Модернизация системы управления на базе контроллера SIMATIC S7 фирмы Siemens

- конфигурирование систем промышленной связи и настройку параметров передачи данных;

- программирование, тестирование, отладку и запуск программ отдельных систем автоматизации, а также их локальное или дистанционное обслуживание;

- документирование и архивирование данных проекта;

- функции оперативного управления и диагностирования аппаратуры.

STEP 7 входит в комплект поставки программаторов SIMATIC Field PG и SIMATIC Power PG. Он может поставляться в виде самостоятельного пакета программ для персональных компьютеров, работающих под управлением операционных систем Windows 95/98/NT/ME/2000PROF/XP PROF. Для возможности подключения программируемых контроллеров компьютер должен быть оснащен MPI картой или PC/MPI адаптером и соединительным кабелем.

STEP 7 обеспечивает параллельное выполнение работ по одному проекту несколькими разработчиками. Единственным ограничением при этом является невозможность одновременной записи данных несколькими разработчиками.

3.7 Реализация проекта с использованием SCADA-системы

3.7.1 Назначение и условия применения

АРМ оператора предназначено для контроля и управления технологическим процессом и работой оборудования котельной станции (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Общий вид экрана АРМ оператора

АРМ оператора реализована на базе панели оператора Simatic OP177B и интегрирована в шкаф автоматики, находящийся непосредственно в помещении котельной станции, дополнительного оборудования для полноценного функционирования системы не требуется.

АРМ оператора обладает следующими возможностями:

- контроль состояния объекта;

- возможность управления технологическим процессом;

- сигнализация отклонения параметров от нормы;

- регулирование параметров;

- защита технологического оборудования и персонала в аварийных ситуациях;

- формирование архивов;

- формирование журнала аварийных сообщений.

Перед началом работы пользователь должен ознакомиться со следующими эксплуатационными документами:

- документация и требования по эксплуатации оборудования;

- настоящее руководство;

- требования по технике безопасности.

3.7.2 Подготовка к работе

Состав и содержание дистрибутивного носителя данных:

- прикладная программа визуализации и управления, разработанная и исполняемая в среде SIMATIC WinCC Flexible;

- прикладная программа для контроллера SIMATIC S7, разработанная в пакете программного обеспечения SIMATIC STEP 7, для управления технологическим процессом котельной станции.

Порядок загрузки данных и программ.

После включения питания шкафа автоматики происходит автоматическая загрузка операционной системы панели оператора. После загрузки проекта на панели оператора активизируется стартовый экран системы, на котором после авторизации пользователя отображаются основные элементы навигации системы.

Порядок проверки работоспособности.

Перед проверкой системы на работоспособность необходимо проверить уставки по котельной, а так же уставки по котлам.

При работоспособности АРМ оператора будут корректно отображаться текущие значения с контроллера (чёткое отображение текущих значений на общем фоне), положение регулирующих органов, запорной арматуры как показано на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Экран «Общая схема»

При неработоспособности АРМ оператора (обрыве связи) не будет корректного отображения текущих значений с контроллера (отображение «0,0»).

3.7.3 Описание операций

АРМ оператора построена по интуитивно понятному принципу и имеет стандартный для Windows-приложений интерфейс. Экран панели оператора является сенсорным, работа с элементами управления осуществляется по средствам не сильных нажатий подушечкой пальца в нужную область экрана.

Стартовым и основным экраном является экран изображенный на рисунке 3.3, на нем расположены средства авторизации и кнопки при нажатии которых активизируются соответствующие названиям кнопок экраны. Основным экраном является экран «Общая схема», на нем отображаются основные технологические параметры котельной станции, при нажатии в область, выделенную на рисунке 3.5 цветом, возможно осуществить переход к экрану «Котлы» и экран «Насосы» соответственно.



Рисунок 3.5 - Функциональные области экрана «Общая схема»

На рисунке 3.6 изображен экран «Котлы», на нем отображается состояние горелок котлов и основные технологические параметры. При нажатии в область котла возможно осуществить переход к экрану в «Уставки котлов».

На рисунке 3.7 и 3.8 изображены экраны «Насосы» и «Уставки» соответственно, эти экраны содержат поля ввода, которые служат для ввода значений технологических параметров.

Рисунок 3.6 - Экран «Котлы»



Рисунок 3.7 - Экран «Насосы»

Рисунок 3.8- Экран «Уставки»

Рисунок 3.9 - Экранная клавиатура

Для ввода значения технологического параметра необходимо нажать подушечкой пальца в область поля ввода, после чего на экране возникнет экранная клавиатура изображенная на рисунке 3.9.

После ввода необходимого значения технологического параметра необходимо нажать на экране экранной клавиатуры клавишу “Enter”, экранная клавиатура исчезнет и будет осуществлен переход к предыдущему экрану.

3.7.4 Описание работы АРМ оператора

При начале работы с панелью оператора, а так же при открытии двери шкафа автоматизации возникает стартовый экран, предлагающий войти в систему, при нажатии на кнопку «Вход в систему» возникает окно, предлагающее ввести имя пользователя и пароль. После входа в систему пользователю становятся видны функциональные элементы - кнопки перехода к соответствующим экранам, изображенные на рисунках 3.10 и 3.11.

Рисунок 3.10 - Окно авторизации



Рисунок 3.11 - Экран «Стартовое окно»

Нажатие в область кнопки на экране «Стартовое окно» приводит к переходу на соответствующий экран, а возврат к общему экрану осуществляется по средствам нажатия кнопки F1. На экране «общая схема» изображена общая структурная схема котельной, с отображением основных технологических параметров и состояний клапанов, насосов и горелок, а так же, по средствам иконок отображается возникновение аварийных ситуаций: пожар, затопление котельной, превышение уровня загазованности по СО и СН.

Из экрана «Общая схема» возможен переход на экраны «котлы» и «насосы» путем нажатия в область насосов и котлов соответственно, непосредственно на экране «Общая схема» (рисунок 3.12).

На экране «Котлы» (рисунок 3.13) отображается состояние технологических параметров котлов, по средствам иконок отображается состояние горелок (в ожидании, малое горение, большое горение, неисправность).

Переход к уставкам котлов возможно осуществить нажатием в область нужного котла.

