Готовый пример курсовой работы – Техническая реализация САУ для котла БКЗ-75-3,9 ГМА

Введение, определяющее цели и задачи курсового проекта

В современной промышленной энергетике стабильность и эффективность работы котельного оборудования являются краеугольным камнем надежного функционирования тепловых электростанций и промышленных предприятий. Котлы, такие как БКЗ-75-3,9 ГМА, играют центральную роль в генерации пара, который используется как для технологических нужд, так и для производства электроэнергии. Однако управление столь сложным теплотехническим объектом в ручном режиме сопряжено с целым рядом проблем: оно неэффективно с точки зрения расхода топлива, не обеспечивает стабильного качества пара и, что самое главное, повышает риски возникновения аварийных ситуаций из-за человеческого фактора.

Внедрение современной системы автоматического управления (САУ) является ключевым решением этих проблем. Автоматизация позволяет не только поддерживать технологические параметры с высокой точностью, но и оптимизировать процессы горения, что ведет к существенному повышению экономичности, надежности и общей безопасности эксплуатации. Именно поэтому разработка и внедрение таких систем является актуальной инженерной задачей.

Основная цель данной курсовой работы — разработка комплексного проекта технической реализации САУ для котла БКЗ-75-3,9 ГМА с фокусом на регулирование его ключевого выходного параметра — давления перегретого пара. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Провести детальный анализ котла БКЗ-75-3,9 ГМА как объекта управления.
• Сформировать исчерпывающий перечень технических требований к проектируемой системе автоматизации.
• Разработать структурную схему САУ, определяющую ее архитектуру и иерархию.
• Обосновать выбор конкретных технических средств автоматизации, включая контроллеры и программное обеспечение.
• Разработать функциональную схему и алгоритм для контура регулирования давления пара.

Глава 1. Всесторонний анализ котла БКЗ-75-3,9 ГМА как объекта управления

Котел БКЗ-75-3,9 ГМА представляет собой барабанный паровой котел с естественной циркуляцией, предназначенный для камерного сжигания топлива. Он широко используется в промышленной энергетике и на ТЭЦ для выработки перегретого пара, который далее направляется на нужды производства или турбогенераторы. Основным топливом для данной модели могут служить природный газ или бурые угли, что делает его достаточно универсальным.

Конструктивно котел состоит из топочной камеры, где происходит сжигание топлива, и системы труб, в которых вода превращается в пар. Горячие газы, проходя через конвективные поверхности нагрева, отдают свое тепло воде, которая циркулирует по замкнутому контуру. Насыщенный пар собирается в верхнем барабане, откуда поступает в пароперегреватель, где доводится до требуемых параметров.

Для корректного проектирования САУ необходимо рассмотреть ключевые технические характеристики объекта:

• Номинальная паропроизводительность: 75 тонн в час.
• Давление перегретого пара на выходе: 3,9 МПа (приблизительно 39 кгс/см²).
• Температура перегретого пара: 440-450 °C.
• Давление в барабане котла: около 4,3 МПа (43 кгс/см²).

С точки зрения теории автоматического управления, котел БКЗ-75-3,9 ГМА является сложным многосвязным объектом с существенной инерционностью. Это означает, что изменение одного входного параметра приводит к изменению нескольких выходных, причем с заметной задержкой. Основными управляющими (входными) воздействиями являются:

1. Подача топлива (газа).
2. Подача воздуха в топку.
3. Подача питательной воды в барабан.

Главными контролируемыми (выходными) параметрами, которые необходимо стабилизировать, выступают:

1. Давление пара на выходе — ключевой параметр, определяющий эффективность работы потребителей.
2. Температура перегретого пара.
3. Уровень воды в барабане котла.

Наличие сильных взаимосвязей (например, изменение подачи топлива влияет не только на давление, но и на температуру пара и уровень воды) и инерционности требует разработки комплексной системы управления, способной компенсировать эти возмущения.

