Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Автоматизация технологических процессов является одним из решающих факторов повышение производительности и улучшение условий труда. Все существующие и строящиеся промышленные объекты в той или иной степени оснащены средствами автоматизации. Тем самым автоматизируют производство.

Эффективность автоматизации проявляется, прежде всего, в росте производительности труда. Автоматизация позволяет полностью освободить человека от исполнения циклических процессов или процессов, выполняющихся по строго заданному алгоритму.

Теплоэнергетические установки характеризуются непрерывностью протекающих в них процессов. При этом выработка тепловой и электрической энергии в любой момент времени должна соответствовать потреблению (нагрузке). Почти все операции на теплоэнергетических установках механизированы, а переходные процессы в них развиваются сравнительно быстро. Этим объясняется высокое развитие автоматизации в тепловой энергетике.

1. Технологический процесс как объект автоматизации. Цель проектирования и требования к устройству автоматизации

Котельная относится к опасным производственным объектам и главное требование к ним – это обеспечение должного уровня безопасности. Эксплуатации котлов должна обеспечивать надежную и эффективную выработку пара требуемых параметров.

Исходя из этих требований стали широкого применяться автоматизированные системы управления технологическими процессами, которые без постоянного присутствия человека поддерживают оптимальность технологического процесса и повышают эффективностью..

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче разработки системы автоматического управления тепловой нагрузкой шахтной котельной установки. Данное направление автоматизации позволит экономить топливо до 8%, увеличить КПД котла на 7 – 8% [1], обеспечить работу топки от переизбытка воздуха, сократит расходы электроэнергии на подачу воздуха и обратную тягу [2], уменьшение объема ремонтных работ и повышение культуры обслуживания.

Структурная схема шахтной котельной установки

Рисунок 1 – Структурная схема шахтной котельной установки

Требования к автоматизированной системе мониторинга и управления теплоснабжением шахты [3], следующие:


1 Перед розжигом котельной производится 15 минутная продувка котла.

2 Должны обеспечиваться местный и автоматизированный виды управления.

3 Контроль следующих параметров: разряжение; низкое давление воздуха; низкий расход воды; низкое давление газа; низкое/высокое давление воды ;высокая температура; факел.

4 Автоматическая защита

5 Аварийная остановка котла происходит при: низком разряжение в топке котла; низком давление воздуха; низком расходе воды; низком давление газа; низком/ высоком давление воды; высокое температуре воды на выходе из котла; не правильном горение пламени.

6 Наличие следующих видов сигнализации: предупредительной; аварийной; технологической.

7 Визуализация всех параметров на блоке управления системе автоматизации.

8 Передача информации о работе котла и блока управления в персональный компьютер автоматизированного рабочего места диспетчера котельной.

9 Блок должен быть во влагозащитном корпусе, цепи соединений должны быть искробезопасны

2. Критический обзор существующих решений и выбор базовой аппаратуры автоматизации

Регулятор Р25 [5], на время своего появления на свет, оказался довольно удачной, и соответственно востребованной разработкой. В общей сложности выпускалось 3 модификации прибора, которые разнились типом и числом выходов:
– Р25.1 – рассчитан на подключение да трех дифтрансформаторных датчиков;

– Р25.2 – подключение одного или двух термосопротивлений;

– Р25.3 – подключение термопары ХА, ХК или ПП.

Все модификации позволяли использовать и унифицированные сигналы (0…5 мА, 0…20 мА или 0…10 В). Кроме того, каждая модификация регулятора Р25 выпускалась в двух вариантах исполнения – с индикатором положения исполнительного механизма (приборы с цифрой «2» в конце) или без него («1»). Прибор получился действительно удачным, удобным в эксплуатации и достаточно простым в ремонте. Но с годами он устаревал, выходили из строя радиоэлементы и на данный момент их уже почти не ремонтирую. И предприятия стремятся их заменить на более новые и современные регуляторы. Для перехода на более современный регулятор, нужно составить список требований, которым должен отвечать данный прибор, чтобы переход с Р25 оказался максимально простым:
– прибор по входам, выходам и питанию должен соответствовать регулятору Р25 (желательно, чтоб входов и выходов было больше, и чтоб они были более универсальны по типам сигналов);

