English
Российский

---

Сторінку заморожено, актуальна тут

САУ кульових барабанних млинів ШБМ 287\410 котлоагрегатів №7,8,9 БКЗ 160–100 ПТ

Початок: 07(липень) 2009р для ШБМ7,9; 26 06(червня) 2015р для ШБМ8 Завершення: 08(серпень) 2010р для ШБМ7,9; 22 12(грудня) 2015р для ШБМ8 Розташування: м.Краматорськ, ТЕЦ Замовник: Товариство з обмеженою відповідальністю "Краматорськтеплоенерго", Осипов Юрій Миколайович Учасники: Роман Савоченко, Максим Лисенко (2009-2010), ТОВ НІП "ДІЯ" Опис: Система Автоматизованого Управління звантаженням двома шаровими млинами ШБМ 287\410 котлів №7, 8, 9

1. Об'єкт автоматизації

У експлуатації ТОВ Краматорськтеплоенерго є ТЕЦ у складі п'яти робочих котлів БКЗ 160–100 ПТ (5, 6, 7, 8 та 9). Котли виробляють пар тиском 100 кгс/см2 та номінальною продуктивністю до 160 т/год. Вироблений пар подається на турбіни та теплоносій централізованого опалення міста Краматорьск. Паливо котлів становить вугільний пил та природний газ, переважно для розпалювання та підсвічування. Основним вугіллям виступають негазове-антрацитне вугілля, яке менш вибухонебезпечне та дозволяє здійснювати помел на температурах до 150°С. Котли 6, 7, 8 та 9 мають робочі системи пило-приготування, які забезпечують котлоагрегати пилом.

До складу процесу пило-приготування входять: цех приготування вугілля, транспортер вугілля до бункеру шарових млинів (ПСВ), два шарових млини та бункер пилу. Предметом даного проекту є автоматичне управління процесом завантаження шарових барабанних млинів у залежності від їх режиму та навантаження.

На підприємстві використовуються кульові барабанні млини ШБМ 287\410. Функціональну схему кульового барабанного млина, з елементами автоматизації, зображено на рисунку 1.

Рис. 1. Функціональна схема шарового млина.

2. САУ

Структурну схему САУ млинами окремого котлоагрегату (К8) зображено на рисунку 2, та рисунку 3 (у складі рішень автоматизації ТОВ НІП "ДІЯ" та загальної мережі), складовими вузлами якої є дві шафи: контролеру ШУ 7, 8, 9 (на ЦТЩ) та ШПЧ (у неоперативному контурі котла №7, 8, 9); та станції автоматизованого робочого місця оператору АРМ1 та АРМ2.

Рис. 2. Структурна схема САУ.

Рис. 3. Структурна схема САУ у складі рішень автоматизації ТОВ НІП "ДІЯ" та загальної мережі.

Виходячи із наведеної вище структури, САУ складається з об'єкту автоматизації — Млини, контролерів управління млинами (ШУ 7, 8 та 9), перетворювачів частоти (ШПЧ 7, 8 та 9), а також двох автоматизованих робочих місць (АРМ 1 та АРМ 2). Кожен з контролерів САУ ШБМ незалежно керує млинами окремого котлоагрегату. Так, контролер ШУ7 керує млинами котлоагрегату 7, ШУ8 — млинами котлоагрегату 8, а ШУ9 — млинами котлоагрегату 9. Зв'язок із перетворювачами частоти (ПЧ) здійснюється виключно фізичними сигналами, у випадку із САУ ШБМ 7 та 9, а також за інтерфейсним каналом RS-485 та протоколом ModBus/RTU, у випадку САУ ШБМ 8.

Данні технологічного процесу концентруються та надаються на АРМах. Кожне АРМ надає дані ТП всіх котлів. Один з одним АРМи підключені за схемою резервування, що дозволяє виключити втрату даних на момент зупинки одного з них. З метою оптимізації навантаження на контролер реальне їх опитування здійснює одне АРМ, при цьому інше АРМ отримує дані у основного АРМ. Основним АРМ є АРМ 1, яке й виконує безпосереднє опитування контролерів. У випадку збою АРМ 1 опитування контролерів берет на себе АРМ 2, і до моменту відновлення функціонування АРМ 1. У процесі відновлення роботи АРМ, після збою, відбувається синхронізація архівів глибиною до однієї години. Відновлення архівів на більш тривалий термін здійснюється синхронно по мірі доступу до цих архівів. Додатково на АРМи виводяться дані САУ "Безперервної продувки" (ШУ4).

