Как написать диплом по автоматизации котельной – пошаговое руководство с примерами на ПЛК ОВЕН

ВВЕДЕНИЕ. Актуальность автоматизации теплоснабжения и цели проекта

В современных условиях развития городской инфраструктуры, особенно при строительстве новых микрорайонов, остро встает вопрос надежного и эффективного теплоснабжения. Часто централизованные тепловые сети находятся на значительном удалении, что делает их подключение экономически нецелесообразным. Решением этой проблемы становится использование децентрализованных источников, среди которых ключевую роль играют блочно-модульные котельные (БМК). Их преимущество — скорость возведения и близость к потребителю. Однако эксплуатация таких объектов требует решения важной задачи: обеспечения надежного, безопасного и экономичного управления, особенно в режиме работы без постоянного присутствия персонала. Эта задача полностью ложится на плечи автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП).

В текущих экономических реалиях дополнительную актуальность приобретает вопрос импортозамещения, требующий перехода с ранее популярного зарубежного оборудования на отечественные аналоги. Таким образом, целью данного дипломного проекта является модернизация системы автоматизированного управления технологическим процессом работы блочно-модульной котельной МВКУ-2,0ГД на базе отечественного оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить существующую систему управления и технологический процесс котельной.
2. Провести анализ рынка отечественных программируемых логических контроллеров (ПЛК).
3. Разработать комплекс технических решений для новой АСУ ТП.
4. Составить структурные, функциональные и принципиальные схемы автоматизации.
5. Разработать алгоритмы и программное обеспечение для ПЛК.
6. Выполнить технико-экономическое обоснование предложенного проекта модернизации.

РАЗДЕЛ 1. Аналитический обзор объекта и существующих систем управления

Объектом автоматизации является блочно-модульная котельная установленной мощностью 2,0 МВт. Ее основная функция — производство тепловой энергии для нужд отопления и горячего водоснабжения. Технологический процесс включает в себя работу комплекса оборудования, где ключевыми элементами являются водогрейные котлы, газовые горелки, сетевые и подпиточные насосы, а также теплообменники. Ключевыми параметрами, требующими непрерывного контроля и регулирования, являются температура и давление теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, расход газа и воды, а также концентрация горючих газов в помещении.

Управление этими параметрами критически важно. Система должна поддерживать температуру теплоносителя в строгом соответствии с утвержденным температурным графиком, который зависит от температуры наружного воздуха. Для оптимизации расхода топлива и ресурса оборудования применяется каскадное управление котлами — автоматическое подключение или отключение котлов в зависимости от текущей тепловой нагрузки. Неотъемлемой частью любой современной котельной являются системы безопасности, обеспечивающие автоматическое прекращение подачи газа и сигнализацию при возникновении нештатных ситуаций, таких как превышение допустимой концентрации метана или угарного газа, а также при срабатывании пожарной сигнализации.

На рынке представлено множество решений для автоматизации котельных. Долгое время лидирующие позиции занимали контроллеры и компоненты зарубежного производства. Однако сегодня в рамках политики импортозамещения все большее распространение получают отечественные разработки. Одним из лидеров в этой области является компания ОВЕН. Ее продукция, в частности программируемые логические контроллеры (например, ПЛК100), представляет собой оптимальное решение по совокупности критериев:

• Доступная цена, что особенно важно для бюджетных организаций.
• Доказанная надежность и широкое распространение.
• Наличие технической поддержки и сервисных центров на территории РФ.
• Полное соответствие задачам импортозамещения.

РАЗДЕЛ 2. Разработка технического задания на проектируемую АСУ ТП

Техническое задание (ТЗ) является основополагающим документом, определяющим все требования к проектируемой системе. Оно служит фундаментом для всех последующих этапов разработки. Основное назначение создаваемой АСУ ТП — это автоматический контроль, регулирование, управление и противоаварийная защита технологического оборудования блочно-модульной котельной, работающей без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Система должна выполнять следующие ключевые функции:

1. Автоматическое регулирование: Поддержание заданных значений температуры и давления в отопительном и водопроводном контурах.
2. Каскадное управление котлами: Автоматический ввод и вывод из работы котлов для соответствия текущей тепловой нагрузке.
3. Защитные блокировки и сигнализация: Мгновенное отключение оборудования и включение светозвуковой сигнализации при выходе параметров за критические уставки, обнаружении загазованности или пожара.
4. Учет энергоресурсов: Сбор и хранение данных о расходе природного газа, холодной воды и выработанной тепловой энергии.
5. Диспетчеризация и архивирование: Передача данных на удаленный диспетчерский пункт, архивирование ключевых параметров и событий для последующего анализа.