На рисунке 3.14 изображен экран уставок первого котла, экраны уставок второго и третьего котла аналогичны. Ввод уставки осуществляется по средствам нажатия на соответствующее поле ввода, затем на возникшей экранной клавиатуре, вводится числовое значение уставки.

Рисунок 3.12 - Экран «Общая схема»

Рисунок 3.13 - Экран «Котлы»



Рисунок 3.14 - Экран «Уставки котлов»

На рисунке 3.15 изображен экран «насосы», на котором отображаются и задаются настройки ПИД-регулятора и отображается частота вращения двигателя насоса.

Рисунок 3.15 - Экран «Насосы»

Ввод настроек осуществляется по средствам нажатия на соответствующее поле ввода, затем, на возникшей экранной клавиатуре, вводится числовое значение настройки.

На рисунке 3.16 изображен экран «Уставки», на котором отображаются и задаются общие уставки по котельной, для перемещения по списку уставок необходимо использовать кнопки-стрелки расположенные в правой части экрана.

Ввод уставок осуществляется по средствам нажатия на соответствующее поле ввода, затем на возникшей экранной клавиатуре, вводится числовое значение уставки.

Рисунок 3.16 - Экран «Уставки»

На рисунке 3.17 изображен экран блокировок и аварийных сообщений, при возникновении аварийного сообщение оно отображается в виде строки содержащей поля порядковый номер сообщения, время, дата и статус сообщения.



Рисунок 3.17 - Экран «блокировки»

Статус может быть С - возникновение, CK - сообщение квитировано, CD - причина устранена. Для получения более подробной информации необходимо нажать кнопку инфо, расположенную в нижнем левом углу экрана, для квитирования сообщения необходимо выделить нужное сообщение и нажать кнопку квитировать, расположенную в нижнем правом углу экрана.

3.7.5 Привилегии пользователей

Для работы с панелью оператора предусмотрено три типа пользователей:

- Master - начальник котельной;

- Adm - наладчик;

- Operator - оператор.

Каждый из пользователей имеет свои права доступа к функциям автоматизированной системы, при этом при попытке обращения к функциям не доступным для данного пользователя возникает окно авторизации.

При этом наладчик (Adm) имеет наивысший уровень доступа к функциям системы и ему доступны абсолютно все функции, за исключением «пороговая температура наружного воздуха», на экране «Уставки».

Начальнику котельной (Master) доступны абсолютно все функции системы.

Оператору (Operator) доступны только в режиме чтения следующие функции АРМ котельной станции:

- пороговая температура наружного воздуха;

- нижний порог рабочего интервала первого контура;

- верхний порог рабочего интервала первого контура;

- время ожидания котлового контура;

- разница времени наработки котлов 1 и 2 для переназначения с целью выравнивания наработки;

- разница времени наработки насосов 3 и 4 для переназначения с целью выравнивания наработки;

- время повторной попытки запуска сетевого насоса;

- время работы вентилятора;

- время ожидания пароля.

А также оператору не доступен экран «Котлы» и переход в ручной режим.

3.7.6 Архив

Экран «Архивы» логически разделяется на три части: «Дискретные входные сигналы», «Дискретные выходные сигналы», «Аналоговые сигналы». Переход в каждую из частей осуществляется соответствующими кнопками (рисунок 3.18).



Рисунок 3.18 - Экран «Архивы»

На рисунке 3.19 изображен архив аналоговых значений, где отображаются 10 последних значений аналоговой переменной «Котельная температура обратки», занесенных в архив.

Рисунок 3.19 - Экран «Архив аналоговых значений»

Переход к другим переменным осуществляется по средствам кнопок горизонтальной прокрутки, а для просмотра более ранних значений переменной необходимо использовать кнопки вертикальной прокрутки.

Архивные значения хранятся в количестве, согласно установленному пределу и при достижении лимита перезаписываются, начиная с самого старого.

3.8 Выбор датчика загазованности воздушной среды

Котельная представляет собой закрытое помещение с высокой температурой поверхности котла, водопроводов, паропроводов. Топливом для котла служит природный газ метан. Для обеспечения безопасности необходим контроль довзрывоопасной концентрации газа, который обеспечивается сигнализирующим прибором Polytron IR - Тип 334 в зоне над газовыми блоками котлов [5]. Внешний вид датчика Polytron IR - Тип 334 показан на рисунке 3.20.

Рисунок 3.20 - Внешний вид датчика Polytron IR - Тип 334

В инфракрасном датчике газов фирмы Drager используются самые современные технологии. Они отличаются высокой надежностью даже в суровых условиях эксплуатации и обладают гибкими возможностями настройки. Постоянное самотестирование обеспечивает высокую отказоустойчивость.

Газоизмерительная головка Polytron IR является датчиком, работающим на принципе поглощения инфракрасного излучения. Polytron IR предназначен для стационарного непрерывного контроля концентрации взрывоопасных газов и паров, содержащих углеводороды, в окружающем воздухе. Измерительный диапазон от 0 до 100 % НПВ. Головку можно настроить для измерения различных газов и паров.

Преимущества Polytron IR:

- стабильность сигнала;

- универсальные возможности настройки;

- оптимальная чувствительность к типичным углеводородам;

- надёжная работа в диапазоне температур от минус 55 до плюс 65 ^оС; устойчивость к ВЧ помехам;

- международная сертификация взрывозащиты;

- аналоговый выходной сигнал 4 - 20 мА для измеряемых значений, двунаправленные интерфейсы RS 485 и HART для настройки измерительной головки и измерения;

- корпус из нержавеющей стали 316;

- встроенный порт для ручного управляющего модуля;

- срок службы минимум до 15 лет;

- отсутствие эффектов отравления сенсора высокими концентрациями углеводородов и парами металлов.

Настройка и калибровка измерительной головки несложны и выполняются через меню с помощью ручного управляющего модуля.

В Polytron IR применяется революционная нефокусирующая оптическая система с двойной компенсацией, которая позволяет работать безотказно даже при загрязнении оптики, приводящем к ослаблению инфракрасного луча. В случае такой ситуации, измерительная головка переключится в резервный режим и выдаст специальный предупреждающий сигнал, при этом возвратится в режим измерения, как только концентрация газа превысит 15% НПВ.

