Проектирование автоматизированной системы управления питанием барабанного котла: Структура и содержание дипломной работы

Введение. Актуальность и цели проекта автоматизации

Современная энергетика является фундаментом промышленного развития, а эффективность и безопасность котельного оборудования играют в ней ключевую роль. Одной из наиболее острых проблем в эксплуатации мощных паровых котлов, таких как ТПЕ-214, является поддержание стабильного уровня воды в барабане. Колебания этого параметра, вызванные изменениями нагрузки или другими возмущениями, напрямую ведут к серьезным негативным последствиям.

Ключевая проблема заключается в том, что низкий уровень воды может вызвать перегрев и прогорание экранных труб, что приводит к дорогостоящему ремонту и аварийной остановке. С другой стороны, слишком высокий уровень ухудшает качество пара, вызывая заброс влаги в пароперегреватель и турбину. Эти факторы не только снижают КПД установки, но и создают прямую угрозу безопасности.

В таких условиях автоматизация становится единственным эффективным решением. Внедрение современной АСУ ТП позволяет минимизировать влияние «человеческого фактора», оптимизировать расход топлива за счет стабильного режима работы и, что самое главное, повысить общую безопасность эксплуатации. Именно поэтому разработка такой системы является крайне актуальной инженерной задачей.

Целью данной дипломной работы является разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) питания барабанного котла ТПЕ-214 для обеспечения его надежной, безопасной и экономичной эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Проанализировать котел ТПЕ-214 как объект управления, выявить его ключевые характеристики и возмущающие воздействия.
• Обосновать выбор структуры АСУ ТП и применяемых регуляторов.
• Разработать функциональную и структурную схемы автоматизации.
• Выбрать конкретные технические средства (датчики, контроллеры, исполнительные механизмы).
• Разработать алгоритмы управления, технологических защит и блокировок.
• Провести технико-экономическое обоснование проекта.

Раздел 1. Технологический процесс и его характеристики как объекта управления

Объектом автоматизации в данном проекте выступает паровой котел ТПЕ-214. Это мощный агрегат П-образной компоновки, предназначенный для производства пара высокого давления с промежуточным перегревом. В качестве основного топлива используется каменный уголь. Процессы питания, горения и регулирования температуры в нем полностью автоматизированы для достижения максимальной эффективности.

Центральным элементом, рассматриваемым в данной работе, является контур регулирования питания. Его задача — поддерживать постоянный уровень воды в барабане котла. Процесс выглядит следующим образом: питательная вода подается в барабан, где она смешивается с пароводяной эмульсией. Далее эта смесь циркулирует по экранным трубам, нагревается и превращается в пар, который затем отделяется от воды в барабане и уходит к потребителю. Уровень воды в барабане является критическим показателем баланса между подачей воды и отбором пара.

С точки зрения теории автоматического управления (ТАУ), этот процесс является сложным объектом с несколькими взаимосвязанными переменными. Ключевыми параметрами здесь выступают:

1. Контролируемый параметр: уровень воды в барабане.
2. Регулирующее воздействие: расход питательной воды, изменяемый с помощью регулирующего клапана.
3. Основные возмущающие воздействия: изменение расхода пара (потребления) и колебания давления в барабане.

Например, резкое увеличение отбора пара потребителем приводит к падению давления в барабане. Это, в свою очередь, вызывает вскипание воды и ложное, кратковременное повышение уровня. Неправильная реакция системы управления на это возмущение может привести к еще большей дестабилизации процесса. В отличие от менее мощных котлов, вроде ДКВР-20-13, работающих на газе, инерционность и сложность процессов в угольном котле ТПЕ-214 предъявляют гораздо более высокие требования к точности и быстродействию системы автоматического регулирования.

Раздел 2. Анализ существующих систем и обоснование структуры АСУ ТП

Для управления процессом питания котлов исторически сложилось несколько типовых подходов. Самый простой — одноимпульсный регулятор, который реагирует только на отклонение уровня воды в барабане. Он подходит лишь для котлов малой мощности со стабильной нагрузкой. Более совершенный двухимпульсный регулятор дополнительно учитывает расход пара, что позволяет ему реагировать на возмущение со стороны потребителя еще до того, как оно вызовет значительное изменение уровня. Это упреждающее действие повышает качество регулирования.

