Магістерська дисертація - kpi.ua_koropova...5.1.4 Виробниче...

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Теплоенергетичний факультет (повна назва інституту/факультету)

Кафедра автоматизації теплоенергетичних процесів (повна назва кафедри)

«На правах рукопису»

УДК 621.43.056:632.15

«До захисту допущено»

Завідувач кафедри

_________ Ю.М. Ковриго (підпис) (ініціали, прізвище)

―___‖____________ 20__ р.

Магістерська дисертація

зі спеціальності 8.05020201 Автоматизоване управління технологічними

процесами (код і назва спеціальності)

на тему: Система автоматичного керування паровим котлом малої

потужності з імплементацією засобів тестування АСР на стадії

розробки

Виконала: студентка VI курсу, групи TА-31м (шифр групи)

Коропова Леся Олександрівна (прізвище, ім‘я, по батькові) (підпис)

Науковий керівник ст. викл., к.т.н.Степанець О.В. (посада, науковий ступінь, вчене звання, прізвище та ініціали) (підпис)

Консультант охорона праці доц., к.т.н. Каштанов С.Ф. (назва розділу) (науковий ступінь, вчене звання, , прізвище, ініціали) (підпис)

Рецензент ____________________________________________ _________ (посада, науковий ступінь, вчене звання, науковий ступінь, прізвище та ініціали) (підпис)

Засвідчую, що у цій магістерській

дисертації немає запозичень з праць

інших авторів без відповідних посилань.

Студент _____________ (підпис)

Київ – 2015 року

2

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Факультет (інститут) Теплоенергетичний (повна назва)

Кафедра Автоматизації теплоенергетичних процесів (повна назва)

Рівень вищої освіти – другий (магістерський)

Спеціальність 8.05020201 Автоматизоване управління технологічними

процесами (код і назва)

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідувач кафедри

Ю.М. Ковриго (підпис) (ініціали, прізвище)

«___»_____________20__ р.

ЗАВДАННЯ

на магістерську дисертацію студенту

Короповій Лесі Олександрівні (прізвище, ім‘я, по батькові)

1. Тема дисертації Система автоматичного керування паровим котлом

малої потужності з імплементацією засобів

тестування АСР на стадії розробки

науковий керівник дисертації ст. викл., к.т.н. Степанець О.В. , (прізвище, ім‘я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)

затверджені наказом по університету від «11»березня 2015 р. № 731-с

2. Строк подання студентом дисертації 5 червня 2015 р.

3. Об‘єкт дослідження Система автоматичного керування барабанним

паровим котлом

4. Предмет дослідження Система автоматичного регулювання техно-

логічних змінних барабанного котла малої потужності з використанням

динамічної моделі об‘єкта керування на стадії розробки алгоритмів

керування.

5. Перелік завдань, які потрібно розробити Дослідити динамічні влас-

тивості котлоагрегата, розробити комплексну математичну модель; про-

аналізувати існуючі рішення щодо керування окремими контурами; розро-

бити стенд імітаційного моделювання для перевірки роботи систем керу-

вання.

3

6. Орієнтовний перелік ілюстративного матеріалу Технологічна схема

барабанного парового котла; технологічна схема магістралі; структурна

схема взаємозв‘язків; схеми регулювання технологічних параметрів; мате-

матичні моделі процесів в барабанному котлі; комплексна математична мо-

дель; людино-машинний інтерфейс імітаційного стенду; програма керува-

ння технологічним процесом барабанного котла; отримані перехідні проце-

си в замкнутій системі керування.

7. Орієнтовний перелік публікацій Аудит якості роботи алгоритмів ке-

рування барабанним паровим котлом на стадії проектування системи

автоматизації; Комплексна математична модель динаміки барабанного па-

рового котла в задачі синтезу алгоритмів управління; Комплекс імітацій-

ного тестування алгоритмів керування котлоагрегатом.

8. Консультанти розділів дисертації

Розділ Прізвище, ініціали та посада

консультанта

Підпис, дата

завдання

видав

завдання

прийняв

Охорона праці Каштанов С.Ф., доц.

9. Дата видачі завдання вересень 2013 р.