Конструкция и принцип работы показан на рисунке 3.21.

Анализируемый окружающий воздух поступает в кювету в результате тепловых конвекционных потоков.



L1 - инфракрасный излучатель; L2 - внутренний излучатель; S - зеркало; D1 , D2 - детекторы

Рисунок 3.21 - Конструкция и принцип работы Polytron IR

Инфракрасный излучатель L1 генерирует широкополосный модулируемый луч (можно видеть мигание видимых компонент). Луч проходит через выходную апертуру и дважды пересекает кювету. Параллельное зеркало S отражает луч, направляя его на детекторы D1 и D2 в оптическом модуле. Для предотвращения конденсации атмосферной влаги кювета нагревается. На длинах волн, характерных для углеводородных компонент воздуха, поглощение ИК луча усиливается, и соответственно снижается сигнал на детекторе D1. Стабильность точки нуля обеспечивается наличием опорного детектора D2, который компенсирует влияние загрязнения зеркала и окна, а также колебания яркости инфракрасного излучателя.

Второй внутренний излучатель L2 компенсирует термический дрейф и старение детекторов или ламп. Совместное использование обоих способов компенсации обеспечивает максимальную стабильность.

4. Разработка программы автоматической работы водогрейной котельной в среде разработки STEP 7

В данном разделе рассматривается разработка программы автоматической работы водогрейной котельной в среде разработки STEP 7 [6].

STEP 7, дальнейшее развитие STEP 5, является программным обеспечением разработки программ для нового SIMATIC. С целью использования преимущества знакомого пользовательского интерфейса стандартных ПК (PC) (окна, операции с мышью) в качестве операционной системы выбрана Microsoft Windows 95/98 или WindowsXP.

Для структурного (блочного) программирования STEP 7 предоставляет языки программирования, соответствующие DIN EN 6.1131-3. К ним относятся STL (statement list - список операторов или список мнемоник; ассемблероподобный язык), LAD (ladder logic или ladder diagram - контактный план; представление, схожее с диаграммами релейной логики; многоступенчатая схема), FBD (function block diagram - диаграмма функциональных блоков или функциональный план) и пакет SCL (паскалеподобный язык высокого уровня), который является дополнительным и может не входить в стандартную поставку.

Несколько дополнительных пакетов предоставляют следующие языки: S7-GRAPH (последовательное управление), S7-HiGraph (программирование с диаграммами «состояние-переход») и CFC (соединение блоков; похож на диаграмму функциональных блоков).

Различные методы представления позволяют каждому пользователю выбрать подходяще описание функции управления. Такая широкая адаптируемость в представлении решаемой задачи управления значительно упрощает работу со STEP 7.

В данном проекте использовался язык программирования LAD.

С помощью LAD можно управлять обработкой программы (программным потоком) и разрабатывать структурированные программы. Наряду с циклической обработкой основной программы можно включить программные секции, управляемые событиями, а также повлиять на поведение контроллера при запуске и при возникновении событий-ошибок/сбоев.

4.1 Алгоритм работы котельной

4.1.1 Работа котлового контура

Температура в котловом контуре должна поддерживается в пределах 70-95°С, причем на входе котлов (при работающих котлах) температура не должна падать ниже C1_T02_min=60°С (C1_T02, поз. 26, см. рисунок 3.2), при этом срабатывает звуковая сигнализация (HORN). Это не считается аварийным режимом, но такая температура в котловом контуре нежелательна для горелки, котла и дымовой трубы. Также температура в котловом контуре не должна превышать C1_T02_max=110°С (C1_T02, поз. 26). Давление в котловом контуре контролируется и сигнализируется (HORN) верхний (C1_Р_max) и нижний (C1_Р_min) предел (C1_P, поз. 24). При достижении любым параметром своих предельных значений (уставок) это событие заносится в архив тревог. Горелки и котловые насосы в случае необходимости переводятся в ручной режим и управляются со щита посредством кнопок и переключателей.

Регулирование температуры котлового контура. Датчик температуры 4…20 мА (поз. 26) - контроллер - DO выходы управления горелками. Горелка имеет 2 управляющих входа. Контроллер разрешает пуск котла при отсутствии блокировок и запретов по алгоритму (блокировки и запреты представлены в разделе «Автоматизация»). Регулирование температуры котлового контура происходит включением или отключением котлов, а температуры на выходе котла - переключением ступеней (большое и малое горение) горелок. Если управление горелкой переведено кнопкой или тумблером с дверцы шкафа в «ручной» режим, то со свободных контактов тумблера на DI контроллера поступает соответствующий сигнал (B1BURN_HAND, B2BURN_HAND, B3BURN_HAND), включение/выключение горелки и переключение ступеней производится вручную персоналом посредством тумблеров на дверце шкафа. При этом контроллер не обрабатывает алгоритм управления горелкой.

Когда значение KY_T ниже KY_T_dat. Сначала включается горелка №1. Затем, через время (t1), при условии, что температура в котловом контуре (C1_T01, поз. 26) не поднялась до значения (C1_T01_1), включается горелка №2. Далее, если через время (t1) температура в котловом контуре (C1_T01, поз. 24) не достигла (C1_T01_1), включается горелка №3. При достижении температуры (C1_T01_2) горелки выключаются в обратной последовательности: выключается горелка №3, затем, по истечении времени (t1), если температура (C1_T01, поз. 24) все еще выше (C1_T01_2), выключается горелка №2, далее по истечении времени (t1) если температура (C1_T01, датчик поз. 26) все еще выше (C1_T01_2), выключается горелка №1. (C1_T01_2) на несколько градусов выше (C1_T01_1). Для примера C1_T01_2- 95°С и C1_T01_1- 90°С. Горелки №1 и №2 переназначаются через время (t2) для выравнивания времени наработки.

