Учебно-демонстрационный программный комплекс "Автоматизированная система управления барабанным энергетическим котельным агрегатом"

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Общие положения

1.1 Полное наименование системы и ее условное обозначение

Полное наименование системы: Учебно-демонстрационный программный комплекс «Автоматизированная система управления барабанным энергетическим котельным агрегатом».

Краткое наименование системы: УДК «АСУ Котельный агрегат».

1.2 Наименования организации-заказчика и организаций-участников работ

Заказчиком системы является Институт космических и информационных технологий, Сибирский Федеральный университет, кафедра «Системы автоматики, автоматизированное управление и проектирование».

Адрес заказчика: г. Красноярск, ул. Академика Киренского, д. 26Б.

Разработчиком системы является Дрозд Олег Владимирович.

Адрес разработчика:

1.3 Перечень документов, на основании которых создается система

Основанием для разработки УДК «АСУ Котельный агрегат» является задание на курсовое проектирование.

1.4 Плановые сроки начала и окончания работы по созданию системы

Плановый срок начала работ по созданию УДК «АСУ Котельный агрегат» - 16 марта 2013 года.

Плановый срок окончания работ по созданию УДК «АСУ Котельный агрегат» - 16 июня 2013 года.

1.5 Источники и порядок финансирования работ

Источником финансирования является бюджет Сибирского Федерального университета.

1.6 Порядок оформления и предъявления заказчику результатов работ по созданию системы

Система передается в виде функционирующего комплекса на базе средств вычислительной техники Заказчика и Исполнителя в сроки, установленные в ТЗ. Приемка системы осуществляется комиссией в составе представителей кафедры «Системы автоматики, автоматизированное управление и проектирование», приглашенных преподавателей профиля «Автоматизация и управление», представителей отделов АСУ ТП промышленных предприятий г. Красноярска.

Порядок предъявления системы, ее испытаний и окончательной приемки определен в п.6 настоящего ТЗ. Совместно с предъявлением системы производится сдача разработанного Исполнителем комплекта документации согласно п.8 настоящего ТЗ.

1.7 Перечень нормативно-технических документов, методических материалов, использованных при разработке ТЗ

При разработке автоматизированной системы и создании проектно-эксплуатационной документации Исполнитель должен руководствоваться требованиями следующих нормативных документов:

- ГОСТ 19.201-78. Техническое задание. Требования к содержанию и оформлению;

- ГОСТ 23.172-78. Котлы стационарные. Термины и определения;

- ГОСТ 24.005-80. Котлы паровые стационарные с естественной циркуляцией. Общие технические требования;

- ГОСТ 28.269-89. Котлы паровые стационарные большой мощности. Общие технические требования;

- ГОСТ 34.201-89. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Виды, комплексность и обозначение документов при создании автоматизированных систем;

- ГОСТ 34.601-90. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания;

- ГОСТ 3619-89. Котлы паровые стационарные. Типы и основные параметры;

- «Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» (от 11.06.2003).

1.8 Определения, обозначения и сокращения

Используемые определения:

Паровой котёл - котёл, предназначенный для генерации насыщенного или перегретого пара. Может использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, электрическую энергию (электрический паровой котёл) или утилизовать теплоту, выделяющуюся в других установках (котлы-утилизаторы).

Экономайзер - элемент котлоагрегата, теплообменник, в котором питательная вода перед подачей в котёл подогревается уходящими из котла газами. При давлении до 22 кгс/см2 (2,2 МПа) и температуре питательной воды ниже точки росы дымовых газов или недеаэрированной воде. Экономайзер изготовляют из гладких или ребристых чугунных труб, на более высокие давление и температуру - из стальных, преимущественно гладких, труб. Устройство повышает КПД установки.

Барабан парового котла - объёмный сепаратор, в котором движется насыщенный пар либо пароводяная смесь. Барабаном парового котла является его элемент, который представляет собой объём заполненный на определенный уровень рабочим телом (водяной объём) и уровень пространства (паровой объём).

Барабан парового котла предназначен разделения пароводяной смеси на перегретый пар и воду.

Пароперегреватель - устройство, предназначенное для перегрева пара, то есть повышения его температуры выше критической. Использование перегретого пара позволяет значительно поднять КПД паровой установки.

Перечень используемых сокращений:

Таблица 1 - Перечень используемых сокращений

Сокращение	Расшифровка
OPC	OLE for Process Control
SCADA	Supervisory control and data acquisition (диспетчерское управление и сбор данных)
АРМ	Автоматизированное рабочее место
АСР	Автоматическая система регулирования
АСУ	Автоматизированная система управления
ВП	Водяной подогреватель
ВЗ	Встроенная задвижка
ДВ	Дутьевой вентилятор
ДС	Дымосос
КЭС	Конденсационная электростанция
ОУ	Объект управления
РК	Регулируемый клапан
РПК	Регулятор питания котла
ТЭЦ	Теплоэлектроцентраль

2. Назначение и цели создания системы

2.1 Назначение системы

УДК «АСУ Котельный агрегат» предназначен для демонстрации обучающимся имитационной модели сложного объекта управления (однобарабанный энергетический котельный агрегат, реализована в пакете Matlab R2010a) в связке с OPC-сервером и SCADA-системой Proficy iFIX 5.1. Также комплекс может быть использован в качестве обучающего примера построения имитационных моделей сложных теплотехнических объектов, построения интерфейса АРМ оператора, обеспечения связи между отдельными компонентами системы управления. Данный комплекс может быть использован в процессе преподавания дисциплин:

- Автоматизированные информационно-управляющие системы;

- Технологические процессы и производства;

- Автоматизация технологических процессов и производств;

- Проектирование систем управления.