Календарний план

№

з/п

Назва етапів виконання

магістерської дисертації

Строк виконання

етапів магістерської

дисертації

Примітка

Літературний огляд І семестр

Постановка задачі дослідження І семестр

Розгляд існуючих АСР котла І семестр

Розробка математичної моделі ІІ семестр

Синтез АСР котла ІІ семестр

Уточнення математичної моделі ІІІ семестр

Розробка системи імітаційного

моделювання

ІV семестр

Дослідження АПК ІМ ІV семестр

Студент Л.О. Коропова (підпис) (ініціали, прізвище)

Науковий керівник дисертації О.В. Степанець (підпис) (ініціали, прізвище)

4

РЕФЕРАТ

Актуальність. При впровадженні нових алгоритмів керування

дослідження об‘єкта зазвичай обмежуються вибором одного контуру, що з

одного боку спрощує саму задачу дослідження, а з іншого вже на етапі її

постановки зменшує ефективність розробки через значну втрату інформації

про поведінку об‘єкта. Саме тому було прийнято рішення про створення

повної математичної моделі барабанного парового котла.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою даної роботи є покращення

роботи системи автоматичного керування котлоагрегатів шляхом розробки

комплексної математичної моделі динаміки та її використання для

вдосконалення алгоритмів регулювання технологічних змінних.

Головна ідея роботи полягає у розробці нової моделі, яка б відтворювала

поведінку реального об‘єкта та могла б модифікуватися незалежно від

поставлених задач та без додаткових зусиль, щоб в свою чергу забезпечило

виконання основних вимог до систем автоматичного регулювання.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі завдання:

дослідження динамічних властивостей ділянок трактів котлоагрегата як

об‘єктів керування, побудова математичної моделі;

аналіз існуючих рішень щодо керування окремими контурами;

розробка тестового програмного забезпечення на базі мікропроцесорної

техніки;

реалізація інтерактивної взаємодії оператора і системи з використанням веб-

середовища.

Об’єкт дослідження. Барабанний паровий котел.

Предмет дослідження. Програмно-імітаційний стенд моделювання

барабанного парового котла з використанням промислових засобів

автоматизації.

5

Методи дослідження. Поставлені задачі вирішувалися з використанням

загальних теоретичних відомостей про об‘єкт керування в цілому і впроваджені

підсистеми автоматичного керування контурами, методів моделювання

динамічних систем; для візуалізації результатів застосовувалися методи

комп‘ютерної графіки.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше було розроблено

комплексну математичну модель динаміки барабанного парового котла та

доведено ефективність її практичного застосування.

ДИНАМІЧНА МОДЕЛЬ, БАРАБАННИЙ ПАРОВИЙ КОТЕЛ,

ПРОГРАМНО - ІМІТАЦІЙНИЙ СТЕНД.

6

ABSTRACT

Topicality. Implementation of new control algorithms usually takes place with

detail research of limited number of control contours. On the one hand it simplifies

the research task, but on the other hand reduces the efficiency of development

through significant loss of information about the behavior of the object. That‘s why it

was decided to create a complete mathematical model of boiler drum.

Thesis objective and research tasks. The aim of this work is to improve the

system of automatic control of boilers through the development of complex

mathematical models of the dynamics and use algorithms to improve the regulation

of process variables.

Main idea is to develop a new model to reproduce the behavior of a real object

and could be modified independently of the tasks, without additional efforts, to in

turn provide execution of the main requirements for automatic regulation.

To achieve this goal settled the following tasks:

study the dynamic properties of boiler sections paths as objects of control,

building mathematical models;

analysis of existing solutions to control individual circuits;

software development based on microprocessor technics;

implementation of user-machine interface using the web environment.

Object of research. Drum steam boiler.

Subject of research. Software and simulation modeling stand of drum boiler

using industrial automation.

Research methods. The task was solved using general theoretical data about

the object of control in general and embedded subsystem automatic control circuits,

methods of dynamic systems modeling; for the visualization was used methods of

computer graphics.

7

Scientific novelty of research results. It was firstly developed complex

mathematical model of the steam boiler drum and proved the effectiveness of its

practical application.