Переключение ступеней котлов. Датчики температуры 4…20 мА (поз. 16, 18, 20) - контроллер - DO выходы управления горелками - перекидывающийся контакт на горелках. Сразу после запуска горелка работает на «малом горении» (для первого котла сигнал DO B1BURN_LOW не подан), затем, через время (t3) при условии, что температура в котле B1OUT_T (B2OUT_T, B3OUT_T) (датчик поз. 16, 18, 20) не поднялась до значения (BOUT_T_1), горелка переводится на «большое горение» (для первого котла замкнут сигнал DO B1BURN_HI подан). При достижении температуры в котле B1OUT_T(B2OUT_T, B3OUT_T) (поз. 16, 18, 20) значения (BOUT_T_2) горелка переводится на «малое горение» (сигнал DO B1BURN_HI снимается). Далее, если температура упадет ниже (BOUT_T_1), снова включается большое горение. Каждое следующее переключение с режима на режим происходит не ранее, чем через время (t3). (BOUT_T_2) на несколько градусов выше (BOUT_T_1). (BOUT_T_1) и (BOUT_T_2) образуют температурную зону воды на выходе котла, находясь внутри которой состояние горелки не меняется.

Работа котловых насосов. Контроллер подает DO сигнал на пуск насосов (B1P_ON, B2P_ON, B3P_ON) в случае, если работает котел (не блокирован, запущен, и работает на первой или второй ступени), или температура в котле (B1OUT_T, B2OUT_T, B3OUT_T, датчики поз. 16, 18, 20) не ниже заданной (BOUT_T_3). При аварийном снижении давления на выходе котла (B1OUT_P, B2OUT_P, B3OUT_P, датчики поз. 4, 6, 8) ниже BOUT_P_1 что означает утечку, вместе с остановкой соответствующей горелки останавливается котловой насос.

4.1.2 Работа контура теплообменников

Работа насосов контура теплообменников (на ЧРП). В автоматическом режиме включаются если работает хотя бы один котел (B1BURN_OK, B2BURN_OK, B3BURN_OK) и не выключаются после остановки котлов, пока температура теплоносителя (C1_T02, датчик поз. 26) не упадет до заданного значения (C1_T02_1). Насосы работают по очереди, при необходимости в паре. Переключение в ручной режим и работу на ЧРП в ручном режиме нужно обсудить отдельно.

Регулирование температуры теплоносителя. Датчик температуры воды на выход в теплосеть 4…20 мА (поз. 26) и датчик давления воды на выход в теплосеть 4…20 мА (поз. 24) - контроллер (ПИД-регулятор) - ЧРП - насосы контура теплообменников. Сигналы с датчиков KOUT_T (поз. 17) и (поз. 31) поступают на AI контроллера. В контроллере будут сохранены несколько вариантов зависимости температуры подачи теплоносителя (KOUT_T_1, KOUT_T_2, KOUT_T_3) от температуры наружного воздуха (KY_T). ПИД-регулятор, реализованный программно в контроллере, вычисляет управляющее воздействие опираясь на разницу между высчитанной по выбранному на этот момент оператором или наладчиком графику (KOUT_T_1, KOUT_T_2, KOUT_T_3 …) и фактической (KOUT_T) температурами теплоносителя, и на параметры ПИД-регулятора, устанавливаемые экспериментально в процессе наладки. Это управляющее воздействие будет передаваться по внутренней шине на ЧРП и частотой вращения насоса (производительностью) будет достигаться плавное регулирование отбора тепла с котлового контура в контур теплообменников и дальше через пластинчатые теплообменники в теплотрассу. Ведется подсчет наработки моточасов и при достижении разницы суммарных наработок значения (t4) происходит плавное переключение для выравнивания моточасов.

4.1.3 Работа контура теплотрассы

Работа сетевых насосов. Отключение сетевых насосов - крайне нежелательная в отопительный период ситуация, так как при этом можно заморозить теплотрассу. Поэтому аварийных ситуаций, при которых контроллер подает сигнал на отключение сразу обоих насосов, нет. В алгоритме следует прописать, что всегда должен работать хотя бы один сетевой насос. Однако несмотря на это, каждый сетевой насос получает управляющие сигналы с контроллера DO на пуск (P3_ON, P4_ON). Насосы работают по очереди, если оба исправны, причем идет подсчет наработки, при достижении разницы суммарных наработок значения (t4) происходит плавное переключение для выравнивания моточасов. Схема управления и сигнализации состояния сетевых насосов такая же, как и у котловых насосов.

Регулирование давления. При повышении давления KIN_P (поз. 24) выше заданного (KIN_P_max) контроллер выдает сигнал DO «открыть клапан снижения давления» (VSPD_ON), включается звуковая сигнализация (HORN), и работают пока давление не снизится до заданного (KIN_P_1). При понижении давления функции регулирования выполняются станцией повышения давления (СПД), автономной блочного исполнения, комплектно со своим датчиками, управляющим модулем и приводами насосов.

4.1.4 Вспомогательные функции

Работа вентилятора. Вентилятор включается (FAN_ON) по второму порогу датчика СО (DI контроллера сигнал CO_A_02) и пока не снимется сигнал, или при открытии входной двери (DI контроллера сигнал DOPEN_A) на время (t6). При срабатывании пожарной сигнализации (DI контроллера сигнал FIRE_A) запрет на включение вентилятора имеет наивысший приоритет.

Несанкционированный доступ. На входной двери котельной установлен датчик состояния с дискретным выходом, который дает на DI контроллера сигнал DOPEN_A. При получении этого сигнала включается вентилятор, и контроллер переходит в состояние ожидания ввода пароля нижнего уровня (пароль оператора). Если в течении заданного времени (t 7) пароль не введен, то фиксируется несанкционированный доступ. В точности такой же алгоритм реализован на открытие дверцы шкафа автоматики который дает на DI контроллера сигнал DBoxOpn_A, только по паролю высшего уровня доступа (сервисный пароль) и без включения вентилятора.

Клапан-отсекатель основного газа (на входе в котельную). С DO контроллера поступает сигнал GCL_OPEN если исправны и не в сработке датчики СО, СН, если нет сигнала «пожар». На DI контроллера возвращается дискретный сигнал о состоянии клапана GCL_ON.

Затопление пола. На DI контроллера поступает сигнал WATER_A, звучит сирена.

