Porozmawiajmy o automatyce, część 1

Wstęp

Etap projektowania

Bazy, AKPiA i projekt elektryczny

Aby projektować i programować, konieczne jest

• Przeprowadzenie inwentaryzacji obiektu(jeśli to modernizacja),

• określenie typów pomiarów, zakresów,

• Specyfikacja urządzeń

• Projekt elektryczny uwzględniający zasilania i systemy automatyki.

Projektowanie algorytmów

Jest to kluczowy etap pracy „w biurze”. W zależności od firmy i jej wielkości projektować algorytmy może jedna osoba a implementować je inna. Jednak należy pamiętać nie można być świetnym programistą uruchomieniowcem bez bycia przynajmniej dobrym projektantem. Wielu młodych ludzi w trakcie i zaraz po studiach myśli „programowanie PLC to co chcę robić”. Odpowiedź na to może być tylko jedna, bloczki stawiać umie nawet małpa. Oczywiście są takie niuanse jak komunikacja czy pewne właściwości systemu, ale bez pojęcia o technologi jest się „tylko” gościem od klepania a tu nie ma pieniędzy.

Zasadniczo na tym etapie konieczne jest odpowiednie rozeznanie samej technologi i co więcej obiektu, aczkolwiek kwestia inwentaryzacji AKPiA(aparatura kontrolno pomiarowa i automatyki) może leżeć w gestii innej grupy. Jak poznać technologię na to są tylko dwie metody:

• Rozmowa z starszymi kolegami i przeglądanie starych projektów,

• Na podstawie doświadczenia z innych obiektów.

Niezależnie od tego na podstawie czego będziemy budować algorytm zawsze ważne jest utrzymywanie kontaktów z klientem i konsultacje z nim z dwóch powodów. Po pierwsze schlebiamy w ten sposób klientowi a po drugie zmniejszymy liczbę kłopotów podczas uruchomienia. Teraz czas na krótki wykład z technologi. Typów kotłów parowych jest parę, omówię najprostszy z nich w pobieżny sposób.

Grupa kotłów rusztowych to zazwyczaj jednostki od 10‑60 ton pary na godzinę. Jego konstrukcja jest najbardziej podobna do zwykłego kotła w piwnicy. Mamy ruszt który się obraca i przesuwa paliwo które podawane jest poprzez warstwownice(w skrócie wózek z węglem przesuwający się w tą i powrotem). Mamy wentylatory powietrza pierwotnego(WPP) które wdmuchują powietrze do kotła i wentylatory spalin(WS) które wyciągają spaliny. Dzięki czemu może dojść do spalania w kotle(w samej komorze spalania utrzymuje się podciśnienie -XX Pa). W skrócie tak wygląda układ spaliny-powietrze. Oczywiście układ jest bardziej skomplikowany są dodatkowe wentylatory, pomiary czy klapy itd. Ale ważny według mnie jest sam koncept.

Układ para woda. Kocioł parowy jak sama nazwa wskazuje produkuje parę. Do kotła(a raczej walczaka) za pomocą pomp zasilających (PZ) podajemy wodę (oczywiście nie sieciową a specjalnie przygotowaną przez SUW(stację uzdatniania wody)), która jest podgrzewana w głównym naczyniu w którym zachodzi proces parowania jest tzw. Walczak w skrócie to duży zbiornik gdzie dążymy do utrzymania 50% jego zalania. Dla tego typu jednostek zakresy ciśnień wahają się ale przyjmijmy że dla jednostki 50 t/h ciśnienie robocze to 6 MPa a wody na tłoczeniu pomp PZ to trochę więcej np. 6.8‑7.0 MPa(tu uwaga często trzyma się nie samą wartość 6.8 MPa a różnicę między ciśnieniem w walczaku a tłoczeniem).

Po odparowaniu para wędruje na stację redukcyjno-schładzającą gdzie ciśnienie jest redukowane a para schładzana i podawana na odbiory, tu uwaga w wypadku małych turbin parowych para pobierana jest sprzed stacji a sama stacja trzyma ciśnienie przed a nie za stacją. Nie musimy być tylko jedna stacja w takim układzie.

Para po wykonaniu swojej pracy np. podgrzaniu wody sieci ciepłowniczej skrapla się i wraca do zbiornika wody zasilającej(ZWZ) z którego wodę pobierają pompy PZ. Jeśli idzie o turbiny w tego typu układach są one prostsze niż na większych jednostkach w skrócie pobieraj parę i podają na łopatki turbiny, w zasadzie tu nie wyróżniamy stopni turbiny jak w większych jednostkach ani nie mamy stacji obejściowych. Para po oddaniu energi na łopatki, na wylocie ma oczywiście gorsze parametry ale możemy mówić o dwóch przypadkach wraca ona od razu do układu kotła np. na wymiennik ciepła CO(ciepło dla grzejników) i potem do ZWZ po  skropleniu, albo podawana jest na kolejną turbinę(jednak ten typ układu jest raczej popularny w fabrykach a nie w elektrociepłowniach).

