Отчет о производственной практике (научно-исследовательской работе) в ао «суэнко»

3 АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КОТЕЛЬНОЙ №10

3.1 Основные технические решения по автоматизации

Основным показателем эффективности функционирования водогрейного котла КВ-Г-2,5-95 является температура воды на выходе из котла. Цель модернизации - подержание параметра температуры котловой воды в узком диапазоне (95 ± 1)°С.
Чтобы при наличии возмущающих воздействий цель управления была достигнута и были стабилизированы параметры котловой воды, следует в качестве главной регулируемой величины принять показатель эффективности, а регулирующее воздействие вносить изменением расхода газа, поступающего в топку котла, с помощью регулятора и исполнительного механизма [12].
Система автоматизации данного узла технологического процесса должна выполнять:
а) измерение следующих параметров:

• 
  давление воды на входе в котел;
  
• 
  температура воды на входе;
  
• 
  температура воды на выходе из котла;
  
• 
  удельный расход топлива;
  
• 
  расход воды на входе в котел;
  

б) автоматическое регулирование:

• 
  температуры воды на выходе из котла;
  
• 
  давления воды в котле;
  
• 
  расхода газа, поступающего в топку котла на сжигание;
  
• 
  расход воздуха, поступающего в топку котла для интенсификации процесса горения;
  

в) блокировку:

• 
  клапана подачи воды в котел при увеличении расхода воды выше заданного значения;
  
• 
  привода воздуходувки при уменьшении расхода газа ниже 1 000 м3/ч;
  

г) на операторской станции должно быть обеспечено дистанционное управление оператором:

• 
  температуры воды на выходе из котла;
  
• 
  давления воды в котле;
  
• 
  расхода воды на входе;
  
• 
  приводами клапанов, воздуходувки.
  

Для стабильного и высокого качества работы водогрейного котла КВ­Г-2,5-95, надежности и безопасности, в САР температуры воды на выходе из котла должно быть предусмотрено:

1. 
   Автоматическое подержание регулируемых параметров.
   
2. 
   Ручной и дистанционный режим управления.
   
3. 
   Блокировки безопасности, например, по снижению расхода газа ниже 1 000 м3/ч система подачи воздуха в топку котла отключается, так как с таким расходом топлива котел не обеспечивает заданную температуру котловой воды.
   
4. 
   Ввод задания с панели оператора.
   
5. 
   Отображение параметров водогрейного котла КВГ-2,5-95 на панели оператора АРМ.
   
6. 
   Световая и звуковая сигнализации о выходе параметров процесса за заданный диапазон регулирования.
   
7. 
   Использование унифицированных токовых сигналов 4-20 тА.
   
8. 
   Наработка на отказ 350 000 ч.
   
9. 
   Архивация данных.
   
10. 
    Способ установки настроек - в ручную с панели оператора.
    

На основе проведенного анализа водогрейного котла КВГ-2,5-95 как объекта автоматизации, определив особенности существующей системы управления, выделив параметры, подлежащие контролю и регулированию, предложим модернизацию технической реализации САР, обеспечивающую заданную температуру котловой воды в соответствием с заданием 95°С с точностью ± 1°С.
Модернизация существующей АСУ водогрейного котла КВГ-2,5-95 также должна проводиться с целью повышения экономической эффективности за счет повышения производительности котла и стабилизации температуры воды на выходе из котла в узком диапазоне (95 ± 1)°С.
Модернизация существующей АСУ приведет к снижению перерасходов ресурсов, повышения экономичности работы котла, увеличения мощности и производительности [13].
3.2 Разработка структурной схемы автоматизации водогрейного котла КВГ-2,5-95
Следующим этапом модернизации существующей автоматизированной системы управления водогрейного котла КВГ-2,5-95 является разработка структурной схемы системы управления, в соответствии с которой определяется конфигурация управляющего устройства - промышленного контроллера. Структурная схема системы управления котлом КВГ-2,5-95 представлена в Приложении А.
Разработка структурной схемы проводилась на основании проведенного в первой главе анализа котла КВГ-2,5-95 как объекта управления.
Архитектура АСУ ТП котлоагрегата КВГ-2,5-95 - иерархическая трехуровневая.
Нижний уровень управления состоит из датчиков и исполнительных механизмов; средний уровень включает в себя резервируемый программируемый логический контроллер (ПЛК) со станциями распределённого ввода - вывода; верхний уровень АРМ включает устройства оперативного мониторинга и управления [14].
Основными средствами отображения информации и оперативного управления верхнего уровня АСУ ТП является монитор АРМ оператора.
На структурной схеме АСУ ПК показаны:

1. 
   АРМ оператора, диспетчера и инженера АСУ ТП, которые располагаются на диспетчерском (верхнем) уровне управления;
   