Подпиточная емкость. Уровень контролируется сигналом KT_L, поступающим на AI контроллера. Персоналом задаются 4 уставки: KT_L_1 < KT_L_2 < KT_L_3 < KT_L_4. При достижении уровня KT_L_2 контроллер выдает DO на VXBO_ON открытие клапана и происходит заполнение емкости. При достижении уровня KT_L_3 контроллер снимает DO на VXBO_ON и клапан закрывается. При достижении уровня KY_L_1 включается сирена, и не отключается пока не достигнет KT_L_2. При достижении уровня KY_L_4 включается сирена, и не отключается пока не достигнет KT_L_3.

4.2 Разработка моделей управления

4.2.1 Автоматический режим работы котлов

Если значение KY_T выше KY_T_dat, то работает горелка №3. Если значение KY_T ниже KY_T_dat, то сначала включается горелка №1. Затем, через время (t1), при условии, что температура в котловом контуре (C1_T01, поз. 26) не поднялась до значения (C1_T01_1), включается горелка №2. Далее, если через время (t1) температура в котловом контуре (C1_T01, поз. 26) не достигла (C1_T01_1), включается горелка №3. При достижении температуры (C1_T01_2) горелки выключаются в обратной последовательности: выключается горелка №3, затем, по истечении времени (t1), если температура (C1_T01, поз. 24) все еще выше (C1_T01_2), выключается горелка №2, далее по истечении времени (t1) если температура (C1_T01, датчик поз. 26) все еще выше (C1_T01_2), выключается горелка №1. (C1_T01_2) на несколько градусов выше (C1_T01_1). Для примера C1_T01_2- 95°С и C1_T01_1- 90°С. Горелки №1 и №2 переназначаются через время (t2) для выравнивания времени наработки.

Описание блок-схемы автоматического режима.

Сначала проверяется условие того, что температура в котловом контуре ниже верхнего порогового значения, об этом говорят меркеры M4.7=1 и M4.6=0. Меркер M21.0=0 означает, что отсутствуют блокировки и запреты на пуск котлов. Также проверяется состояние ручного режима и аварийного останова. Последнему соответствуют сигналы PUMP_HAND=0 и ALARM_STOP=1.

Далее проверяется условие того, что температура в котловом контуре ниже нижнего порогового значения, об этом говорит меркер M3.1=1. Если условие не выполняется это говорит о том, что температура еще не упала до того значения, когда следует включать котлы. А так как в это время может работать какой-нибудь из котлов, то проверяется работоспособность(M17.4=1, M17.5=0, M17.6=0 или M17.5=1, M17.4=0, m17.6=0) и дальнейшее его переключение (M17.4=1, M17.5=0, B2BURN_ON=0 или M17.4=0, M17.5=1, B1BURN_ON=0), в связи с наработкой моточасов (master_burn1=1 или master_burn1=1). Если условие M3.1=1 выполняется, проверяется температура окружающей среды. Если она выше заданного значения (M7.5=1), то в работу вступает горелка только третьего котла. Как только температура упадет ниже заданного значения(M7.5=0), горелка третьего котла отключится. Затем проверяются внутренние меркеры M0.1, M0.2 и M0.3. M0.1=1 означает, что работает только первая горелка, M0.2=1 - только вторая горелка, M0.3=1 - первая и вторая горелка вместе. Меркер M0.0=1 означает, что ни одна горелка не в работе. Если меркеры M0.1=1 или M0.2=1, то включаются горелки второго или третьего котлов соответственно, после чего в работу вступает таймер, по завершению отсчета которого и значении меркера M3.0=0 загорается горелка третьего котла. Если меркеры M0.1=1 и M0.2=1, то включается горелка третьего котла и все три горелки работают одновременно.

Если M0.0=1, то изначально проверяется какая из горелок является мастером на данный момент. Если muster_burn1=1, то включается горелка первого котла (M17.4=1) и таймер на последующее включение горелки второго или третьего котлов (T20=1) при нулевом меркере M3.0. При M17.5=0, включается горелка второго котла (M17.5=1), в противном случае - горелка третьего котла (M17.6=1). Если muster_burn1=0, то включается горелка второго котла (M17.5=1) и таймер на последующее включение горелки первого или третьего котлов (T21=1) при нулевом меркере M3.0. При M17.4=0, включается горелка второго котла (M17.4=1), в противном случае - горелка третьего котла (M17.6=1). Также постоянно проверяется какая из горелок является мастером и в случае работы горелки одного из котлов происходит переключение на другой котел (M17.4=1, M17.5=0, B2BURN_ON=0 или M17.4=0, M17.5=1, B1BURN_ON=0), в связи с наработкой моточасов.

Блок-схема автоматического режима работы котлов изображена на рисунке 4.2.

4.2.2 Повышение температуры внутри котельной

При повышении температуры внутри котельной (KR_T, поз. 32) выше (KR_T_4) происходит отключение всех трех горелок котлов, DO контроллера «пуск горелки» (B1BURN_ON=0, B2BURN_ON=0, B3BURN_ON=0) не замыкается до тех пор, пока не будут устранены причины блокировки и не сняты в меню «свойства котла» флажки «котел заблокирован» (B1BLOCK=0, B2BLOCK=0, B3BLOCK=0), и температура внутри котельной не понизится до заданной (KR_T_3). При этом звучит сирена и работает световая сигнализация (рисунок 4.3).

4.2.3 Неисправность датчика давления газа на входе в котельную

При неисправности датчика давления газа на входе в котельную (сигнал ниже 4 мА или выше 20 мА) программно происходит запрет на пуск котлов. При этом котлы не запускаются, DO контроллера «пуск горелки» (B1BURN_ON=0, B2BURN_ON=0, B3BURN_ON=0) не замыкается до тех пор, пока есть запрет. Как только запрет снимется (неважно как, самостоятельно или с участием персонала), контроллер может замкнуть DO «пуск горелки» (B1BURN_ON=1, B2BURN_ON=1, B3BURN_ON=1). Флажки «котел заблокирован» не появляются. Звучит сирена и работает световая сигнализация (рисунок 4.4).



Рисунок 4.2 - Блок-схема автоматического режима



Рисунок 4.3 - Блок-схема «Повышение температуры внутри котельной»

Рисунок 4.4 - Блок-схема «Неисправность датчика давления газа на входе в котельную»

5. Охрана труда и техника безопасности автоматизации котельной

В данном дипломном проекте рассматривается водогрейная котельная, которая предназначена для теплоснабжения системы отопления в автоматическом режиме.