Należy też mieć na uwadze że taki typ turbiny może zasadniczo działać w dwóch trybach:

• Regulacji ciśnienia,

• Regulacji mocy.

W skrócie w regulacji ciśnienia turbina reguluje ciśnienie przed turbiną np. zadaliśmy przed turbiną 5.9 MPa i otwiera ona tak zawory aby takie było ciśnienie na wlocie a moc oddawana do sieci jest wypadkowa. Ten tryb działania używany jest gdy układ nadrzędny kotła nie daje rady utrzymać ciśnienia w kotle(pary).

Regulacja mocy polega na zadaniu np. 9 MW i realizacji takiego obciążenia poprzez turbinę. Jednak w tym wypadku musi być sprawny układ nadrzędny kotła który będzie odpowiednio dostarczał paliwo, powietrze itd. Aby utrzymać w walczaku np. 6 MPa. Tylko w takich stałych warunkach regulacja mocy ma sens.

To na tyle teorii tego typu układy są bardziej skomplikowane bo mamy odżużlacze, wagi i inne rzeczy których nie wymieniłem.

Sam projekt musimy podzielić na dwie części:

• Układ sterowania,

• Układy automatycznej regulacji.

Układ sterowania to nic innego jak opis(graficzny nie tekstowy) jak powinny np. uruchamiać się pompy w zbiorniku skroplin. Tutaj musimy mieć na uwadze różne urządzenia i ich stany. Dla pomp wyróżnijmy następujące stany: Zezwolenie na załączenie/wyłączenie. Jeśli np. nie mamy odpowiedniego ciśnienia na ssaniu pompy nie wydajemy zgody na załączenie, zwyczajowo na wyłączenie mamy zawsze.

Automatyczne załączenie/wyłączenie. Jeśli przerzucimy pompę w tryb pracy automatycznej a nie ręcznej(sterowany przez człowieka) algorytm może sam wyłączyć lub załączyć pompę.

Załączenie/wyłączenie z zabezpieczeń. Możemy wyłączyć pompę z zabezpieczeń np. gdy nie ma odpowiedniego ciśnienia na ssaniu albo załączyć gdy zostanie przekroczony pewny próg poziomu w zbiorniku.

Dla zaworu wyróżnijmy następujące stany: Zezwolenie na otwarcie/zamknięcie. Jeśli np. temperatura przed zaworem jest zbyt wysoka nie pozawalamy go otworzyć.

Automatyczne zamknięcie/otwarcie. Jeśli przerzucimy zawór w tryb pracy automatycznej a nie ręcznej(sterowany przez człowieka) algorytm może sam zamknąć lub otworzyć zawór.

Zamknięcie/otwarcie z zabezpieczeń. Możemy zamknąć z zabezpieczeń np. gdy nie temperatura przed zaworem jest zbyt wysoka i chcemy ochronić układ poniżej.

Opis graficzny sprowadza się do wpisania w kolumnie odpowiednich nazw zmiennych analogowych/binarnych wypracowania konkretnej logiki i podania jej na stacyjkę obsługi napędu.

Co do układów automatycznej regulacji odpowiadają one za regulację np. poziomu wody w walczaku czy temperatury na wylocie stacji RS. Są to układy jedno lub wieloparametrowe(więcej niż jeden reg. PI(D) często kaskady). Rozpatrzmy prosty przykład Regulacji poziomu wody w naczyniu. Rysunek jest nieco uproszczony ponieważ wszystko zależy od przyjętych formatek w danej firmie.

Wz należy rozumieć jako wartość zadaną np. chcemy mieć w zbiorniku 100 mm. PT należy rozumieć jako element inercyjny 1‑rzędu który pozwoli nam wytłumić szumy w pomiarze poziomu wody.

Naśledzaj to rozkaz naśledzania wartości położenia zaworu a po co? Po ze gdy regulator nie działa jest w trybie ręcznym i operator zadaje pozycję to reg. PID musi wiedzieć od jakiej pozycji zacząć regulować a nie np. operator zadał 50% otwarcia dał w auto a on nagle zaczyna regulować od 25%.