б) средний уровень микропроцессорного контролера;
с) нижний уровень полевых приборов.
Архитектура АСУ ПК носит централизованный характер, имеет в своем составе один микропроцессорный контроллер, который осуществляет управление всеми параметрами котла. Также контроллер выполняет функцию взаимодействия диспетчерского пункта с технологическим оборудованием в системе контроля и управления и является основой любой системы диспетчерского контроля и управления, и его конфигурация может быть легко скомпонована с учетом структурной схемы.
Нижний уровень АСУ ТП реализован датчиками, исполнительными устройствами и преобразователями.
АСУ водогрейным котлом представляет собой многофункциональную информационно-управляющую систему, работающую в режиме реального времени (круглосуточно, круглогодично), с периодическими осмотрами и регламентными работами в период плановых остановов и ремонтов основного оборудования.
Сравнительный анализ приборов по различным показателям, по результатам которого выбраны информационные устройства и исполнительные механизмы, а так же ПЛК имеющие наилучшие технико­экономические показатели, приведено ниже.
В качестве управляющего устройства был избран ПЛК контроллер Siemens Simatic S7-400 как наиболее прогрессивный, специализированный, надежный и экономичный.
Данный контроллер был выбран также и потому, что он обладает опциями диагностики технологического оборудования и ИМ, а также самодиагностики. Обмен информацией между контроллером и компьютером производится по сети Ethernet.
Исходя из структурной схемы, представленной в Приложении А, на контроллер поступает двенадцать аналоговых сигналов от датчиков и от контроллера подается девять дискретных сигналов на исполнительные механизмы [15].
На основе этих данных выбираем оптимальную структуру контроллера Siemens Simatic S7-400:

1. 
   Модуль центрального процессора - CPU 412-2.
   
2. 
   Модуль коммуникационного процессора - СР 440.
   
3. 
   Модуль питания - PS-405.
   
4. 
   Модуль аналоговых входов (16 сигналов) - SM431.
   
5. 
   Модуль дискретных выходов (16 сигналов) - SM422.
   

Контроллер Siemens Simatic S7-400 обладает возможностями по наращиванию информационной мощности АСУ ТП за счет подключения дополнительных плат расширения, что может оказаться полезным при создании АСУ котельной, состоящей из нескольких котлов и дополнительного оборудования.

3.3 Выбор и обоснование технических средств 

Для технической реализации АСР необходимо выбрать следующие технические средства автоматизации (ТСА):

• 
  управляющее устройство - программируемый контроллер;
  
• 
  расходомеры воздуха, газа;
  
• 
  газоанализатор;
  
• 
  датчики давления и температуры;
  
• 
  исполнительные механизмы - приводы клапанов подачи воды, воздуха и газа к горелке.
  

Все эти устройства выбираются путем технике - экономического анализа: с одной стороны они должны удовлетворять регламенту котла по диапазону, точности измерений, надежности и быстродействия, с другой - иметь невысокую стоимость, чтобы снизить капитальные затраты на модернизацию и сократить срок окупаемости проекта, повысив тем самым, экономический эффект от внедрения предлагаемой АСУ.
Измерение расходов жидкостей, газов и пара в основном производится расходомерами переменного перепада давления. В состав этих расходомеров входят первичные измерительные преобразователи, промежуточные преобразователи, функциональные преобразователи и измерительные приборы.
В роли первичных преобразователей используют сужающие устройства (СУ) для создания перепада давления, по величине которого определяют расход различных рабочих сред.
Промежуточные преобразователи расхода предназначены для преобразования перепада давления в электрический сигнал. В качестве промежуточных измерительных преобразователей расхода на ТЭС широко используют преобразователи типов ДМ с унифицированным выходным сигналом.
Для измерения расхода был выбран датчик Rosemount 3051SFC, как наиболее точный и подходящий по условиям эксплуатации.
Основные преимущества Rosemount 3051 - интегральная конструкция расходомера исключает потребность в импульсных линиях и дополнительных устройствах, сокращает количество потенциальных мест утечек среды; высокий класс точности; подходящий диапазон измерения [16].
Расходомеры на базе компактных диафрагм Rosemount 405 представляет собой жесткую неразборную конструкцию, состоящую из собственно диска измерительной диафрагмы с угловым отбором давления, кольцевых камер, удлинителя, а также монтируемого на удлинителе вентильного блока для монтажа датчика. Имеет ЖК - монитор с возможностью сигнализации (сигнальные диоды на корпусе - зеленый и красный) (рисунок 3.1).
Унифицированный выходной сигнал 4-20 мА от Rosemount 3051SFC поступает в контроллер для реализации управляющего воздействия на электроприводы клапанов.

Рис. 3.1 - Внешний вид расходомера Rosemount 3051SFC
Газоанализатор МАК-С-2М (СН4, СО, О2) для измерения содержания кислорода в дымовых газах представлен на рисунке 3.2, а его технические характеристики приведены в таблице 2.2.

