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:
- Изучить существующую систему управления и технологический процесс котельной.
- Провести анализ рынка отечественных программируемых логических контроллеров (ПЛК).
- Разработать комплекс технических решений для новой АСУ ТП.
- Составить структурные, функциональные и принципиальные схемы автоматизации.
- Разработать алгоритмы и программное обеспечение для ПЛК.
- 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:
- Автоматическое регулирование: Поддержание заданных значений температуры и давления в отопительном и водопроводном контурах.
- Каскадное управление котлами: Автоматический ввод и вывод из работы котлов для соответствия текущей тепловой нагрузке.
- Защитные блокировки и сигнализация: Мгновенное отключение оборудования и включение светозвуковой сигнализации при выходе параметров за критические уставки, обнаружении загазованности или пожара.
- Учет энергоресурсов: Сбор и хранение данных о расходе природного газа, холодной воды и выработанной тепловой энергии.
- 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.
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:
- Алгоритм ПИД-регулирования: Обеспечивает плавное и точное поддержание температуры теплоносителя путем управления регулирующим клапаном. Коэффициенты регулятора подбираются для оптимального быстродействия без перерегулирования.
- 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.
- 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
- Производственный менеджмент: Учебник для вузов / Ред. С.Д. Ильенкова. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. — 583 с.
- Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. — М. : Горячая линия — Телеком, 2008. — 608 с.
- Промышленные контроллеры. Оборудование для АСУ ТП – Каталог №2/2006.
- 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.
- Федотов А.В. Автоматизация управления в производственных системах: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. 368 с.
- Федотов А. В. Составление технического задания: Метод. указания. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 1999. — 24 с.
- Федотов А.В. Алгоритмизация технологических процессов механической обработки при построении АСУ ТП: Учебное пособие. Омск, ОмПИ, 1984. – 44 с.
- Александров К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 288 с.: ил.
- Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справ. пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов и др.; Под ред. А.С. Клюева.
- Богословский В.И. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. – М.:Стройиздат,1985 – 159с., ил.
- Кузнецов В.П. Защита от электромагнитного излучения. Методические указания к дипломному проектированию. – Омск: Издательство ОмГТУ, 1998. – 28 с.
- Производственное освещение: Метод. указания/Сост.: Н.В. Горшенина, Л.Г. Стишенко, Омск, 2001
- Безопасность жизнедеятельности: Учебное пособие/Под ред. О.Н. Русака. – СПб.: Издательство “Лань”, 2003. – 448 с.
- Безопасность производственных процессов: Справочник/Под ред. С.В. Белова. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.
- Субботина Л.Г. Технико-экономическое обоснование работ исследовательского характера – Северск: СГТИ, 2006.
- Сайт компании ОВЕН. Оборудование для автоматизации. http://www.owen.ru/
- Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007.– 592 с.: ил.
- Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. –М.: Мир, 1978. –847 с.
- Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.
- Ананьев В.А., Балуева Л.Н. Системы вентиляции и кондиционирования, М.: Евроклимат, 2000г.
- Лит.: Пожарная безопасность. Взрывобезопасность. Справочник, под ред. А.Н. Баратова, М., 1987. А.Н. Боратов.
- СНиП 3.05.07-85 «Системы автоматизации» — М.: Стройиздат, 1986г
- Феткуллов М. Р. «Экономика систем ТГВ»-Ульяновск, 2007.
- СНиП 23.05-95. Естественное и искусственное освещение: Строительные нормы и правила. М., 1996.
- СанПиН 2.2.2.542-96. Нормы для операторов ЭВМ. Санитарные правила. М.: Информ.-изд. центр Минздрава России, 1997.
- НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности: Нормы пожарной безопасности. М., 2004.
- ГОСТ 12.1.006-84. Электромагнитные излучения. М.: Изд-во стандартов, 1985.
- ГОСТ 12.1.002-84. Электрический ток. М.: Изд-во стандартов, 1985