Dynamic model of steam boiler DMK
| Name: ModelKotelDMK Founded: January 2007 Version: 1.0.0 State: Finished, August 2010 Participants: Lysenko Maxim, Savochenko Roman, Yashina Ksenia Description: The project targets for creation full dynamic model steam boiler #9 Dnepr Metallurgical Combine (DMC). Address: DB in file: dmkkotel9.tlz |  |
Introduction
The modelling object for the project, for creation full-scale dynamic model of real time, is multi-fuel steam boiler Dnepr Metallurgical Cobine (DMC) #9. A distinctive feature of the boiler is his multi-fuel nature and by that follow features in optimal control for boiler loading.
1 Targeting
Functionality, the development targeted for creation the real time model of multi-fuel boiler DMC.
Exploitation target the development is:
- ASC TP control algorithms testing;
- SCADA-system adequate algorithm functionality testing;
- Technological personal training.
2 Development
With targets acceleration, using early developments experience, and also for perfecting the technologies and tools for creation full dynamic models real time decided the model build into open SCADA system OpenSCADA environment. System OpenSCADA has mostly powerful mechanism for user side programming, and also has achievements for creation full dynamic real time models, which allow fast creation big dynamic models real time. Detailed about this has been discussed in 
report (RU), at 
5 Ukrainian conference of developers and users free software.
2.1 Technological process
Before the Boiler model creation has been forming schematic diagram of the technological process, based on schematic diagram real technological process. Obtained diagram painted at Fig.1.
Fig. 1. The boiler DMK #9 technological scheme.
2.2 Modelling
For the technological process model forming based on allowed apparatus models was been direct used source schematic diagram and block calculator (BlockCalc) of system OpenSCADA. The apparatus models of the schematic diagram was appending to block scheme in accordance with the schematic diagram. Part new blocks was been added for auxiliary devices, and also flow's nodes. Node's block numbers set on schematic diagram by numbers about the flow's nodes.
The model made in view two block schemes by block calculator. Content and properties of the block schemes allowed into table 1.
Table 1. The model's block schemes
| ID | Name | Target | Execution period (ms) | Execution time at Athlon 64 3000+ (ms) |
| kotel9 | DMC Boiler9 | Contained Boiler #9 model of Dnepr Metallurgical Combine. | 5 | 1.1 |
| kotel9_cntr | DMC Boiler9 Controller | Contained control system Boiler #9 model of Dnepr Metallurgical Combine. | 1000 | 0.05 |
From the block schemes properties you can see, resource intensity at whole to central processor Athlon 64 3000+ (2000МГц) is 22%.
In table 2 allow used apparatus models list in accordance with schematic diagram.
Translation is going now
Table 2. Used apparatus models
| Apparatus model | Devices (model blocks) |
| Library "Technological devices (DAQ.JavaLikeCalc.techApp)" | |
| Boiler: drum (boilerBarrel) | kotel9.Барабан |