– прибор должен обеспечивать характер и качество регулирования не хуже Р25-го (желательно, кроме реализованных в регуляторе Р25 ПИ–импульсной и двух/трехпозиционной структуры, иметь возможность выбора типа регулирования (аналоговое, импульсное или ШИМ) и возможность автоматической коррекции задания (по кривой либо по внешнему сигналу) исходя из нужд технологического процесса);

– работать в температурных диапазонах -5…+40°С;

– работать от напряжения 20…270 В;

– работать с параметрами: разряжение, давление, расход, температура.

лицевая панель регулятора р-25

Рисунок 2 – Лицевая панель регулятора р-25

Принципиальная схема автоматического регулирования

Рисунок 3 – Принципиальная схема автоматического регулирования

3. Обоснование направления автоматизации технологической установки

Так как основная проблема на котельной установке связана с неполным сгоранием топлива, за счет устаревшей системы управления. Поэтому при выборе и создании алгоритма работы, необходимо составить концептуальную модель исследуемого объекта.

Параметры котла:
– Тепло производительность котла 8,3 МВт (8 Гкал/ч);

– Дутьевой вентилятор типа Ц-13-50 №5 производительностью 13000 м3/ч, максимальное рабочее давление при котором срабатывает сигнализация 10 мм.вод.ст;

– Разряжение, максимальное рабочее давление 0.8 мм.вод.ст;

– Расход воды через котел 104 м3/ч;

– Температура уходящих газов, 150 ?С

– Температура воды : на входе 70С; на выходе 150С.

– Расход газа 1100 м3/ч;

– КПД котла 90%;

– Давление воды: мах 14 кг/см2; мин 8 кг/см2.

Составим расчетную схему идентифицируемого объекта (рисунок 4), где КУ – котельная установка, БР – блок регулировки, которая осуществляет регулировку открытия/закрытия задвижки, для подачи определенного количества газа и воздуха в топку котла, а также регулировку разряжения в топке котла.

Расчетная схема идентифицируемого объекта

Рисунок 4 – Расчетная схема идентифицируемого объекта

Входным сигналом V(t,q)const модели является постоянное значение Тт.н вх и Qт.н г.в, выходным Y(t) – температура уходящих газов. Возмущающим фактором является температура окружающей среды. Регулирующим W(qгаз) расхода газа иW(qвоз) воздуха.

Изложенные ниже расчеты, выполнены с целью определения коэффициента полезного действия (КПД) котла и расхода топлива.

Теплота сгорания единицы объема сухого газа, Qc н

Подогрев топлива и воздуха вне котельного агрегата не предусмотрен. Отсутствует также форсуночное дутье.


Qтл – подогрев топлива;

Qв.вн. подогрев воздуха вне котельного агрегата;

Qф – подогрев форсунок.

Тогда располагаемая теплота:

формула1

Потери теплоты и коэффициент полезного действия (КПД) котла.

Температура холодного воздуха, tх.в.

Энтальпия теоретически необходимого воздуха, Io х.в.

Температура уходящих газов, vух

Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах aух

Энтальпия продуктов сгорания при этой температуре, Iух

Потери теплоты с уходящими газами:

формула2

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания,q3

Потеря теплоты от механического недожога,q4

Потеря теплоты поверхностями котла и экономайзера, q5

Суммарная потеря теплоты котельным агрегатом:

формула3

Коэффициент полезного действия котельного агрегата:

формула4

Расход топлива при номинальной тепловой нагрузке.

Тепловая нагрузка при работе котла в водогрейном режиме, Qк

Расчет топлива котла при расчетной нагрузке:

формула5

Расчетный расход топлива, Вр =В

Все расчеты приведены в магистерской работе.