Так как имитационная модель объекта управления в целом соответствует реальному объекту, то разработанная SCADA-система может с успехом применятся для управления однобарабанным котельным агрегатом на ТЭЦ и КЭС, при условии использования мазута в качестве основного топлива.

2.2 Цели создания системы

Основными целями создания УДК «АСУ Котельный агрегат» являются:

- изучение в рамках дипломного проектирования теплотехнического объекта «Однобарабанный энергетический котел», создание имитационной модели котельного агрегата, разработка и реализация интерфейса АРМ оператора;

- создание альтернативы лабораторным стендам, реализующим объекты управления с использованием компонентов и средств, применяемых на производствах. Ввиду достаточно низкой сложности объектов управления, реализуемых на данных стендах и их высокой стоимости, создание альтернативы необходимо;

- создание и введение в учебный процесс учебно-демонстрационного комплекса, целью которого является демонстрация студентам процесса управления сложным технологическим процессом, приближенная к условиям реального производства;

- повышение эффективности учебного процесса, повышение уровня знаний и навыков обучающихся в области современных систем моделирования и автоматизированного управления от ведущих мировых производителей. Увеличение конкурентоспособности выпускников кафедры на рынке труда;

Для реализации поставленных целей система должна решать следующие задачи:

- вывод структурной схемы объекта управления в интуитивно понятном виде;

- ввод управляющих воздействий через диалоговые интерфейсы;

- вывод текущих параметров объекта управления на структурную схему;

- вывод истории изменения параметров объекта управления на экран в виде графиков по требованию оператора;

- обеспечение механизма тревог, оповещающего оператора при достижении контролируемых параметров критических значений;

- обеспечение возможности демонстрации структуры имитационной модели ОУ;

- обеспечение возможности демонстрации параметров отдельных звеньев имитационной модели ОУ и изменения их параметров с одновременным контролем реакции всей системы на внесенные изменения;

- возможность проведения экспериментов над моделью ОУ (изменение характеристик топлива, изменение температуры окружающей среды и т.д.) с одновременным контролем реакции всей системы на внесенные изменения.

3. Характеристика объекта автоматизации

Котельные агрегаты являются сложными объектами автоматического регулирования с большим числом регулируемых параметров и регулирующих воздействий. Котлы обладают значительной аккумулирующей способностью тепловой энергии в воде, паре и металле пароводяного тракта. Наконец, котельные агрегаты характеризуются значительными скоростями протекания процессов в пароводяном тракте. Так, снижение уровня воды в барабане котла на 100 мм при полной паропроизводительности котельного агрегата с прекращением подачи питательной воды происходит за 20 с. Показателями течения тепловых процессов на котельном агрегате являются регулируемые параметры. В их числе внешние: расход пара, давление пара при выходе из котла, температура перегрева пара и внутренние: уровень воды в барабане котельного агрегата, коэффициент избытка воздуха, разрежение в топке и др. Характер течения процессов в котельном агрегате определяется видом и величиной воздействий: внешних - со стороны потребителя, внутренних - изменение состава и качества топлива, избытка воздуха, подаваемого в топку котла, разрежения в топке, изменение расхода питательной воды.

Задачи регулирования котельных агрегатов

К задачам регулирования котельных агрегатов, которые диктуются как требования потребителей пара, так и необходимостью обеспечения надежного и экономичного режима работы самих котлов, относятся следующие:

- приведение нагрузки котельного агрегата в соответствие с заданием;

- поддержание заданных значений давления и температуры пара, поступающего потребителю;

- поддержание такого соотношения между подачами топлива и воздуха, а для котлов с шахтно-мельничными топками такого распределение первичного и вторичного воздуха, которое отвечает наивысшей экономичности топочного процесса;

- стабилизация разрежения в топке;

- поддержание в барабанных котельных агрегатах постоянного уровня воды в барабане в установленных пределах, а также солесодержания котловой воды. имитационный автоматизированный котельный агрегат

Для котлов прямоточного типа, кроме перечисленных выше:

- поддержание заданных значений влажности и температуры пара по водопаровому тракту и в первую очередь в районе переходной зоны, где должно происходить отложение солей, во избежание перемещения этой зоны в область радиационного обогрева;

- поддержание в котельных агрегатах с промывочно-сепарационной схемой определенной влажности пара перед сепаратором.

Перечисленные задачи решаются путем воздействия на регулировочные органы котельного агрегата, управляющие подачами питательной воды, топлива, общего, а при шахтно-мельничных топках и первичного воздуха, отсосом дымовых газов, подачей охлаждающей воды на пароохладители или другими средствами регулирования температуры пара, величиной непрерывной продувки воды из барабана котлоагрегата.

Паровой котел как объект регулирования

Паровой котел представляет сложную динамическую систему с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами. Однако выраженная направленность участков регулирования по основным каналам регулирующих воздействий позволяет осуществлять стабилизацию и изменение регулируемых параметров с помощью независимых одноконтурных систем, связанных через объект регулирования - котельный агрегат.

Автоматическая система регулирования (АСР) барабанного парового котла в целом состоит из отдельных замкнутых контуров:

- давления перегретого пара и тепловой нагрузки;

- экономичности процесса горения топлива;

- разрежения в верхней части топки;

- температуры перегретого пара;

- питания котловой водой;

- качества котловой воды.

Требования высокой точности регулирования параметров для обеспечения надежной и экономичной работы котельного агрегата обуславливает необходимость применения быстродействующих автоматических регулирующих устройств. В регулировании котлоагрегатов широко применяются электрические схемы с электронными регуляторами. В качестве исполнительных механизмов используются электромеханические сервоприводы с редукторами и колонки дистанционного управления.

