Проектирование АСУ водогрейным котлом

Преимущества использования каскадного управленияСоединение котлов при помощи блока каскадного управления является комплексным решением и имеет более высокую эффективность. Это обеспечивает попеременную работу всех котлов и гарантирует для каждого котла одинаковое количество часов работы;Каскадное управления оптимизирует работу системы и обеспечивает включение только необходимого количества котлов, в зависимости требуемой мощности;Повышенная сезонная эффективность системы по сравнению с использованием одного мощного котла;Каскадную систему установить намного легче, чем один большой котел, особенно при модернизации системы. Кроме того, запчасти для менее мощных котлов стоят дешевлеРис. 14Схема котельной установкиНастоящая система имееттри контура автоматического управления:Температура в прямом трубопроводе после первого котла измеряется термометром сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА(поз 1-1), диапазон измерения 0-150 °С.Температура в обратном трубопроводе до первого котла измеряется термометром сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА(поз 1-2), диапазон измерения 0-100 °С.Температура окружающей среды измеряется термометром сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА(поз 1-3), диапазон измерения 0-100 °С.На основании этой информации контроллер по соответствующему алгоритму определяет задание длятемпературы в прямом трубопроводе и управляет двухступенчатой горелкой для поддержания температуры на заданном уровне. выдается управляющий сигнал на исполнительный механизм (поз. 2-3).Температура в прямом трубопроводе после второго котла измеряется термометром сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА (поз 2-1), диапазон измерения 0-150 °С.Температура в обратном трубопроводе до второго котла измеряется термометром сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА (поз 2-2), диапазон измерения 0-100 °С.Температура окружающей среды измеряется тем же самым термометром сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА (поз 1-3), диапазон измерения 0-100 °С.На основании этой информации контроллер по соответствующему алгоритму определяет задание для температуры в прямом трубопроводе и управляет двухступенчатой горелкой для поддержания температуры на заданном уровне.Температура в бойлере измеряется термометром сопротивления с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА (поз 3-1), диапазон измерения 0-150 °С.При понижении температуры в бойлере ниже заданной через пускатель бесконтактный реверсивныйПБР-ЗА(поз 3-2) включается исполнительный механизм электрический однооборотныйМЭО-630/63- 0.25-У92К(поз 3-3), который управляет трехходовым краном. При этом прямой трубопровод переключается на бойлер. При этом вода в бойлере нагревается и при достижении заданной температуры контроллер переключает трехходовой кран на отопление.температурный график управления котлами3.2 Описание предлагаемой системы автоматизацииПозиционное управление мощностью водогрейного котла происходит следующим образом. При достижении температуры прямой воды величины уставки плюс величина зоны нечувствительности (далее по тексту, дельта), котел переводится в режим малого горения. При уменьшении температуры воды меньше уставки минус дельта, котел переводится в режим большого горения.Позиционное управление мощностью котла может производиться двумя способами: По выбранной оператором температурной уставке и дельте без учета температуры наружного воздуха; По температурному графику. На графике рис.15 определена зависимость уставки регулирования от температуры наружного воздуха. Оператор настраивает значение температуры наружного воздуха и величину уставки в точках перегиба «a» и «b» графика.При изменении температуры наружного воздуха в интервале между точками «a» и «b», уставка меняется по линейному закону. При понижении температуры наружного воздуха ниже указанной в точке «a» уставка сохраняет значение, выбранное для точки «f». При увеличении температуры наружного воздуха выше указанной в точке «b» уставка сохраняет значение, выбранное для точки «b».Рис. 15 Температурный график4 Выбор и обоснование комплекса технических средств4.1 Выбор локальных приборов и средств автоматизации, составление заказной спецификацииПри выборе приборов и средств автоматизации учитываются такиефакторы, как вид используемой энергии (пневматические или электрические),наличие выходного сигнала, пределы измерения, метрологическиехарактеристики, область и практика применения, завод-изготовитель,доступность, цена приборов и др.