| Котёл: топка (boilerBurner) | kotel9.Топка |
| Компрессор газовый (compressor) | kotel9.ДСА, kotel9.ДСБ, kotel9.ДВА, kotel9.ДВБ |
| Теплообменник (heatExch) | kotel9.ПП, kotel9.ВП1, kotel9.ВП2, kotel9.СП, kotel9.ЭК1, kotel9.ЭК2 |
| Клапан (klap) | kotel9.3ВП, kotel9.5ВП, kotel9.7ВП, kotel9.5ГД9, kotel9.6ГД9, kotel9.7ГД9, kotel9.8ГД9, kotel9.9ГД9, kotel9.10ГД9, kotel9.3ГК9, kotel9.4ГК9, kotel9.6ГК9, kotel9.5ГК9, kotel9.3ГП9, kotel9.4ГП9, kotel9.5ГП9, kotel9.6ГП9, kotel9.4ГПЗ9, kotel9.1Ш9, kotel9.2Ш9, kotel9.11Ш9, kotel9.13Ш9 |
| Сеть (нагрузка) (net) | kotel9.ParNet, kotel9.Атмосф |
| Труба 1->2 (pipe1_2) | kotel9.УЗ3, kotel9.Уз5, kotel9.Уз6, kotel9.Уз7, kotel9.Уз10 |
| Труба 2->1 (pipe2_1) | kotel9.УЗ1, kotel9.УЗ2, kotel9.УЗ9, kotel9.Уз12 |
| Труба 3->1 (pipe3_1) | kotel9.Уз8 |
| Источник (давление) (src_press) | kotel9.SrcГД, kotel9.SrcГК, kotel9.SrcВода, kotel9.SrcПГ, kotel9.SrcВоздух |
| Библиотека "Библиотека функций Complex1 (Special.FLibComplex1)" | |
| ПИД регулятор (pid) | kotel9_cntr.TCA1, kotel9_cntr.F_air_gas, kotel9_cntr.QAC151, kotel9_cntr.LC121, kotel9_cntr.PCA51, kotel9_cntr.FC101, kotel9_cntr.FC102, kotel9_cntr.FC103, kotel9_cntr.FC104, kotel9_cntr.FC105, kotel9_cntr.PSA76 |
| Библиотека "Котёл К9 (DAQ.JavaLikeCalc.k9) | |
| Делитель (Delitel) | kotel9_cntr.Air_Gas |
| Суммарный расход топлива в котле (Fsum) | kotel9_cntr.Fsum |
| Инверсия (Inversion) | kotel9_cntr.5VP_inv |
Благодаря использованию библиотеки моделей аппаратов и концепции построения динамических моделей была получена динамическая модель, из которой можно получить параметры в любой точке принципиальной схемы как для изучения, так и для отработки алгоритмов управления.
Для получения информации о технологическом процессе были созданы параметры ТП (таблица 3), которые представляют данные из отдельных узлов модели.
Таблица 3. Параметры технологического процесса
| Шифр | Описание | Свойства | Источник |
| ДМК Котёл9 (BlockCalc.kotel9) | |||
| LC121 | Уровень воды в барабане котла | Барабан.Lo | |
| LСA122, LSA124 | Уровень воды в чистом отсеке барабана, справа | %, (0;100), Точность 0 | Барабан.Lo |
| LSA123 | Уровень воды в чистом отсеке барабана, слева | %, (0;100), Точность 0 | Барабан.Lo |
| LCVG121 | Положение 3Впл-9 | %, (0;100), Точность 0 | 3ВП.l_kl1 |
| LCVG122 | Положение 3Впп-9 | %, (0;100), Точность 0 | 3ВП.l_kl2 |
| G_11SH | Положение 11Ш-9 | 11Ш9.l_kl1 | |
| G_12SH | Положение 12Ш-9 | 11Ш9.l_kl2 | |
| G_13SH | Положение 13Ш-9 | 13Ш9.l_kl1 | |
| G_14SH | Положение 14Ш-9 | 13Ш9.l_kl2 | |
| P_5VP | Положение 5ВП(1) | 5ВП.l_kl1 | |
| P_5VP_2 | Положение 5ВП(2) | 5ВП.l_kl2 | |
| P_7VP | Положение 7ВП | 7ВП.l_kl1 | |
| P_4GP9 | Положение 4ГП9 | 4ГП9.l_kl1 | |
| P_5GP9 | Положение 5ГП9 | 5ГП9.l_kl1 | |
| P_7GD | Положение 7ГД | 7ГД9.l_kl1 | |
| P_8GD | Положение 8ГД | 8ГД9.l_kl1 | |
| FCVG102 | Положение 5ГП-9 | 5ГП9.l_kl1 | |
| FCVG103 | Положение 7ГД9 | 7ГД9.l_kl1 | |
| FCVG104 | Положение 8ГД-9 | 8ГД9.l_kl1 | |
| FCVG105 | Положение 4ГК-9 | 4ГК9.l_kl1 | |
| TCVG1_1 | Положение 7Вп-9 | 7ВП9.l_kl1 | |
| TCVG1_2 | Положение 5Впл-9 | 5ВП9.l_kl1 | |