Глава 2. Формирование технических требований к проектируемой САУ

На основе анализа котла как объекта управления можно сформулировать четкие технические требования к будущей системе автоматизации. Эти требования являются фундаментом для всех дальнейших проектных решений, от выбора архитектуры до подбора конкретного оборудования.

Главной целью создаваемой САУ является стабилизация давления перегретого пара на выходе из котла на заданном значении с высокой точностью, независимо от изменений нагрузки и других возмущающих факторов. Помимо этой основной задачи, система должна выполнять ряд критически важных сопутствующих функций для обеспечения комплексной, безопасной и экономичной работы оборудования.

К дополнительным функциям САУ предъявляются следующие требования:

• Регулирование уровня воды в барабане: поддержание уровня в строго заданных пределах для предотвращения как перепитки котла, так и оголения экранных труб.
• Регулирование температуры перегретого пара: обеспечение стабильной температуры пара путем воздействия, например, на впрыск конденсата.
• Оптимизация процесса горения: автоматическое поддержание оптимального соотношения «топливо-воздух» для достижения максимальной экономичности и минимизации вредных выбросов.
• Реализация технологических защит и блокировок: система должна обеспечивать автоматическое отключение оборудования или перевод его в безопасный режим при возникновении предаварийных ситуаций (например, при погасании факела в топке, критическом падении давления газа или упуске уровня воды).
• Автоматический пуск и останов: выполнение последовательности операций для безопасного запуска и останова котла и его вспомогательного оборудования.
• Визуализация и управление: предоставление оператору наглядного интерфейса (SCADA) для мониторинга всех параметров в реальном времени, изменения уставок и ручного управления исполнительными механизмами.
• Архивирование данных: ведение истории технологических параметров, событий и действий оператора для последующего анализа работы и диагностики неисправностей.

Кроме того, вся система должна соответствовать высоким требованиям к надежности и безопасности, предусматривая возможность безаварийной работы в условиях промышленных помех и отказоустойчивость ключевых компонентов.

Глава 3. Разработка структурной схемы будущей системы автоматизации

После определения требований к системе следующим логическим шагом является разработка ее архитектуры, которая наглядно представляется в виде структурной схемы. Структурная схема — это верхнеуровневое представление системы, которое показывает ее основные компоненты и информационные связи между ними, не вдаваясь в детали конкретной реализации. Она служит «каркасом» для всего проекта.

Проектируемая САУ будет построена по классической трехуровневой иерархической модели, что является стандартом для современных АСУ ТП.

Эта иерархия обеспечивает четкое разделение функций, повышает надежность и упрощает как проектирование, так и последующее обслуживание системы.

Структура системы включает следующие уровни:

• Нижний (полевой) уровень: Этот уровень находится в непосредственном контакте с технологическим процессом. Он включает в себя все контрольно-измерительные приборы (КИП) — датчики давления, температуры, уровня, расхода — и исполнительные механизмы (ИМ), такие как регулирующие клапаны на линиях подачи топлива и воды, а также направляющие аппараты и заслонки дымососов и вентиляторов.
• Средний (управляющий) уровень: «Мозг» всей системы. На этом уровне располагается программируемый логический контроллер (ПЛК) или микропроцессорный контроллер. Он выполняет сбор данных с датчиков нижнего уровня, реализует все алгоритмы управления (например, ПИД-регулирование), технологические защиты и блокировки, и выдает управляющие команды на исполнительные механизмы.
• Верхний (операторский) уровень: Это автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, реализованное на промышленном компьютере со специализированным программным обеспечением — SCADA-системой. Этот уровень предназначен для взаимодействия человека с системой.

Информационные потоки между блоками строго определены. Сигналы с датчиков поступают на средний уровень для обработки. На основе этих данных и заложенных алгоритмов ПЛК формирует управляющие воздействия, которые отправляются вниз, на исполнительные механизмы. Параллельно вся технологическая информация передается с контроллера на верхний уровень для визуализации, а команды оператора (например, изменение уставки) передаются со SCADA-системы на ПЛК. Для связи между средним и верхним уровнями обычно используются промышленные сетевые интерфейсы, такие как Ethernet или RS-485.