При автоматизации теплоэнергетических процессов преимущественноиспользуются электрические приборы. Предпочтение отдаётся приборам, имеющим стандартныевходные и выходные сигналы. Система автоматизации должна строиться наоднотипных приборах одной серии или системы.Таблица 8Спецификация на основные технические средства автоматизации9871165НПП "Элемер" г. МоскваНПП "Элемер" г. Москва43ТСМУ-205-ЕхТСМУ-205-Ех2Температура в прямом трубопроводепосле 1 котлаТермометр сопротивлений с унифицированным выходным сигналом (4-20 мА), диапазон измерения 0-150 °С, показатель тепловой инерции 10 сек. Защитная арматура,контактирующая с измеряемой средой - сталь 12Х18Н10ТТермометр сопротивлений с унифицированным выходным сигналом (4-20 мА), диапазон измерения 0-100 °С, показатель тепловой инерции 10 сек. Защитная арматура,контактирующая с измеряемой средой - сталь 12Х18Н10Т11-11-29871165НПП "Элемер" г. МоскваНПП "Элемер" г. Москва43ТСМУ-205-ЕхТСМУ-205-Ех2Термометр сопротивлений с унифицированным выходным сигналом (4-20 мА), диапазон измерения –50...+50 °С, показатель тепловой инерции 10 сек. Защитная арматура,контактирующая с измеряемой средой - сталь 12Х18Н10ТТемпература в прямом трубопроводепосле 2 котлаТермометр сопротивлений с унифицированным выходным сигналом (4-20 мА), диапазон измерения 0-150 °С, показатель тепловой инерции 10 сек. Защитная арматура,контактирующая с измеряемой средой - сталь 12Х18Н10Т11-32-19871165НПП "Элемер" г. МоскваНПП "Элемер" г. Москва43ТСМУ-205-ЕхТСМУ-205-Ех2Термометр сопротивлений с унифицированным выходным сигналом (4-20 мА), диапазон измерения 0-100 °С, показатель тепловой инерции 10 сек. Защитная арматура,контактирующая с измеряемой средой - сталь 12Х18Н10ТТемпература в бойлереТермометр сопротивлений с унифицированным выходным сигналом (4-20 мА), диапазон измерения 0-150 °С, показатель тепловой инерции 10 сек. Защитная арматура,контактирующая с измеряемой средой - сталь 12Х18Н10Т12-23-19871165завод "Пром - прибор"Завод электроники и механики г. Чебоксары43ПБР-ЗАМЭО-630/63- 0.25-У92К2Пускатель бесконтактный реверсивныйИсполнительный механизм электрический однооборотный13-23-34.2 Выбор и описаниеустройства управленияАвтоматизированная система управления двумя котламиRiello RTQ 1000 строится на программируемых логических контроллерах далее (ПЛК) СПЕКОН СК2 и СПЕКОН СК3 по принципу распределенной иерархической системы ивыполняет следующие функции:Основные функции системы:сбор и первичная обработка сигналов от датчиков;контроль сигналов на достоверность;отображение информации на мониторах АРМов;технологическая, аварийная и предупредительная сигнализация;автоматическое регулирование;дистанционное и автоматическое управление;реализация технологических защит и блокировок;регистрация аварийных ситуаций;архивация и документирование;расчеты технико-экономических показателей;автоматическое ведение оперативной документацииСервисные функции системы:управления реконфигурацией технических средств;автоматизированная безопасная загрузка и запуск программ;автоматический сбор и статистическая обработка данных.Верхний уровень:Пульт оператора.Уровень контроллеров:Выполнен в виде шкафа контроллеров ШК и реализует автоматическое и дистанционное управление всеми технологическими объектами системы в реальном масштабе времени.Шкаф контроллеров выполняет основной объем функций управления Шкафы ШК питаются от шкафа бесперебойного питания ШБП.Уровень сбора и передачи данных: Оборудование уровня сбора и передачи данных размещается в котельном цехе и включает:шкаф устройств сопряжения с объектом УСО,силовые шкафы управления исполнительными механизмами (шкафы преобразователей частоты ПЧДВ, ПЧДС, ПЧПН, шкафы управления запорной арматурой ШУЗ, шкафы управления регулирующей арматурой ШУР),шкаф автоматического ввода резерва сети ШАВРС обеспечивающий питание исполнительных механизмов (электрифицированных задвижек и клапанов).                    Шкаф УСО выполняет задачи сбора данных от датчиков, вывода управляющих сигналов, а также обеспечивает обмен информацией с уровнем контроллера. Шкаф УСО содержит устройство удаленного ввода/вывода, которое поддерживает интерфейс RS485, блоки питания датчиков, блоки размножения аналоговых сигналов РС. Шкаф УСО получает питание от шкафа бесперебойного питания ШБП.