Контуры регулирования

Тракт подачи жидкого топлива

Таблица 2 - Регуляторы тракта подачи жидкого топлива

Наименование регулятора	Назначение регулятора	Объект воздействия
Регулятор топлива	Поддержание расхода газообразного или жидкого топлива в соответствии с заданной нагрузкой	РК расхода топлива

Контролируемые параметры:

- температура мазута в каждом напорном мазутопроводе к котлам;

- давление мазута в каждом напорном мазутопроводе к котлам;

- расход мазута по каждому напорному мазутопроводу к котлам;

- вязкость мазута, подаваемого к котлам;

- состояние регулирующего клапана (РК);

- состояние встроенной задвижки (РК).

Объект управления:

- РК расхода топлива;

- ВЗ подачи топлива.

Здесь и далее номера датчиков приведены в соответствии с функциональной схемой автоматизации.

Водопаровой тракт

Таблица 3 - Регуляторы водопарового тракта

Наименование регулятора	Назначение регулятора	Объект воздействия
Регулятор температуры свежего пара за отдельными поверхностями нагрева в каждом потоке, включая температуру пара за котлом	Поддержание температуры пара за отдельными поверхностями нагрева пароперегревателя в каждом потоке	РК на линии впрыска питательной воды
		РК на линии впрыска собственного конденсата
Регулятор питания барабанных котлов	Поддержание уровня в барабане котла	РПК
Регулятор непрерывной продувки	Поддержание расхода непрерывной продувки	РК на линии непрерывной продувки

Контролируемые параметры:

- температура конденсата после конденсатных установок;

- температура питательной воды;

- температура питательной воды за экономайзером (за подвесными трубами);

- температура свежего пара и пара за пароперегревателем в каждом паропроводе;

- температура металла барабана;

- температура металла пароотводящей, водоопускной трубы и рециркуляции экономайзера;

- температура металла встроенных сепараторов, коллекторов пароперегревателей и отдельных точек паропроводов;

- давление питательной воды за регулирующим питательным клапаном (РПК);

- давление в барабане котла;

- давление свежего пара;

- расход питательной воды на котел;

- расход питательной воды и собственного конденсата на впрыски;

- расход непрерывной продувки;

- расход свежего пара по каждому паропроводу;

- уровень в барабане котла;

- состояние РК (конденсат);

- состояние ВЗ (конденсат);

- состояние РК (продувка);

- состояние ВЗ (продувка);

- состояние РПК;

- состояние ВЗ (питательная вода).

Объект управления:

- РК на линии впрыска собственного конденсата;

- ВЗ на линии впрыска собственного конденсата;

- РК на линии непрерывной продувки;

- ВЗ на линии непрерывной продувки;

- РПК;

- ВЗ питательной воды.

Воздушный тракт

Таблица 4 - Регуляторы воздушного тракта

Наименование регулятора	Назначение регулятора	Объект воздействия
Регулятор общего воздуха	Поддержание расхода воздуха в котел в соответствии с расходом топлива	Направляющий аппарат дутьевого вентилятора
Корректирующий регулятор избытка воздуха	Поддержание заданного значения О2 или другого параметра, характеризующего избыток воздуха в дымовых газах	Регулятор общего воздуха

Контролируемые параметры:

- температура воздуха перед дутьевыми вентиляторами;

- температура воздуха перед воздухоподогревателем (ВП);

- температура воздуха за ВП;

- давление за дутьевыми вентиляторами (ДВ) и за ВП;

- расход воздуха на котел;

- ток дутьевого вентилятора;

- температура металла подшипников дутьевых вентиляторов.

Объект управления:

- направляющий аппарат ДВ.

Таблица 5 - Тракт дымовых газов

Наименование регулятора	Назначение регулятора	Объект воздействия
Регулятор разрежения или давления в верху топки	Поддержание заданного разрежения в верху топки	Направляющие аппараты ДС

Контролируемые параметры:

- температура газов в поворотной камере;

- температура газов перед экономайзером;

- температура газов перед ВП;

- температура уходящих газов за ВП;

- температура металла подшипников дымососов (ДС) и дымососов рециркуляции дымовых газов;

- давление в верху топки;

- давление газов за ВП;

- давление газов перед дымососом;

- содержание О2 в дымовых газах;

- ток дымососов и дымососов рециркуляции дымовых газов;

- измерение прозрачности дымовых газов;

- содержание NОх в дымовых газах.

Объект управления:

- Направляющий аппарат ДС.

Контроль водного режима

Контроллируемые параметры:

- показатель рН питательной воды;

- показатель рН перегретого пара;

- содержание натрия в питательной воде;

- содержание кислорода в питательной воде (при окислительных режимах);

- содержание натрия в насыщенном паре из барабана;

- содержание натрия в перегретом паре.

Подключение горелок

Контролируемые параметры:

- состояние ВЗ 1;

- состояние ВЗ 2;

- состояние ВЗ 3;

- состояние ВЗ 4.

Объект управления:

- ВЗ 1;

- ВЗ 2;

- ВЗ 3;

- ВЗ 4.

4. Требования к системе

4.1 Требования к системе в целом

4.1.1 Требования к структуре и функционированию системы

4.1.1.1 Перечень подсистем, их назначение и основные характеристики

В состав УДК «АСУ Котельный агрегат» должны входить следующие подсистемы:

- подсистема «Имитационная модель ОУ»;

- подсистема «OPC - сервер»;

- подсистема «SCADA - система».

Подсистема «Имитационная модель ОУ» предназначена для обеспечения имитации реального технического объекта с точки зрения входных и выходных воздействий, их относительных величин и взаимосвязей. Реализация предполагается с использованием пакета прикладных программ Matlab R2010a.

