English version
Русская версия

АСУ ТП шарових млинів ШБМ 287/410 котлоагрегату БКЗ 160–100 ПТ

Підприємство: ТОВ «Краматорськтеплоенерго» Робота: Автоматизація керування завантаженням двох шарових млинів ШБМ 287\410 Розпочато: липень 2009 Завершено: серпень 2010 Виконавці: Білоусов Э.М. - технічний керівник; Садовий А.В. - науковий керівник; Савоченко Р.А. - розробка оточення ПЛК, програмування ПЛК та верхнього рівня; Лисенко М.С. - програмування верхнього рівня; Зайчук Е.Н. - розробка алгоритмів; Бірюков В.В., Лісов Л.И. - проектування шаф.

1. Об'єкт автоматизації

На балансі ТОВ "Краматорськтеплоенерго" міститься ТЕЦ у складі чотирьох робочих котлів БКЗ 160–100 ПТ (6, 7, 8 та 9). Котли виробляють пар тиском 100 кгс/см2, з номінальною продуктивністю до 160 т/год, на котел. Паливом котлів слугує природний газ та вугільний пил. На цей час більший наголос робиться на використання вугілля у виробництві пару, по причині високої вартості газу. Котли 7, 8 та 9 мають робочу систему пило-підготування, яка забезпечує котли пилом.

До процесу пило-приготування включено: цех приготування вугілля, транспортер вугілля до бункера шарових млинів, два шарових млина та бункери пилу. Предметом даного проекту є автоматичне керування процесом завантаження шарових барабаних млинів.

На підприємстві використовуються шарові барабанні млини ШБМ 287\410. Функціональна схема шарового млина, з елементами автоматизації, зображено на рис.1.

Рис. 1. Функціональна схема шарового млина

2. АСУ ТП

Структурну схему АСУ ТП зображено на рисунку 2, складовими частинами якого є дві шафи контролерів PLC 1, PLC 2 та дві станції автоматизованих робочих місць оператору АРМ 1, АРМ 2.

Рис. 2. Структурна схема АСУ ТП.

Виходячи з структури АСУ ТП складається з об'єкту автоматизації - Млини, контролерів управління млинами (PLC 1 та PLC 2), а також двох автоматизованих робочих місць (АРМ 1 та АРМ 2).

Кожний з контролерів незалежно керує млинами окремого котлу. Так, контролер PLC 1 керує млинами котлу 7, та PLC 2 - млинами котлу 9.

Дані технологічного процесу концентруються та надаються на АРМах. Кожний з АРМ представляє дані ТП всіх котлів. Один з одним АРМи підключені за схемою резервування, що дозволяє виключати втрату даних на час зупинки одного з АРМ. З метою оптимізації навантаження на контролер реальне опитування контролерів відбувається одним АРМ, при цьому інше АРМ отримує дані у основного АРМ. Основним АРМ є АРМ 1, яке і виконує безпосереднє опитування контролерів. У випадку збою АРМ 1 опитування контролерів бере на себе АРМ 2, і до моменту відновлення функціонування АРМ 1. У процесі відновлення роботи АРМ після збою відбувається синхронізація архівів глибиною до 1 години. Відновлення архівів на більш тривалий час відбувається синхронно з доступом до цих архівів.

2.1. ПЛК

У якості програмованого логічного контролеру у проекті застосовано ПЛК LP-8781 фірми ICP DAS серії LinPAC. Промисловий контролер цього сімейства є першим продуктом, який побудовано на x86 сумісному процесорі; попередні контролери цього сімейства засновані на процесорі архітектури ARM. Крім x86 процесору ці контролери забезпечені значними ресурсами оперативної пам'яті та дискового простору.

Особливістю технологічного процесу даного проекту є наявність специфічних до ресурсів та функціям контролеру вимог при невеликому об'ємі параметрів. Крім того, вирішальним фактором є обмежене фінансування. Всім цим вимогам задовольняють контролери сімейству LP-8x81:

• порівняно невисока вартість;
• висока продуктивність, для ПЛК;
• архітектурна та програмна відкритість ПЛК;
• промислове виконання та розширений температурний діапазон.