| PCVG76 | Производительность ДСА | об/мин, (0;100), Точность 1 | ДСА.N |
| PCVG77 | Производительность ДСБ | об/мин, (0;100), Точность 1 | ДСБ.N |
| FCV106 | Производительность ДВА | об/мин, (0;100), Точность 1 | ДВА.N |
| FCV107 | Производительность ДВБ | об/мин, (0;100), Точность 1 | ДВБ.N |
| PCA51 | Давление пара после ГПЗ | ат, (0;50), Точность 2 | 4ГПЗ9.Po |
| PSA52 | Давление пара в барабане | ат, (0;40), Точность 2 | Барабан.Po1 |
| PCA52 | Давление пара в барабане котла | ат, (0;50), Точность 2 | Барабан.Po1 |
| PSA52_1 | Давление пара в барабане котла | ат, (0;40), Точность 2 | Барабан.Po1 |
| PSA53 | Давление ГП до регулирующей заслонки | ат, (0;40), Точность 2 | 3ГП9.Po |
| PSA53_1 | Давление ГП перед диафрагмой | ат, (0;40), Точность 2 | 3ГП9.Po |
| PSA53_2 | Давление ГП перед диафрагмой | ат, (0;40), Точность 2 | 3ГП9.Po |
| PSA54 | Давление ГП после регулирующей заслонки | ат, (0;1.5), Точность 3 | 5ГП9.Po |
| PA55 | Давление ГП перед левой горелкой | ат, (0;40), Точность 2 | 6ГП9.Po |
| PA56 | Давление ГП перед правой горелкой | ат, (0;40), Точность 2 | 6ГП9.Po |
| PSA57_1, PSA57_2 | Давление ГД на общем трубопроводе. | ат, (0;2), Точность 2 | УЗ3.Pi |
| PSA59 | Давление ГД после заслонки на левом газопроводе | ат, (1;2), Точность 3 | 10ГД9.Po |
| PSA60 | Давление ГД после заслонки на правом газопроводе | ат, (1;2), Точность 3 | 9ГД9.Po |
| P61 | Давление ГД перед левой горелкой | ат, (0;1.6), Точность 2 | 9ГД9.Po |
| P62 | Давление ГД перед правой горелкой | ат, (0;1.6), Точность 2 | 10ГД9.Po |
| PSA63_1 | Давление ГК после 3ГК-9 | ат, (0;2), Точность 2 | 5ГК9.Po |
| PSA63_2 | Давление ГК после 3ГК-9 | ат, (0;2), Точность 2 | 3ГК9.Po |
| PSA64 | Давление ГК после регулирующего клапана | ат, (0;2), Точность 3 | 4ГК9.Po |
| P65 | Давление ГК перед левой горелкой | ат, (0;1.6), Точность 2 | 6ГК9.Po |
| P66 | Давление ГК перед правой горелкой | ат, (0;1.6), Точность 2 | 6ГК9.Po |
| P67 | Давление воздуха до первой ступени В/П слева. | ат, (0;1.2), Точность 2 | УЗ9.Po |
| P72 | Давление воздуха на верхнем ярусе левой горелки | ат, (0;1.2), Точность 2 | УЗ2.Po |
| P68 | Давление воздуха до первой ступени В/П справа | ат, (0;1.2), Точность 2 | УЗ9.Po |
| PSA70 | Давление воздуха после второй ступени воздухо-подогревателя | ат, (0;1.2), Точность 2 | ВП2.Po2 |
| PSA71 | Давление воздуха после 2 ступени воздухо-подогревателя | ат, (0;1.2), Точность 2 | ВП2.Po2 |
| P73, PSA73 | Давление воздуха на верхнем ярусе правой горелки | ат, (0;1.16), Точность 2 | УЗ2.Po |
| P74 | Давление воздуха на нижнем ярусе левой горелки | ат, (0;1.16), Точность 2 | УЗ2.Po |
| P75, PSA75 | Давление воздуха на нижнем ярусе правой горелки | ат, (0;1.16), Точность 2 | УЗ2.Po |
| PCSA76 | Разрежение в топке слева | ат, (0.9;1), Точность 3 | Топка.Po |
| PCSA77 | Разрежение в топке справа | ат, (0.9;1), Точность 3 | Топка.Po |
| P78 | Разрежение перед "ДС-А" | ат, (0.9;1), Точность 2 | 1Ш9.Po |
| P79 | Разрежение перед "ДС-Б" | ат, (0.9;1), Точность 2 | 2Ш9.Po |
| PSA80 | Давление ВП по левой питательной линии | ат, (0;60), Точность 2 | SrcВода.Po |
| PSA81 | Давление ВП по правой питательной линии | ат, (0;60), Точность 2 | SrcВода.Po |