Подсистема «OPC-сервер» обеспечивает взаимодействие имитационной модели ОУ со SCADA-системой с использованием протокола OPC, который представляет собой единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами. Программно OPC-сервер является компонентом SCADA-системы Proficy iFIX 5.1, для связи модели ОУ и SCADA-системы используется компонент OPC Toolbox, входящий в состав пакета Matlab R2010a.

Подсистема «SCADA - система» предоставляет оператору интуитивно понятный графический интерфейс в виде структурной схемы объекта управления с указанием относительного местоположения точек регистрации отдельных параметров, индикации величин параметров системы, вывода статистики, графиков изменения отдельных параметров во времени (температура, давление). Также подсистема обеспечивает контроль параметров системы на достижение критических величин и обеспечивает аварийную сигнализацию. Реализована с помощью комплекса программного обеспечения Proficy iFIX 5.1.

4.1.1.2 Требования к способам и средствам связи для информационного обмена между компонентами системы

Входящие в состав УДК «АСУ Котельный агрегат» подсистемы в процессе функционирования должны обмен информацией на основе семейства протоколов обмена данными OPC (OLE for Process Control), используя для этого входящие в их состав модули информационного взаимодействия.

4.1.1.3 Требования к характеристикам взаимосвязей создаваемой системы со смежными системами

Требования не предъявляются

4.1.1.4 Требования к режимам функционирования системы

Основные режимы работы системы: нормальный (все контролируемые параметры имеют допустимые значения с учетом текущего режима нагрузки котельного агрегата), аварийный.

На системе автоматизированного управления устанавливается система защит для предотвращения возникновения и развития аварий при нарушении нормального режима работы котельного агрегата. Останов котла происходит при следующих ситуациях: повышение и понижение давления газов за регулирующим клапаном, гашение факелов горелок, отключение РВП, отключение дымососа, отключение дутьевого вентилятора, понижение и повышение уровня в барабане котла. Срабатывание защит приводит к закрытию клапанов подвода топлива к горелкам, закрытие задвижек на подачу воды, отключение действия регуляторов на направляющие аппараты ДС.

4.1.1.5 Требования по диагностированию системы

Требования не предъявляются

4.1.1.6 Перспективы развития, модернизации системы

Система должна реализовывать возможность дальнейшей модернизации как программного обеспечения, так комплекса технических средств.

4.1.2 Требования к численности и квалификации персонала системы

Требования не предъявляются

4.1.3 Показатели назначения

Требования не предъявляются

4.1.4 Требования к надежности

Система должна сохранять работоспособность и обеспечивать восстановление своих функций при возникновении следующих внештатных ситуаций:

- при сбоях в системе электроснабжения аппаратной части, приводящих к перезагрузке ОС, восстановление программы должно происходить после перезапуска ОС и запуска исполняемого файла системы;

- при ошибках в работе аппаратных средств (кроме носителей данных и программ) восстановление функции системы возлагается на ОС;

- при ошибках, связанных с программным обеспечением (ОС и драйверы устройств), восстановление работоспособности возлагается на ОС.

Для защиты аппаратуры от бросков напряжения и коммутационных помех должны применяться сетевые фильтры.

4.1.5 Требования к безопасности

Все внешние элементы технических средств системы, находящиеся под напряжением, должны иметь защиту от случайного прикосновения, а сами технические средства иметь зануление или защитное заземление в соответствии с ГОСТ 12.1.030-81 и ПУЭ.

Система электропитания должна обеспечивать защитное отключение при перегрузках и коротких замыканиях в цепях нагрузки, а также аварийное ручное отключение.

Общие требования пожарной безопасности должны соответствовать нормам на бытовое электрооборудование. В случае возгорания не должно выделяться ядовитых газов и дымов. После снятия электропитания должно быть допустимо применение любых средств пожаротушения.

Факторы, оказывающие вредные воздействия на здоровье со стороны всех элементов системы (в том числе инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и электромагнитное излучения, вибрация, шум, электростатические поля, ультразвук строчной частоты и т.д.), не должны превышать действующих норм (СанПиН 2.2.2./2.4.1340-03 от 03.06.2003 г.).

4.1.6 Требования к эргономике и технической эстетике

Взаимодействие пользователей с прикладным программным обеспечением, входящим в состав системы должно осуществляться посредством визуального графического интерфейса (GUI). Интерфейс системы должен быть понятным и удобным, не должен быть перегружен графическими элементами и должен обеспечивать быстрое отображение экранных форм. Навигационные элементы должны быть выполнены в удобной для пользователя форме. Средства редактирования информации должны удовлетворять принятым соглашениям в части использования функциональных клавиш, режимов работы, поиска, использования оконной системы. Ввод-вывод данных системы, прием управляющих команд и отображение результатов их исполнения должны выполняться в интерактивном режиме. Интерфейс должен соответствовать современным эргономическим требованиям и обеспечивать удобный доступ к основным функциям и операциям системы.

Интерфейс должен быть рассчитан на преимущественное использование манипулятора типа «мышь», то есть управление системой должно осуществляться с помощью набора экранных меню, кнопок, значков и т. п. элементов. Клавиатурный режим ввода должен используется главным образом при заполнении и/или редактировании текстовых и числовых полей экранных форм.

Все надписи экранных форм, а также сообщения, выдаваемые пользователю (кроме системных сообщений) должны быть на русском языке.

Система должна обеспечивать корректную обработку аварийных ситуаций, вызванных неверными действиями пользователей, неверным форматом или недопустимыми значениями входных данных. В указанных случаях система должна выдавать пользователю соответствующие сообщения, после чего возвращаться в рабочее состояние, предшествовавшее неверной (недопустимой) команде или некорректному вводу данных.

