ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОСТРОЕНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ...................................7
1.1 Классификация методов автоматизации технологических процессов....7
1.1.1 Системы с открытым контуром управления.....................................9
1.1.2 Системы с закрытым контуром управления....................................10
1.1.3 ПИД-регулирование...........................................................................12
1.2 Анализ технологических процессов гидроагрегата.................................16
1.3 Разработка технического задания проектируемой системы...................24
1.3.1 Требования к диагностированию температурных параметров......25
1.3.2 Требования к диагностированию биений зеркальной поверхности
диска подпятника..........................................................................................27
1.3.3 Требования к диагностированию уровней масла в маслованнах
подпятника и направляющего подшипника...............................................28
1.4. Выводы по первой главе............................................................................29
ГЛАВА 2. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.............................................31
2.1 Разработка структурной схемы..................................................................31
2.2 Описание функций, реализуемых системой.............................................38
2.2.1 Алгоритм поиска неисправностей гидрогенератора......................41
2.2.2 Алгоритм поиска неисправностей гидротурбины..........................46
2.3 Выбор методов измерения параметров процессов...................................50
2.4 Выводы по второй главе.................................................................................62
ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ...........63
3.1 Выбор оборудования для систем регулирования.....................................63
3.1.1 Контроллер SIMATIC S7-400Н.........................................................63
3.1.2 Станция распределенного ввода-вывода ET200M..........................66
5
3.1.3 Панель оператора MP 277.................................................................69
3.2 Разработка принципиальной схемы системы...........................................72
3.3 Разработка инструкции оператора.............................................................77
3.3.1 Запуск системы...................................................................................78
3.3.2 Отображение контролируемых параметров....................................87
3.3.3 Система сообщений...........................................................................91
3.4 Выводы по третьей главе............................................................................92
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................94
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................................96
Приложение А.....................................................................................................101
Приложение Б......................................................................................................103
Приложение В......................................................................................................105
Приложение Г......................................................................................................106
Приложение Д......................................................................................................107
Приложение Е......................................................................................................108
6
Список сокращений
АРМ – автоматизированное рабочее место
АСПСиПТ - Автоматическая система пожарной сигнализации и
пожаротушения
АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическими
процессами
БД - База данных
ГРАМ – групповое регулирование активной мощности
ГРНРМ – групповое регулирование напряжения и реактивной
мощности
ГЭС – гидроэлектростанция
КТС - Комплекс технических средств
МПУ - Местный пункт управления
ОП - Оперативная память
ОС – операционная система
ПО – программное обеспечение
РСУ – распределенная система управления
САУ ГА – система автоматизированного управления гидроагрегатами
ТО - Техническое обслуживание
7
ВВЕДЕНИЕ
В условиях нестабильной ситуации в мировой экономике
энергетических ресурсов, снижения спроса и стоимости продукции ведущие
компании ищут способы снижения издержек и получения максимальной
прибыли.
Традиционными способами повышения эффективности производства
являются применение новых технологий, модернизация существующего
оборудования, что требует существенных затрат и окупается через
значительный промежуток времени. Другим менее затратным и быстро
окупающимся методом является повышение качества управления за счет
средств усовершенствованного управления процессом.
Актуальность темы исследования обусловлена возрастающем
интересом промышленных предприятий к централизованным системам
управления. Такая система позволяет осуществлять управление
технологическими процессами с минимальным участием человека.
Выбор темы исследования обусловлен необходимостью разработать
комплексную систему управления технологическими процессами
гидроагрегата №2 Угличской ГЭС филиала ОАО «РУСГИДРО».
Установленный более 40 лет назад гидроагрегат, постоянно выходит из
строя, т.к. не имеет единой системы управления и диагностики состояния,
которая позволила бы оперативно обнаруживать не допустимые режимы
работы, до возникновения повреждений систем.
Объектом исследования являются автоматизированные системы
управления.
Предметом исследования является система управления
технологическими процессами гидроагрегата №2 Угличской ГЭС филиала
ОАО «РУСГИДРО».
Теоретическая значимость исследования заключается в применении
современных методов и оборудования. Полученные решения
8
продемонстрируют возможности современных средств автоматизации
технологических процессов.
