English version
Українська версія

АСУ ТП шаровых мельниц ШБМ 287/410 котлоагрегата БКЗ 160–100 ПТ

Предприятие: ООО «Краматорсктеплоенерго» Работа: Автоматизация управления загрузкой двух шаровых мельниц ШБМ 287\410 Начат: июль 2009 Завершён: август 2010 Исполнители: Белоусов Э.М. - технический руководитель; Садовой А.В. - научный руководитель; Савоченко Р.А. - разработка окружения ПЛК, программирование ПЛК и верхнего уровня; Лысенко М.С. - программирование верхнего уровня; Зайчук Е.Н. - разработка алгоритмов; Бирюков В.В., Лесов Л.И. - проектирование шкафов.

1. Объект автоматизации

На балансе ООО "Краматорсктеплоэнерго" имеется ТЭЦ в составе четырёх рабочих котлов БКЗ 160–100 ПТ (6, 7, 8 и 9). Котлы производят пар давлением 100 кгс/см2, с номинальной производительность до 160 т/ч на котёл. Топливом котлов служит природный газ и угольная пыль. В настоящее время большой акцент делается на использовании угля в производстве пара по причине высокой цены на газ. Котлы 7, 8 и 9 имеют рабочую систему пыле-подготовки, которая обеспечивает котлы пылью.

В процесс пыле-подготовки включены: цех угле-подготовки, транспортёр угля в бункера шаровых мельниц, две шаровые мельницы и бункера пыли. Предметом данного проекта является автоматическое управление процессом загрузки шаровых барабанных мельниц.

На предприятии используются шаровые барабанные мельницы ШБМ 287\410. Функциональная схема шаровой мельницы с элементами автоматизации изображена на рис.1.

Рис. 1. Функциональная схема шаровой мельницы

2. АСУ ТП

Структурная схема АСУ ТП изображена на рисунке 2, составными узлами которой являются два шкафа контроллеров PLC 1, PLC 2 и две станции автоматизированных рабочих мест оператора АРМ 1, АРМ 2.

Рис. 2. Структурная схема АСУ ТП.

Исходя из структуры, АСУ ТП состоит из объекта автоматизации - Мельницы, контроллеров управления мельницами (PLC 1 и PLC 2), а также двух автоматизированных рабочих мест (АРМ 1 и АРМ 2).

Каждый из контроллеров независимо управляет мельницами отдельного котла. Так, контроллер PLC 1 управляет мельницами котла 7, а PLC 2 - мельницами котла 9.

Данные технологического процесса концентрируются и представляются на АРМах. Каждое АРМ представляет данные ТП всех котлов. Друг с другом АРМы подключены по схеме резервирования, что позволяет исключить потерю данных на момент остановки одного из АРМ. С целью оптимизации нагрузки на контроллер реальный опрос контроллеров осуществляет одно АРМ, при этом другое АРМ получает данные у основного АРМ. Основным АРМ является АРМ 1, который и выполняет непосредственный опрос контроллеров. В случае сбоя АРМ 1 опрос контроллеров берёт на себя АРМ 2, и опрашивает контроллер до момента восстановления функционирования АРМ 1. В процессе восстановления работы АРМ после сбоя производится синхронизация архивов глубиной до 1 часа. Восстановление архивов на более продолжительный интервал времени осуществляется синхронно по мере доступа к этим архивам.

2.1. ПЛК

В качестве программируемого логического контроллера в проекте применён ПЛК LP-8781 фирмы ICP DAS серии LinPAC. Промышленный контроллер этого семейства является первым продуктом, который построен на x86 совместимом процессоре; предыдущие контроллеры этого семейства основаны на процессоре архитектуры ARM. Кроме x86 процессора рассматриваемые контроллеры обладают значительными ресурсами оперативной памяти и дискового пространства.

Особенностью технологического процесса данного проекта является наличие специфических к ресурсам и функциям контроллера требований при небольшом объёме параметров. Кроме того, решающим фактором является ограниченное финансирование. Всем этим требованиям удовлетворяют контроллеры семейства LP-8x81:

• сравнительно невысокая цена;
• высокая производительность для ПЛК;
• архитектурная и программная открытость ПЛК;
• промышленное исполнение и расширенный температурный диапазон.