Экранные формы должны проектироваться с учетом требований унификации:

- все экранные формы пользовательского интерфейса должны быть выполнены в едином графическом дизайне, с одинаковым расположением основных элементов управления и навигации;

- для обозначения сходных операций должны использоваться сходные графические значки, кнопки и другие управляющие (навигационные) элементы. Термины, используемые для обозначения типовых операций (добавление информационной сущности, редактирование поля данных), а также последовательности действий пользователя при их выполнении, должны быть унифицированы;

- внешнее поведение сходных элементов интерфейса (реакция на наведение указателя «мыши», переключение фокуса, нажатие кнопки) должны реализовываться одинаково для однотипных элементов.

Система должна соответствовать требованиям эргономики и профессиональной медицины при условии комплектования высококачественным оборудованием (ПЭВМ, монитор и прочее оборудование), имеющим необходимые сертификаты соответствия и безопасности Росстандарта.

4.1.7 Требования к транспортабельности для подвижных АС

Требования не предъявляются

4.1.8 Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению компонентов системы

Система должна быть рассчитана на эксплуатацию в составе программно-технического комплекса Заказчика и учитывать разделение ИТ инфраструктуры Заказчика на внутреннюю и внешнюю. Техническая и физическая защита аппаратных компонентов системы, носителей данных, бесперебойное энергоснабжение, резервирование ресурсов, текущее обслуживание реализуется техническими и организационными средствами, предусмотренными в ИТ инфраструктуре Заказчика.

Для нормальной эксплуатации разрабатываемой системы должно быть обеспечено бесперебойное питание ПЭВМ. При эксплуатации система должна быть обеспечена соответствующая стандартам хранения носителей и эксплуатации ПЭВМ температура и влажность воздуха.

Периодическое техническое обслуживание используемых технических средств должно проводиться в соответствии с требованиями технической документации изготовителей, но не реже одного раза в год.

Периодическое техническое обслуживание и тестирование технических средств должны включать в себя обслуживание и тестирование всех используемых средств, включая рабочие станции, серверы, кабельные системы и сетевое оборудование, устройства бесперебойного питания.

В процессе проведения периодического технического обслуживания должны проводиться внешний и внутренний осмотр и чистка технических средств, проверка контактных соединений, проверка параметров настроек работоспособности технических средств и тестирование их взаимодействия.

На основании результатов тестирования технических средств должны проводиться анализ причин возникновения обнаруженных дефектов и приниматься меры по их ликвидации.

Восстановление работоспособности технических средств должно проводиться в соответствии с инструкциями разработчика и поставщика технических средств и документами по восстановлению работоспособности технических средств и завершаться проведением их тестирования. При вводе системы в опытную эксплуатацию должен быть разработан план выполнения резервного копирования программного обеспечения и обрабатываемой информации. Во время эксплуатации системы, персонал, ответственный за эксплуатацию системы должен выполнять разработанный план.

Размещение помещений и их оборудование должны исключать возможность бесконтрольного проникновения в них посторонних лиц и обеспечивать сохранность находящихся в этих помещениях конфиденциальных документов и технических средств.

Размещение оборудования, технических средств должно соответствовать требованиям техники безопасности, санитарным нормам и требованиям пожарной безопасности.

Все пользователи системы должны соблюдать правила эксплуатации электронной вычислительной техники.

Квалификация персонала и его подготовка должны соответствовать технической документации.

4.1.9 Требования к защите информации от несанкционированного доступа

Требования не предъявляются

4.1.10 Требования по сохранности информации при авариях

Программное обеспечение должно восстанавливать свое функционирование при корректном перезапуске аппаратных средств. Должна быть предусмотрена возможность организации автоматического и (или) ручного резервного копирования данных системы средствами системного и базового программного обеспечения (ОС, СУБД), входящего в состав программно технического комплекса Заказчика.

Приведенные выше требования не распространяются на компоненты системы, разработанные третьими сторонами и действительны только при соблюдении правил эксплуатации этих компонентов, включая своевременную установку обновлений, рекомендованных производителями покупного программного обеспечения.

4.1.11 Требования к защите от влияния внешних воздействий

Защита от влияния внешних воздействий должна обеспечиваться средствами программно технического комплекса Заказчика.

4.1.12 Требования к патентной чистоте

Установка системы в целом, как и установка отдельных частей системы не должна предъявлять дополнительных требований к покупке лицензий на программное обеспечение сторонних производителей, кроме программного обеспечения, указанного в разделе 4.3.4.

4.1.13 Требования по стандартизации и унификации

Требования не предъявляются

4.1.14 Дополнительные требования

Дополнительные требования не предъявляются

4.2 Требования к функциям (задачам), выполняемым системой

Подсистема «Имитационная модель ОУ» должна обеспечивать имитацию реального технического объекта (однобарабанный энергетический котельный агрегат) с точки зрения входных и выходных воздействий, их относительных величин и взаимосвязей.

Подсистема «OPC-сервер» должна обеспечивать взаимодействие имитационной модели ОУ со SCADA-системой с использованием протокола OPC, который представляет собой единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами.

Подсистема «SCADA - система» должна предоставлять оператору интуитивно понятный графический интерфейс в виде структурной схемы объекта управления с указанием относительного местоположения точек регистрации отдельных параметров, индикации величин параметров системы, вывода статистики, графиков изменения отдельных параметров во времени (температура, давление). Также подсистема должна обеспечивать контроль параметров системы на достижение критических величин и обеспечивает аварийную сигнализацию.