ПЛК (рис.3) конструктивно виконано за модульним принципом, де модулі встановлюються у кошик. Кошик суміщено з процесорним модулем та може мати 1, 3 або 7 слотів для модулів розширення. Модулі розширення можуть бути двох типів, а саме модулі на паралельну та послідовну шину. Модулі на паралельну шину (I-8x) є швидкими. Модулі на послідовну шину (I-87x) встановлюються на шину інтерфейсу RS-485 та працюють зі швидкістю 115000 біт/с за протоколом DCON. Крім модулів безпосередньо у кошику контролер може розширюватися додатковими кошиками з модулями на послідовній шині (I-87x) через послідовні інтерфейси процесору.

Рис. 3. ПЛК серії LP-8x81.

Ємкість АСУ ТП для одного котлу складає: 18AI, 2AO, 10DI, 16DO. Відповідно потрібен контролер з кількістю слотів розширення не менш 6. Виходячи з цього вибрано контролер LP-8781 та наступні модулі для підключення зовнішніх сигналів:

Для підключення UPS використано послідовний інтерфейс COM2 контролеру.

З особливостей налаштування контролерів варто відзначити наступні моменти:

• Було зібрано останню версію драйверу UPS nut-2.4.1.
• Для забезпечення стійкої та рівномірної роботи послідовних інтерфейсів у режимі використання пріоритетів реального часу потрібно було встановити пріоритет 20 реального часу для ядерного потоку "events/0". Встановлення пріоритету відбувається у першому запуску процедури опитування UPS середовища виконання контролеру на OpenSCADA, кодом:

• Встановлено пріоритет 5 реального часу для вхідних транспортів, з метою підвищення рівномірності та реактивності у відповідях на запити з верхнього рівня.

Контролери змонтовано у шафу розміром 2000x800x400, який містить автомати, клемні колодки, реле та UPS окремого котлу.

2.2. АРМ

Автоматизовані робочі місця (АРМ) оператору виконано на основі офісних ПК наступної конфігурації:

Обидва системні блоки встановлено до тумби столу оператора. На столі оператора встановлено два дисплеї окремих АРМ та маніпулятори миші. Тумба з системними блоками зачинена дверцятами з обидвох боків. На дверцятах встановлено фільтри, а на одній з них вентилятор. Не дивлячись на наявність вентилятору та у зв'язку із великою насиченістю приміщення вугільним пилом спостерігається перегрів системних блоків та збої. Для вирішення цієї проблеми було оптимізовано рух повітря у тумбі, а також знижено частоту процесорів АРМ з 2500 до 1600 МГц.

На АРМи встановлено системне ПЗ ALTLinux 5.1 та SCADA-систему OpenSCADA 0.6.4.2.

Виконано наступні заходи з загально-системної конфігурації:

• Налаштовано синхронізацію часу контролерів PLC 1, PLC 2 та ARM 2 з АРМ 1.
• Створено обліковий запис оператору "operator" з паролем "123456".
• Налаштовано автоматичне завантаження робочого інтерфейсу від ім'я оператору та запуск системи OpenSCADA з проектом АСУ ТП шарових млинів.
• Оточення робочого столу KDE налаштовано для виключення зайвих функцій при роботі з діалоговими вікнами та виключення можливості закриття інтерфейсу оператора маніпулятором миші.

3. Алгоритми

Алгоритми управління млинами є достатньо складними, що пов'язано з наступними факторами:

• Використання непрямих механізмів отримання значення рівня вугілля у млинах.
• Врахування різних способів керування завантаження млинів, від прямого регулювання температури пило-повітряної суміші на виході з млинів, до керування завантаженням за обчисленим рівнем.

За алгоритмами створено програми контролера, які призначено для управління завантаженням шарових млинів. У алгоритмах та програмах використано аналогові та дискретні сигнали, які надходять до входів (на виходи) аналогових та дискретних модулів контролеру, сигнали, які формуються станцією оператору, та проміжні сигнали, сформовані на їх основі.

Програми реалізовано на мовах програмування користувача системи OpenSCADA. Блочні схеми реалізуються у оточенні модуля DAQ.BlockCalc, та реалізація самих блоків і шаблонів параметрів - на мові JavaLikeCalc модуля DAQ.JavaLikeCalc системи OpenSCADA.

3.1. Попередня обробка

Для попередньої обробки аналогових сигналів, після АЦП модуля аналогового вводу контролера, створено шаблон параметрів з функціями:

• визначення недостовірності (обрив, вихід за діапазон дозволених значень);
• поправки на калібрувальні коефіцієнти;
• фільтрації;
• приведення до інженерних (технологічних) одиниць;
• формування бітів порушення регламентних та аварійних границь;
• імітація аналогового входу як вбудованою функцією, так і з зовнішнього входу, який може використовуватися для підключення сигналів моделі.