| PSA85 | Давление воздуха после воздухонагревателя | ат, (0;2), Точность 3 | ВП2.Po2 |
| P103 | Давление ГД на диафрагме слева | ат, (0;2), Точность 2 | УЗ3.Po2 |
| P104 | Давление ГД на диафрагме справа | ат, (0;2), Точность 2 | УЗ3.Po1 |
| Src_GP_Pi | Входное давление на источнике ГП | SrcПГ.Pi | |
| P_GP_S | Давление ГП после источника | SrcПГ.Po | |
| P_GP_4GP | Давление ГП после 4ГП9 | 4ГП9.Po | |
| P_3VP_1 | Положение 3ВП9(1) | 3ВП.l_kl1 | |
| P_3GP9 | Положение 3ГП9 | 3ГП9.l_kl1 | |
| P_6GP9_1 | Положение 6ГП9_1 | 6ГП9.l_kl1 | |
| P_6GP9_2 | Положение 6ГП9_2 | 6ГП9.l_kl2 | |
| P_5GK | Положение 5ГК | 5ГК9.l_kl1 | |
| Pbar | Давление в барабане котла | Барабан.Po1 | |
| TCA1 | Температура пара после ГПЗ | 4ГПЗ9.To | |
| F_3VP | Расход воды после 3ВП | 3ВП.Fo | |
| F_5VP | Расход воды после 5ВП | 5ВП.Fo | |
| F_7VP | Расход воды после 7ВП | 7ВП.Fo | |
| Fbar | Расход воды в барабан | Барабан.Fi1 | |
| F_UZ8 | Расход воды после УЗ8 | Уз8.Fo | |
| FC101 | Расход пара из котла | т/ч, (0;100), Точность 2 | 4ГПЗ9.Fo |
| FC102 | Расход природного газа после 3ГП9 | 3ГП9.Fo | |
| FC102_0 | Расход природного газа после источника | SrcПГ.Fo | |
| FC102_1 | Расход природного газа после 4ГП9 | 4ГП9.Fo | |
| FC102_2 | Расход природного газа после 5ГП9 | 5ГП9.Fo | |
| FC102_3 | Расход природного газа после 6ГП9 | 6ГП9.Fo | |
| FC103 | Расход ГД по левому газопроводу | 5ГД9.Fi | |
| FC104 | Расход ГД по правому газопроводу | 6ГД9.Fi | |
| FC105 | Расход коксового газа после 5ГК9 | 5ГК9.Fo | |
| FC106 | Расход воздуха на левую горелку | т/ч, (0;100), Точность 1 | УЗ2.Fi1 |
| FC107 | Расход воздуха на правую горелку | т/ч, (0;100), Точность 1 | УЗ2.Fi2 |
| FA108 | Расход воздухо-перегревателя по правой питательной линии | т/ч, (0;200), Точность 2 | SrcВода.Fo |
| F109 | Расход воды на терморегулятор | т/ч, (0;200), Точность 2 | 7ВП.Fo |
| FA110 | Расход воздухо-перегревателя по левой питательной линии | т/ч, (0;200), Точность 2 | SrcВода.Fo |
| QA151 | Содержание кислорода в ДГ после пароперегревателя | %, (0;20), Точность 2 | Топка.O2 |
| QA152 | Содержание CO в ДГ после пароперегревателя | %, (0;20), Точность 2 | Топка.CO |
| QA153 | Содержание кислорода в уходящих ДГ | %, (0;20), Точность 2 | Топка.O2 |
| T2 | Температура природного газа | град.К, (223;323), Точность 2 | 3ГП9.To |
| T3 | Температура ГД | град.К, (273;373), Точность 2 | 5ГД9.Ti |
| T5 | Температура ГК на котел | град.К, (273;373), Точность 2 | 4ГК9.To |
| T7 | Температура воздуха после второй ступени воздухо-перегревателя слева | град.К, (273;773), Точность 2 | ВП2.To2 |
| T8 | Температура воздуха после 2 ступени воздухо-перегревателя справа | град.К, (273;773), Точность 2 | ВП2.To2 |
| T13 | Температура ДГ перед пароперегревателем слева | град.К, (273;1027), Точность 2 | Барабан.To2 |
| T14 | Температура ДГ перед пароперегревателем справа | град.К, (273;1027), Точность 2 | Барабан.To2 |
| T15 | Температура ДГ перед 2 ступенью экономайзера слева | град.К, (273;873), Точность 2 | ПП.To1 |
| T16 | Температура ДГ перед 2 ступенью экономайзера справа | град.К, (273;873), Точность 2 | ПП.To1 |