Рис. 3.2 - Газоанализатор МАК-С-2М
Таблица 3.1
Технические характеристики газоанализатора МАК-С-2М (СН4, СО)

Характеристика	Значение
Цифровое табло	Нет
Контролируемый газ	Угарный газ (СО) + Метан (СН4)
Диапазон измерения	СО 0-200 мг/м3, СН4 0-100%
Встроенное реле	220В 5А
Питание	220/24/12 В
Режим работы	непрерывный
Виды сигнализации	оптическая и акустическая
Рабочий диапазон температур, °С	От 0 до +250
Периодичность поверки	1 раз в год
Уровень защиты	Ех1а11СХ
контрольные сигналы	(0-3 В, 4-20 мА)

Прибор Мак-С-2М предназначен для непрерывного контроля концентрации угарного газа и метана в воздухе рабочей зоны. С индикацией численных значений концентрации, световой и звуковой сигнализацией о превышении заданных пороговых уровней.

Газосигнализатор МАК-С-2М обеспечивает:

• 
  автоматический непрерывный контроль содержания газа;
  
• 
  световую и звуковую сигнализацию о достижении пороговых значений;
  
• 
  управление внешними устройствами посредством встроенного реле (вкл/выкл электромагнитных клапанов и так далее).
  

Прибор содержит газочувствительные сенсоры, преобразующие концентрации соответствующих газов в электрический ток. Применяемые сенсоры:

• 
  на угарный газ - Eco-Sure СО (2е) SixthSense (Англия), диапазон измерения 0-300 мг/м3;
  
• 
  на метан - MSH-P-HC/5/V/P/F Dynament (Англия), диапазон измерения 0 - 5% или 0 - 100%.
  

Для подбора датчика температуры воды на входе и выходе из котла КВГ-2,5-95 проведем сравнительный анализ следующих датчиков: Метран ТСП-256; Метран ТСПУ-256; THERMOCONT TS [17].
Результаты сравнения сведены в таблицу 3.2.
Таблица 2.3
Обзор датчиков температуры

Критерии выбора	Метран ТСП-256	Метран ТСПУ -276	ТНЕКМОСОКГ Т8
Измеряемые среды	Нейтраль­ные и агрессивные среды	Нейтральные и агрессивные среды	Газ, жидкостями, парами и другими материалами, в том числе взрывоопасными и агрессивными
Диапазон измеряемых температур, °С	От минус 50 до 200	От 0 до 300	От минус 50 до 600
Предел допускаемой погрешности	0,3°С	0,25%	0,1%
Тепловая инерционность, с	8	8	20
Потребляемая мощность, Вт	Не более 0,5	0,9	Не более 0,5
Выходной сигнал, мА	4-20 HART	4-20	4-20 +НАЯТ
Взрывозащищен- ность	ExdIICTÖ	ExdIICT6	-
Температура окружающей среды	От минус 45° до 70°С	От минус 50° до 85°С	От минус 20° +80°С
Степень защиты от пыли и воды	IP65 [7]	IP65 [7]	1Р67 [8]
Средний срок службы, г	Не менее 8	Не менее 2	7

Наименьшей тепловой инерционностью обладают датчики фирмы Метран ТСП-256 и ТСПУ - 276, по надежности датчик Метран ТСП-256 предпочтительнее, т.к. средний срок службы составляет не менее 8 лет.

Для измерения температуры воды выберем датчик Метран ТСП-256.
Диапазон измерений датчика от минус 50 до 200°С удовлетворяет измеряемым техническим параметрам - температуре воды на входе и выходе из котла 70° С и 95°С соответственно, а также техническим условиям эксплуатации объекта.
Термопреобразователи сопротивления платиновые, ТСП Метран-256 предназначены для измерения температуры жидких и газообразных сред во взрывоопасных зонах или помещениях, в которых могут содержаться аммиак, азотоводородная смесь, углекислый газ, природный или конвертированный газ и его компоненты, а также примеси сероводорода и сернистого ангидрида в допустимых пределах по ГОСТ 12.1.005.
Могут применяться во взрывоопасных зонах согласно классификации главы 7.3 ПУЭ, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом категории ПС группы Тб по ГОСТ Р 51330.0. Имеют взрывобезопасный уровень взрывозащиты по ГОСТ Р 51330.0, обеспечиваемый видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка». Маркировка взрывозащиты - 1Ехс111СТ6 X.
Способ контакта с измеряемой средой - погружаемый. Крепление датчика осуществляется при помощи подвижного или неподвижного штуцера, с установкой в гнездо. Наряду с двухпроводной схемой соединений чувствительного элемента, для обеспечения температурной компенсации при дистанционной передаче показаний датчик имеет возможность подключения по трехпроводной, четырехпроводной схемам по ГОСТ 6651. Степень защиты ТС от попадания внутрь пыли и воды 1Р65 по ГОСТ 14254.
При креплении на неподвижный штуцер, схема датчика показана на рисунке 3.3.