Котельная относится к первой категории по надежности отпуска тепла, что предъявляет повышенные требования к безотказности системы управления. АСУ ТП должна быть спроектирована для работы в промышленных условиях, устойчивой к электромагнитным помехам и колебаниям напряжения в сети.

РАЗДЕЛ 3. Выбор и обоснование комплекса технических средств

На основе требований, изложенных в ТЗ, производится подбор конкретных компонентов будущей системы. Выбор каждого элемента должен быть технически и экономически обоснован.

Центральный контроллер. «Мозгом» системы выбран программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК100. Этот выбор обусловлен его достаточной производительностью, наличием необходимого количества дискретных и аналоговых входов/выходов (с возможностью расширения), а также встроенных интерфейсов Ethernet и RS-485 для связи с верхним уровнем (SCADA) и периферийными устройствами. Программирование осуществляется в широко распространенной и стандартизированной среде CoDeSys v2.3, что упрощает разработку и отладку.

Контрольно-измерительные приборы (КИП). Для сбора данных о состоянии процесса выбраны следующие датчики:

• Датчики температуры: платиновые термосопротивления ДТС125Л для измерения температуры теплоносителя.
• Датчики давления: преобразователи давления ПД100И для контроля давления в контурах.
• Сигнализаторы загазованности: датчики для непрерывного контроля концентрации метана (CH4) и угарного газа (CO) в воздухе котельного зала.

Исполнительные механизмы. Управление процессом осуществляется через запорно-регулирующую арматуру с электроприводами для регулирования потоков теплоносителя, а также через блоки управления газовыми горелками и частотные преобразователи для управления насосами.

Средства индикации. Для визуализации процесса на диспетчерском пункте предусматривается автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора на базе персонального компьютера со SCADA-системой, которая обеспечивает наглядное представление мнемосхем, графиков и архивов.

Итоговый перечень оборудования сводится в спецификацию, которая является основой для расчета капитальных затрат.

Пример спецификации основного оборудования

Компонент	Модель	Назначение
Программируемый контроллер	ОВЕН ПЛК100	Центральное управляющее устройство
Датчик температуры	ОВЕН ДТС125Л	Измерение температуры воды
Датчик давления	ОВЕН ПД100И	Измерение давления воды

РАЗДЕЛ 4. Проектирование структурной и принципиальных схем автоматизации

Разработка схем автоматизации — это этап, на котором абстрактный набор оборудования превращается в целостную систему с четко определенными связями. Эти схемы являются ключевыми документами в составе проектной документации.

Структурная схема АСУ ТП. Эта схема верхнего уровня иллюстрирует архитектуру системы. Традиционно она строится по трехуровневому принципу:

• Нижний (полевой) уровень: Включает в себя все датчики (температуры, давления и т.д.) и исполнительные механизмы (электроприводы задвижек, насосы). Его задача — сбор данных и непосредственное воздействие на объект.
• Средний (контроллерный) уровень: Представлен программируемым логическим контроллером ОВЕН ПЛК100. Он собирает данные с нижнего уровня, обрабатывает их в соответствии с заложенными алгоритмами и выдает управляющие команды обратно на исполнительные механизмы.
• Верхний (диспетчерский) уровень: Состоит из АРМ оператора со SCADA-системой. Он служит для визуализации процессов, архивирования данных и предоставления интерфейса для удаленного управления и настройки. Связь между средним и верхним уровнем осуществляется по интерфейсу Ethernet.

Схема автоматизации функциональная. Данная схема детально показывает, как контуры управления и контроля «наложены» на технологическое оборудование котельной. На ней условными обозначениями отображаются все датчики, регуляторы, исполнительные механизмы и точки контроля, что позволяет понять логику работы автоматики в привязке к конкретным агрегатам.

Схема принципиальная электрическая. Это наиболее подробная схема, которая является руководством для монтажа. На ней изображаются все электрические соединения: подключение аналоговых (4-20 мА) и дискретных («сухой контакт») сигналов от датчиков к входам ПЛК, подключение исполнительных механизмов к выходам контроллера, организация цепей питания 24В и 220В, а также подключение интерфейсных кабелей RS-485 и Ethernet. Здесь же указываются маркировки кабелей, клемм и защитных автоматов.

РАЗДЕЛ 5. Разработка алгоритмов и программного обеспечения ПЛК

«Железо», подобранное и соединенное по схемам, «оживает» только благодаря программному обеспечению. Разработка логики для контроллера — это ядро интеллектуальной части проекта.