Всі вузли САУ ШБМ під'єднано у локальну мережу САУ ШБМ, у власній масці, яка фізично має вихід до заводської мережі.

У процесі реалізації САУ ШБМ 8 (2015 рік) було оновлено ПЛК САУ ШБМ 7, 9 на предмет уніфікації алгоритмів, виправлення помилок та оптимізації. Також було замінено головний АРМ 1 на новий, у вигляді моноблокового ПК. Програмне забезпечення АРМів було повністю оновлено, а проект SCADA-системи доповнено.

2.1. ПЛК

У якості програмованого логічного контролеру (ПЛК) у проекті застосовано ПЛК LP-8781 фірми ICP DAS серії LinPAC. Промислові контролери цього сімейства є першим продуктом, який побудовано на x86 сумісному процесорі та позбавлено проблеми низької продуктивності обчислень із плаваючою точкою оточень ARM-контролерів.

Особливістю технологічного процесу даного проекту є наявність специфічних до ресурсів та функцій 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;
• можливість, доступність та наявність модулів швидкого збору даних: I-8017HW (ШБМ 7 та 9), I-8014 (ШБМ 8);
• висока продуктивність, для ПЛК;
• архітектурна та програмна відкритість ПЛК;
• промислове виконання та розширений температурний діапазон.

ПЛК (рис.4) конструктивно виконано по модульному принципу, де модулі встановлено у кошик. Кошик суміщено з процесорним модулем та може мати 1, 3 та 7 слотів для модулів розширення. Модулі розширення можуть бути двох типів, а саме модулі на паралельній та послідовній шині. Модулі на паралельній шині (I-8x) є швидкими. Модулі на послідовній шині (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. 4. ПЛК серії LP-8x81.

Процесор контролеру має наступні технічні характеристики:

Загальна ємність САУ складає:

• для САУ ШБМ 7 та 9: 18(24)AI, 2(4)AO, 10(16)DI, 16(16)DO.
• для САУ ШБМ 8: 18(28)AI, 9(32)DI, 12(32)DO.

Відповідно потрібен контролер з кількістю слотів розширення не менш 6, виходячи з чого обрано контролер LP-8781, набивка яких модулями складає:

У САУ ШБМ випробувано та застосовано модуль швидкого збору даних I-8014, замість I-8017HW.

I-8017HW загалом створює велике навантаження на центральний процесор (ЦП), не дозволяє отримати дані частіш за 10000 вимірів за секунду та вимагає жорсткого реального часу операційної системи (ОС), а також таймеру високої роздільної здатності та стабільності у ПЛК. Однак процедуру збору даних із цього модуля у OpenSCADA оптимізовано, а швидке перетворення Фур'є адаптовано для "рваного" потоку даних, що в цілому покращило якість результату вимірювання рівня вугілля у млині для САУ ШБМ 7 та 9.

I-8014 містить значний буфер вимірювань FIFO і теоретично має дозволяти отримати 250000 вимірів за секунду (згідно специфікації виробника) не навантажуючи ЦП. В житті це виявилося неможливим, для безперервного потоку даних, оскільки функція прочитати дані із FIFO сама по собі тривала і створює велике навантаження на ЦП. Тобто максимальну частоту вимірювання, яку вдалося отримати, це 100000 вимірів за секунду, що однак краще за результати модуля I-8017HW і значним чином знімається вимога до реального часу ОС та ПЛК.

Прошивку програмного оточення створено у відповідності з інструкцією тут.

2.2. АРМ

У якості автоматизованих робочих місць (АРМ) використано один із АРМ попереднього проекту (САУ ШБМ 7,9) і встановлено нове АРМ на основі моноблокового ПК "Acer Aspire Z1–601" (рис.5). Таку модель АРМ було обрано через низьке енергоспоживання при доволі великій та достатній потужності (вентилятори відсутні взагалі). Для повного виключення рухомих частин, ще більшого зниження енергоспоживання та як наслідок підвищення надійності було встановлено тверодотільний носій (SSD) ємністю 60GB, чого має вистачити більш ніж на 20 років, для проекту такої ємності, на архіви значень великої якості (періодичність одна секунда).