| T17 | Температура ДГ после 2 ступени экономайзера слева | град.К, (273;873), Точность 2 | ЭК2.To1 |
| T18 | Температура ДГ после 2 ступени экономайзера справа | град.К, (273;873), Точность 2 | ЭК2.To1 |
| T19 | Температура ДГ перед первой ступенью воздухо-перегревателя слева | град.К, (273;873), Точность 2 | ЭК1.To1 |
| T20 | Температура ДГ перед 1 ступенью воздухо-перегревателя справа | град.К, (273;873), Точность 2 | ЭК1.To1 |
| T21 | Температура ДГ перед 2 ступенью воздухо-перегревателя слева | град.К, (273;873), Точность 2 | ЭК2.To1 |
| T22 | Температура ДГ перед 2 ступенью воздухо-перегревателя справа | град.К, (273;873), Точность 2 | ЭК2.To1 |
| T23 | Температура ДГ перед 1 ступенью экономайзера слева | град.К, (273;873), Точность 2 | ВП2.To1 |
| T24 | Температура ДГ перед первой ступенью экономайзера справа | град.К, (273;873), Точность 2 | ВП2.To1 |
| TA25 | Температура ДГ перед "ДС-А" | град.К, (273;673), Точность 2 | 1Ш9.To |
| TA26 | Температура ДГ перед "ДС-Б" | град.К, (273;673), Точность 2 | 2Ш9.To |
| T35 | Температура воздухо-перегревателя по левой питательной линии | град.К, (273;473), Точность 2 | 3ВП.To |
| T36 | Температура воздухо-перегревателя по правой питательной линии | град.К, (273;473), Точность 2 | 3ВП.To |
| T37 | Температура воды после экономайзера слева | град.К, (273;673), Точность 2 | ЭК2.To2 |
| T38 | Температура воды после экономайзера справа | град.К, (273;673), Точность 2 | ЭК2.To2 |
| ДМК Котёл9 Контроллер (BlockCalc.kotel9_cntr) | |||
| TCA1 | Температура пара на выходе | К, (273;800), Точность 0 | TCA1.* |
| QAC151 | Процент кислорода в дымовых газах. | %, (0;15), Точность 1 | QAC151.* |
| LC121 | Уровень в барабане котла | %, (0;100), Точность 1 | LC121.* |
| 5VP | %, (0;100), Точность 1 | 5VP_inv.OVar | |
| FC101 | Расход пара из котла | т/ч, (0;150), Точность 0 | FC101.* |
| FC102 | Расход природного газа | т/ч, (0;6), Точность 1 | FC102.* |
| FC103 | Расход доменного газа по левому газопроводу | т/ч, (0;70), Точность 1 | FC103.* |
| FC104 | Расход доменного газа по правому газопроводу | т/ч, (0;70), Точность 1 | FC104.* |
| FC105 | Расход коксового газа | т/ч, (0;10), Точность 1 | FC105.* |
| PSA76 | Разрежение в топке | ат, (0.9;1), Точность 3 | PSA76.* |
2.3 Регулирование
Сама по себе динамическая модель может быть неустойчивой без регулирования. Например, параметр уровня в барабане не обладает саморегуляцией и уходит в крайние точки в случае отсутствия баланса в регулирующих параметрах. По этой причине, а также для создания самодостаточной модели, способной работать автономно и без ПЛК в роли регулятора, был создан контроллер регуляторов для модели котла согласно схем регулирования на рис. 2 - 4.
Fig. 2. Level and steam temperature regulation.
Fig. 3. Rarefaction into the chamber regulation.
Fig. 4. Steam and Gas flows regulation.
3 Интерфейс пользователя
Пользовательский интерфейс модели содержит одиннадцать объектов сигнализаций (рис.5). Каждый объект сигнализации содержит по несколько мнемосхем, группе графиков, группе контуров и группе обзоров.
Fig. 5. User's interface generic view window.