FF czyli FeedForward to nic innego jak dodanie do wyjścia regulatora pewnej wartości, przydaje się w niektórych procesach gdy wiemy że za chwilę będzie konieczne gwałtowne otwarcie zaworu ale jeszcze nie widzimy tego na wartości regulowanej tzn. dodajemy paliwa do kotła, czyli dodajemy energii i woda zacznie bardziej parować z walczaka i załóżmy że zwiększenie prędkości obracania się rusztu o 1% to 0,2 do wyjścia regulatora poziomu. Spowoduje to większe otwarcie zaworu a co za tym idzie skompensuje zmianę, w przypadku małych zmian wpływ powinien być minimalny.

Sposób sterowania może być różny np. 4..20 mA(4mA-zawór 0%, 20mA-100%) albo trójstawny(otwórz-zamknij).

Kaskady regulatorów są najtrudniejsze do nastawy ze względu na dwa regulatory np. wtrysk wody na wylocie pary z kotła(do stacji RS) ma za zadanie utrzymać temperaturę zadaną np. 480 stopni. Ale nie możemy tego w taki prosty sposób zbudować ponieważ taki wtrysk nie znajduje się bezpośrednio na wylocie z kotła a raczej przed odpowiednim przegrzewaczem(miejsce w którym dodatkowo podgrzewamy parę przepuszczając ja jeszcze raz przez kocioł). W takim wypadku musimy skorzystać z dwóch temperatur za schładzaczem i za przegrzewaczem(tak naprawdę to już prawie wylot kotła). Temperatura za przegrzewaczem będzie podawana na górny regulator na który podajemy zadaną temperaturę na wylocie, wyjście regulatora to wartość zadana dla dolnego regulatora który reguluje temperaturę przed przegrzewaczem a za wtryskiem. W ten sposób regulując temperaturę przed przegrzewaczem regulujemy ją za nim.

Implementacja na etapie projektowania

• Tutaj programista musi określić wymagania:

• Oszacowanie ilości sygnałów,

• Systemu jaki ma zostać użyty

• Ilości modułów

• Topologi sieci i systemów współpracujących(np. Inne systemy DCS),

• Przeprowadzenie testów zaimplementowanego oprogramowania i uruchomionego w firmie systemu sterowników.

Na tym etapie specyfikuje się urządzenia które będą potrzebne dla układu sterowania a następnie na podstawie algorytmów implementuje, później w miarę możliwości przeprowadza się testy oczywiście w ograniczonym zakresie.

Tak naprawdę kluczowy jest wybór systemu, podzieliłbym go na trzy rodziny(w google grafika możecie wygoglować zrzuty ekranów):

• Zwykłe najbardziej prymitywne systemy typu Siemens S7 czy Modicon gdzie mamy dostęp do drabinki,FBD czy języka tekstowego. Mamy podstawowe bloczki(w zależności od producenta może być ich mniej lub więcej) resztę musimy dorabiać sami. Z mojego punktu widzenia tego typu systemy raczej widzę w systemach około kotłowych typu SUW(stacja uzdatniania wody) czy małych jednostkach. Jest to swego rodzaju dzierganie. Z takim systemem integrujemy osobno SCADE np. popularny Intouch.

• Półka wyżej to np. Siemens PCS7. To tak naprawdę nakładka na S7 gdzie mamy zmienioną filozofię działania, tutaj nie działamy na językach tekstowych a tylko na tzw. CFC wygląda to w ten sposób że z lewej strony okna mamy sygnały wejściowej a po prawej wyjściowe a pomiędzy nimi zawieramy naszą logikę. Tego typu system posiada więcej gotowych bloków szczególnie dedykowanych dla niektórych branż np. papiernictwo. Dodatkowo w przypadku PCS7 sztucznie zintegrowany mamy WINCC to znaczy znajduje się on w pakiecie ale nie nazwał bym tego ścisłą integracją jako taką.

• Duże systemy DCS przeznaczone dla dużych obiektów przemysłowych. Tutaj np. Siemens SPA3000 czy Emerson Ovation. Tutaj dostajemy rozwiązanie all-in-one, nie ma podziału jako takiego na SCADA i program PLC . Są one ze sobą silnie zintegrowane i działają w środowisku silnie rozproszonym z wieloma wejściami i wyjściami. Zwiększają one szybkość i łatwość tworzenia aplikacji ale są piekielnie drogie.

Więcej o samych systemach opowiem w części drugiej.

Podsumowanie

Dobre przygotowanie projektu „w firmie” to dużo mniej roboty na uruchomieniu jednak w praniu często okazuje się że brakuje czasu a trzeba zająć się jeszcze innym projektem. Do zobaczenia w części drugiej.