Рис. 3.3 - Датчик Метран ТСП-256

Датчик давления и разрежения. Интеллектуальные датчики давления серии Метран-150 используют для непрерывного преобразования в унифицированный токовый выходной сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART следующих входных измеряемых величин:

• 
  избыточного давления;
  
• 
  абсолютного давления;
  
• 
  разности давлений;
  
• 
  давления-разрежения;
  
• 
  гидростатического давления (уровня).
  

Параметрами датчика управляют:

• 
  непосредственно, посредством НART-коммуникатора;
  
• 
  удаленно, посредством программы HART-Master, HART-модема и компьютера или программных средств АСУТП;
  
• 
  с помощью клавиатуры и ЖКИ или с помощью AMS.
  

Данный датчик обладает улучшенным дизайном и компактной конструкцией, имеет поворотный электронный блок и ЖКИ. Также он имеет следующие свойства: высокую перегрузочную способность, защиту от переходных процессов, внешнюю кнопку установки «нуля» и диапазона, непрерывную самодиагностику.
Датчик проводит измерения жидкостей, в том числе нефтепродуктов, пара, газа, газовых смесей.
Диапазоны измеряемых датчиком давлений:

• 
  минимальный 0 - 0,025 кПа;
  
• 
  максимальный 0-68 МПа.
  

Выходные сигналы: 4-20 мА с HART-протоколом.
Основная приведенная погрешность до ±0,075%; опция до ±0,2%.
Диапазон температур окружающей среды от минус 40° до 85°C; от минус 55° до 85°С.
Перенастройка диапазонов измерений до 100:1.
Высокая стабильность характеристик:
взрывозащищенное исполнение вида «искробезопасная цепь» и «взрывонепроницаемая оболочка»;
гарантийный срок эксплуатации - 3 года;
межповерочный интервал - 4 года;
внесены в Госреестр средств измерений под №32854-09, сертификат №34868, ТУ 4212-022-51453097-2006 [18].
На рисунке 3.4 представлен внешний вид датчика уровня Метран-150.

Рис. 3.4 - Внешний вид датчика уровня Метран-150

Сканеры пламени InSight типа 95IR применяются в качестве датчиков наличия пламени в токе котла. Ультрафиолетовые датчики пламени с выносным сенсором. На рисунке 3.5 показан сканер пламени InSight типа 95IR.

Рис. 3.5 - Сканер пламени InSight типа 95IR

Датчик-реле контроля пламени используется для:

• 
  индикации наличия пламени в горелочных устройствах всех типов;
  
• 
  контроля пламени.
  

Датчик контроля пламени необходим для индикации наличия или отсутствия пламени и формирования сигнала для автоматики защиты котла.
Отличия датчика от сходных моделей:

• 
  реагирует на пульсации пламени;
  
• 
  динамический диапазон не менее 90 дБ;
  
• 
  имеет автоматическую регулировку усиления сигнала;
  
• 
  имеет 4-х уровневый светодиодный индикатор величины сигнала;
  
• 
  устойчив к вибрации элементов конструкции котлоагрегата.
  

Для управления степенью открытия клапанов используется электрический исполнительный механизм (ЭИМ), который представляет электрический двигатель, чтобы произвести механическое движение рабочего органа клапана для изменения размера проходного сечения.
ЭИМ состоит из привода и прибора для управления приводом и регулирующим органом-задвижки. Привод обеспечивает изменение положения задвижки, а задвижка корректирует величину переменной процесса.
По принципу управления различают ЭИМ постоянной и переменной скорости.
ЭИМ постоянной скорости имеют ручное, бесконтактное релейно-контакторное управление, как правило, асинхронными электродвигателями.
ЭИМ переменной скорости используются в системах с непрерывным или дискретным управлением рабочими органами самого на основе автоматизированных электроприводов (АЭП) постоянного и переменного тока (насосы и газо-дутьевые машины котельных агрегатов), в которых может изменяться и регулироваться частота вращения привода.
ЭИМ постоянной скорости разделены на три группы:

• 
  исполнительные механизмы электрические однооборотные (МЭО);
  
• 
  исполнительные механизмы электрические многооборотные (МЭМ);
  
• 
  исполнительные механизмы электрические прямоходные (МЭИ).
  

Исполнительные механизмы обеспечивают:

• 
  автоматическое, дистанционное или ручное управление рабочим органом запорной арматуры;
  
• 
  автоматический или дистанционный останов рабочего органа в любом промежуточном положении;
  
• 
  позиционирование рабочего органа в любом промежуточном положении;
  
• 
  формирование сигнала обратной связи о конечных и промежуточных положениях рабочего органа.
  

Основными параметрами, определяющими типоразмер ЭИМ постоянной скорости, являются:

• 
  номинальное значение полного хода выходного элемента в оборотах или миллиметрах;
  
• 
  номинальный крутящий момент на выходном валу в ньютонометрах (нм) или номинальное перестановочное усилие (н);
  
• 
  номинальное значение времени полного хода выходного вала в секундах.
  