Среда и языки программирования. Разработка ведется в среде CoDeSys V2.3, являющейся стандартом де-факто для многих производителей ПЛК, включая ОВЕН. Для реализации алгоритмов используется комбинация языков стандарта МЭК 61131-3, что позволяет выбрать наиболее подходящий инструмент для каждой задачи:

• SFC (Sequential Function Chart): Используется для описания общей логики работы системы, переключения состояний (например, «Пуск», «Работа», «Аварийный останов»).
• ST (Structured Text): Применяется для написания сложных математических вычислений, например, для реализации ПИД-регулятора или вычисления температуры по графику.
• LD (Ladder Diagram): Удобен для реализации простых логических цепей защит и блокировок, понятных инженерам-электрикам.

Ключевые алгоритмы. Программное обеспечение имеет модульную структуру. Основные алгоритмы включают:

1. Алгоритм ПИД-регулирования: Обеспечивает плавное и точное поддержание температуры теплоносителя путем управления регулирующим клапаном. Коэффициенты регулятора подбираются для оптимального быстродействия без перерегулирования.
2. Алгоритм каскадного управления: В зависимости от отклонения текущей температуры от уставки и тепловой инерции системы, контроллер принимает решение о подключении или отключении дополнительного котла, оптимизируя тем самым расход газа.
3. Алгоритмы защитных блокировок: Это наиболее приоритетные алгоритмы. При получении сигнала о загазованности, пожаре, падении давления воды ниже критического уровня или любой другой аварии, программа немедленно переводит котельную в безопасное состояние — отключает подачу газа и активирует сигнализацию.

Визуализация (HMI/SCADA). Параллельно с программой для ПЛК разрабатываются экранные формы для SCADA-системы: главная мнемосхема с отображением текущих параметров, окна с графиками (трендами), журнал тревог и событий. Это делает управление котельной интуитивно понятным и эффективным.

РАЗДЕЛ 6. Технико-экономическое обоснование проекта модернизации

Любой инженерный проект должен быть не только технически состоятельным, но и экономически выгодным. Цель данного раздела — доказать, что инвестиции в модернизацию АСУ ТП окупятся в обозримом будущем.

Капитальные затраты. Основой для расчета служат суммарная стоимость всего оборудования из спецификации (контроллер, датчики, шкаф управления) и стоимость программного обеспечения. К этой сумме добавляются затраты на проектно-изыскательские работы, монтаж и пусконаладку системы.

Эксплуатационные выгоды. Годовая экономия от внедрения новой системы складывается из нескольких ключевых факторов:

• Снижение расхода топлива: За счет более точного поддержания температурного графика, оптимизации горения и эффективного каскадного управления котлами достигается экономия природного газа до 5-10%.
• Снижение непроизводственных расходов: Система точного учета расхода газа, воды и тепла исключает потери и позволяет оперативно выявлять утечки или неэффективную работу оборудования.
• Сокращение затрат на персонал: Работа котельной в полностью автоматическом режиме без постоянного присутствия операторов напрямую снижает фонд оплаты труда.

Расчет показателей эффективности. На основе данных о капитальных затратах и годовой экономии рассчитываются стандартные показатели инвестиционной привлекательности:

• Срок окупаемости (Токуп): Показывает, за какой период времени первоначальные вложения вернутся за счет полученной экономии.
• Чистый дисконтированный доход (NPV): Оценивает общую прибыль от проекта за весь срок его службы с учетом стоимости денег во времени.
• Индекс рентабельности (PI): Демонстрирует отдачу на каждый вложенный рубль.

Положительные значения NPV и PI, а также приемлемый срок окупаемости (обычно 2-4 года для таких проектов) свидетельствуют об экономической целесообразности модернизации.

РАЗДЕЛ 7. Охрана труда и защита окружающей среды при эксплуатации БМК

Заключительный, но обязательный раздел дипломного проекта посвящен вопросам безопасности человека и природы. Проектируемая система должна полностью соответствовать действующим нормам и правилам.

Охрана труда. При проведении пусконаладочных и сервисных работ с оборудованием АСУ ТП должны соблюдаться строгие меры безопасности. К ним относятся проведение обязательных инструктажей для персонала, обеспечение электробезопасности (надежное заземление шкафов управления, проверка изоляции кабелей), а также соблюдение правил работы с оборудованием, находящимся под давлением. Все элементы управления должны быть легкодоступны и безопасны в эксплуатации.

Промышленная безопасность. Проект напрямую способствует повышению уровня промышленной безопасности объекта. Спроектрированная АСУ ТП является ключевым элементом защиты. Автоматические системы контроля загазованности и пожарной сигнализации, а также алгоритмы противоаварийных защит и блокировок, заложенные в логику ПЛК, минимизируют влияние человеческого фактора и способны предотвратить развитие опасных ситуаций, сохранив оборудование и предотвратив угрозу для жизни.