Глава 4. Обоснованный выбор технических средств для реализации САУ

Выбор конкретного оборудования является одним из самых ответственных этапов проектирования, так как от него напрямую зависят надежность, функциональность и стоимость будущей системы. Для решения задач, поставленных в технических требованиях, был проведен анализ рынка и выбраны компоненты, оптимально сочетающие в себе необходимые характеристики.

В качестве центрального управляющего устройства (средний уровень САУ) предлагается использовать программируемый логический контроллер. Рассмотрим два подходящих варианта, доступных на рынке: OWEN PLC110 [M02] и TREI-5B-04. Оба контроллера являются надежными промышленными решениями, однако для данного проекта выбор останавливается на TREI-5B-04. Обоснование выбора следующее:

• Достаточное количество входов/выходов: TREI-5B-04 обладает необходимым набором дискретных и аналоговых модулей для подключения всех требуемых датчиков и исполнительных механизмов котла БКЗ-75-3,9 ГМА.
• Высокая производительность и надежность: Контроллеры TREI хорошо зарекомендовали себя в ответственных применениях в энергетике и нефтегазовой отрасли.
• Наличие необходимых интерфейсов: Встроенные порты Ethernet и RS-485 обеспечивают легкую интеграцию как с верхним уровнем (SCADA), так и с другими интеллектуальными устройствами на полевом уровне.
• Стоимость и доступность: По сравнению с некоторыми зарубежными аналогами (например, Mitsubishi), продукция TREI предлагает конкурентоспособное соотношение цены и качества при достаточной функциональности для нашего проекта.

Для реализации верхнего уровня (АРМ оператора) выбрана SCADA-система MasterSCADA от компании InsAT. Этот выбор обусловлен несколькими причинами:

MasterSCADA является одной из ведущих отечественных SCADA-систем, что гарантирует хорошую техническую поддержку и отсутствие проблем с лицензированием. Она обладает интуитивно понятной средой разработки, мощной графической подсистемой для создания мнемосхем и, что крайне важно, имеет встроенные драйверы для прямой связи с контроллерами TREI по протоколу Modbus TCP/RTU.

На нижнем, полевом уровне, выбор конкретных моделей датчиков и исполнительных механизмов будет производиться на основе требуемой точности измерений, условий эксплуатации и типов присоединения. В общем виде для проекта потребуются:

1. Датчики давления: для измерения давления пара, газа, воды.
2. Датчики температуры: термопары или термосопротивления для контроля температуры пара и уходящих газов.
3. Исполнительные механизмы: электрические однооборотные механизмы (МЭО) с регулирующими клапанами на трубопроводах подачи топлива и питательной воды.

Таким образом, выбранная элементная база полностью соответствует техническим требованиям и позволяет построить современную, надежную и функциональную систему автоматического управления.

Глава 5. Проектирование функциональных схем и алгоритмов управления

Этот раздел представляет собой ядро курсового проекта, в котором теоретические основы и выбранное оборудование объединяются в работающую систему. Здесь мы детально рассмотрим проектирование контура автоматической системы регулирования (АСР) для основной задачи — поддержания заданного давления пара на выходе котла.

Давление пара — инерционный параметр, сильно зависящий от расхода топлива. Однако на него также влияют возмущения со стороны потребителя (изменение отбора пара). Для компенсации таких возмущений и повышения качества регулирования целесообразно использовать не простую одноконтурную, а более сложную двухконтурную каскадную АСР. В такой структуре внутренний контур будет быстро отрабатывать возмущения по подаче топлива, а внешний — корректировать его задание по основному параметру (давлению).