Выбор типа управляющего устройства зависит от типа механизма, напряжения питания, условий эксплуатации [19].
В таблице 3.4 приведены основные технические характеристики ЭИМ фирмы ОАО «МЗТА».
Таблица 2.4
Технические характеристики ЭИМ фирмы ОАО «МЗТА»

Показатели	Типы электрических
	Однообор отный МЭО	Однообор отный фланцевый МЭОФ	Многоо боротный МЭМ	Прямо ходный МЭП
Номинальный крутящий момент (усилие для МЭИ) на выходном валу	6.3, 10, ... , 4000, 10000 нм	1.6, 3.2, ... , 4000, 10000 нм	6.3, 16, 63, 100, 160 нм	200, 800, ... , 20000, 25000 н
Номинальное время полного хода выходного вала	10, 12.5, 25, 30, 63, 160 сек.	10, 25,63, 160 сек.	7.5, 15, ... , 400, 500 сек.	12.5, 25, ... , 240, 340 сек.
Номинальный полный ход выходного вала	0.25, 0,63 об.	0.25, 0,63 об.	6, 10, 25, 36, 63, 200 об.	20, 25, ... 120, 170 мм

Фланцевые механизмы МЭОФ устанавливаются непосредственно на арматуру и соединяются с ней с помощью втулки и монтажных частей.

Механизмы МЭО и МЭОФ работают в кратковременном, либо в повторно-кратковременном реверсивном режимах циклами, в которых перемещения выходного вала чередуются с паузами. После паузы (не менее 50 мс) возможно изменение направления перемещения выходного вала на противоположное (реверс).
Одним из крупнейших производителей и поставщиков однооборотных исполнительных механизмов постоянной скорости является Московский завод тепловой автоматики - ОАО «МЗТА». Механизмы МЭО производства ОАО «МЗТА» (рисунок 3.6) обладают целым рядом достоинств:

• 
  большой пусковой момент на выходном валу (Мпуск= 1,7 Мном), что обеспечивает высокие динамические характеристики механизма;
  
• 
  установленный ограничитель полного хода выходного вала предохраняет арматуру от механического повреждения при отказе концевых микропереключателей;
  
• 
  возможность установки механизмов в любом положении в пространстве;
  
• 
  малый люфт выходного вала механизма, что обеспечивает высокую точность регулирования и малое время позиционирования;
  
• 
  наличие в составе прибора датчика положения выходного вала;
  
• 
  наличие в составе механизма местного указателя положения регулирующего органа арматуры позволяет оператору следить за работой арматуры непосредственно на месте ее эксплуатации;
  
• 
  высокая степень защиты оболочки механизмов - 1Р54 ГОСТ 14254;
  
• 
  соответствие приборов требованиям ГОСТ 7192-89 «Механизмы исполнительные электрические постоянной скорости ГСП».
  

Рис. 3.6 - Внешний вид исполнительных механизмов МЭО производства ОАО «МЗТА»

Параметры питания механизмов:

• 
  для однофазной сети: 220 В, 230 В, 240 В частотой 50Гц, 220 В частотой 60 Гц;
  
• 
  для трехфазной сети: 220/380 В, 230/400 В, 240/415 В частотой 50 Гц, 220/380 В частотой 60 Гц;
  
• 
  допустимое отклонение напряжения -15...+10 %;
  
• 
  допустимое отклонение частоты -2.. .+2 %.
  

Механизмы МЭО состоят из следующих основных узлов:

• 
  электродвигатель;
  
• 
  редуктор;
  
• 
  блок сигнализации положения;
  
• 
  привод ручной;
  
• 
  фланец.
  

В механизмах используются электродвигатели:

• 
  синхронные низкооборотные с частотой вращения 150 об/мин для механизмов с крутящим моментом до 250 Нм;
  
• 
  асинхронные двигатели АИР56А4, АИР56В4 для механизмов с крутящим моментом от 250 Нм до 4000 Нм и даже до 10000 Нм.
  

Двигатели обеспечивают повторно-кратковременный режим работы механизмов с частыми пусками 84 по ГОСТ 183.
Понижение частоты вращения и увеличение крутящего момента, создаваемых двигателем, осуществляется посредством многоступенчатых цилиндрических зубчатых или комбинированных червячно-зубчатых передач. Валы вращаются на шарикоподшипниках. Зубчатые передачи и шарикоподшипники смазываются густой смазкой, что обеспечивает установку механизма в любом положении в пространстве.
Для изменения степени открытия регулирующего клапана выбираем механизм электрический однооборотный фланцевый типа МЭО-250/10-0,25- 97к в соответствии с величиной крутящего момента [20].
Основные технические характеристики МЭО приведены в таблице 3.5.
Таблица 3.5
Технические характеристики МЭО-250/25-0,25-97к

Характеристики	Значения
Номинальный крутящий момент на выходном валу	250 Нхм
Потребляемая мощность	430 Вт
Полный ход выходного вала	0,25 об.
Время полного хода выходного вала	Юс
Питание от однофазной сети	220 В
Масса	28,5 кг

Управление работой механизмов может быть как контактное при помощи пускателей ПМЛ, так и бесконтактное при помощи пускателей бесконтактных реверсивных ПБР, БУЭР или усилителей тиристорных трехпозиционных типа ФЦ.