5.1 Характеристика процесса

Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной, являются:

- процесс горения топлива;

- процесс теплообмена между продуктами сгорания или самим горящим топливом с водой;

- процесс нагрева воды.

Топливом для котельной является природный газ.

Оптимальный режим, благоприятный для оборудования, при котором достигается наивысший КПД, создается, если в котловом контуре поддерживается температура около 90-95 °С. Рабочее давление в котловом контуре - 0,35 МПа, в контуре теплотрассы - 0,5 МПа.

5.2 Пожарная безопасность

Во время работы котельной могут произойти утечки газа из трубопроводов, а также взрыв в топке котла, что может привести к пожару в котельной, травмам и отравление угарным газом обслуживающего персонала. Поэтому помещение котельной классифицируется как помещение категории Г по НПБ 105-03 «Определение категорий помещения, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности», класс взрывоопасной зоны - В-1а [7]. Обеспечение пожаробезопасности должно осуществляться в соответствии со следующими документами:

- ВППБ-01-04-98 «Правила пожарной безопасности для предприятий и организаций в газовой промышленности»;

- ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования»;

- ВППБ-01-04-99 «Правила пожарной безопасности в Российской Федерации»;

- НПБ 105-03 «Определение категорий помещения, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности».

Для этого необходимо:

- все кабели и провода, подходящие к щитам управления, проложить в металлических защищенных кожухах и трубах;

- внедрить системы контроля, защиты и регулирования пожароопасных параметров температуры, давления, утечки газа;

- аппаратуру разместить в отдельных шкафах;

- использовать молниеотводы;

- помещение операторской оборудовать автоматической пожарной сигнализацией на основе тепловых пожарных извещателей.

5.3 Электробезопасность

5.3.1 Защита от электрического тока

Внутри котельной расположено электрооборудование, неправильная эксплуатация которого может привести к поражению персонала электрическим током. Для предотвращения поражения обслуживающего персонала от действия электрического тока, согласно ГОСТ 12.1.030-81 (2001) «Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление», необходимо предусмотреть заземляющее устройство, сопротивление которого должно быть не более 4 Ом и заземлить все металлические и электропроводные неметаллические части технологического оборудования.

5.3.2 Молниезащита

Ввиду того, что здание котельной относится к классу взрывопожароопасности Г, для защиты его от попадания молнии необходимо выполнить мероприятия по молниезащите в соответствии с СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» [12]. Комплекс средств молниезащиты зданий или сооружений включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии - внешняя молниезащитная система (МЗС) и устройства защиты от вторичных воздействий молний - внутренняя МЗС. В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства. В общем случае часть токов молнии протекает по элементам внутренней молниезащиты.

Внешняя МЗС может быть изолированна от сооружения (отдельно стоящие молниеотводы - стержневые или тросовые, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов), или может быть установлена на защищаемом сооружении и даже может быть его частью.

Внутренние устройства молниезащиты предназначены для ограничения электромагнитных воздействий тока молнии и предотвращения искрений внутри защищаемого объекта.

Токи молнии, попадающие в молниеприемники, отводятся в заземлитель через систему токотводов (спусков) и растекаются в земле. Молниеприемники могут быть специально установленными, в том числе на объекте, либо их функции выполняют конструктивные элементы защищаемого объекта; в последнем случае они называются естественными молдниеприемниками.

Молниеприемники могут состоять из произвольной комбинации следующих элементов: стержней, натянутых проводов, сетчатых проводников. Молниеприемники и токоотводы жестко закрепляются так, чтобы исключить любой разрыв под действие электромагнитных сил или механических воздействий.

5.4 Освещение

Освещение котельной должно соответствовать СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение» [13]. Освещение помещений котельной искусственное.

Электроосвещение должно включать в себя следующие функциональные группы:

- рабочее и аварийное освещение котельного зала взрывозащищенными светильниками;

- рабочее и аварийное освещение помещения оператора люминесцентными лампами;

- ремонтное освещение от ящика с понизительным трансформатором 220/12 В при помощи переносного светильника;

- местное освещение настенными светильниками с лампами накаливания с наружной и внутренней стороны здания над входными дверями.

5.5 Вентиляция

Для обеспечения безопасных условий труда обслуживающего персонала в помещении котельной необходимо предусмотреть приточно-вытяжную вентиляция: кратность воздухообмена выбирается таким образом, чтобы концентрация вредных газов и паров не превышала ПДК. Так же вентиляция препятствует возникновению вызрывоопасных и горючих смесей с воздухом, концентрация которых в воздухе между нижним концентрационным пределом распространения пламени и верхним концентрационным пределом распространения пламени приводит к образованию взрывоопасной смеси.

Кратность воздухообмена в соответствие с ВСН 21-77 «Инструкция по проектированию отопления и вентиляции нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий» для помещения операторной должна быть 5-7 [14].

Необходимый воздухообмен в помещении необходимо обеспечивать за счёт действия естественной и приточно-вытяжной вентиляции.

5.6 3ащита от шума и вибрации

В котельной имеется такое технологическое оборудование как насосы, которые при работе создают шум и вибрацию. Допустимый уровень параметра шума на постоянном рабочем месте определен санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562-93 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территориях жилой застройки» и не должен превышать предельно-допустимого (80 децибел) [15]. С целью уменьшения шума принять следующие меры:

- основание фундамента виброактивного оборудования сделать массивным;

- предусмотреть изоляцию фундамента виброактивного оборудования от несущих конструкций и инженерных коммуникаций;

- вибрирующие поверхности покрыть материалом с большим внутренним трением (резина, пробка);

- применять звукопоглощающие и звукоизолирующие материалы;

- использовать специальные кожухи на приводах компрессоров и насосов и других механизмов, создающих шум и вибрацию;

- применять виброзадерживающие вставки.

5.7 Охрана окружающей среды

При работе котельной на газе в атмосферу поступают CO и СО₂. Образование СО объясняется недостатком кислорода в зоне горения. Для уменьшения данного выброса необходимо сбалансировать подачу кислорода в топке. Также для этой цели можно использовать катализаторы дозжига перед входом в дымовую трубу.