Однако для мощных котлов, таких как ТПЕ-214, с их высокой инерционностью и переменными нагрузками, оптимальным решением является трехимпульсная система регулирования. Она использует три сигнала:

• Уровень воды в барабане (основной параметр).
• Расход пара (главное возмущение со стороны потребителя).
• Расход питательной воды (обратная связь по регулирующему воздействию).

Такая схема обеспечивает максимальную точность и быстродействие. Она не только реагирует на текущий уровень и предвидит изменения из-за отбора пара, но и корректирует управляющий сигнал на основе фактического количества поданной воды. Это позволяет компенсировать колебания давления в питательной магистрали и другие возмущения в контуре подачи.

Структурно современная АСУ ТП строится по иерархическому принципу, который является промышленным стандартом. Для нашего проекта выбрана классическая трехуровневая архитектура:

1. Полевой (нижний) уровень: Здесь находятся «органы чувств и мышцы» системы — контрольно-измерительные приборы (датчики уровня, расхода, давления) и исполнительные механизмы (регулирующий клапан).
2. Контроллерный (средний) уровень: «Мозг» системы — программируемый логический контроллер (ПЛК), который собирает данные с датчиков, реализует алгоритмы управления (например, ПИД-регулирование) и выдает команды на исполнительные механизмы.
3. Верхний уровень: Средства человеко-машинного интерфейса. Это автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора со SCADA-системой, которая визуализирует процесс, архивирует данные и позволяет оператору контролировать и управлять системой.

Такая структура обеспечивает высокую надежность, масштабируемость и удобство эксплуатации, что делает ее единственно верным выбором для столь ответственного объекта.

Раздел 3. Разработка функциональной и структурной схем автоматизации

На основе выбранной архитектуры разрабатываются две ключевые схемы, которые являются «чертежами» будущей системы: функциональная схема автоматизации (ФСА) и структурная схема комплекса технических средств (КТС).

Функциональная схема автоматизации (ФСА)

ФСА — это логическое представление системы. Она показывает, что система делает, какие параметры контролирует и как компоненты взаимодействуют между собой. Для нашего трехимпульсного регулятора схема будет включать следующие элементы:

• Датчики:
  • Датчик дифференциального давления для измерения уровня в барабане.
  • Датчик расхода пара, установленный на паропроводе.
  • Датчик расхода питательной воды на подающей магистрали.
  • Датчик давления в барабане для контроля и сигнализации.
• Контроллер (ПЛК): На схеме он изображается как вычислительное устройство, которое получает сигналы от всех трех датчиков (уровня, расхода пара, расхода воды). Внутри него заложен алгоритм ПИД-регулятора, который сравнивает заданный и текущий уровень, вносит поправки на основе расходов и формирует управляющий сигнал.
• Исполнительный механизм: Регулирующий клапан с электроприводом, установленный на линии подачи питательной воды. Он получает сигнал от ПЛК и изменяет свое положение, дозируя подачу воды в котел.

Все связи на схеме показывают потоки информации — от датчиков к контроллеру и от контроллера к исполнительному механизму.

Структурная схема комплекса технических средств (КТС)

КТС — это физическое представление системы. Она показывает, где и как расположены компоненты, и как они соединены. Схема четко разделена на три уровня:

1. Полевой уровень: На этом уровне физически располагаются все датчики и регулирующий клапан, непосредственно «вмонтированные» в технологическое оборудование котла. Они соединяются с контроллерным уровнем по промышленному протоколу, например, Profibus DP, который обеспечивает быструю и надежную передачу данных в сложных промышленных условиях.
2. Средний уровень: Здесь, в шкафу управления, находится программируемый логический контроллер (ПЛК). Он является центральным узлом, физически подключая к себе полевые устройства.
3. Верхний уровень: В операторной располагается АРМ оператора (промышленный компьютер) со SCADA-системой и сервер для архивации данных. Связь между ПЛК и верхним уровнем обычно организуется по сети Ethernet с использованием протокола Modbus TCP/IP или OPC.

