы управления, системы управления котельной, управления котельной «NOVITER», целью повышения экономической, технологического объекта управления, экономической эффективности процесса, Разработка системы управления, с целью повышения экономической, BECKHOFF CX, управления малой котельной, качестве блока питания, технологического процесса, модернизации системы управления, панели управления, системы управления миксером, контроллера beckhoff cx, сердцем системы управления, длительной эксплуатации котельной, разработка системы управления

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle