Тепловий пункт

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВА РОБОТА

ТЕПЛОВИЙ ПУНКТ



Зміст

Вступ

1. Опис технологічного об'єкта управління (ТОУ)

2. Постановка задачі автоматизації ТОУ

3. Опис програмно-технічного комплексу (ПТК)

4. Розрахункова частина

4.1 Розрахунок метрологічних характеристик вимірювальних каналів САР

4.2 Розрахунок виконавчих каналів

4.3 Розрахунок надійності функціонування САР

4.4 Розрахунок динаміки САР

5. Реалізація HMI/SCADA системи

Висновки



Вступ

Індивідуальний тепловий пункт - це автоматизована модульна установка, що передає теплову енергію від зовнішніх теплових мереж (котельної) до системи опалення, гарячого водопостачання, вентиляції або технологічних процесів житлових та промислових будівель.

Застосування:

- в новому будівництві

- при реконструкції

- капітальному ремонті

- термомодернізації будинків для оснащення вузлів вводу теплових мереж.

Функції:

- приготування гарячої води для ГВП

- регулювання відпуску тепла в системи опалення, вентиляції та на технологічні потреби

- підтримка нормованих значень тиску теплоносія як у внутрішніх системах, так і в системі теплопостачання.



1. Опис технологічного об'єкта управління (ТОУ)

В проекті розроблена АСУ температури гарячої води в системі гарячого водопостачання в індивідуальному теплопункті. Підігрів води здійснюється в теплообмінному апараті водо-водяного типу. В залежності від погодного режиму, вимагається підтримувати температуру гарячої води, що йде до споживача, в межах від 25 до 90 градусів по Цельсію.

Регулювання температури здійснюється підмішуванням до прямого (гарячого) потоку мережевого теплоносія оберненого (холодного) з використанням заслінки. Також в системі передбачена можливість перекривання потоку мережевого теплоносія (як прямого, так і оберненого) з метою усунення неполадок в системі.

Рис 1.1. Схема індивідуального теплопункту



2. Постановка задачі автоматизації ТОУ

Метою автоматизації АСУ температури гарячої води є забезпечення якісного регулювання витрати гарячої води від теплової мережі.

Система автоматичного керування температури гарячої води повинна виконувати наступні функції:

Інформаційні функції:

Вимірювання температури води, яка йде до споживача;

Керуючі функції:

Неперервне регулювання витрати гарячої води, яка йде від теплової мережі;

Захисні функції:

Сигналізація перевищення і пониження допустимої температури;

Вимоги до інформаційних функцій:

Похибка вимірювання температури води не повинна перевищувати

;

Середнє напрацювання на відмову ;

Вимоги до керуючих функцій:

Середнє напрацювання на відмову ;

Середній час відновлення функції ;



3. Опис програмно-технічного комплексу (ПТК)

Рис.3.1. Схема ПТК

На рисунку представлена схема програмно - технічного комплексу засобів автоматизації. Нижній рівень АСУ являє собою контролери з вимірювальною та виконавчою апаратурою, а верхій - супервізорний.

Елементною базою нижнього рівня є Мікрол МИК-1. Контролер для регулювання витрати гарячої води.

Контролер використовує аналоговий вхід (4-20мА), на який поступає сигнал від термоперетворювача ТСМ 50М.

Контролер використовує аналоговий вихід (0…10В) для керування виконавчим механізмом ОВЕН ПЧВ1.

Верхній рівень АСУТП складають ПК із встановленими на них SCADA - системами InTouch. ПК являє собою робочу станцію супервізорного рівня (РСТ), на якій виконується HMI/SCADA програма . Також в РСТ стоять мережеві карти, що підтримують інтерфейс шини FieldBus. Робочі станції можуть з'єднуватися між собою через інформаційну магістраль InfoBus.

Стандартним комунікаційним протоколом між Windows і контролером є протокол ОРС. ОРС-комунікаційний сервер опитує контролери через польову шину ModBus/RS485 і передає дані в SCADA через протокол ОРС. Проте InTouch не підтримує протокол ОРС на рівні ядра, він підтримує протоколи SuiteLink (фірмовий протокол Wonderware). В даному випадку використовується проміжний софт FSGateway, який взаємно конвертує протоколи OPC та SuiteLink. Така конвертація дозволяє позбутися недоліків відносно повільного протоколу OPC.

HMI/SCADA-система повинна реалізовувати наступні функції: обмін даними з контролерами, архівування даних, візуалізація технологічного процесу у вигляді мнемосхем, ведення історичних алармів і алармів реального часу, побудова історичних трендів і трендів реального часу.



4. Розрахункова частина

4.1 Розрахунок метрологічних характеристик вимірювальних каналів САР

4.1.1 Вимоги до метрологічного забезпечення АСР

В замкнених АСР точність регулювання визначається тільки похибкою задавача, так як стабілізація параметра на заданому значенні впродовж тривалого часу еквівалентна багатократному вимірюванню. Точність вимірювання впливає тільки на точність перехідних процесів. Тому до вимірювальних каналів регулятору не пред'являються дуже високі вимоги по точності. Похибка інформаційних вимірювальних каналів навпаки повинна бути зведена до мінімуму.

Задаємося допустимою абсолютною похибкою вимірювального каналу по температурі ;

Розрахунок відносної і абсолютної похибки вимірювальних каналів АСР

Для кожного елементу вимірювального каналу визначимо основні приведені похибки вимірювання та діапазони вимірювання і занесемо ці дані до таблиці 1.

Таблиця 1

Вимірювальний канал	Елемент	Основна приведена похибка вимірювання, %	Діапазон вимірювання
1.	Термоперетворювач опору ТСМ 50М	±0,25	-50...+180 0С
	Аналоговий вхід (4…20мА) Мікрол МИК-51	±0,4	-50…180 0С

Розраховуємо абсолютну похибку кожного елементу, який входить до вимірювальних каналів, за формулою:

, (3.1)

де - клас точності елементу; X_max - максимальна вимірювана величина; X_min - мінімальне значення вимірюваної величини.

⁰С;

⁰С;

Розрахуємо абсолютну похибку ВК.

Абсолютна похибка ВК визначається за формулою (2):

(2)

де _і - абсолютна похибка і-го елемента ВК.

Канал регулювання:

⁰С;

Дійсне номінальне значення температури для каналу регулювання : X_дій =50 ± 1, 085⁰С.

Висновки.

Враховуючи те, що максимальна абсолютна похибка для ВК лежить у межах:

Д_ВК= 1,085 ⁰С < Д_max=2 ⁰С, можна стверджувати, що отримана точність вимірювання по ВК регулювання задовольняє вимогам щодо точності вимірювання. Таким чином комплектація ВК задовільна. Прилади, встановлені в каналі, задовольняють умовам точності і придатні для вимірювання технологічних параметрів.



4.2 Розрахунок виконавчих каналів

Вибір типорозміру регулюючого органу за його умовною пропускною здатністю

У даному розрахунку виконується вибір типорозміру регулюючого органу на основі розрахованої пропускної здатності.

(4.19)

Де - пропускна здатність РО;

- максимальна витрата через РО;

- мінімальний перепад тиску на повністю відкритому РО. Задамося параметрами, необхідними для розрахунку пропускної здатності :

для каналу регулювання тиску :

Підставимо ці величини у формулу (4.19) і отримаємо:

.

Вибираємо такий Р.О., щоб розрахункове значення K_vy було менше табличного з запасом.

K_vyтабл (1,2…1,5)K_vy.

Таким чином по таблиці визначаємо що діаметр трубопроводу D_y= 100 мм, тип Р.О. для регулювання витрати - поворотна заслінка;

Вибір типу і моделі виконавчого механізму

Враховуючи параметри регулюючого органу та вимоги до швидкісних параметрів АСР у якості виконавчого механізму обираємо перетворювач частоти ОВЕН . Модель обраного ВМ: ПЧВ1 , вихідна частота, Гц 0…200 Гц(VC)

4.3 Розрахунок надійності функціонування САР

Вимоги до надійності реалізації функцій АСР

Розрахунок надійності АСР полягає в розрахунку надійності реалізації інформаційної, керуючої та захисної функції. Задачею розрахунку є порівняння розрахованого показника надійності із заданим. Якщо розрахований показник надійності менший від заданого, треба зарезервувати найменш надійні елементи АСР.

Показником надійності інформаційної функції являється середнє напрацювання на відмову Т_сер, або ймовірність безвідмовної роботи Р_б. Така умова являється достатньо жорсткою, так як при відмові інформаційної функції інформація безповоротно втрачається та при відновленні працездатності функції не може бути відновлена.

Менш жорсткі вимоги пред'являються до керуючої функції, тому її надійність характеризується Т_сер, середнім часом відновлення Т_в та ймовірністю безвідмовної роботи за час з урахуванням відновлення відмовляючої функції Р_с(ф).

Вимоги до захисної функції більш жорсткі ніж до інформаційної та керуючої. При цьому працездатність захисної функції повинна бути забезпечена в момент аварії, а в проміжках між аваріями її відмови не впливають на працездатність АСР в цілому. Захисна функція характеризується Т_сер, коефіцієнтом готовності К_гот, або ймовірністю безвідмовної роботи при виконанні очікуваної задачі Р_оч.

Рівень надійності виконання функцій АСР повинен відповідати наступним вимогам:

- Середнє напрацювання на відмову для усіх функцій ;

- Середній час відновлення для керуючої функції ;

- Коефіцієнт готовності для захисної функції .

Структурні схеми надійності

Структурні схеми надійності:

1) для інформаційної функції:

Размещено на http://www.allbest.ru/

2) для регулюючої функції:

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДКМ - Деталі кріпильного монтажу

Розрахунок надійності реалізації функцій АСР

Кожний елемент структурної схеми надійності характеризується інтенсивністю відмов або середнім часом напрацювання на відмову

Таблиця 2

Елемент	л·10-6, 1/год	Тсер, год
Термоперетворювач ТСМ 50М	4	250000
Деталі кріпильного монтажу	0,012	83333333
Мікрол МИК-1	500	2000
Виконавчий механізм ПЧВ1	228,3	4380
РО	63,5	15750
ПК	4	250000

До інформаційної функції висуваються порівняно жорсткі вимоги. Тому надійность виконання цієї функції характеризуються параметром Тср. Параметр Тср розраховується за формулою (3.3).

(3.3)

_і-інтенсивність потоку відмов і-го елемента ССН даної функції;

n-кількість елементів у ССН.

Імовірність безвідмовної роботи за час розраховується за формулою (3.4).

(3.4)

Менш жорстокі вимоги висуваються до регулюючої функції. Тому її надійність характеризується Т_ср та Т_в. Для керуючої функції розраховується імовірність безвідмовної роботи за час з урахуванням відновлення за формулою (3.5).

(3.5)

Ймовірність відновлення працездатності:

(3.6)

Т_доп-допустимий час функціонування об'єкта при невиконанні цієї функції АСУ ТП.

Найбільш жорстокі вимоги висуваються до захисних функцій. Надійність виконання захисної функції характеризується коефіцієнтом готовності, який розраховується за формулою (3.7).

(3.7)

Для захисної функції розраховується імовірність безвідмовної роботи при виконанні очікуваної задачі Р_оч() за формулою (3.8).

(3.8)

Розрахуємо загальну інтенсивність відмов, середній час напрацювання на відмову та ймовірність безвідмовної роботи для кожної функції АСР за формулою (4.4), (4.5) та (4.6).

(4.4)

де n - кількість елементів у структурній схемі надійності; _i - інтенсивність відмов для i-го елементу схеми; - загальна інтенсивність відмов.

Звідси для інформаційної функції:

Для керуючої функції:

.

За наступною формулою розрахуємо Т_сер :

(4.5)

Звідси для інформаційної функції:

Для керуючої функції:

.

(4.6)

де P - ймовірність безвідмовної роботи за час ; - загальна інтенсивність відмов. Задаємо = 720 год.

Звідси для інформаційної функції:

Для керуючої функції:

Для регулюючої функції розрахуємо ймовірність безвідмовної роботи за 720 годин з урахуванням відновлення відмовляючої функції. Для цього спочатку розраховуємо ймовірність відновлення працездатності, задавши середній час встановлення працездатності та припустимий час функціонування об'єкту при невиконанні керуючої функції: :

;

Pc(t) = 0,5622 + (1 - 0,5622)*0,8647 = 0,941

Для захисної функції обрахуємо коефіцієнт готовності:

.

Імовірність безвідмовної роботи при виконанні очікуваної задачі Р_оч():

За результатами розрахунку:

- для інформаційної функції маємо Т_ср=год, Р(ф)=;

-для керуючої функції маємо Т_ср=год, Р(ф)= 0,5622,

Р_с(ф)= 0,941;

Бачимо, що показники надійності задовольняють вимогам. Більш того, має місце запас надійності реалізації функції.

З розрахунків нерівність P_c()>P().

Це значить, що керуюча функція є більш надійною ніж інформаційна, що відповідає формальним вимогам надійності.

4.4 Розрахунок динаміки САР

В даній роботі розглядається система управління температурою гарячої води шляхом підмішування до прямого потоку теплоносія оберненого з використанням заслінки. програмний технічний комплекс автоматизація

В роботі розглядається об'єкт управління з самовирівнюванням. Апроксимація даного об'єкта проводиться послідовним з'єднанням ланки транспортного запізнення та аперіодичної ланки першого порядку з передаточними функціями W_T (s) та W_а (s).

де ₀ - транспортне запізнювання (сек); Т - постійна часу аперіодичної ланки (сек); К - коефіцієнт передачі аперіодичної ланки.

Послідовному з'єднанню ланок відповідає перемноження передавальних функцій, тоді передавальна функція об'єкта має вигляд представлений в формулі:

, де s- оператор Лапласа.

Опираючись на попередні досліди візьмемо відповідні параметри об'єкта:

;

.

Тоді передаточна функція матиме вигляд: .

Отримаємо перехідну характеристику змодельованої в середовищі Matlab системи.

Рис.4.1. Перехідна характеристика об'єкта керування

Розрахунок регулятора здійснюється за інженерною методикою, в результаті якої у замкненій САР буде перехідний процес аперіодичним. Формули для настройок регулятора наступні:

Замкнена АСР має вигляд:



Рис.4.2 . Модель САР по каналу.

Рис.4.3. Перехідна характеристика замкнутої САР по каналу «завдання - вихід».

Рис.4.4. Перехідна характеристика замкнутої САР по каналу «збурення - вихід».

	завдання - вихід	збурення - вихід
Статично похибка	0	0
Динамічна похибка	1,27	0,36
Ступінь затухання	1	1
Час регулювання , с	67,5	77
Перерегулювання , %	27	0

Отже, отримані після розрахунку параметри налаштування регулятора задовольняють поставленим вимогам. Час регулювання не перевищує 300с, а перерегулювання не перевищує 20%.



5. Реалізація HMI/SCADA системи

Реалізація супервізорного управління SCADA - система є основою верхнього (супервізорного) рівня системи керування. HMI/SCADA-система, що розроблена в даній роботі реалізує наступні функції:

відображає мнемосхему технологічного процесу, значення технологічних параметрів;

виконує архівацію всіх технологічних параметрів;

реєструє спрацювання технологічної сигналізації;

відображає у вигляді графіків технологічні параметри із архіву і параметри в реальному часі;

Для реалізації даних функцій було реалізовано наступні вікна:

1. Home;

2. Menu;

3.Instruction.

У вікні Home здійснюється вхід оператора в систему. Без авторизації у вікні Home всі кнопки переходу у вікні Меню неактивні. Для роботи в SCADA-системі оператор має авторизуватися, тобто ввести логін, та пароль. У разі правильного вводу кнопки переходу на інші вікна стануть активними.



Рис.5.1. Вікно “Home”.

Рис.5.2. Вікно “Menu”.

У вікні Menu розташовані кнопки: Mnemo, TrendRT, TrendHist, AlarmRT, AlarmHist та Instruction, які відкривають однойменні вікна, що реалізуются як Arcestra символи. Також є кнопка для переходу на вікно Home.

Рис.5.3. Вікно “ Mnemo ”

На мнемосхемі спрощено зображено загальний вигляд теплопункту, який подає тепло в будинок, а також показано процеси гарячого та холодного водопостачання.

Також відбувається відображення поточних параметрів технологічного процесу у вікні Exchange, дані генеруются завдяки Matrikon OPC.

У вікні трендів реального часу відображаються тренди основних технологічних параметрів.

Рис.5.5. Вікно “Trends R_T”.

Історичні тренди записуються у внутрішню базу даних InTouch. На відміну від трендів реального часу історичні тренди не оновлюються тому для них необхідно робити оновлення (Refresh). За допомогою історичних трендів ми можемо проглянути графік зміни параметрів у будь-який момент часу.

Рис.5.6. Вікно “Trends Hist”.

У вікні Alarm_RT можна побачити тривоги в реальному часі. Тривоги спрацьовують в тому випадку, коли параметр виходить за допустимі межі. Задаються верхні і нижні межі виходу параметру, а також критичні нижні і критичні верхні межі.

Рис.5.7. Вікно “Alarms_RT”.

Для збереження даних із історичних «алармів» необхідно з'єднатися з СУБД (SQL Server).

Рис.5.8. Вікно “Alarms_Hist”.

Рис.5.9. Вікно “Instruction”.



Висновки

Дана робота була спрямована на покращення якості та удосконалення автоматичного регулювання процесу регулювання температури води в будинок.

Для системи регулювання, нижній рівень реалізований, на базі ПЛК Мікрол МИК-1, а також верхній ( супервізорний ) рівень, у вигляді робочої станції з встановленою SCADA-системою.

Розроблені системи регулювання відповідають технічному завданню. Про це освідчилось у розрахунках вимірювальних каналів, при розрахунку надійності виконання функцій САР, а також при розрахунках динаміки САР. Розроблені системи регулювання відповідають поставленим вимогам щодо функціональності, надійності та точності вимірювань і вимогам до динаміки.

Таким чином для регулювання температури води було обрано ПІ-закон регулювання. Показники якості задовольняють нас, перехідні процеси змодельовані в Matlab. Верхній рівень системи керування дає змогу повністю контролювати технологічний процес, архівувати дані про хід процесів, вести «аларми», а також змогу слідкування за перебігом процесів в реальному часі.

Размещено на Allbest.ru

...