Чтобы управлять МЭО используем пускатель бесконтактный реверсивный ПБР-2М, который предназначен для общепромышленных условий применения. ПБР имеет следующие технические характеристики, приведенные в таблице 3.6.
Таблица 3.6
Технические характеристики ПБР-2М

Входное сопротивление	750 Ом
Максимальный коммутируемый ток	4,0 А
Электропитание от сети переменного тока
напряжение	220 В
потребляемая мощность	7 ВхА
частота	50 Гц
Быстродействие	Не более 25 мс
Масса	Не более 3,5 кг

Для оперативного управления МЭО с пульта или щита управления может использоваться блок управления релейного регулятора БРУ 42. Он предназначен для переключения управления цепями нагрузки с автоматического на ручное или внешнее управление. Кроме того, БРУ 42 имеет две кнопки «Больше» и «Меньше» с самовозвратом для оперативного управления перемещением выходного вала МЭО в прямом или обратном направлениях.

Механизмы обеспечивают фиксацию положения выходного вала при отсутствии напряжения питания. По показаниям датчика управляющее устройство выдает сигнал управления на ЭИМ.
Функцию взаимодействия диспетчерского пункта с технологическим оборудованием в системе контроля и управления несет микропроцессорный контроллер, который является основой любой системы АСУ ТП.
Промышленный логический контроллер, используемый в системе, должен обеспечивать выполнение следующих функций:
а) ввод/вывод, аналогово-цифровое преобразование, усреднение, масштабирование, фильтрацию от помех, проверку на достоверность;
б) обмен данными с рабочей станцией;
в) автоматическое управления и регулирование;
г) исполнение дистанционных команд с рабочей станции.
В таблице 3.7 приведено сравнение технических характеристик ПЛК фирмы АГАВА и функционального, надёжного и современного промышленного контроллера Siemens Simatic S7-400. Исследуем его преимущества.

Таблица 3.7

Сравнительная характеристика контроллеров АГАВА и Simatic S7-400

Технические характеристики		Контроллер среднего уровня АСУ
		До модернизации	После модернизации
		АГАВА 6432.30	Simatic S7-400
Центральный процессор		Один 32-х разрядный, 400 МГц	До 4-х 64-разрядных процессоров
Объем оперативной памяти, слов		48 кБ	256 кБ
Объем энергонезависимой памяти, слов		2 Мб	64 Мб
Аналоговые входы		8	От 16 до 96 + возможность установки 4х плат расширения
Дискретные выходы		12	От 16 до 96 + возможность установки 5 плат расширения
Комм, порты	1 порты (Порт0, USB или RS232)	1 порты (Порт0, USB или RS232)	1 порт USB
	4 порта (Порт1 ~ 4, RS485 или RS232, Ethernet или GSM)	4 порта (Порт1 ~ 4, RS485 или RS232, Ethernet или GSM)	2 линии PROFIBUS-DP RS485, Ethernet или GSM
Встроенный источник питания		24 В	24/ 48/ 60/120/ 230 В или ~ 120/ 230 В
Потребляемая мощность		7 Вт	8 Вт
Условия эксплуатации Температура окружающей среды Максимальная относительная влажность		от +5 до +50 °С; до 85 %	до 134 °С до 95% без конденсата
Время наработки на отказ, ч		15 000	150 000

Контроллер Simatic S7-400 - это модульный программируемый контролер, работающий с естественным охлаждением, предназначенный для построения систем автоматизации средней и высокой степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода- вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.
Как видно из таблицы 3.7 сравнения характеристик двух ПЛК, Simatic S7-400 имеет достаточное число аналоговых и цифровых входов-выходов для построения АСУ котельной, состоящей из нескольких котлов. В то время как информационной мощности ПЛК АГАВА не достаточно даже для одного котла КВГ-2,5-95. Simantic S7-400 на порядок надёжней АГАВА.
Эффективному применению контроллера Simantic S7-400 способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности в составе одного устройства управления, а так же наличие широкой линейки модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов различной информационной мощности, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.
Если алгоритмы управления становятся более сложными и требуют применения дополнительного оборудования, контроллер позволяет легко нарастить свои возможности установкой дополнительного набора модулей.
Программируемый контроллер Simantic S7-400 разработан для построения систем автоматического управления, отличающихся повышенной надежностью функционирования. Наличие резервированной структуры позволяет продолжать работу в случае возникновения одного или нескольких отказов в его компонентах. Как правило, такие системы управляют производствами, простой которых вызывает большие экономические потери.
Благодаря своей высокой надежности Simantic S7-400 может использоваться:

• 
  в системах с высокими затратами на перезапуск производства в случае отказа контроллера;
  
• 
  в системах с высокой стоимостью простоя;
  
• 
  в системах без постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала.
  