5.8 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

Устойчивость работы объекта - это его способность в условиях чрезвычайных ситуации производить продукцию в запланированном объеме и номенклатуре, а при получении слабых и частично средних разрушений восстановить свое производство в минимальные сроки. Основными факторами, от которых зависит устойчивость работы объекта, являются:

- надежность защиты работающего персонала;

- подготовленность персонала и непрерывность управления производственным процессом объекта;

- прочности инженерно-технического комплекса, то есть способности противостоять различным поражающим факторам;

- материально-техническое снабжение объекта;

- готовность объекта к восстановлению производства.

При анализе системы материально-технического снабжения объекта определяется зависимость производства от своевременных поставок сырья, деталей и комплектующих изделий, без которых не возможна нормальная работа объекта.

Повышение устойчивости работы объекта в чрезвычайных ситуациях заключается в заблаговременной разработке и осуществление комплекса мероприятий, направленных на предотвращение аварий и катастроф, на снижение возможных потерь и разрушений, на создание условий для восстановления нарушенных функций, на обеспечение жизнедеятельности населения, рабочих и служащих.

Котельная имеет высокую степень опасности. Это связано с возможностью загазовывания помещения, взрыва и пожара; возможно отравление. В котельной используется природный газ, который опасен из-за своей токсичности и возможности образовывать вторичные поражающие факторы.

К вторичным поражающим факторам относятся взрывы, пожары, разломы повреждённых конструкций зданий, возникающие в результате разрушений и пожаров.

Оценку поражающего воздействия необходимо проводить в следующем порядке:

- установить вид вторичного поражающего фактора и радиус его действия;

- исходя из особенностей производства, определить возможные внешние поражающие факторы;

- установить время начала действия и продолжительность действия вторичного фактора;

- определить необходимые мероприятия по предотвращению и устранению воздействий поражающих факторов.

Службам РСЧС и ГО ЧС в целях обеспечения безопасности в ЧС необходимо провести следующие мероприятия:

- составить ПЛАС (план ликвидации аварийных ситуаций);

- предусмотреть использование коллективных средств защиты (убежища и т.д.);

- обеспечить возможность эвакуации при угрозе взрыва (эвакуационные пункты, питание и т.д.).

5.9 Расчет молниезащиты котла

В соответствии с назначением зданий и сооружений и их категорией выполнена молния защита с использованием стержневых и тросовых молниеотводов. Расчет молния защиты будем проводить для котла (высота - 25 м). Необходимо защитить дымовую трубу котла, от прямого попадания молнии. Молниезащиту необходимо произвести одним стержневым молниеотводом с минимально допустимым уровнем надежности защиты от прямых ударов молнии равным 0,9. Этот молниеотвод образует зону защиты, отображенную на рисунке 5.9.

Оценка среднегодовой продолжительности гроз и ожидаемого количества поражений молнией зданий или сооружений производится по СО 153-34.21.122-2003.

Данные для расчета молния защиты:

- труба дымовая;

- высота h₀ - 25 м;

- диаметр верхнего основания трубы - 1 м.

h = h_тр + 1,0 = 26 м.

Согласно СО 153-34.21.122-2003 «Инструкции по устройству молния защиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» среднегодовая продолжительность гроз в часах в произвольном пункте на территории России определяется, либо по утвержденным для некоторых областей России региональным картам продолжительности гроз, либо по средним многолетним (порядка 10 лет) данным метеостанции, ближайшей от места нахождения здания или сооружения.



Рисунок 5.1 - Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Среднегодовое число ударов молнии n = 4 при среднегодовой продолжительности. Подсчет ожидаемого количества поражений молнией в год, для зданий и сооружений прямоугольной формы, производится по формуле

N = 9 * ? * h₀² * n * 10^-6, (5.1)

где h₀ - высота здания или сооружения, м;

n - среднегодовое число ударов молнии в 1 км² земной поверхности (удельная плотность ударов молнии в землю) в месте нахождения здания или сооружении.

Среднегодовое число ударов молнии n = 4 при среднегодовой продолжительности гроз 40 - 60 ч, согласно СО 153-34.21.122-2003.

N = 9 * 3,14 * 25² * 4 * 10^-6 = 0,07.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h, представляет собой круговой конус, вершина которого находится на высоте h₀<h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом r₀. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения h_x представляет собой круг радиусом r_x.

Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов имеют следующие габариты

h₀ = 0,85 * h, (5.2)

r₀ = 1,2 * h. (5.3)

Высота одиночного стержневого молниеотвода определяется по формуле

h = h₀ / 0,85, (5.4)

где h₀ - высота защищаемого объекта от уровня земли; h₀ - 25м;

h = 29,4 м,

r₀ = 1,2 * 30 = 36 м.

Высота молниеотвода принимается равным 30 м.

Так как молниеотвод располагается на вышке, то его высота h_м будет равна:

h_м = 30 - 25 = 5 м.

Данные расчета показывают, что размеры требуемой границы защиты меньше размеров защитной зоны одиночного стержневого молниеотвода высотой 30 м.

Опоры стержневых молниеотводов должны быть рассчитаны на механическую прочность как свободно стоящие конструкции.

Молниеприемники должны быть изготовлены из стали любой марки сечением не менее 100 мм и защищены от коррозии оцинкованием, лужением или покраской. Соединение молниеприемников с токоотводами и токоотводов с заземлителями должны выполняться сваркой, а при недопустимости огневых работ разрешается выполнение болтовых соединений с переходным сопротивлением не более 0,05 Ом при обязательном ежегодном контроле последнего перед началом грозового сезона.

6. Оценка экономической эффективности

В данном разделе дипломного проекта необходимо определить экономический эффект и срок окупаемости от внедрения программно-технического комплекса (ПТК) управления Simatic S7 фирмы Siemens и от замены датчиков температуры и давления, благодаря чему увеличивается время наработки на отказ и межремонтный пробег, что сокращает дополнительные затраты на ремонт [3].