Практическая значимость работы обусловлена возможностью
применения полученных решений для автоматизации сходных агрегатов.
Целью работы является разработка проекта комплексной
автоматизации технологических процессов гидроагрегата №2 Угличской
ГЭС филиала ОАО «РУСГИДРО». Для достижения цели работы необходимо
решить ряд задач:
1. Провести анализ способов автоматизации технологических
процессов гидроагрегатов;
2. Изучить технологические процессы гидроагрегата и сформулировать
требования к системе;
3. Разработать технические решения, структурную и функциональную
схемы;
4. Провести подбор оборудования для автоматизации;
5. Разработать инструкцию для обслуживающего персонала.
Проблема исследования рассматривалась в трудах следующих авторов:
Пантелеев В.Н. Основы автоматизации производства: Учебник для
учреждений начального профессионального образования.
Схиртладзе А.Г. Автоматизация производственных процессов в
машиностроении: Учебник.
Кангин В.В. Промышленные контроллеры в системах автоматизации
технологических процессов: Учебное пособие.
9
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОСТРОЕНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
1.1 Классификация методов автоматизации технологических
процессов
В технологических процессах важную роль играет поддержание
параметров в определенных пределах. Точность поддержания влияет на
качество технологического процесса и выпускаемого продукта. В настоящее
время разработано множество методов, позволяющих очень точно
реагировать на внешние воздействия, для поддержания оптимальных
параметров технологического процесса. [6]
Рассмотрим основные компоненты систем автоматизации.
Интегрированная система управления (АСУТП) – система управления,
функционально и информационно объединяющая все системы управления,
контролирующие объекты. [6]
Автоматизированная система управления технологическими
процессами (АСУТП) – система управления, предназначенная для
нормального и противоаварийного управления комплексом технологических
сооружений и включающая в себя независимые системы РСУ и АСПСиПТ и
системы телемеханики соответствующих промысловых сооружений или
линейных сооружений трубопроводов. [6]
Автоматическая система пожарной сигнализации и пожаротушения
(АСПСиПТ) – специализированная сертифицированная система,
предназначенная для своевременного обнаружения пожарной опасности и
светового и звукового оповещения персонала ЦПС о возникшем пожаре, а
также для автоматического управления соответствующими установками
пожаротушения для ликвидации очагов пожара путём выпуска необходимого
количества огнетушащего вещества (инертного газа, воды, пены). [7]
10
Интеллектуальные КИПиА – датчики и исполнительные механизмы,
имеющие в своем составе микропроцессорное устройство, обеспечивающее
расширенные средства конфигурирования, диагностики, приема и передачи
данных. Использование в системе управления интеллектуальных КИПиА
позволяет реализовать систему мониторинга оборудования КИПиА с целью
повышения надежности и безопасности системы в целом. [6]
Местный пункт управления (МПУ) – помещение системы управления,
располагаемое вблизи группы технологических установок, в котором
размещаются шкафы/панели контроллеров и вторичные приборы КИПиА.
Программируемый логический контроллер (ПЛК) / управляющий
контроллер – микропроцессорное логическое решающее устройство,
непосредственно выполняющее функции сбора, передачи и обработки
данных, управления и регулирования путём формирования выходных
сигналов. [6]
При рассмотрении технологического процесса, выделяют отдельные
объекты, например, емкость для воды. Согласно технологическим расчетам,
определяют ее оптимальное заполнение. При этом, уровень жидкости в
емкости будет регулируемым параметром, а клапан, который открывает
поток жидкости в емкость будет управляющем воздействием. Поток
жидкости, вытекающий из емкости, будет не постоянным и его изменения
будут внешним воздействием на объект.