DYNAMIC MODEL, DRUM STEAM BOILER, SOFTWARE AND

SIMULATION MODELING STAND

8

ЗМІСТ

ЗМІСТ ............................................................................................................. 8

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І

ТЕРМІНІВ............................................................................................................... 13

ВСТУП .......................................................................................................... 14

1 ОГЛЯД ПРОБЛЕМ КЕРУВАННЯ БАРАБАННИМ КОТЛОМ ........... 15

1.1 Опис об‘єкта керування................................................................. 15

1.1.1 Технічні та конструктивні характеристики .............................. 15

1.1.2 Основні технологічні змінні...................................................... 17

1.1.3 Загальна характеристика проблеми керування об‘єктом ........ 18

1.1.4 Барабанний котел як об‘єкт регулювання ................................ 21

1.1.5 АСР живлення водою ................................................................ 23

1.1.6 АСР неперервної продувки ....................................................... 24

1.1.7 АСР економічності горіння палива .......................................... 27

1.1.8 АСР розрідження в топці котла ................................................ 31

1.1.9 АСР температури перегрітої пари ............................................ 33

1.1.10 АСР теплового навантаження ................................................. 34

1.2 Режими роботи котла .................................................................... 36

1.2.1 Загальна характеристика режимів роботи відповідно до

навантаження .................................................................................................. 36

1.2.2 Можливі способи врахування зміни режимів роботи керування

об‘єктом .................................................................................................... 37

1.3 Вимоги до функціонування АСР котла ........................................ 39

1.4 Необхідність практичної перевірки теоретичних результатів .... 39

9

1.5 Постановка задачі дослідження .................................................... 40

Висновки до розділу ................................................................................. 40

2 ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ОБ‘ЄКТА

КЕРУВАННЯ ......................................................................................................... 42

2.1 Математична модель окремих ділянок та процесів об‘єкта

керування ........................................................................................................ 42

2.1.1 Динамічна модель розрідження в топці котла ......................... 42

2.1.2 Динамічна модель економічного спалювання палива ............. 43

2.1.3 Динамічна модель рівня води в барабані котла ....................... 44

2.1.4 Динамічна модель теплового навантаження ............................ 45

2.1.5 Динамічна модель неперервної продувки ................................ 46

2.1.6 Динамічна модель температури перегрітої пари ..................... 47

2.2 Загальна структура моделі об‘єкта ............................................... 48

2.3 Межі застосування отриманої моделі динаміки парогенератора 50

2.4 Розробка моделі-імітатора на промисловому обладнанні ........... 50

2.4.1 Вибір програмно-апаратної платформи ................................... 50

2.4.2 Опис програмних рішень по створенню моделі ...................... 52

2.4.3 Способи інтерактивної взаємодії дослідника та моделі .......... 54


3 РОЗРОБКА СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ

БАРАБАННИМ КОТЛОМ .................................................................................... 59

3.1 Алгоритми та способи синтезу регулюючих ланок ..................... 59

3.1.1 Методики налаштування на задані критерії якості.................. 59

3.1.2 Методика вибору коректного методу налаштування .............. 60

3.1.3 Засоби автоматичного синтезу налаштувань регуляторів ....... 60

10

3.2 Вибір схем регулювання технологічними параметрами ............. 63

3.2.1 Схема регулювання теплового навантаження.......................... 63

3.2.2 Схема регулювання неперервної продувки .............................. 64

3.2.3 Схема регулювання живлення котла ........................................ 64

3.2.4 Схема регулювання економічності горіння палива ................. 65

3.2.5 Схема регулювання розрідження в топці котла ....................... 65

3.2.6 Схема регулювання температури перегрітої пари ................... 66

3.3 Програма керування технологічним процесом барабанного котла

........................................................................................................ 66

3.4 АСР економічності процесу горіння ............................................ 68

3.5 АСР живлення водою .................................................................... 69

3.6 АСР неперервної продувки ........................................................... 71

3.7 АСР теплового навантаження перегрітої пари ............................ 72

3.8 АСР розрідження в топці котла .................................................... 74

3.9 АСР температури перегріву пари ................................................. 75

3.10 Виявлення аварійних ситуацій ...................................................... 76


4 ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ .......................................................... 81

4.1 Загальна характеристика ............................................................... 81

4.2 Імітаційна модель ДКВр-10/13 ..................................................... 82

4.3 Послідовність запуску САК .......................................................... 83

4.4 Результати моделювання ............................................................... 84

4.4.1 АСР живлення водою ................................................................ 84

4.4.2 АСР неперервної продувки ....................................................... 86

11

4.4.3 АСР теплового навантаження перегрітої пари ........................ 87

4.4.4 АСР розрідження в топці .......................................................... 89

4.4.5 АСР економічності горіння палива .......................................... 90

4.4.6 АСР температури перегрітої пари ............................................ 92

4.5 Перевірка нових алгоритмів регулювання ................................... 93


5 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ .

.................................................................................................................. 96

5.1 Технічні рішення та організаційні заходи щодо безпечного

виконання науково-дослідної роботи................................................................ 97

5.1.1 Електробезпека .......................................................................... 99

5.1.2 Мікроклімат робочої зони ....................................................... 101

5.1.3 Склад повітря робочої зони..................................................... 102

5.1.4 Виробниче освітлення ............................................................. 103

5.1.5 Виробничі випромінювання .................................................... 104

5.1.6 Організація оптимального режиму праці та відпочинку при

використанні ЗОТ ......................................................................................... 106

5.2 Безпека в надзвичайних ситуаціях.............................................. 107

5.2.1 Вимоги щодо організації роботи системи оповіщення

виробничого персоналу у разі виникнення надзвичайної ситуації ........... 107

5.2.2 Обов‘язки та дії персоналу при виникненні надзвичайної

ситуації .................................................................................................. 110

5.2.3 Пожежна безпека ..................................................................... 111

Висновки до розділу ............................................................................... 113

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ ...................................................... 114

12

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ ............................................. 115

ДОДАТОК А............................................................................................... 117

13

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І

ТЕРМІНІВ

АСУ – автоматизована система управління.

ПІ – пропорційно-інтегральний закон керування.

ПІД – пропорційно-інтегрально-диференціальний закон керування.

СКМ – середовище комп‘ютерної математики.

ОК – об‘єкт керування.

ПЛК – програмований логічний контролер

14

ВСТУП

Розвиток виробництва залежить головним чином від інтенсивності

розробки та інтеграції нових систем автоматичного керування, в тому числі і

впровадження нових алгоритмів керування. Керування такими системами є

складною задачею з точку зору теорії автоматичного керування, так як

обумовлене рядом особливостей поведінки власне самого технологічного

об‘єкта (зміна регульованих параметрів від навантаження у великому діапазоні

значень взаємовплив великої кількості технологічних величин, значні

запізнення в інформаційних каналах і т.д).

Тому актуальною задачею залишається визначення такого підходу для

розробки і дослідження системи автоматичного керування, який би

максимально відтворював поведінку об‘єкту. Запропонована комплексна

математична модель барабанного парового котла як альтернатива класичному

підходу до тестування нових алгоритмів керування лише на досліджуваному

контурі.

15

1 ОГЛЯД ПРОБЛЕМ КЕРУВАННЯ БАРАБАННИМ КОТЛОМ

1.1 Опис об’єкта керування

1.1.1 Технічні та конструктивні характеристики

Сучасна котельня є складним технічним комплексом. Вона складається з

котельного агрегату ДКВр – 10/13 та котельного допоміжного устаткування.

Продукцією котельного цеху є перегріта водяна пара необхідних параметрів,

що використовується на технологічні потреби і потреби населення. Вхідними

параметрами є живильна вода, газ та повітря. В якості основного палива на

виробництві використовується природний нафтовий газ, в якості резервного

палива - мазут.

До складу котельного агрегату входять: паровий котел, топка, водяний

економайзер, обмуровка і арматура.

1 - верхній і нижній барабани котла, 2 - водяний об'єм, 3 - паровий

простір, 4 - дзеркало випаровування, 5 і 10-сепараційний і обдувочний

пристрої, 6 і 18 -живильна і опускна труби, 7 - днище котла, 8 - лаз, 9-місце

розміщення пароперегрівача, 12 - труба для продувки котла, 13 - колектор

бічного екрана, 14 - зольник, 15 - пальник, 16 - топка, 17 – кип‘ятильні труби.

16

Рисунок 1.1 - Поздовжній переріз парового котла ДКВр-10/13

Котел типу ДКВр – 10/13 являє собою вертикально - водотрубний

двохбарабанний паровий котел з природною циркуляцією. Котел має два

однакових за довжиною і діаметром барабана. Камера згоряння повністю

екранована трубами. Для підвищення економічності роботи котел постачають

чавунним водяним економайзером, який дозволяє знизити температуру

вихідних газів.

До допоміжного котельного устаткування відносяться тягодуттєві

пристрої, обладнання водопідготовки, паливоподачі, системи

шлакозоловидалення і золоуловлювання, а також контрольно - вимірювальні

прилади та засоби автоматизації.