План повышения экономической эффективности является одним из важнейших разделов годового плана. В нем намечаются конкретные пути и способы решения всей совокупности экономических задач, которые поставлены на планируемый год, обосновывается возможность выполнения плановых заданий.

В настоящем разделе приводится экономическое обоснование внедрения нового ПТК и оборудования. Для проведения экономического анализа необходимо посчитать капитальные затраты, стоимость работ на установку и стоимость дополнительно полученной продукции. Далее мы можем определить эффективность внедрения и тем самым доказать необходимость замены ПТК и оборудования.

В качестве показателя результативности внедрения используется экономическая эффективность. Экономический эффект может быть двух видов - прямой и косвенный.

Прямой экономический эффект образуется за счет экономии эксплуатационных расходов, увеличения выпуска продукции, повышения качества продукции.

Косвенный экономический эффект образуется в результате повышения качества информации о процессе, повышения качества управления.

6.1 Определение себестоимости программного продукта

Себестоимость рассчитывается как сумма затрат на создание программного продукта:

- зарплату инженера-разработчика;

- отчисления на социальные нужды;

- стоимость основных материалов;

- расходы по эксплуатации ЭВМ;

- арендная плата;

- накладные расходы.

6.1.1 Зарплата инженера-разработчика

В процессе разработки участвовал один инженер. Оклад составляет 15 тысяч рублей. На разработку программного обеспечения контроллера потребовалось 2 месяца.

Основная заработная плата определяется как произведение трудоемкости выполнения каждого этапа (вида работ) в человеко-днях, переведенных в человеко-месяцы, и величины месячного должностного оклада исполнителя.

Оплата труда = 2 * 15000 = 30000 р.

Общий фонд заработной платы определяется по формуле:

Ф_ЗП = (З_Ч * Т_РАЗ) * К_УР * К_ДОП , (6.1)

где З_Ч - зарплата инженера-программиста за 1 час (получается при делении месячного оклада на месячный фонд рабочего времени), р.;

Т_РАЗ - затраты времени разработчика (трудоемкость), час;

К_УР - районный коэффициент 1,15;

К_ДОП - коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату = 1,1.

Зч = 15000 / (20 * 8) = 93,75 руб/ч.

Ф_зп = (93,75 * 320) * 1,15 * 1,1=37950 р.

Отчисления на социальные нужды Н_ЕСН составляют 26,2 % от фонда зарплаты Фзп:

ОСН = Ф_ЗП * Н_ЕСН = 37950 * 0,262 = 9942,9 р. (6.2)

6.1.2 Стоимость основных материалов

В стоимость основных материалов С_М входят расходы на бумагу, диски, тонер, электроэнергия. Материальные затраты представлены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Материальные затраты

Наименование материалов	Расходы, р.
Бумага 1000 листов	1200
Диски 10 шт.	150
Тонер для принтера	500
Электроэнергия	400
ИТОГО	2350

6.1.3 Расходы на эксплуатацию ПК

Расходы на эксплуатацию ПК подсчитываются по формуле:

С_ПК=С_ЭЛ* Т_ПК * N_ПК, (6.3)

где С_ЭЛ - себестоимость одного часа электроэнергии ПК, р.;

Т_ПК - машинное время, ч;

N_ПК - количество используемых машин;

С_ЭЛ - стоимость 1 кВт/ч * (мощность ПК + мощность периферийных устройств + мощность осветительных приборов) = 1,26 р. * (ПК 0,4 кВт + 1 принтер * 0,2 кВт + 5 лампочек * 0,1 кВт) = 1,26 р.*1,1=1,386 р.

С_ПК = 1,386 * 320 * 1 = 443,52 р.

Для разработки программного продукта использовался компьютер Pentium 4 со всеми необходимыми периферийными устройствами с общей стоимостью 30 тыс.р. Также использовались лицензионные программные продукты: MS Office XP 2003 2,3 тыс. р.

MS Windows XP 4 тыс. р.

Simatic STEP7 38,8 тыс.р.

WinCC flexible 36,6 тыс.р.

Итого 81,7 тыс. р.

6.1.4 Амортизационные отчисления

Расчет амортизационных отчислений ведется следующим образом:

- норма амортизационных отчислений Н_АМ для ПК составляет 20 - 25 % от балансовой стоимости ПК:

АО_ПК = С_Б * Н_АМ*Т_РАЗР/12; (6.4)

АО_ПК = 30*0,2*2/12=1 тыс. р.

- амортизация нематериальных активов (НМА) (амортизационные отчисления с программного обеспечения, включенного в состав НМА, т.е. ранее купленные или разработанные программы).

Норма амортизационных отчислений Н_АМ2 составляет от 10% до 40%.

АО_НМА = С_НМА Н_АМ2* Т_раз/12, (6.5)

где С_НМА - стоимость использованных программных средств.

АО_НМА = 81,7 *0,15*2/12= 12,51 тыс. р.

АО = АО_ПК + АО_ПС. (6.6)

АО = 1 тыс. р. + 12,51 тыс. р. =13,51 тыс. р.

Накладные расходы Сн составляют 60 - 80 % от фонда оплаты труда Фзп:

С_н = 0,7 * Ф_зп = 0,7 * 37950 = 26565 р. (6.7)

Стоимость одного часа аренды помещения:

С_АРЧ = С_АРГ * П / (365 * Ч_РАБ ), (6.8)

где С_АРГ - стоимость годовой аренды 1 м²;

П - арендуемая площадь, равная м².

С_АРЧ = 3000 * 108 / (365 * 8) = 110,96 р.

Стоимость всего периода разработки программного продукта определяется следующим образом:

С_АР = С_АРЧ * Ч_Р = 110,96 * 320 = 35506,85 р.

Таким образом, себестоимость разработки программного продукта составляет:

С_разр=Ф_зп+ОСН+С_М+С_пк+С_АР+С_Н+АО, (6.9)

С_разр = 37950+9942,9+2350+443,52+35506,85+26565+13510 = 126268,2 р.

6.1.5 Определение цены программного продукта

Так как программа разрабатывалась для одного заказчика, то ее цену рассчитывают по формуле:

, (6.10)

где Н_ПРИБ - норма прибыли, составляющая 15-30 % от себестоимости разработки (в расчёте принята равной 20% от себестоимости разработки);