ПЛК (рис.3) конструктивно выполнен по модульному принципу, где модули устанавливаются в корзину. Корзина совмещена с процессорным модулем и может иметь 1, 3 или 7 слотов для модулей расширения. Модули расширения могут быть двух типов, а именно модули на параллельной и последовательной шине. Модули на параллельной шине (I-8x) являются быстрыми. Модули на последовательной шине (I-87x) устанавливаются на шину интерфейса RS-485 и работают со скоростью 115000 бит/с по протоколу DCON. Кроме модулей непосредственно в корзине контроллер может расширяться дополнительными корзинами с модулями на последовательной шине (I-87x) через последовательные интерфейсы процессора.

Рис. 3. ПЛК серии LP-8x81.

Ёмкость АСУ ТП для одного котла составляет: 18AI, 2AO, 10DI, 16DO. Следовательно, необходим контроллер с количеством слотов расширения не менее 6. Исходя из этого, выбран контроллер LP-8781 и следующие модули для подключения внешних сигналов:

Для подключения UPS использован последовательный интерфейс COM2 контроллера.

Из особенностей настройки контроллеров стоит отметить следующие моменты:

• Была собрана последняя версия драйвера UPS nut-2.4.1.
• Для обеспечения устойчивой и равномерной работы последовательных интерфейсов в режиме использования приоритетов реального времени потребовалось установить приоритет 20 реального времени для ядерного потока "events/0". Установка приоритета осуществляется в первом запуске процедуры опроса UPS среды исполнения контроллера на OpenSCADA, кодом:

• Установлен приоритет 5 реального времени для входящих транспортов, с целью повышения равномерности и реактивности в ответах на запросы с верхнего уровня.

Контроллеры смонтированы в шкафу размером 2000x800x400, который содержит автоматы, клеммные колодки, реле и UPS отдельного котла.

2.2. АРМ

Автоматизированные рабочие места (АРМ) оператора выполнены на основе офисных ПК следующей конфигурации:

Оба системных блока установлены в тумбе стола оператора. На столе оператора установлены два дисплея отдельных АРМ и манипуляторы мышь. Тумба с системными блоками закрыта дверцами с обоих сторон. На дверцах установлены фильтры, а на одной из них вентилятор. Несмотря на наличие вентилятора и ввиду большой насыщенности помещения угольной пылью наблюдался перегрев системных блоком и сбои. Для решения этой проблемы было оптимизирован движение воздуха в тумбе, а также понижена частота процессоров АРМ с 2500 до 1600 МГц.

На АРМы инсталлировано системное ПО ALTLinux 5.1 и SCADA-система OpenSCADA 0.6.4.2.

Выполнены следующие мероприятия по обще-системной конфигурации:

• Настроена синхронизация времени контроллеров PLC 1, PLC 2 и ARM 2 по АРМ 1.
• Создана учётная запись оператора "operator" с паролем "123456".
• Настроена автоматическая загрузка рабочего интерфейса от имени оператора и запуск системы OpenSCADA с проектом АСУ ТП шаровых мельниц.
• Окружение рабочего стола KDE настроено для исключения лишних функций при работе с диалоговыми окнами и исключения возможности закрытия интерфейса оператора манипулятором мышь.

3. Алгоритмы

Алгоритмы управления мельницами достаточно сложны, что связано со следующими факторами:

• Использование непрямых механизмов получения значения уровня угля в мельнице.
• Учёт различных способов управления загрузкой мельницы, от прямого регулирования температуры пылевоздушной смеси на выходе из мельницы, до управления загрузкой по вычисленному уровню.

По алгоритмам созданы программы контроллера, предназначенные для управления загрузкой шаровых мельниц. В алгоритмах и программах использованы аналоговые и дискретные сигналы, поступающие со входов (на выхода) аналоговых и дискретных модулей контроллера, сигналы, формируемые станцией оператора, и промежуточные сигналы, формируемые на их основе.

Программы реализованы на пользовательских языках программирования системы OpenSCADA. Блочные схемы реализуются в окружении модуля DAQ.BlockCalc, а реализация самих блоков и шаблонов параметров - на языке JavaLikeCalc модуля DAQ.JavaLikeCalc системы OpenSCADA.

3.1. Предварительная обработка

Для предварительной обработки аналоговых сигналов после АЦП модуля аналогового ввода контроллера создан шаблон параметров с функциями:

• определения недостоверности (обрыв, выход за диапазон допустимых значений);
• поправки на калибровочные коэффициенты;
• фильтрации;
• приведения к инженерным (технологическим) единицам;
• формирования битов нарушения регламентных и аварийных границ;
• имитация аналогового входа как встроенной функцией, так и с внешнего входа, который может использоваться для подключения сигналов модели.