17

Технологічний процес одержання пари здійснюється в послідовності:

паливо за допомогою газомазутних пристроїв вводиться в топку, де воно і

згоряє. Повітря, необхідне для згоряння палива, подається в топку дуттєвим

вентилятором при штучній тязі чи відсмоктується через колосникові ґрати —

при природній тязі.

Технологічна схема виробництва наведена на Рисунок 1.2

Рисунок 1.2 - Технологічна схема магістралі

ДКВр-10/13 обладнаний економайзером серії БВЕС-IV-1, вентилятором

ВДН-11, димососом ДМ-11.2 та пальником ГМГ-5м.

1.1.2 Основні технологічні змінні

Основні технологічні параметри барабанного котла ДКВр-10/13 зведені в

Таблиця 1.1.

Таблиця 1.1 - Основні показники котла ДКВР -10/13

Номінальна паропродуктивність котла,т/год 10

Тиск пари, МПа (кг/см2) 1,3(13)

Температура пари на виході, °С 180

Температура живильної води, °С 100

18

Витрата палива: Газ, м3/ год 776

Витрата живильної води, т/год 15

ККД: Газ,% 91

Температура гарячої води на виході з

котла,°С 70

Тиск гарячої води, МПа 0,6

Загальна жорсткість води, мг·экв/дм3 22

Загальна лужність, мг·экв/дм3 1,5-2,6

Температура димових газів,°С 360

Розрідження димових газів, Па -94

Вміст кисню в димових газах, % 4

Витрата продувочної води, т/год 0,5

1.1.3 Загальна характеристика проблеми керування об’єктом

Значна кількість технологічних об‘єктів гостро потребують модернізації,

оскільки більшістю процесів в них управляє оператор вручну, що підвищує

вплив людського фактора на загальну роботу.

Зазвичай теплоенергетичне устаткування працює у різних режимах, при

різних навантаженнях, різноманітних збуреннях, з сировиною та енергоносіями

різних характеристик. Причиною зазначених змін часто є й робота інших

контурів регулювання, що взаємозв‘язані через об‘єкт. Значна частина часу

персоналу, що експлуатує системи регулювання, витрачається на виявлення й

усунення технічних несправностей і настроювання параметрів регулюючих

пристроїв.

Згідно з результатами досліджень[1], окремі елементи котельних

агрегатів змінюють свої динамічні характеристики залежно від навантаження та

інших факторів. Синтез придатних до використання систем керування

ускладнюється суттєвим транспортним запізненням, характерним для контурів

керування теплоенергетичними процесами. Таким чином, для забезпечення

19

потрібної якості керування параметри регулятора треба змінювати у кілька

разів. Коефіцієнти апроксимуючих лінійних моделей пароперегрівника

змінюються залежно від навантаження в 5-6 разів (для різних парогенераторів).

У котельнях, як правило, застосовуються регулюючі прилади й інші

елементи САР, параметри яких встановлюються при налагодженні й після

цього залишаються незмінними. Такі регулятори відносно до об‘єктів зі

змінними динамічними характеристиками в основному не можуть забезпечити

якісного регулювання, а іноді навіть стійкого процесу, хоча в деяких випадках

вдається задовільно вирішити це завдання установкою так званих

компромісних налаштувань. Експлуатаційний персонал, щоб уникнути частих

перенастроювань регуляторів, прагне встановити по можливості «слабкі»

параметри налаштування, забезпечуючи стійкість системи регулювання при

різних режимах роботи об‘єкта. Природно, при цьому доводиться жертвувати

характеристиками якості системи регулювання. А для працездатності системи

необхідно, щоб процес автоматичного регулювання досягав певних якісних

показників. Вимоги до якості процесу регулювання в кожному випадку можуть

бути найрізноманітнішими, однак із всіх якісних показників можна виділити

декілька найбільш істотних, наприклад, час регулювання й динамічна похибка.

Системи регулювання повинні визначати остаточні параметри

налаштувань регуляторів при вводі об‘єкта в експлуатацію, після його

модифікації чи значної зміни характеристик. Фактично, автоматизовані

адаптивні системи керування використовуються повсякчасно, просто функції

модулів адаптації виконує досвідчений оператор.Тому розробка систем, що

можуть самостійно або під наглядом оператора підлаштовуватися під зміни

об‘єкта керування, є актуальною науковою та практичною задачею. Збереження

високої якості керування контурами та елементами устаткування сприятиме

економії ресурсів та енергоносіїв, підвищенню строку служби обладнання,

позитивно відобразиться на загальній роботі підконтрольних технологічних

процесів та інженерних систем.