На основі цього шаблону створено додаткові шаблони:

• шаблон параметру ручного вводу, з додатковою функцією введення значення;
• шаблон параметру універсального ПІД-регулятора з відображенням власних атрибутів аналогового та імпульсного регулятору.

Для групування та обробки дискретних сигналів створено шаблон дискретного параметра, який дозволяє:

• поєднувати до двох дискретних входів та трьох дискретних виходів у конфігурацію типових насосів та засувок.

3.2. Загальні алгоритми

Загальні алгоритми зведено у дві блочні схеми, для кожного млина. Перша блочна схема містить контури аналогових регуляторів та працює з періодом 500мс. Друга блочна схема містить контури імпульсних регуляторів та працює з періодом 100мс.

4. Інтерфейс користувача

Інтерфейс користувача САУ ШБМ містить п'ять об'єктів сигналізації (рис.4): чотири, по одному, на млин 7А, 7Б, 9А, 9Б та один об'єкт сигналізації "Діагностика" для діагностування системи. Кожний об'єкт сигналізації млина містить одну мнемосхему, дві групи графіків, групу контурів, групу огляду та чотири документи. З кожної мнемосхеми млина можна викликати два діалоги: "Калібрування рівня млина" та "Налагодження алгоритмів оптимізації". Об'єкт сигналізації "Діагностика" містить одну мнемосхему, групу графіків та документ. Крім того, присутня одна сторінка зведених графіків для системи в цілому.

Рис. 4. Загальний вигляд вікна інтерфейсу користувача.

На рис. 4 цифрами позначено області виводу відеокадру:

1. панель об'єктів сигналізації;
2. панель вибору типа відображення;
3. панель управління;
4. робоча область відображення;
5. панель стану з інструментами.

4.1. Объект сигнализации мельницы

Рис. 5. Мнемосхема об'єкта сигналізації млина.

Рис. 6. Група графіків 1 об'єкта сигналізації млина.

Рис. 7. Група графіків 2 об'єкта сигналізації млина.

Рис. 8. Група контурів об'єкта сигналізації млина.

Рис. 9. Група огляду об'єкта сигналізації млина.

Рис. 10. Документ "Журнал дій" об'єкта сигналізації млина.

Рис. 11. Документ "Протокол порушень" об'єкту сигналізації млина.

Рис. 12. Документ "Протокол діагностики" об'єкта сигналізації млина.

Рис. 13. Документ "Рапорт машиніста" об'єкта сигналізації млина.

Рис. 14. Діалог "Калібрування рівня" об'єкта сигналізації млина.

Рис. 15. Діалог "Налагодження алгоритмів оптимізації" об'єкта сигналізації млина.

4.2. Об'єкт сигналізації "Діагностика"

Рис. 16. Мнемосхема об'єкта сигналізації "Діагностика".

Рис. 17. Група графіків об'єкта сигналізації "Діагностика".

Рис. 18. Документ об'єкта сигналізації "Діагностика".

4.3. Загальностанційні

Рис. 19. Група зведених графіків.

5. Результати

У результаті виконаної роботи отримано САУ, яка дозволила досягнути економії вугілля та електроенергії, до 30%, на помелі вугілля шаровими млинами, за рахунок рівномірності навантаження млинів.

На рисунках 20 та 21 зображено графіки управління млином за навантаженням, а на рисунках 22 та 23 за температурою пило-повітряної суміші після млинів.

Рис. 20. Управління млином за навантаженням.

Рис. 21. Управління млином за навантаженням, на панелі налагодження регулятору.

Рис. 22. Управління млином за температурою.

Рис. 23. Управління млином за температурою, на панелі налагодження регулятору.

6. Економічний ефект

У результаті виконаної роботи отримано значний економічний ефект, обчислення та характер якого наведено у таблиці нижче. Ефект обчислено замовником на основі реальних статистичних даних. У період з 21.06.10 до 30.06.10 відбувалася робота у ручному режимі та без САУ. В період з 21.08.10 до 30.08.10 САУ ШБМ працювала у автоматичному режимі.

Акт дослідно-промислових випробувань розробки САУ ШБМ замовника, з описом економічного ефекту, можна завантажити звідси.

7. Посилання