На основе данного шаблона созданы дополнительные шаблоны:

• шаблон параметра ручного ввода, с дополнительной функцией ввода значения;
• шаблон параметра универсального ПИД-регулятора с отражением собственных атрибутов аналогового и импульсного регуляторов.

Для группировки и обработки дискретных сигналов создан шаблон дискретного параметра, который позволяет:

• объединить до двух дискретных входов и трёх дискретных выходов в конфигурацию типовых насосов и задвижек.

3.2. Общие алгоритмы

Общие алгоритмы сведены в две блочные схемы для каждой мельницы. Первая блочная схема содержит контура аналоговых регуляторов и работают с периодом 500мс. Вторая блочная схема содержит контура импульсных регуляторов и работает с периодом 100мс.

4. Интерфейс пользователя

Пользовательский интерфейс САУ ШБМ содержит пять объектов сигнализаций (рис.4): четыре, по одному, на мельницы 7А, 7Б, 9А, 9Б и один объект сигнализации "Диагностика" для диагностики по системе. Каждый объект сигнализации мельницы содержит одну мнемосхему, две группы графиков, группу контуров, группу обзоров и четыре документа. С каждой мнемосхемы мельницы можно вызвать два диалога: "Калибровка уровня мельницы" и "Настройка алгоритмов оптимизации". Объект сигнализации "Диагностика" содержит одну мнемосхему, группу графиков и один документ. Кроме этого, присутствует одна страница сводных графиков для системы в целом.

Рис. 4. Общий вид окна интерфейса пользователя.

На рис. 4 цифрами указаны области вывода видеокадра:

1. панель объектов сигнализации;
2. панель выбора типа отображения;
3. панель управления;
4. рабочая область отображения;
5. панель состояния с инструментами.

4.1. Объект сигнализации мельницы

Рис. 5. Мнемосхема объекта сигнализации мельницы.

Рис. 6. Группа графиков 1 объекта сигнализации мельницы.

Рис. 7. Группа графиков 2 объекта сигнализации мельницы.

Рис. 8. Группа контуров объекта сигнализации мельницы.

Рис. 9. Группа обзоров объекта сигнализации мельницы.

Рис. 10. Документ "Журнал вмешательств" объекта сигнализации мельницы.

Рис. 11. Документ "Протокол нарушений" объекта сигнализации мельницы.

Рис. 12. Документ "Протокол диагностики" объекта сигнализации мельницы.

Рис. 13. Документ "Рапорт машиниста" объекта сигнализации мельницы.

Рис. 14. Диалог "Калибровка уровня" объекта сигнализации мельницы.

Рис. 15. Диалог "Настройка алгоритмов оптимизации" объекта сигнализации мельницы.

4.2. Объект сигнализации "Диагностика"

Рис. 16. Мнемосхема объекта сигнализации "Диагностика".

Рис. 17. Группа графиков объекта сигнализации "Диагностика".

Рис. 18. Документ объекта сигнализации "Диагностика".

4.3. Общесистемные

Рис. 19. Группа сводных графиков.

5. Результаты

В результате проделанной работы получена САУ, позволившая добиться экономии угля и электроэнергии до 30% на помоле угля шаровыми мельницами за счёт равномерности нагрузки мельниц.

На рисунке 20 изображён график ручного управления мельницей, когда оператор сам включает и выключает подачу угля, что иногда приводит к завалу или глубокому выхолащиванию мельницы.

Рис. 20. Ручное управление мельницей.

На рисунках 21 и 22 изображены графики управление мельницей по нагрузке, а на рисунках 23 и 24 - по температуре пыле-воздушной смеси после мельницы.

Рис. 21. Управление мельницей по нагрузке.

Рис. 22. Управление мельницей по нагрузке на панели настройки регулятора.

Рис. 23. Управление мельницей по температуре.

Рис. 24. Управление мельницей по температуре на панели настройки регулятора.

6. Экономический эффект

В результате выполненной работы получен значительный экономический эффект, вычисление и характер которого проведен в таблице ниже. Эффект вычислен заказчиком на основе реальных статистических данных. В период с 21.06.10 по 30.06.10 осуществлялась работа в ручном режиме и без САУ. В период с 21.08.10 по 30.08.10 САУ ШБМ работала в автоматическом режиме.

Акт опытно-промышленных испытаний разработки САУ ШБМ заказчика, с описанием экономического эффекта, можно загрузить здесь.

7. Ссылки