4. Алгоритмизация мониторинга и управления технологическим процессом шахтной котельной установки

Котельная относится к опасным производственным объектам и главное требование к ним – это обеспечение должного уровня безопасности. Эксплуатации котлов должна обеспечивать надежную и эффективную выработку пара требуемых параметров.

Исходя из этих требований стали широкого применяться автоматизированные системы управления технологическими процессами, которые без постоянного присутствия человека поддерживают оптимальность технологического процесса и повышают эффективностью.

Схема автоматизации регулирования и контроля газового котлоагрегата должна предусматривать следующие системы:
– система автоматического регулирования и контроля соотношение газ-воздух;

– система автоматического регулирования и контроля разряжения в топке котла;

– система автоматического регулирования и контроля давления воды в обратном трубопроводе;

– система автоматического регулирования и контроля уровня в баке деаэратора;

– система автоматического регулирования и контроля температуры воды ХВО.

Так как период использования регулятора Р25 значительно превышает срок его предельной эксплуатации, то оно не целесообразно к дальнейшему использованию. Причины этому:
– увеличение погрешность из-за устаревания радиоэлементов;

– ремонтопригодность;

– частые выходы из строя задатчиков, переключателей Б/М и А/Р.

В связи с этим было принято решение разработать замену данному регулятору, и перейти на ПЛК–150 [6], что позволит изменить и подстроить алгоритм работы котельной при помощи ввода новой программы, либо простой коррекций запрограммированной программы.

Если в момент опроса системы были нарушены параметры, то выводится информация об ошибке и включение сигнализации[8].

Алгоритм теплоснабжения котельной установки

Рисунок 5 – Алгоритм теплоснабжения котельной установки

Задание соотношения газ-воздух должно производиться с использованием ЭВМ или ручного задатчика, управление температурой в зонах печи и расходом воздуха осуществляется контроллером или блоком ручного управления. Сигнализация низкого давления в магистралях организуется в соответствии с существующей схемой сигнализации параметров. При низком давлении в магистралях газа или воздуха должен загораться соответствующий индикатор и звучать звуковой сигнал. Съем сигнала нажатием кнопки должен быть предусмотрен в системе.

Если управление происходит в ручном режиме алгоритм прекращает свое действие. В автоматическом режиме тумблером на пульте управления выбирается режим установки задания (от ручного задатчика или ЭВМ). В режиме установки задания от ручного задатчика на вход регулятора подаётся рассогласование, равное разности задания температуры от ручного задатчика и температуры в зоне. В режиме установки задания от ЭВМ на вход регулятора подаётся рассогласование, равное разности задания температуры, заданной ЭВМ и температуры.

При выборе автоматического режима работы. Регулятор начинает инициализацию всех устройств системы, их работоспособность и целостность связи. Ожидает команды на запуск подпрограммы вентиляции котла перед запуском.

После того как вентиляция окончена, подается команда на запуск подпрограммы поочередного розжига горелок, и вывод их на минимальный расход газа.

Далее происходит опрос датчика температуры окружающей среды, и после программа сравнивает показания и устанавливает соотношения газ–воздух с режимной картой данного котла.

Подпрограмма запуска котла (соотношение газ-воздуха)

Рисунок 6 – Подпрограмма запуска котла (соотношение газ–воздуха)

Подпрограмма «Запуск котла» начинается с опроса датчиков расхода газа, давления воздуха и разряжения в топке. Далее включается 15 минутная продувка котла и включение растопочных горелок. После как пройдет 15 минут, программа начинает поочередное открытие задвижек по газу и добавление воздуха чтобы не погасло пламя. Затем контроллера опрашивает датчик температуры окружающей среды, и сравнивает с графиком нагрузки котла.

Если в момент опроса системы был нарушен какой-то либо параметр, система вывод ошибку и прекращает подачу газу в топку котла.

5. Техническая реализация системы управления тепловой нагрузкой шахтной котельной установки

5.1. Структурная схема автоматизированной системы мониторинга и управления технологическим процессом теплоснабжением шахты

В соответствии с алгоритмом работы создается двухуровневая структура автоматизированной системы мониторинга и управления технологическим процессом[7].