Охрана окружающей среды. Автоматизация вносит позитивный вклад и в экологию. За счет оптимизации процесса сгорания топлива (поддержания оптимального соотношения «газ-воздух») снижается объем вредных выбросов в атмосферу, в частности оксидов азота (NOx) и угарного газа (CO). Кроме того, рациональное использование энергоресурсов, достигаемое благодаря точному учету и регулированию, также является важным фактором в снижении нагрузки на окружающую среду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты и выводы по дипломной работе

Целью данной дипломной работы являлась разработка проекта модернизации системы автоматизированного управления для блочно-модульной котельной на базе современного отечественного оборудования ОВЕН.

В ходе выполнения проекта были решены все поставленные задачи. Был проведен детальный анализ технологического процесса и существующих подходов к автоматизации, на основе которого были сформулированы требования к новой системе. Был осуществлен подбор и обоснование комплекса технических средств, разработаны структурная, функциональная и принципиальная электрическая схемы. Центральным этапом стала разработка алгоритмов управления и защит для ПЛК в среде CoDeSys, а также описание интерфейса для диспетчерского контроля. Технико-экономические расчеты показали, что проект является рентабельным и имеет приемлемый срок окупаемости. Также были рассмотрены вопросы соответствия проекта нормам охраны труда и экологической безопасности.

Таким образом, можно сделать главный вывод: предложенный проект модернизации АСУ ТП является технически обоснованным, экономически эффективным и полностью соответствующим требованиям безопасности. Реализация данного проекта позволит повысить надежность и экономичность работы котельной, что доказывает полное достижение цели дипломной работы.

В качестве возможного пути дальнейшего развития проекта можно рассмотреть его интеграцию в единую городскую систему диспетчеризации тепловых сетей или использование облачных технологий для удаленного мониторинга и сбора аналитики.

Список источников информации

1. Производственный менеджмент: Учебник для вузов / Ред. С.Д. Ильенкова. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. — 583 с.
2. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. — М. : Горячая линия — Телеком, 2008. — 608 с.
3. Промышленные контроллеры. Оборудование для АСУ ТП – Каталог №2/2006.
4. Промышленные контроллеры. Оборудование для АСУ ТП – Каталог №6/2006. Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов АПК и ЖКХ: Учебник для вузов. – СПб.: Политехника, 2001. – 423 с.: ил.
5. Федотов А.В. Автоматизация управления в производственных системах: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. 368 с.
6. Федотов А. В. Составление технического задания: Метод. указания. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 1999. — 24 с.
7. Федотов А.В. Алгоритмизация технологических процессов механической обработки при построении АСУ ТП: Учебное пособие. Омск, ОмПИ, 1984. – 44 с.
8. Александров К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 288 с.: ил.
9. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справ. пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов и др.; Под ред. А.С. Клюева.
10. Богословский В.И. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. – М.:Стройиздат,1985 – 159с., ил.
11. Кузнецов В.П. Защита от электромагнитного излучения. Методические указания к дипломному проектированию. – Омск: Издательство ОмГТУ, 1998. – 28 с.
12. Производственное освещение: Метод. указания/Сост.: Н.В. Горшенина, Л.Г. Стишенко, Омск, 2001
13. Безопасность жизнедеятельности: Учебное пособие/Под ред. О.Н. Русака. – СПб.: Издательство “Лань”, 2003. – 448 с.
14. Безопасность производственных процессов: Справочник/Под ред. С.В. Белова. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.
15. Субботина Л.Г. Технико-экономическое обоснование работ исследовательского характера – Северск: СГТИ, 2006.
16. Сайт компании ОВЕН. Оборудование для автоматизации. http://www.owen.ru/
17. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007.– 592 с.: ил.
18. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. –М.: Мир, 1978. –847 с.
19. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.
20. Ананьев В.А., Балуева Л.Н. Системы вентиляции и кондиционирования, М.: Евроклимат, 2000г.
21. Лит.: Пожарная безопасность. Взрывобезопасность. Справочник, под ред. А.Н. Баратова, М., 1987. А.Н. Боратов.
22. СНиП 3.05.07-85 «Системы автоматизации» — М.: Стройиздат, 1986г
23. Феткуллов М. Р. «Экономика систем ТГВ»-Ульяновск, 2007.
24. СНиП 23.05-95. Естественное и искусственное освещение: Строительные нормы и правила. М., 1996.
25. СанПиН 2.2.2.542-96. Нормы для операторов ЭВМ. Санитарные правила. М.: Информ.-изд. центр Минздрава России, 1997.
26. НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности: Нормы пожарной безопасности. М., 2004.
27. ГОСТ 12.1.006-84. Электромагнитные излучения. М.: Изд-во стандартов, 1985.
28. ГОСТ 12.1.002-84. Электрический ток. М.: Изд-во стандартов, 1985