Рис. 5. АРМ на основі моноблокового ПК "Acer Aspire Z1-601".

Автоматизовані робочі місця (АРМ) оператору виконано на основі моноблокового та офісного ПК наступної конфігурації:

Системний блок АРМ 2 встановлено до тумби столу оператора. На столі оператора встановлено моноблок АРМ 1, дисплей АРМ 2 та маніпулятори миші. Тумба з системним блоком АРМ 2 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 системного блоку та збої (особливо коли їх там було два). Для вирішення цієї проблеми було оптимізовано рух повітря у тумбі, а також знижено частоту процесору АРМ 2 з 2500 до 1600 МГц, і відповідно здійснено заміну на безвентиляторний та взагалі малоспоживаючий моноблоковий ПК на АРМ 1, із реалізацією цієї САУ.

На АРМи встановлено системне ПЗ Debian 8 та SCADA-система OpenSCADA 0.9-Work.

Виконано наступні заходи по загальносистемній конфігурації, яку зібрано у архіві та передано замовнику разом із диском проекту САУ "ШБМ":

• Налаштовано синхронізацію часу контролерів PLC 7, PLC 8, PLC 9 та ARM 2 за АРМ 1.
• Створено обліковий запис оператору "op" з паролем по замовченню.
• Налаштовано автоматичне завантаження робочого інтерфейсу від ім'я оператора та запуск системи OpenSCADA з проектом САУ кульових млинів.
• Оточення робочого простору TDE налаштовано для виключення зайвих функцій при роботі з діалоговими вікнами та виключення можливості закриття інтерфейсу оператора маніпулятором миша.

2.3. ДБЖ

Для забезпечення безперебійного живлення ПЛК і АРМів, застосовано джерела безперебійного живлення (ДБЖ) PowerCom SKP 1000, для САУ ШБМ 8, та Mustek PowerMust 1000, для САУ ШБМ 7,9 (рис.6).

Рис. 6. ДБЖ PowerCom SKP 1000 та Mustek PowerMust 1000.

Характеристики використаних ДБЖ:

Для підключення ДБЖ САУ ШБМ 7,9 використано RS-232 (COM2) інтерфейс контролеру, за посередництвом якого зв'язок здійснює NUT із ділянкою конфігурації у файлі "/etc/nut/ups.conf":
[mustek] driver = megatec port = /dev/ttySA1 desc = "PowerMust 1000"

Для підключення ДБЖ САУ ШБМ 8 використано USB інтерфейс контролеру, за посередництвом якого зв'язок здійснює NUT із ділянкою конфігурації у файлі "/etc/nut/ups.conf":
[powercom] driver = blazer_ser port = /dev/powercom desc = "Powercom SKP-1000"

Створення виключного файлу пристрою "/dev/powercom" та перевантаження драйверу NUT у випадку перепідключень здійснюється рядком у файлі UDEV "/etc/udev/rules.d/90-nut-usbups.rules":
KERNEL=="ttyUSB[0-9]*", ATTRS{idVendor}=="0d9f", ATTRS{idProduct}=="0002", SYMLINK+="powercom", RUN+="/sbin/service upsdrv restart"

2.4. ПЧ

Для довільного керування продуктивністю ПСВ використано перетворювач частоти (ПЧ) фірми ShniderElectric ATV312HU40N4 (рис.7) який має потужність 4кВт та живиться від мережі змінного струму 380В. ПЧ підключено до двигуна потужністю 3 кВт, який і призводить ПСВ до руху.

Рис. 7. ПЧ ATV312HU40N4.

Керування ПЧ здійснюється із ПЛК за посередництвом фізичних сигналів, для САУ ШБМ 7,9, інтерфейсу RS-485 та протоколу ModBus/RTU, для САУ ШБМ 8. Параметри зв'язку із ПЧ у OpenSCADA модулі транспортного інтерфейсу "Serial" становлять наступні значення:

• Швидкість: 19200,
• Конфігурація: 8E1,
• Тайм-аути: 100:5,
• Обмеження кількості регістрів у пакеті ModBus: 30.