4.3 Требования к видам обеспечения

4.3.1 Требования к информационному обеспечению системы

SCADA-система Proficy iFIX 5.1 должна предоставлять информацию о технологическом процессе для диспетчеров и операторов в виде динамических рисунков, диаграмм, тревог, отчетов, архивирования данных, сообщений. Источниками этой информации являются датчики, краны, переключатели, контроллеры и другие устройства, а также OPC - серверы. Информация, считанная с этих устройств, сохраняется в одной или нескольких базах данных, размещенных на SCADA-сервере. База данных представляет собой электронную таблицу, состоящую из набора строк. Каждая строка таблицы соответствует единице информации, хранящейся в базе данных - блоку, а каждая колонка - отдельному полю. Создание и управление базой данных производится через инструмент Database Manager. Источником информации для базы данных является имитационная модель объекта управления, смоделированная в пакете Matlab R2010, передача данных осуществляется с помощью программного OPC-сервера и компонента OPC Toolbox, являющегося составной частью пакета Matlab.

Источниками информации для SCADA-системы являются измерительные каналы (распределены по трактам технологического процесса):

Тракт подачи жидкого топлива:

- температура мазута в каждом напорном мазутопроводе к котлам;

- давление мазута в каждом напорном мазутопроводе к котлам;

- расход мазута по каждому напорному мазутопроводу к котлам;

- вязкость мазута, подаваемого к котлам;

- состояние РК;

- состояние ВЗ.

Водопаровой тракт:

- температура конденсата после конденсатных установок;

- температура питательной воды;

- температура питательной воды за экономайзером (за подвесными трубами);

- температура свежего пара и пара за пароперегревателем в каждом паропроводе;

- температура металла барабана;

- температура металла пароотводящей, водоопускной трубы и рециркуляции экономайзера;

- температура металла встроенных сепараторов, коллекторов пароперегревателей и отдельных точек паропроводов;

- давление питательной воды за регулирующим питательным клапаном (РПК);

- давление в барабане котла;

- давление свежего пара;

- расход питательной воды на котел;

- расход питательной воды и собственного конденсата на впрыски;

- расход непрерывной продувки;

- расход свежего пара по каждому паропроводу;

- уровень в барабане котла;

- состояние РК (конденсат);

- состояние ВЗ (конденсат);

- состояние РК (продувка);

- состояние ВЗ (продувка);

- состояние РПК;

- состояние ВЗ (питательная вода).

Воздушный тракт:

- температура воздуха перед дутьевыми вентиляторами;

- температура воздуха перед воздухоподогревателем (ВП);

- температура воздуха за ВП;

- давление за дутьевыми вентиляторами (ДВ) и за ВП;

- расход воздуха на котел;

- ток дутьевого вентилятора;

- температура металла подшипников дутьевых вентиляторов.

Тракт дымовых газов:

- температура газов в поворотной камере;

- температура газов перед экономайзером;

- температура газов перед ВП;

- температура уходящих газов за ВП;

- температура металла подшипников дымососов (ДС) и дымососов рециркуляции дымовых газов;

- давление в верху топки;

- давление газов за ВП;

- давление газов перед дымососом;

- содержание О2 в дымовых газах;

- ток дымососов и дымососов рециркуляции дымовых газов;

- измерение прозрачности дымовых газов;

- содержание NОх в дымовых газах.

Контроль водного режима:

- показатель рН питательной воды;

- показатель рН перегретого пара;

- содержание натрия в питательной воде;

- содержание кислорода в питательной воде (при окислительных режимах);

- содержание натрия в насыщенном паре из барабана;

- содержание натрия в перегретом паре.

Подключение горелок:

- состояние ВЗ 1;

- состояние ВЗ 2;

- состояние ВЗ 3;

- состояние ВЗ 4.

4.3.2 Требования к лингвистическому обеспечению системы

В качестве средства имитационного моделирования используется пакет Simulink, входящий в состав программного комплекса Matlab. Данный пакет представляет пользователю систему визуального моделирования, в качестве языка в которой используются наборы блоков, назначение которых интуитивно понятно и перекликается с условными обозначениями, принятыми в конструкторской документации.

В качестве формата обмена данными используется интерфейс OPC, базирующийся на таких технологиях как OLE, ActiveX, COM/DCOM.

OPC - набор спецификаций стандартов. Каждый стандарт описывает набор функций определенного назначения:

- OPC DA (Data Access) -- основной и наиболее востребованный стандарт. Описывает набор функций обмена данными в реальном времени с ПЛК, РСУ, ЧМИ, ЧПУ и другими устройствами;

- OPC AE (Alarms & Events) -- предоставляет функции уведомления по требованию о различных событиях: аварийные ситуации, действия оператора, информационные сообщения и другие;

- OPC Batch -- предоставляет функции шагового и рецептурного управления технологическим процессом (в соответствии с стандартом S88.01);

- OPC DX (Data eXchange) -- предоставляет функции организации обмена данными между OPC-серверами через сеть Ethernet. Основное назначение -- создание шлюзов для обмена данными между устройствами и программами разных производителей;

- OPC HDA (Historical Data Access) -- в то время как OPC Data Access предоставляет доступ к данным изменяющимся в реальном времени, OPC Historical Data Access предоставляет доступ к уже сохраненным данным;

- OPC Security -- определяет функции организации прав доступа клиентов к данным системы управления через OPC-сервер;

- OPC XML-DA (XML-Data Access) -- предоставляет гибкий, управляемый правилами формат обмена данными через SOAP и HTTP;

- OPC UA (Unified Architecture) -- последняя по времени выпуска спецификация, которая основана не на технологии Microsoft COM, что предоставляет кросс-платформенную совместимость;

В качестве языка скриптов в системе iFIX применяется Visual basic for Application (VBA) - объектно-ориентированная и реагирующая на события среда разработки, поддерживающая формы Microsoft и ActiveX.

Весь интерфейс SCADA-системы, предназначенный для организации взаимодействия с оператором должен использовать русский язык.