Функциональная схема автоматизации (ФСА) для этого контура наглядно демонстрирует его работу. На схеме изображаются все элементы и связи между ними:

1. Датчик давления (PT): Устанавливается на паропроводе после котла. Он измеряет текущее значение давления и преобразует его в унифицированный токовый сигнал (например, 4-20 мА).
2. Программируемый логический контроллер (ПЛК): Сигнал с датчика поступает на аналоговый вход ПЛК. Внутри контроллера реализуется программный блок регулятора (PIC). Он сравнивает измеренное значение с заданным оператором (уставкой) и вычисляет ошибку рассогласования.
3. Алгоритм регулирования: Для управления инерционными тепловыми процессами, как правило, наиболее эффективен пропорционально-интегральный (ПИ) закон регулирования. Пропорциональная составляющая обеспечивает быструю реакцию на отклонение, а интегральная — устраняет статическую ошибку, возвращая давление точно к уставке. Выходной сигнал регулятора представляет собой требуемое положение регулирующего органа.
4. Исполнительный механизм (IM) и регулирующий орган (RO): Вычисленное управляющее воздействие подается с выхода ПЛК на исполнительный механизм — чаще всего это электропривод, который поворачивает заслонку регулирующего клапана на линии подачи газа в топку.

Конфигурирование ПЛК TREI-5B-04 для реализации этого алгоритма происходит в его среде программирования. В ней создается функциональный блок, реализующий ПИ-регулятор. Ключевым этапом является настройка коэффициентов регулятора — пропорционального (Kp) и интегрального (Ki). Их значения подбираются расчетным или экспериментальным путем для получения оптимального качества переходного процесса (быстрое время реакции без значительных перерегулирований).

Что касается организации внешних соединений, то физически это выглядит следующим образом: кабель от датчика давления подключается к клеммам аналогового модуля ввода ПЛК. Управляющий сигнал (например, 4-20 мА или дискретные команды «Больше/Меньше») с аналогового или дискретного модуля вывода ПЛК по кабелю подается на клеммную коробку электропривода исполнительного механизма. Все соединения выполняются экранированным кабелем для защиты от электромагнитных помех, что критически важно в условиях промышленного цеха.

Заключение, обобщающее результаты проектирования

В ходе выполнения данной курсовой работы был решен комплекс инженерных задач по созданию проекта технической реализации системы автоматического управления для парового котла БКЗ-75-3,9 ГМА. Была проделана работа, охватывающая все ключевые этапы проектирования АСУ ТП.

На основе анализа котла как сложного объекта управления были сформулированы исчерпывающие технические требования к будущей САУ. В соответствии с этими требованиями была разработана иерархическая структурная схема системы, а также произведен обоснованный выбор современных технических средств автоматизации, включая микропроцессорный контроллер TREI-5B-04 и SCADA-систему MasterSCADA.

Главным результатом проекта является спроектированная система автоматического управления, которая способна в полной мере решать поставленную задачу — высокоточное регулирование давления пара — и выполнять все сопутствующие функции контроля, управления и обеспечения безопасности. Были детально проработаны функциональная схема и алгоритм на базе ПИ-закона для основного контура регулирования.

Внедрение разработанного проекта на реальном объекте позволит достичь значительных практических выгод:

• Повышение экономичности за счет оптимизации сжигания топлива и снижения его непроизводственного расхода.
• Рост надежности и безаварийности работы котельного оборудования.
• Снижение влияния человеческого фактора и минимизация ошибок обслуживающего персонала.
• Улучшение качества генерируемой энергии благодаря стабильности ключевых параметров пара.

Таким образом, можно утверждать, что цели, поставленные в начале курсового проекта, были полностью достигнуты, а предложенные технические решения являются современными, эффективными и готовыми к практической реализации.

Список источников информации

1. Александров В.Г. «Вопросы проектирования паровых котлов средней и малой производительности.» М.-Л., Госэнергоиздат, 1990.
2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. «Теория систем автоматизированного управления.» СПб.: Профессия, 2003.
3. Двойнишников В.А. «Конструкция и расчет котлов и котельных установок.» М.:Машиностроение, 1988.
4. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. «Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов.», 3-е изд., перераб.-М.:Энергоатомиздат, 1988.