Для налагодження, опрацювання, виявлення та повідомлення про помилки було здійснено спробу відтворено наступних помилок:

• OLF — Перевантаження двигуна. Формується при досягненні параметром SUP-/tHr (термальний стан двигуна) 118%. Можливість квітації помилки настає коли SUP-/tHr знижується до 53%. SUP-/tHr залежить від SUP-/ItH (термальний струм двигуна).
• OPF — Втрата фази двигуна. Формується при відключенні/втраті однієї фази двигуна, ПЧ зупиняє двигун (затримка 1с.). Двигун може бути запущений після повернення фази та скидання помилки.
• SLF — Помилка зв'язку за ModBus. Формується після відсутність обміну даними з контролером при дистанційному управлінні.
• OHF — Перегрів ПЧ. Формується у випадку досягнення параметром SUP-/tHd (термальний стан ПЧ) 118%. Не вдалося відтворити.
  
• PHF — Втрата фази лінії живлення. Формується у випадку відключення/втрати однієї фази живлення. Не вдалося відтворити.

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. Блокові 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, або реальну апаратну границю;
• 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 блокові схеми, для кожного млина. Перша блокова схема містить контури аналогових регуляторів та працює з періодом 500мс. Друга блокова схема містить контури імпульсних регуляторів та працює з періодом 100мс.

4. Інтерфейс користувача

Інформація про технологічний процес відображається на відеокадрах, які формуються програмою відображення на екрані дисплею, який входить до складу кожного АРМ. Інформація яка відображається має визначену область виводу у межах відеокадру у залежності від її призначення. На рисунку 8 цифрами вказано області виводу відеокадру:

Рис. 8. Структура відеокадру

Об'єкт управління поділяється функціонально та технологічно на блоки, які називаються об'єктами сигналізації. Кожному з об'єктів сигналізації ставиться у відповідність набір відеокадрів, об'єднаних у групи. Панель об'єктів сигналізації представляє собою набір екранних кнопок для вибору об'єктів та закріплених за ними груп відеокадрів.

Панель об'єктів сигналізації включає наступні кнопки:

• "Загальний" — група загального контролю за основним технологічним обладнанням.
• "ШБМ 7А" — група відеокадрів для контролю ШБМ 7А.
• "ШБМ 7Б" — група відеокадрів для контролю ШБМ 7Б.
• "ШБМ 8А" — група відеокадрів для контролю ШБМ 8А.
• "ШБМ 8Б" — група відеокадрів для контролю ШБМ 8Б.
• "ШБМ 9А" — група відеокадрів для контролю ШБМ 9А.
• "ШБМ 9Б" — група відеокадрів для контролю ШБМ 9Б.
• "Непер. Продувка" — група відеокадрів для контролю безперервною продувкою котлів.
• "Діагностика" — група відеокадрів діагностики обладнання автоматизації.

До кожного об'єкту сигналізації може бути прив'язано наступні типи відеокадрів:

• мнемосхеми;
• групи графіків;
• групи оглядових кадрів;
• групи контурів параметрів;
• документи.

Окремо до всього інтерфейсу можуть бути прив'язано зведені графіки.

4.1. Мнемосхеми

Вікно мнемосхеми викликається за натиском відповідної кнопки типу відображення та призначено для:

• графічного (мнемонічного) відображення фрагменту об'єкту управління;
• відображення поточного стану параметру у графічному вигляді;
• відображення поточного стану параметру у текстовому вигляді;
• виклику вікна управління параметром на панель управління.

САУ в цілому представлено мнемокадрами, один на об'єкт сигналізації: "Загальний" (рис. 10), "ШБМ 7А", "ШБМ 7Б", "ШБМ 8А" (рис. 9), "ШБМ 8Б", "ШБМ 9А", "ШБМ 9Б", "Непер. продувка" (рис. 11), "Діагностика" (рис. 12). Також для проекту створено два власних діалогу калібрування рівня (рис. 13) та налаштування алгоритмів оптимізації (рис.14).

Рис. 9. Мнемосхема "Млин 8А".

Рис. 10. Мнемосхема "Загальний".

Рис. 11. Мнемосхема "Неперервна продувка".

Рис. 12. Мнемосхема "Діагностика".

Рис. 13. Діалог "Калібрування рівня".

Рис. 14. Діалог "Налаштування алгоритмів оптимізації".

4.2. Група графіків значень параметрів

Вікно групи графіків викликається за натиском відповідної кнопки типу відображення та призначено для перегляду значень до десяти параметрів за визначений час у графічному вигляді.