Внешний вид и компоновка ПЛК Simantic S7-400 приведен на рисунке 3.7.

1 - Модуль блока питания; 2 - Буферная батарея; 3 - Ключ выбора режимов работы центрального процессора; 4 - Светодиоды индикации состояний и отказов; 5 - Карта памяти; 6 - Защитные дверцы фронтальных соединителей с маркировкой внешних цепей; 7 - Центральный процессор №1; 8 - Центральный процессор №2; 9 - Модуль FM 456-4 (семейство М7); 10 - Модуль расширения М7; 11 - Модули ввода-вывода; 12 - Интерфейсные модули

Рис. 3.7 - Общий вид контроллера Simatic S7-400

S7-400 имеет модульную конструкцию. Он может комплектоваться широким спектром модулей, устанавливаемых в монтажных стойках в любом порядке. Система включает в свой состав:

• 
  модули блоков питания (PS): используются для подключения SIMATIC S7-400 к источникам питания 24/48/60/120/ 230 В или —120/ 230 В;
  
• 
  модули центральных процессоров (CPU): в составе контроллера могут использоваться центральные процессоры различной производительности;
  
• 
  сигнальные модули (SM): для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов;
  
• 
  коммуникационные модули (СР): для организации последовательной передачи данных через PtP интерфейс, построения систем распределенного ввода-вывода на основе PROFIBUS DP и PROFINET 10, обмена данными через промышленные сети PROFIBUS, PROFINET и Industrial Ethernet, а также через Internet;
  
• 
  функциональные модули (FM): для решения типовых задач управления, к которым можно отнести скоростной счет, позиционирование, автоматическое регулирование и так далее.
  

При необходимости в составе S7-400 могут быть использованы интерфейсные модули (IM): для построения систем локального и распределенного ввода-вывода.
Программируемый контроллер S7-400 способен работать в сетях Ethernet с поддержкой протокола Modbus/TCP. Этот вариант связи может быть реализован:
через встроенный интерфейс PROFINET центрального процессора S7-400 с использованием программного обеспечения S7-OpenModbus/TCP PN-CPU;
- через коммуникационный процессор СР 443-1 контроллера 87-400 с использованием программного обеспечения S7-OpenModbus/ТСР СР.

3.4 Разработка и описание функциональной схемы автоматизации

Функциональная схема системы автоматизации водогрейного котла КВГ-2,5-95 является основным техническим документом, в котором дано упрощенное изображение котла, подлежащего автоматизации, а также приборов, средств автоматизации и управления, изображаемых условными обозначениями по действующим стандартам, и линий связи между ними.
Функциональная схема АСУ водогрейного котла КВГ-2,5-95 на базе логического контроллера Siemens Simatic S7-400 представлена в Приложении Б.
На функциональной схеме автоматизации показан котел КВГ-2,5-95, магистрали подачи воды к котлу и отвода нагретой сетевой воды от котла, трубопроводы подвода газа и воздуха и отвода дымовых газов из топки, датчики, исполнительные механизмы клапанов К1 - К5 и вентилятора Н1, насоса подачи воды Н2, дымососа НЗ.
Автоматизированная система управления котлом КВГ-2,5-95, представленная на функциональной схеме, реализует следующие задачи:
Y - АЦП/ЦАП преобразования входных/выходных сигналов в контроллере;
I - индикация параметров по месту и на АРМ оператора;
R - регистрация параметров котла на АРМ оператора;
S - регулирование параметров котла;
C- блокировка оборудования и исполнительных механизмов;
A - сигнализация об отклонении параметров за заданные пределы;
К - программное управление клапанами К1-К5, вентилятором Н1, насосом Н2, дымососом НЗ и режимными параметрами котла;
Система управления котлом КВГ-2,5-95 выполняет следующие задачи автоматического регулирования:

• 
  температуры воды на выходе из котла (датчик температуры позиция 12а - ПЛК - исполнительный механизм позиция 1ж клапана К1 подачи газа к горелке);
  
• 
  расхода топливного газа (датчик расхода газа позиция 1б - ПЛК - исполнительный механизм позиция 1ж клапана К1 подачи газа в топку);
  
• 
  расхода воздуха (датчик расхода воздуха позиция 2б - ПЛК - исполнительный механизм позиция 2ж клапана К2 подачи воздуха к горелке котла);
  
• 
  расхода воды, поступающей в котел (датчик расхода воды позиция 5б - ПЛК - исполнительный механизм позиция 5ж клапана К5 подачи воды);
  
• 
  разрежение в топке котла (датчик давления позиция 9б - ПЛК - исполнительный механизм позиция 9ж клапана К4 подачи воздуха к горелке котла);
  
• 
  расход воды на выходе из котла (датчик расхода воды позиция 13б - ПЛК - исполнительный механизм позиция 14ж дымососа КЗ отвода воды из котла).
  

АСУ водогрейного котла на базе ПТК осуществляет контроль и регистрацию следующих параметров:

• 
  давления воздуха (позиция 4б);
  
• 
  температуры воды на входе в котел (позиция 7б);
  
• 
  наличие пламени горелки (позиция 8б);
  
• 
  содержания кислорода в дымовых газах (позиция 11б);
  
• 
  давления воды на выходе из котла (позиция 14б);
  
• 
  давление топочного газа (позиция 15б).
  

Датчики снимают показания с объекта управления и передают их в виде унифицированного сигнала на контроллер.
В контроллере данные программно обрабатываются в соответствии с алгоритмом и заданием, в результате вырабатываются управляющие сигналы, которые поступают на исполнительные устройства для регулирования режимных параметров водогрейного котла КВГ-2,5-95.
Контроллер осуществляет управление исполнительными механизмами:

• 
  электроприводом клапанов К1 - К5 (позиции 1ж, 2ж, 5ж, 9ж, 13ж);
  
• 
  электроприводом вентилятора Н1 (позиция Зд);
  
• 
  электроприводом насоса воды Н2 (позиция 6д);
  
• 
  электроприводом дымососа НЗ (позиция 10д).
  

На схеме предусмотрены следующие аварийные ситуации при помощи сигнальных ламп HL1 – HL10 световой сигнализации системы автоматизации котла КВГ-2,5-95:

• 
  расход газа не соответствует заданному диапазону – HL1;
  
• 
  расход воздуха не соответствует заданному диапазону – HL2;
  
• 
  давление воздуха не соответствует заданному диапазону – HL3;
  
• 
  расход воды в котел не соответствует заданному диапазону – HL4;
  
• 
  погасание пламени в топке котла – HL7;
  
• 
  разрежение не соответствует заданному диапазону – HL6;
  
• 
  содержания воздуха в дымовых газах не соответствует заданному диапазону – HL7;
  
• 
  температура воды на выходе из котла не соответствует заданному диапазону – HL6;
  
• 
  давление воды на выходе из котла не соответствует заданному диапазону – HL9;
  
• 
  давление топливного газа ниже заданного значения – HL10.
  

3.5 Результаты автоматизации

Программируемый-логический контроллер АГАВА был заменен на более функциональный, высоконадёжный и современный промышленный контроллер Simatic S7 -400 фирмы Siemens.
Модернизация нижнего уровня управления проводена путем замены вышедших из строя датчики и исполнительных механизмов на новые более современного типа:
Для измерения расхода был выбран датчик Rosemount 3051SFC, как наиболее точный и подходящий по условиям эксплуатации.
Для измерения содержания кислорода в дымовых газах выбран Газоанализатор МАК-С-2М.
Для измерения температуры воды выберем датчик Метран ТСП-256.
В качестве датчика давления и разрежения выбран интеллектуальный датчик давления серии Метран-150.
В качестве датчика наличия пламени в токе котла применяются сканеры пламени InSight типа 95IR.
Для управления степенью открытия клапанов используется электрический исполнительный механизм (ЭИМ) фирмы ОАО «МЗТА»., который представляет электрический двигатель, чтобы произвести механическое движение рабочего органа клапана для изменения размера проходного сечения
В механизмах используются электродвигатели:

• 
  синхронные низкооборотные с частотой вращения 150 об/мин для механизмов с крутящим моментом до 250 Нм;
  
• 
  асинхронные двигатели АИР56А4, АИР56В4 для механизмов с крутящим моментом от 250 Нм до 4000 Нм и даже до 10000 Нм.
  

Чтобы управлять МЭО используем пускатель бесконтактный реверсивный ПБР-2М, который предназначен для общепромышленных условий применения.
Для оперативного управления МЭО с пульта или щита управления может использоваться блок управления релейного регулятора БРУ 42.
На основании этих данных была составлена таблица спецификации средств КИПиА, представленная в Приложении В.
Преимущества предлагаемого решения:

• 
  повышение качества и оперативности обслуживания технологического оборудования;
  
• 
  обеспечение надежности, предупреждение аварийных ситуаций, сокращение времени поиска, локализации и ликвидации аварий;
  
• 
  оптимизация потребления энергоносителей, сокращение энергозатрат и ресурсосбережение;
  
• 
  обеспечение оптимального режима работы оборудования;
  
• 
  сокращение времени простоя оборудования;
  
• 
  увеличение сроков эксплуатации и ресурса оборудования;
  
• 
  уменьшение расходов на ремонт оборудования;
  
• 
  возможность постепенного «наращивания» систем за счет растущей сети объектов.