4.3.3 Требования к программному обеспечению системы

При проектировании и разработке системы необходимо максимально эф-фективным образом использовать ранее закупленное программное обеспече-ние, как серверное, так и для рабочих станций. 
Используемое при разработке программное обеспечение и библиотеки про-граммных кодов должны иметь широкое распространение, быть общедоступ-ными и использоваться в промышленных масштабах. Базовой программной платформой должна являться операционная система MS Windows.

Для реализации учебно-демонстрационного комплекса необходимо следующее программное обеспечение:

- операционная система Windows 7;

- пакет прикладных программ Matlab R2010a, с обязательной установкой компонента OPC Toolbox (данный компонент присутствует только в 32-х разрядной версии пакета);

- SCADA-система Proficy iFIX 5.1 (демонстрационная версия данной системы, с ограничением по времени работы в 2 часа, имеется в свободном доступе на FTP-серверах российского представительства разработчика).

4.3.4 Требования к техническому обеспечению

Техническое обеспечение системы должно максимально и наиболее эффективным образом использовать существующие в организации - Заказчике технические средства.

В состав комплекса должны следующие технические средства:

- сервер моделирования;

- сервер управления.

Требования к техническим характеристикам сервера моделирования (определяются требованиями пакета Matlab):

- процессор - Intel Core i3 2.1 ГГц;

- объем оперативной памяти - 4 Гб;

- дисковая подсистема - 500 Гб;

- устройство чтения компакт-дисков (DVD-ROM);

- сетевой адаптер - 100 Мбит.

Требования к техническим характеристикам сервера управления (определяются требованиями системы Proficy iFIX):

- процессор - Intel Core i3 2.1 ГГц;

- объем оперативной памяти - 4 Гб;

- дисковая подсистема - 500 Гб;

- устройство чтения компакт-дисков (DVD-ROM);

- сетевой адаптер - 100 Мбит.

4.3.5 Требования к метрологическому обеспечению

Перечень измерительных каналов объекта управления приведен ниже (список разбит по отдельным технологическим трактам). В скобках указан тип контроля значений параметра (по росту, по снижению, по изменению). Если конкретный вид контроля не указан, то необходима только индикация параметра на АРМ оператора АСУ. Точность измерения параметров определяется типом исходной математической модели ОУ и точностными параметрами процесса моделирования, данные параметры будут определены на последующих этапах проектирования.

Тракт подачи жидкого топлива:

- температура мазута в каждом напорном мазутопроводе к котлам;

- давление мазута в каждом напорном мазутопроводе к котлам;

- расход мазута по каждому напорному мазутопроводу к котлам;

- вязкость мазута, подаваемого к котлам;

- состояние РК;

- состояние ВЗ.

Водопаровой тракт:

- температура конденсата после конденсатных установок;

- температура питательной воды;

- температура питательной воды за экономайзером (за подвесными трубами);

- температура свежего пара и пара за пароперегревателем в каждом паропроводе;

- температура металла барабана;

- температура металла пароотводящей, водоопускной трубы и рециркуляции экономайзера;

- температура металла встроенных сепараторов, коллекторов пароперегревателей и отдельных точек паропроводов;

- давление питательной воды за регулирующим питательным клапаном (РПК);

- давление в барабане котла;

- давление свежего пара;

- расход питательной воды на котел;

- расход питательной воды и собственного конденсата на впрыски;

- расход непрерывной продувки;

- расход свежего пара по каждому паропроводу;

- уровень в барабане котла;

- состояние РК (конденсат);

- состояние ВЗ (конденсат);

- состояние РК (продувка);

- состояние ВЗ (продувка);

- состояние РПК;

- состояние ВЗ (питательная вода).

Воздушный тракт:

- температура воздуха перед дутьевыми вентиляторами;

- температура воздуха перед воздухоподогревателем (ВП);

- температура воздуха за ВП;

- давление за дутьевыми вентиляторами (ДВ) и за ВП;

- расход воздуха на котел;

- ток дутьевого вентилятора;

- температура металла подшипников дутьевых вентиляторов.

Тракт дымовых газов:

- температура газов в поворотной камере;

- температура газов перед экономайзером;

- температура газов перед ВП;

- температура уходящих газов за ВП;

- температура металла подшипников дымососов (ДС) и дымососов рециркуляции дымовых газов;

- давление в верху топки;

- давление газов за ВП;

- давление газов перед дымососом;

- содержание О2 в дымовых газах;

- ток дымососов и дымососов рециркуляции дымовых газов;

- измерение прозрачности дымовых газов;

- содержание NОх в дымовых газах.

Контроль водного режима:

- показатель рН питательной воды;

- показатель рН перегретого пара;

- содержание натрия в питательной воде;

- содержание кислорода в питательной воде (при окислительных режимах);

- содержание натрия в насыщенном паре из барабана;

- содержание натрия в перегретом паре.

Подключение горелок:

- состояние ВЗ 1;

- состояние ВЗ 2;

- состояние ВЗ 3;

- состояние ВЗ 4.

4.3.6 Требования к организационному обеспечению

Предполагается написание методических указаний к циклу лабораторных работ по дисциплинам

- Автоматизированные информационно-управляющие системы;

- Технологические процессы и производства;

- Автоматизация технологических процессов и производств;

- Проектирование систем управления.

Ориентировочное содержание цикла лабораторных работ следующее:

- Лабораторная работа №1 «Intellutin Workspace»;

- Лабораторная работа №2 «База данных»;

- Лабораторная работа №3 «Ввод и вывод информации»;

- Лабораторная работа №4 «Анимация объектов»;

- Лабораторная работа №5 «Работа с библиотекой объектов»;

- Лабораторная работа №6 «Создание расписаний»;

- Лабораторная работа №7 «Язык VBA»;

- Лабораторная работа №8 «Тренды реального времени»;

- Лабораторная работа №9 «Архивирование данных»;

- Лабораторная работа №10 Создание и отображение отчетов;

- Лабораторная работа №11 Создание операторского окна навигации.