Передбачено двадцять груп графіків технологічних параметрів у наступній конфігурації за об'єктами сигналізації:

• ШБМ 7А: "Млин 7А", "Млин 7А: ПЧ, ПСВ"
• ШБМ 7Б: "Млин 7Б", "Млин 7Б: ПЧ, ПСВ"
• ШБМ 8А: "Млин 8А" (рис.15), "Млин 8А: ПЧ, ПСВ" (рис.16), "Бункер пилу котла №8" (рис.17)
• ШБМ 8Б: "Млин 8Б", "Млин 8Б: ПЧ, ПСВ", "Бункер пилу котла №8"
• ШБМ 9А: "Млин 9А", "Млин 9А: ПЧ, ПСВ"
• ШБМ 9Б: "Млин 9Б", "Млин 9Б: ПЧ, ПСВ"
• Непер. продувка: "Витрати продувки" (рис.18), "Продувні клапани" (рис.19)
• Діагностика: "АРМ" (рис.20), "ПЛК: Млини 7", "ПЛК: Млини 8" (рис.21), "ПЛК: Млини 9"

Рис. 15. Група графіків "Млин 8А".

Рис. 16. Група графіків "Млин 8А: ПЧ, ПСУ".

Рис. 17. Група графіків "Бункер пилу котла №8".

Рис. 18. Група графіків "Витрати продувки".

Рис. 19. Група графіків "Продувні клапани".

Рис. 20. Група графіків "Діагностика АРМ".

Рис. 21. Група графіків "Діагностика ПЛК: Млини 8".

4.3. Контури параметрів

Відеокадр "Групи контурів" викликається за натиском відповідної кнопки типу відображення та призначено для відображення декількох вікон управління (регуляторів-контурів, ключів деблоку, рушіїв та інше) у одному відеокадрі, що забезпечує зручність спостереження за параметрами та оперативного втручання.

Передбачено тільки одну групу контурів на кожен млин, як на рисунку 22 для млина 8А.

Рис. 22. Група контурів "Млин 8А".

4.4. Оглядовий кадр

Вікно оглядового кадру викликається за натиском відповідної кнопки типу відображення та призначено для:

• перегляду значень параметру за поточний час у графічному вигляді;
• відображення поточного стану параметру у текстовому вигляді;
• вибір параметру для управління (регулювання) на відповідній панелі.

Передбачено тільки один оглядовий кадр на кожен млин, як на рисунку 23 для млина 8А.

Рис. 23. Оглядовий кадр "Млин 8А".

4.5. Зведені графіки

Вікно кадру зведених графіків викликається за натиском відповідної кнопки типу відображення та призначено для концентрованого, в цілому, перегляду тенденції параметрів у вигляді графіків (до 80). Група зведених графіків не співставиться із конкретним об'єктом сигналізації, а належить інтерфейсу в цілому.

Передбачено тільки один кадр зведених графіків на весь інтерфейс (рис. 24).

Рис. 24. Кадр зведених графіків "Сторінка 1".

4.6. Документи

Вікно документів викликається за натиском відповідної кнопки типу відображення та містить документ із переліку доступних.

4.6.1. Журнал втручань

Журнал втручань (рис. 25) призначено для перегляду дій оператору, здійснюваних із даного АРМ (зміна станів ключів деблоку, режимів, коефіцієнтів налаштувань регуляторів та інше).

Рис. 25. Журнал втручань.

4.6.2. Протокол порушень

Протокол порушень (рис. 26) призначено для перегляду порушень за обраним об'єктом сигналізації (порушення параметром регламентних границь, недостовірність параметру, діагностика параметру та інше).

Рис. 26. Протокол порушень.

4.6.3. Рапорт машиністу

Рапорт машиністу (рис. 27) призначено для формування звіту виміряних параметрів за зміну з інтервалом у 1 годину.

Рис. 27. Рапорт машиністу.

5. Результати

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

На рисунках 28 та 29 зображено графіки управління млином за навантаженням, а на рисунках 30 та 31 за температурою пило-повітряної суміші після млинів.

Рис. 28. Управління млином за навантаженням.

Рис. 29. Управління млином за навантаженням, на панелі налагодження регулятору.

Рис. 30. Управління млином за температурою.

Рис. 31. 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