Верхний уровень является уровнем управления производственным процессом и ресурсами предприятия. Верхний уровень – это диспетчерский пункт шахты, в который приходит информация с основных технологических узлов шахтной котельной.

Нижний уровень является уровнем управления и мониторинга параметрами технологического процесса, его визуализацией. Данный уровень состоит из рабочей станции оператора, блока преобразование взаимной индуктивности и датчиков.

Структурная схема автоматизированной системы мониторинга и управления шахтной котельной установки

Рисунок 7 – Структурная схема автоматизированной системы мониторинга и управления шахтной котельной установки

Данный по технологическом процессу поступают с комплекта датчиков (ДМ-3583М, МЭД, ДТ-2) на рабочую станцию оператора РСО, через блок преобразования взаимной индуктивности, остальные датчики с унифицированным сигналом напрямую. Выходные сигналы поступают на исполнительные механизмы (МЭО, преобразователь частоты). Данные с РСО передаются на рабочую станцию диспетчера РСД или ПК по сети Ethernet. На РСД происходит архивирование и визуализация данных технологического процесса. Основное управление происходит на РСО.

5.2. Структурная схема автоматизированной системы мониторинга и управления технологическим процессом теплоснабжением шахты

Автоматизированная система управления «Универсал» предназначена для автоматического розжига, контроля, регулирования и защиты котла ТВГ-8М [9]. В комплексе с датчиками и исполнительными устройствами «Универсал» является мощной системой, соответствующей всем современным требованием, предъявляемым к системам управления котлами данного типа.

«Универсал» обеспечивает следующие функциональные возможности:
– автоматический розжиг котла (при нажатии кнопки ПУСК);

– проверку герметичности газопровода при пуске котла;

–технологический останов котла с последующей после остановочной вентиляцией топки (при нажатии кнопки СТОП);

– аварийный останов котла с прекращением подачи газа со звуковой сигнализацией и индикацией причины аварии в случае:

– высокого давления газа в подходящем газопроводе;

– низкого давления газа в подходящем газопроводе;

– низкого давления воздуха перед горелками;

– низкого разрежения в топке котла;

– низкого давления воды на выходе котла;

– высокого давления воды на выходе котла;

– высокой температуры воды на выходе из котла;

– погасания пламени;

– аварийной остановки вентилятора;

– аварийной остановки дымососа;

– аварийной остановки питательного насоса;

– автоматическое регулирование разрежения в топке котла;

– автоматическое регулирование давления газа перед горелками;

– автоматическое регулирование давления воздуха перед горелками.

Внешний вид передней панели шкафа управления

Рисунок 8 – Внешний вид передней панели шкафа управления

Технические особенности:
– ЖК обеспечивает четкое разрешение при любых условиях освещения;

– система предотвращает потерю данных при сбое питания;

– высокая рабочая температура;

– передача данных осуществляется при помощи кабеля стандарта Ethernet. USB;

Средствами сбора информация является комплект датчиков, который состоит из 10 аналоговых датчиков. У дифференциальных датчиков (ДМ3583М, МЭД, ДТ2) выходной сигнал взаимной индуктивности 0-10(-10…+10) мГн, был принят ранее разработанный блок преобразования взаимной индуктивности в стандарт 4-20мА, датчики температуры подключены к аналоговым входам.

Исполнительные устройства представляют собой МЭО, частотные преобразователи вентилятора и дымососа.

Для визуализации, мониторинга и управления технологическим процессом принята Master SCADA [10].

Плюсы данной системы следующие:
– простой и понятный русскоязычный интерфейс;

– доступ с любого рабочего места к любой информации, имеющейся в системе и взаимодействие с другими программами с помощью современных технологий;

– подробный справочный материал и всплывающие подсказки;

– контроль допустимости вводимой информации;

– соответствие проекта логике восприятия системы и объекта разработчиком;

– возможность полной отладки проекта без связи с объектом и возможность полной отладки распределенной системы на одном компьютере;

– отсутствие необходимости настройки сети или выделения отдельного сервера для запуска распределенной системы;

– возможность многократного использования любой ранее созданной части проекта;

– библиотеки технологических объектов из различных областей;

– автоматическая и пользовательская обработка признаков качества значений и имитационный режим с индивидуальным выбором функций имитации сигналов.