Эта схема наглядно демонстрирует физическую реализацию иерархической структуры, обеспечивая четкое понимание компоновки и связей всей системы.

Раздел 4. Выбор технических средств для реализации проекта

После разработки схем необходимо подобрать конкретное оборудование, которое будет выполнять заложенные в них функции. Выбор основывается на технических требованиях, условиях эксплуатации, надежности и совместимости компонентов.

Контрольно-измерительные приборы (КИП)

Для измерения ключевых параметров выбраны современные и надежные датчики:

• Датчик уровня: Для измерения уровня в барабане котла, где среда находится под высоким давлением и температурой, используется датчик перепада давления. Он измеряет разницу давлений столба воды в барабане и в конденсационном сосуде, что позволяет точно определить уровень.
• Датчики расхода: Для измерения расхода пара и питательной воды применяются вихревые или ультразвуковые расходомеры, которые обеспечивают высокую точность и не требуют частого обслуживания.
• Датчик давления: Стандартный датчик избыточного давления для контроля и включения защит при превышении допустимого значения.

Для всех приборов выбирается соответствующий класс точности и диапазон измерений, исходя из технологических параметров котла ТПЕ-214.

Исполнительный механизм

В качестве исполнительного механизма выбран регулирующий клапан с электрическим приводом. Характеристики клапана (пропускная способность, тип) рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить плавное и точное регулирование потока питательной воды во всем диапазоне нагрузок котла.

Программируемый логический контроллер (ПЛК)

Центральным элементом системы является ПЛК. Для данного проекта обоснован выбор контроллера из линейки Siemens SIMATIC S7-300. Этот выбор обусловлен его высокой надежностью, проверенной в промышленности, модульной структурой, позволяющей гибко подбирать необходимое количество входов/выходов, и высокой производительностью, достаточной для реализации сложных алгоритмов регулирования и защит.

Компоненты верхнего уровня

Верхний уровень включает в себя:

• SCADA-система: Программный пакет (например, WinCC или MasterSCADA), который позволяет создать человеко-машинный интерфейс (HMI), визуализировать мнемосхемы, строить графики (тренды) и регистрировать аварийные сообщения (алармы).
• АРМ оператора: Промышленный компьютер с монитором, на котором работает SCADA-система.
• Сервер: Выделенный компьютер для сбора и долгосрочного хранения архивных данных о работе системы.

Важно отметить, что при подборе модулей ПЛК и других компонентов закладывается резерв в 15-20% по количеству каналов и вычислительной мощности. Это позволяет в будущем легко модернизировать или расширять систему без полной замены оборудования.

Раздел 5. Как будет работать система. Разработка алгоритмов управления

«Железо» — это лишь половина системы. Чтобы она заработала, необходимо разработать ее «мозг» — программное обеспечение и алгоритмы, которые будут реализованы в ПЛК.

Основной алгоритм регулирования

Сердцем системы управления является ПИД-регулятор (Пропорционально-Интегрально-Дифференциальный). Его задача — минимизировать ошибку между заданным (уставкой) и реальным уровнем воды. Алгоритм работает по следующей математической модели:

Управляющий сигнал = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt

Где:

• e(t) — текущая ошибка регулирования (разница между уставкой и фактом).
• Kp — пропорциональный коэффициент (реакция на текущую ошибку).
• Ki — интегральный коэффициент (устранение статической ошибки).
• Kd — дифференциальный коэффициент (реакция на скорость изменения ошибки).

В нашей трехимпульсной схеме этот базовый алгоритм усложняется: в него вводятся корректирующие сигналы по расходу пара и расходу питательной воды, что делает реакцию системы упреждающей и более точной.

Алгоритмы технологических защит и блокировок

Помимо регулирования, важнейшей функцией АСУ ТП является обеспечение безопасности. Для этого разрабатываются алгоритмы защит, которые автоматически отключают оборудование при выходе параметров за критические пределы. Они обычно представляются в виде блок-схем. Примеры для нашего котла:

• Защита по понижению уровня воды: При падении уровня ниже первого аварийного предела включается предупредительная сигнализация. При падении до второго, критического предела, происходит автоматическая остановка котла.
• Защита по повышению уровня воды: Аналогично, при критическом повышении уровня котел останавливается, чтобы предотвратить заброс воды в паропровод.
• Блокировка розжига: Система не позволит запустить котел, если начальный уровень воды в барабане не находится в пределах нормы.

Проектирование человеко-машинного интерфейса (HMI)

Эффективность работы оператора напрямую зависит от удобства и информативности интерфейса. Проектирование HMI включает:

• Основная мнемосхема: Графическое изображение котла и контура питания, на котором в реальном времени отображаются все ключевые параметры (уровень, расходы, давление, положение клапана). Цветовая схема используется для интуитивного восприятия: нормальные параметры — зеленые, предупредительные — желтые, аварийные — красные.
• Экраны трендов: Графики изменения параметров во времени, которые помогают оператору анализировать динамику процессов.
• Журнал тревог (алармов): Список всех предупредительных и аварийных сообщений с указанием времени возникновения и квитирования.

Продуманный интерфейс позволяет оператору быстро оценить ситуацию и принять верное решение.

Раздел 6. Технико-экономическое обоснование внедрения АСУ ТП

Любой инженерный проект должен быть не только технически совершенным, но и экономически целесообразным. Для оценки эффективности внедрения АСУ ТП проводится расчет ключевых показателей.

Капитальные вложения

Это единовременные затраты на создание системы. В их состав входят:

• Стоимость оборудования: Затраты на закупку всех датчиков, контроллера, шкафов управления, сервера, АРМ оператора и лицензий на SCADA-систему.
• Проектные работы: Стоимость разработки проектной и рабочей документации.
• Монтажные и пусконаладочные работы: Затраты на установку оборудования на объекте, прокладку кабелей и настройку системы.

Эксплуатационные затраты

Это ежегодные расходы на поддержание работоспособности системы. Они включают в себя затраты на плановое обслуживание, возможный ремонт и заработную плату обслуживающего персонала.

Экономический эффект

Выгода от внедрения системы складывается из нескольких источников:

1. Экономия топлива: За счет стабилизации технологического режима и поддержания оптимального КПД котла снижается удельный расход топлива. Это главный и наиболее весомый источник экономии.
2. Снижение затрат на ремонт: Система технологических защит предотвращает аварийные ситуации, связанные с перегревом труб из-за упуска уровня, что сокращает расходы на внеплановые ремонты.
3. Оптимизация штата: Автоматизация рутинных операций позволяет сократить количество оперативного персонала, необходимого для контроля за работой котла.

На основе этих данных рассчитываются итоговые показатели эффективности. Годовой экономический эффект — это разница между годовой экономией и годовыми эксплуатационными затратами. Разделив общие капитальные вложения на годовой экономический эффект, мы получаем срок окупаемости проекта. Как правило, для подобных систем он составляет от 2 до 4 лет, что подтверждает высокую экономическую целесообразность их внедрения.

Раздел 7. Требования к безопасности и охране труда при эксплуатации системы

Проектирование и эксплуатация АСУ ТП на таком объекте, как паровой котел, неразрывно связаны со строгими требованиями безопасности. Необходимо учитывать все потенциально опасные и вредные производственные факторы.

Анализ производственных факторов

При работе с котельным оборудованием и его системой автоматизации персонал сталкивается со следующими рисками:

• Высокое давление и температура: Рабочая среда (пар и вода) находится под высоким давлением и имеет высокую температуру.
• Электрическое напряжение: Электрооборудование системы (шкафы управления, приводы) находится под опасным для жизни напряжением.
• Вращающиеся механизмы: Насосы и другое вспомогательное оборудование.