Состав сигналов ввода-вывода шкафа УСО:- дискретные входы типа сухой контакт, =24 В- дискретные выходы, =24 В- аналоговые входы, (4¸20) мА Уровень датчиков, приборов и исполнительных механизмов:Для обеспечения возможности размножения сигналов все аналоговые датчики, включая датчики температуры и расхода, выбраны с выходным сигналом 4-20 мА.Все приводы регулирующей арматуры оснащены датчиками положения с выходным сигналом  4-20 мА.Инструментального средства для реализации АСУ ТП.Программное обеспечение (ПО) верхнего уровня построено на базе MasterScada фирмы ИнСАТ (г. Москва). Это вертикально интегрированный и объектно ориентированный программный комплекс для разработки систем управления и диспетчеризацииДля выбора модулей УСО необходимо подсчитать количество дискретных и аналоговых сигналов. Входные аналоговые сигналы:Температура в прямом трубопроводепосле 1 котла -1;Температура в обратном трубопроводе до 1 котла -1; Температура в прямом трубопроводе после 2 котла -1;Температура в обратном трубопроводе до 2 котла - 1; Температура в бойлере - 1; Итого: 5 аналоговыхвходных сигналов.Выходные дискретные сигналы:управление трехходовым краном - 1;управление 1горелкой - 2;управление 2 горелкой - 2;Итого: 5 дискретных выходных сигналов.Рис. 16 Структурная Схема КТСОписание блоков КТС.1.Пульт Главного Инженера:Системный блок Процессор: intel® Pentium™ DualCoreE5700 3.0 ГГцВидеокарта: 1024MbGeForceGT520Память, накопители: ОЗУ – 2048 Мб; HDD - 320Гб; DVDRWСетевыеинтерфейсы: LanОС: Windows 7 Home Basic;Монитор 22" BenQ BL2201MЛазерныйпринтер HP LaserJet Pro P1102Клавиатура A4 Tech KLS-23MUUМышь A4 Tech G7-300-1.2.Пультоператора:СистемныйблокПроцессор: intel® Pentium™ Dual Core E5700 3.0 ГГцВидеокарта: 1024Mb GeForce GT520Память, накопители: ОЗУ – 2048 Мб; HDD - 320Гб; DVDRWСетевыеинтерфейсы: LanОС: Windows 7 Home Basic;Монитор 22" BenQ BL2201MКлавиатура A4 Tech KLS-23MUUМышь A4 Tech G7-300-1.3. Контроллер СПЕКОН СК2-01 (2 шт.)Контроллеры СК2 предназначены для автоматизации котлов любой мощности и оснащенных от одной до четырех горелок.Контроллеры СПЕКОН СК обеспечивают:32 двухпозиционных беспотенциальных входных сигналов (типа «сухой контакт»);16 унифицированных токовых сигналов (0-5, 0-20, 4-20 мА) или 8 термопреобразователей сопротивления ТСМ (W100=1,4280 или W100=1,4260), ТСП (W100=1,3910 или W100=1,3850), или сочетание этих сигналов (например 4 термопреобразователя и 8 токовых сигналов);2 частотных (числоимпульсных) сигнала;24 двухпозиционных выходных сигнала, цепи которых осуществляют коммутацию: исполнение «А»нагрузки переменного тока до 1 А, частотой 50 Гц, напряжением до 250 В; исполнение «Б»нагрузки постоянного и переменного тока до 0,4 А. напряжением до 24 В.внешних устройств через интерфейсы RS232 и RS485 (компьютер, модем, контроллер, радиомодем, радиомаяк и т. п.).через гальваническую развязку входные и выходные цепи.4. Контроллер СПЕКОН СК3-01Контроллер СПЕКОН СК3-01, предназначен для управления общекотельным оборудованием котельной с водогрейными и паровыми котлами на газообразном или жидком топливе, управления контроллерами СК2-04 от 1 до 16 (по числу котлов), представления информации о расходе тепла, ГВС, потребляемого газа при наличии в составе системы соответственно приборов ВКТ и ВКГ.Контроллер СК3-01 рассчитан на работу с входными сигналами:-термопреобразователей сопротивления (ТСМ, ТСП, ТСН) – 5 входов;-унифицированными токами (0-5, 0-20 или 4-20 mA) – 6 входов;-двухпозиционными сигналами , типа “сухой контакт” – 32 входа.Контроллер обеспечивает формирование до 24 выходных сигналов для управления исполнительными устройствами:-исполнение А - переменного тока не менее 60 мА и не более 1 А, напряжением не менее 70 В и не более 250 В, частотой (50 1) Гц;-исполнение Б - переменного и постоянного тока до 0,4 Анапряжением до 24 В5Эффективностьсистемы автоматизации5.1 Экономическая, экологическая и социальная эффективность автоматизацииЭффективность - относительный эффект, результативность процесса, операции, проекта, определяемый как отношение эффекта, результата к затратам, расходам, обусловившим, обеспечившим его получение.Экономическая эффективность автоматизации обеспечивается уменьшением расхода топлива на 4% за счет более точного регулирования температуры воды в прямом трубопроводе.