В результате выполненных исследований компьютерной модели шахтной котельной установки, была смоделирована модель работы.

Мнемосхема работы котельной установки

Рисунок 9 – Мнемосхема работы котельной установки
(анимация: 4 кадра, 314 килобайт)

В процессе работы щит управления анализирует состояние котла посредством информации, поступающей с аналоговых и дискретных датчиков, и формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства.

После подачи напряжения питания щит находится в исходном состоянии. На лицевой панели горит индикатор «Сеть». На панели оператора отображается «Главный экран». Щит производит измерение и индикацию на главном экране всех параметров котла. Перед запуском котла все переключатели работы регуляторов должны находиться в положении автоматического регулирования. После нажатия на кнопку «ПУСК» начинается алгоритм розжига котла.

От момента нажатия на кнопку «ПУСК» и до выхода котла на режим регулирования производительности щит управления котлом производит ряд технологических операций, которые разделены на временные интервалы. Каждый временной интервал предполагает включение (отключение) определенных исполнительных механизмов, наличие (отсутствие) контроля по определенным каналам защиты и устанавливает режимы работы регуляторов.

Главный экран

Рисунок 10 – Главный экран

Все управление осуществляется посредством вывода на экран соответствующих окон: «Главный экран», Экран «МЕНЮ» для конфигурирования системы, «Параметры вентиляции», «Параметры розжига» и др.

Выводы

В результате проведенного анализа режимов работы котельной как объектов мониторинга и управления сформулированы требования к системе мониторинга и управления теплоснабжением шахты, отличительной особенностью которых является наличие наряду с типовыми требованиями нормативных документов, требования координированного управления режимами работы и регулирования их параметров в зависимости от температуры окружающей среды.

Разработана двухуровневая компьютерно-интегрированная система управления с использованием промышленной сети. На верхнем уровне управления расположена подсистема диспетчерского мониторинга и координации работы теплоснабжением шахты, а на нижнем подсистема управления котельной. Для каждой подсистемы обоснованы и приняты технические средства автоматизации.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2023 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Топливо, топки и котельные установки. Щеголев М.М. 1953. 4-е издание переработанное, 546 с.
  2. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Книга 1. Отопление и теп-лоснабжение. Щекин Р.В. и др. 1976. 352 с.
  3. Справочник по автоматизации котельных. Под общей редакций канд. тех. наук Л.М. Файерштейна. и др. 1978. 173 с.
  4. Тарасюк В.М. Эксплуатация котлов: Практическое пособие для опера-тора котельной, г. Москва, 2008 г
  5. Руководство по эксплуатации Р25: https://promav.nt-rt.ru/images/manuals/r-25.pdf
  6. Руководство по эксплуатации ПЛК 150: https://owen.ru/uploads/re_plc150_1772.pdf
  7. Егоров С.В., Мирахмедов Д.А. Моделирование и оптимизация в АСУТП. М. 1988
  8. Баховцев, И.А. Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники. Структуры и алгоритмы [Электронный ресурс]: учеб-ное пособие/ Баховцев И.А.— Электрон. текстовые данные. - Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2018. - 219 c. - Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/91248.html. - ЭБС «IPRbooks». -Режим доступа: для авторизир. пользователей.
  9. Громов В.С., Тимофеев В.Н. Системы противоаварийной защиты в АСУТП. Мир компьютерной автоматизации, №3, 2003
  10. Газиева Р.Т. , Ядгарова Д.Б., Нигматов А.М. , Озодов Э.О. Мастер SCADA , учебное пособие для студентов специальности 5311000- Автоматизация и управление технологических процессов и производств (в водном хозяйстве).: https://staff.tiiame.uz/storage/users/348/books/vKQOAjCqqQcHcHo0AeJOsOEQKwmwccM9uu8lq0I5.pdf