4.3.7 Требования к методическому обеспечению

Требования не предъявляются

5. Состав и содержание работ по созданию системы

Таблица 6 - Состав и содержание работ по созданию системы

Этап	Содержание работ
1	Изучение объекта автоматизации (барабанный энергетический котел), определение перечня контролируемых, управляемых параметров, контуров регулирования.
2	Выработка требований к учебно-демонстрационному комплексу в целом
3	Выработка требований к программным продуктам, определение перечня используемых в процессе проектирования программных и аппаратных средств
4	Разработка технического задания
5	Разработка функциональной схемы автоматизации
6	Разработка графического интерфейса оператора (без учета встроенных диалогов, системы истории и системы тревог)
7	Разработка математической модели котельного агрегата как объекта управления
8	Определение перечня параметров ОУ, необходимых для имитационного моделирования и для создания базы данных SCADA-системы
9	Детальное изучение объекта управления (котельного агрегата конкретной модели), сбор информации для модели и базы данных
10	Создание базы данных SCADA - системы
11	Программирование диалоговых интерфейсов оператора SCADA - системы
12	Запуск и отладка разработанной системы управления в варианте симулятора (без имитационной модели ОУ)
13	Реализация имитационной модели ОУ с использованием средств программного комплекса Matlab R2010a
14	Отладка модели ОУ
15	Отработка связи модели ОУ и SCADA - системы с использованием протокола OPC
16	Отладка и тестирование учебно - демонстрационного комплекса в целом
17	Разработка экономического обоснования
18	Создание итогового пакета документации по разработанному комплексу

6. Порядок контроля и приемки системы

Созданная в ходе работ система представляет собой УДК «АСУ Котельный агрегат» который предназначен для демонстрации обучающимся имитационной модели сложного объекта управления (однобарабанный энергетический котельный агрегат ТГМ-96Б, реализована в пакете Matlab R2010a) в связке с OPC-сервером и SCADA-системой Proficy iFIX 5.1.

Созданная система позволяет решать следующие задачи:

- вывод структурной схемы объекта управления в интуитивно понятном виде;

- ввод управляющих воздействий через диалоговые интерфейсы;

- вывод текущих параметров объекта управления на структурную схему;

- вывод истории изменения параметров объекта управления на экран в виде графиков по требованию оператора;

- обеспечение механизма тревог, оповещающего оператора при достижении контролируемых параметров критических значений;

- обеспечение возможности демонстрации структуры имитационной модели ОУ;

- обеспечение возможности демонстрации параметров отдельных звеньев имитационной модели ОУ и изменения их параметров с одновременным контролем реакции всей системы на внесенные изменения;

- возможность проведения экспериментов над моделью ОУ (изменение характеристик топлива, изменение температуры окружающей среды и т.д.) с одновременным контролем реакции всей системы на внесенные изменения.

В состав УДК «АСУ Котельный агрегат» входят следующие подсистемы:

- подсистема «Имитационная модель ОУ»;

- подсистема «OPC - сервер»;

- подсистема «SCADA - система».

Основные режимы работы системы: нормальный (все контролируемые параметры имеют допустимые значения с учетом текущего режима нагрузки котельного агрегата), аварийный.

Список использованных источников

1 Андреев Е.Б. Разработка операторского интерфейса в SCADA-пакете iFIX: учебное пособие. Практикум по курсу «Проектирование автоматизированных систем». Уфа: ООО «Монография», 2008. 97 с.

2 Буров В.Д., Дорохов Е.В., Елизаров Д.П. Тепловые электрические станции: учебник для вузов. 3-е изд., стерот. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 466 с.

3 Волошенко А.В. Принципиальные схемы паровых котлов и топливоподач: учебное пособие. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2011. 100 с.

4 ГОСТ 19.201-78. Техническое задание. Требования к содержанию и оформлению.

5 ГОСТ 23.172-78. Котлы стационарные. Термины и определения.

6 ГОСТ 24.005-80. Котлы паровые стационарные с естественной циркуляцией. Общие технические требования.

7 ГОСТ 28.269-89. Котлы паровые стационарные большой мощности. Общие технические требования.

8 ГОСТ 34.201-89. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Виды, комплексность и обозначение документов при создании автоматизированных систем.

9 ГОСТ 34.601-90. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания.

10 ГОСТ 3619-89. Котлы паровые стационарные. Типы и основные параметры.

11 «Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» (от 11.06.2003).

12 Сабанин В.Р., Смирнов Н.И. Рисунки и схемы по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика» 550900. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: МЭИ, 2006. 18 с.

13 СО 34.35.101-2003. Методические указания по объему технологических измерений, сигнализации, автоматического регулирования на тепловых электростанциях.

14 СО 153-34.26.701 Типовая энергетическая характеристика котла ТГМ-94 при сжигании мазута и природного газа. Москва, СОЮЗТЕХЭНЕРГО, 1981 г.

15 СТО 4.2-07-2012. Система менеджмента и качества. Общие требования к построению, изложению и оформлению документов учебной и научной деятельности. Введ. впервые; дата введения 27.02.2012. Красноярск, 2012. 57 с.

16 РД 34.26.706 Типовая энергетическая характеристика котла ТГМ-96Б при сжигании мазута. Москва, СОЮЗТЕХЭНЕРГО, 1981 г.

17 РД 50-34.698-90. Методические указания. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Требования к содержанию документов.

18 Фёдоров А.И. Пособие по эксплуатации барабанных котлов среднего и высокого давления. М.: ОАО «ВТИ», 2006. 188 с.

Размещено на Allbest.ru