Технические решения по обеспечению безопасности

Сама спроектированная АСУ ТП является важнейшим элементом обеспечения безопасности. Кроме того, проектом предусматриваются следующие меры:

• Встроенные защиты и блокировки: Как было описано ранее, система автоматически предотвращает развитие опасных ситуаций.
• Заземление и изоляция: Все металлические корпуса шкафов управления, контроллеров и другого оборудования должны быть надежно заземлены для защиты от поражения электрическим током. Кабельные линии должны иметь соответствующую изоляцию.
• Системы аварийного отключения: На рабочем месте оператора и непосредственно у оборудования размещаются кнопки аварийного останова.

Требования к персоналу и организации работ

К обслуживанию системы допускается только квалифицированный персонал, прошедший обучение, инструктаж по охране труда и проверку знаний. Все работы по техническому обслуживанию и ремонту должны проводиться только после снятия напряжения и сброса давления с оборудования, в соответствии с нарядами-допусками. На объекте должны быть предусмотрены средства пожаротушения и оказания первой помощи. Соблюдение этих правил гарантирует безопасную и безаварийную эксплуатацию внедренной системы.

Заключение. Результаты и выводы по дипломной работе

В ходе выполнения дипломной работы была решена комплексная инженерная задача — разработка автоматизированной системы управления процессом питания мощного парового котла ТПЕ-214. Проделанная работа позволяет сделать следующие выводы.

В процессе проектирования были последовательно достигнуты все поставленные цели и получены следующие ключевые результаты:

1. Проведен детальный анализ котла ТПЕ-214 как объекта управления, определены его динамические характеристики, а также основные регулирующие и возмущающие воздействия.
2. На основе анализа типовых решений обоснован выбор трехимпульсной схемы регулирования и трехуровневой иерархической структуры АСУ ТП как наиболее оптимальных для данного объекта.
3. Разработаны ключевые проектные документы: функциональная схема автоматизации, отражающая логику работы системы, и структурная схема комплекса технических средств, показывающая ее физическую реализацию.
4. Произведен обоснованный выбор конкретных технических средств, включая контрольно-измерительные приборы, исполнительный механизм и программируемый логический контроллер Siemens SIMATIC S7-300.
5. Разработаны основные алгоритмы управления, включая логику работы ПИД-регулятора и системы технологических защит и блокировок, а также спроектирован эргономичный человеко-машинный интерфейс.
6. Технико-экономический расчет подтвердил финансовую целесообразность проекта, показав значительный экономический эффект за счет экономии топлива и предотвращения аварий.

Главный вывод: спроектированная автоматизированная система управления полностью решает поставленную задачу. Она обеспечивает надежное, безопасное и экономичное управление процессом питания котла ТПЕ-214 в автоматическом режиме, минимизируя влияние человеческого фактора и повышая общую эффективность работы оборудования.

Таким образом, все цели и задачи, сформулированные во введении, были успешно выполнены.

Список использованной литературы

1. Щинников П.А. Ноздренко Г.В. и др. Комплексные исследования ТЭС с новыми технологиями — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007.
2. Вихман О.А. Вихман В.В. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Основы проектирования. Часть 1 — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007.
3. Новиков С.И. Практическая идентификация динамических характеристик объектов управления теплоэнергетического оборудования. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005.
4. РД 34.20.501-95. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. — М.: СПО ОРГРЭС, 1996.
5. РД 34.35.501. Типовая инструкция по эксплуатации средств ТАИ тепловых электростанций: ТИ 34-70-027-84. — М.: СПО Союзтехэнерго, 1984.
6. РД 153-34.0-03.150-00. Межотраслевые правила по охране труда (правила взрывобезопасности) при эксплуатации электроустановок: ПОТ РМ-016-2001. — М.: ЭНАС, 2001.
7. РД 34.03.201-97. Правила техники безопасности при эксплуатации тепломеханического оборудования электростанций и тепловых сетей. — М.: ЭНАС, 1997. Изменение N 1/2000 к РД 34.03.201-97. — М.: ЗАО «Энергосервис», 2000.
8. РД 153-34.0-03.301-00. Правила пожарной безопасности для энергетических предприятий (3-е изд. с изм. и доп.). — М.: ЗАО «Энергетические технологии», 2000.
9. Временные методические указания по определению экономической эффективности АСР и ТЗ. СПО «Союзтехэнерго», 1973. – 86 с.