3.1 Объект сигнализации "Пусковая"
Fig. 6. Signal object "Start" mnemo.
Fig. 7. Signal object "Start" graphics group.
Fig. 8. Signal object "Start" contours group.
Fig. 9. Signal object "Start" overview group.
3.2 Объект сигнализации "Розжиг"
Fig. 10. Signal object "Firing" mnemo.
Fig. 11. Signal object "Firing" graphics group.
Fig. 12. Signal object "Firing" contour group.
Fig. 13. Signal object "Firing" overview group.
3.3 Объект сигнализации "Дым.газы"
Fig. 14. Signal object "Flue Gases" mnemo.
Fig. 15. Signal object "Flue Gases" mnemo 2.
Fig. 16. Signal object "Flue Gases" graphics group.
Fig. 17. Signal object "Flue Gases" contour group.
Fig. 18. Signal object "Flue Gases" overview group.
3.4 Объект сигнализации "Дренажи"
Fig. 19. Signal object "Drainages" mnemo.
Fig. 20. Signal object "Drainages" graphics group.
Fig. 21. Signal object "Drainages" contour group.
Fig. 22. Signal object "Drainages" overview group.
3.5 Объект сигнализации "ГД"
Fig. 23. Signal object "GBF" mnemo.
Fig. 24. Signal object "GBF" graphics group.
Fig. 25. Signal object "GBF" contour group.
Fig. 26. Signal object "GBF" overview group.
3.6 Объект сигнализации "ГП"
Fig. 27. Signal object "GN" mnemo.
Fig. 28. Signal object "GN" graphics group.
Fig. 29. Signal object "GN" contour group.
Fig. 30. Signal object "GN" overview group.
3.7 Объект сигнализации "ГК"
Fig. 31. Signal object "GC" mnemo.
Fig. 32. Signal object "GC" graphics group.
Fig. 33. Signal object "GC" contour group.
Fig. 34. Signal object "GC" overview group.
3.8 Объект сигнализации "ПАР"
Fig. 35. Signal object "STEAM" mnemo.
Fig. 36. Signal object "STEAM" graphics group.
Fig. 37. Signal object "STEAM" contour group.
Fig. 38. Signal object "STEAM" overview group.
3.9 Объект сигнализации "ВП"
Fig. 39. Signal object "FW" mnemo.
Fig. 40. Signal object "FW" graphics group.
Fig. 41. Signal object "FW" contour group.
Fig. 42. Signal object "FW" overview group.
3.10 Объект сигнализации "Экономайзер"
Fig. 43. Signal object "Economizer" mnemo.
Fig. 44. Signal object "Economizer" graphics group.
Fig. 45. Signal object "Economizer" contour group.
Fig. 46. Signal object "Economizer" overview group.
3.11 Объект сигнализации "ВЗП"
Fig. 47. Signal object "AirSup" mnemo.
Fig. 48. Signal object "AirSup" mnemo 2.
Fig. 49. Signal object "AirSup" graphics group.
Fig. 50. Signal object "AirSup" contour group.
Fig. 51. Signal object "AirSup" overview group.
4 Результаты
Результатом разработки стала полноценная динамическая модель технологического процесса многотопливного парового котла на высокое давление и большую производительность. Данная модель доступна на трёх языках и включена в дистрибутивы системы OpenSCADA для демонстрации функций и возможностей.
Модель предусматривает возможность управления ТП от лица оператора, включая операции:
- управление регуляторами:
- изменение режима регулятора: "Автомат", "Ручной" или "Каскад";
- установка нужного значения задания или ручного выхода исполнительного механизма;
- настройка параметров ПИД-регулятора.
В целом, в схеме управления, полноценно участвуют следующие регуляторы:
- LC121 — уровень воды в барабане котла;
- PSA76 — разрежение в топке котла;
- FC101 — расход пара в паровой коллектор;
- FC102 — расход природного газа;
- FC103, FC104 — расход доменного газа;
- FC105 — расход коксового газа;
- QAC151 — процент кислорода в дымовых газах;
- TCA1 — температура пара.
В прикладном смысле модель позволила отработать алгоритмы управления подачей нескольких родов топлива.
Ресурсоёмкость модели составила 70% на ядре процессора 800 МГц, архитектуры x86.
Ссылки