Системы управления делятся на неавтоматизированные и
автоматизированные. Автоматизированные системы, в которых человек дает
команду только на начало и конец работы, все остальные операции по
заданному режиму обеспечивает система управления. Замкнутые системы
или системы с обратной связью, работающие по отклонению, применяются
наиболее широко, сигнал х
ос
, пропорциональный выходному сигналу х
вых
,
сравнивается с сигналом задания х
з
, а результирующий сигнал х с выхода
11
сумматора является входным управляющим сигналом. Этот сигнал называют
рассогласованием. [13]
1.1.1 Системы с открытым контуром управления
Назначением любой системы автоматического управления является
регулирование выходного параметра и сохранение его значения в заданных
пределах. Если вход системы изменяется по какой причине, выход системы
должны соответствующим образом реагировать и изменить значение так,
чтобы отразить новое значение входного сигнала.
Точно так же, если что-то изменит выходной сигнал системы без
каких-либо изменений входного сигнала, реакция системы должна вернуть
параметр к заданному значению. В прошлом, электрические системы
управления были в основном с ручным управлением или, что называется,
открытым контуром управления. Оператор следил за поддерживаемым
параметром и вручную корректировал процесс. [16]
Например, электрическая сушилка для одежды. В зависимости от
количества одежды или ее влажности, пользователь или оператор должен
установить таймер, например, на 30 минут, и в конце 30 минут сушилку
автоматически останавливать и выключать, даже если одежда по-прежнему
мокрая или влажная. [16]
В этом случае управляющее воздействие ручное, основанное на оценке
влажности одежды оператором. [16]
Таким образом, в этом примере, сушилка одежды будет разомкнутой
системой, поскольку не контролируется или измеряется состояние выходного
сигнала, которым является сухость одежды. Тогда точность процесса сушки,
или успех сушки одежды будет зависеть от опыта пользователя (оператора).
Разомкнутые системы, также известные как системы без обратной
связи, представляет собой тип непрерывной системы управления, в которой
выходной не оказывает никакого влияния на управляющее воздействие
12
входного сигнала. Таким образом, система с открытым контуром, как
ожидается, добросовестно следить за его входной командой, независимо от
конечного результата. [16]
Кроме того, система с открытым контуром не имеет никакой
информации о состоянии выходного сигнала, из-за этого, не может
самостоятельно исправить любые ошибки, даже если это приводит к
большим отклонениям от заданного значения.
Еще один недостаток систем с открытым контуром, они плохо
применимы для работы в изменяющихся внешних условиях, которые могут
снизить способность завершить нужную задачу. Например, дверь
открывается и происходит потеря тепла сушилки. Система продолжает
работать до полного истечения 30 минут, но одежда не нагревается и не
сушатся. [16]
Сформулируем основные черты "разомкнутой системы":
1. Нет никакого сравнения между фактическими и требуемыми
значениями.
2. Система с открытым контуром не имеет саморегулирования или
управляющего воздействие над выходным значением.
3. Изменения или нарушения внешних условий не приводит к
непосредственному изменению выходного сигнала. (пока параметр не
изменится вручную)
Любая система с открытым контуром может быть представлена в виде
нескольких блоков. Блок-схема разомкнутой системы показывает, что путь
сигнала от входа до выхода представляет собой линейный путь без обратной
связи. [15]
Такие системы редко применяются для промышленных систем из-за
присущих им недостатков.
13
1.1.2 Системы с закрытым контуром управления
Один из способов, в котором мы можем точно контролировать процесс,
является контроль за его выходом и передача некоторой части выходного
сигнала обратно, чтобы сравнить фактический вывод с желаемым выходом и
таким образом, уменьшить ошибку. Такой сигнал называется "сигнал
обратной связи" и тип системы управления, которая использует сигналы
обратной связи для управления, называется система с закрытым контуром
управления, рисунок 1. [19]
Рисунок 1 - Система с обратной связью.
Закрытый контур системы управления, также известный как системы
управления с обратной связью, использует концепцию открытой системы,
его прямой путь, но имеет одну или несколько петель обратной связи.
Системы с закрытым контуром управления предназначены для
автоматического достижения и поддержания желаемого выходного
состояния, путем сравнивая его с фактическим состоянием. Это достигается
путем выработки сигнала ошибки, который является разностью между
выходным и входным сигналом. [19]
Как видно, в системе управления с обратной связью, сигнал ошибки,
который представляет собой разницу между входным сигналом и сигналом
обратной связи (который может быть выходным сигналом или функцией
14