Экологическая эффективность автоматизации обеспечивается уменьшением выбросов за счет уменьшением расхода топлива.К социальной эффективности относится облегчения труда рабочих, улучшение санитарно-гигиенических условий и повышения общекультурного уровня жизни человека. Облегчения труда рабочих в автоматизированном производстве обеспечивается освобождением их от непосредственного участия в производстве. Улучшение санитарно-гигиенических условий труда работников в производстве, оборудованном автоматически работающими машинами, обеспечивается тем, что работник, который наблюдает за течением процесса, находится на определенном расстоянии от рабочих органов машин, преимущественно в отдельном помещении. Это повышает безопасность и улучшает условия труда.Экономическая эффективностьопределяется путем расчета срока окупаемости новой системы автоматизации. Для этого вычисляем общую сумму денежных средств, вложенных в производство. Далее определяем полученную прибыль от реализации проекта с учетом всех налогов. То есть, находим чистую прибыль предприятия. Далее определяем коэффициент экономической эффективности проекта и срок его окупаемости.Величина капитальных затрат (K0) определяется по формуле: K0=Kпр+Kоб+Kдм, руб.; (5.1)Kоб=ΣNi∙Цобi∙(1+αi) капитальные вложения в оборудование, руб. ; (5.2)Ni- количество единиц оборудования.Цобi - договорная цена оборудования 1-го наименования; αi - доля отстоимости оборудования, учитывающая расходы на его транспортировку, монтаж, наладку, доли ед (αi =0,25).Kпр - предпроизводственные расходыруб.Kдм- затраты на демонтаж устаревшего оборудования.Кнс - недоамортизированная стоимость демонтируемого оборудования. Расчет экономии текущих затрат (ΔС), руб./год: ΔC=S-(ΔCа+ΔСто), (5.3)где S - экономия ресурсов живого и овеществленного труда, которая может быть получена по результатам внедрения технического или организационного решения автоматизированной системы на базе ПЛК, руб/год.Экономия топлива за счет внедрения нового оборудования составит 4%, в связи с чем, экономия денежных средств составит: S =ЦГ1-ЦГ2 (5.4) ΔCа - дополнительные амортизационные отчисления, руб./год;ΔCа =( Kоб - Kб)∙Hао/100, (5.5)где Hао =10% - норма амортизационных отчислений на оборудование; ΔСто - дополнительные расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание, руб./год;Определяем налог на имущество, который составляет 2,2 %Ни=Коб∙0,022 (5.6)Определяем налогооблагаемую прибыль:Пн.обл=ΔC-Ни (5.7) Далее определяем налог на налогооблагаемую прибыль который составляет 24,4 %Нпр=Пн.обл∙0,244 (5.8) Чистая прибыль предприятия, которая вычисляется по формуле:Пч=Пн.обл-Нпр (5.9)Далее определяем коэффициент экономической эффективности проектаКэк.эф.пр= Пч/К0 (5.10) Теперь определяем срок окупаемости проекта: Ток=К0/Пч (5.11)ЗаключениеВ ходе курсового проектирования была разработанаАСУ двумя водогрейными котламиRiello RTQ 1000. В результате былапредложена структураАСУ, выбраны технические средства, входящие в систему.Разработана структура и состав контроллеров АСУ ТП, произведен выбор и изучены возможности инструментальных средств для реализации АСУ ТП, а также выполнена реализация АСУ ТП котла на современных контроллерах СПЕКОН .Быларассмотрена эффективность системы. Внедрение системы приведет к экономии топлива, электроэнергии, увеличению КПД котлоагрегата, а также к уменьшению загрязнения окружающей среды и улучшению экологической обстановки близлежащих районов.Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единици терминовАРМ – автоматизированное рабочее местоАСУТП – автоматизированная система управления технологическими процессамиКТС – комплекс технических средствОЗУ – оперативное запоминающее устройствоПЛК– программируемый логический контроллерУСО– устройства связи с объектомХВО–химическая водоочисткаБиблиографический список1. Клюев, А.С., Наладка систем автоматического регулирования котельных агрегатов/А.С.Клюев,А.Г.Товарнов - Москва.:Энергия, 1970,-280 с.2. Серебряков, Н.П.Проектированиеавтоматизированных систем: учеб. пособие по курсовому проектированиюН.П. Серебряков – СПб.: СПбГТУРП, 2011. – 42 с.3.Передовые технологии автоматизации. Каталог №3., Москва. Prosoft.4. Буйлов Г.П., Доронин В. А., Серебряков Н.П., Автоматизированные системы управления теплоэнергетическими процессами и процессами отрасли, учебное пособие, СПб, 2002.6.http://www.tk-atm.ru/7. http://www.riello.su/products/info-riello.aspx?pid=9&id=57