20

Для підвищення надійності і продовження терміну служби

теплоенергетичного обладнання необхідно управляти перехідними режимами

роботи котлоагрегату таким чином, щоб виключити значні градієнти

температур у часі і просторі в теплоенергетичному обладнанні котла. Системи

управління, засновані на застосуванні локальних регуляторів, не забезпечують

достатньої плавності перехідних процесів. Рішення такого завдання (керування

траєкторіями перехідних процесів) може бути здійснено на основі досить

точної математичної моделі, що враховує просторову розподіленість основних

параметрів котлоагрегату. Таким чином, для створення ефективних

комп'ютерних систем управління необхідна математична модель, що дозволяє

розраховувати необхідні управляючі дії.

Ще однією проблемою є недостатньо ефективне спалювання палива.

Підвищення ефективності спалювання газового і рідкого палива, зменшення

викидів шкідливих речовин досить актуальні в паливо-споживаючих системах,

де спалювання великих кількостей палива відбувається з недостатньою

повнотою і відносно низьким ККД. До цієї групи споживачів відносяться

опалювальні котельні ЖКГ та промислових підприємств з котлами потужністю

від 2 до 20 МВт.

Для вирішення проблеми необхідне одночасне рішення часто

взаємовиключних завдань: підвищення економічності спалювання, зменшення

викидів шкідливих речовин в атмосферу і капітальні витрати на їх здійснення.

Одночасне вирішення цих завдань прийнято називати енергоекологічною

оптимізацією спалювання палива.

Можна виділити кілька напрямків такої оптимізації:

1. автоматизація роботи котла;

2. технологічний напрямок: режимні заходи, різні варіанти ступеневої

спалювання палива, рециркуляція димових газів та інші заходи, які

активно впроваджуються в останні роки на пиловугільних і газо-мазутних

котлах;

21

3. конструктивний напрям: вдосконалення вузлів та елементів котла,

топкових і пальникових пристроїв;

4. очищення продуктів згоряння, невигідна з точки зору енергетичних

витрат, але необхідна в деяких випадках;

5. утилізація теплоти відхідних газів, зниження теплових втрат.

У першу чергу, нас цікавить удосконалення встановлених котлів, а не

будівництво нових. Тому перспективним напрямком оптимізації є

технологічне, орієнтоване на причини і механізми не економічного спалювання

палива і утворення шкідливих речовин. Ряд технологій дозволяє домогтися

значного ефекту при досить обмежених капіталовкладеннях за допомогою

автоматизації управління спалюванням палива.

Характерною особливістю впровадження енергозберігаючих та

природоохоронних технологій на діючих котлах малої та середньої потужності

є жорстке їх обмеження за капітальними витратами. Відповідно до цього

доцільні рішення, що передбачають не заміну існуючого технологічного

устаткування новим, а максимально можливе його використання за умови

досягнення сучасних показників по ефективності спалювання палива і охорони

повітряного басейну. Виняток становлять тільки невеликі удосконалення

деяких вузлів горілчаного пристрою в ході впровадження якого-небудь

технологічного методу. Тому такі дії є енергоекологічної реабілітацією чинного

теплотехнічного обладнання.

Ефективність роботи котлоагрегатів складається з ефективності роботи

його компонентів: пальникових пристроїв, поверхонь нагріву, теплообмінників

(економайзерів, повітропідігрівників), тягодуттєвих машин та інших пристроїв.

1.1.4 Барабанний котел як об’єкт регулювання

Особливостями об‘єктів автоматичного управління теплоенергетики є

квазістаціонарність параметрів, нелінійності, багатомірності, неконтрольовані

збурення, що значно ускладнюють процеси управління. Як показує досвід

22

експлуатації, штатні системи регулювання недостатньо добре функціонують

при великих збурюючи впливах, у тому числі при глибоких змінах

навантаження. При цьому регульовані параметри виходять за припустимі

регламентом значення, що приводить до зниження надійності устаткування, а в

деяких випадках до спрацьовування аварійних захистів котлоагрегата.

Барабанний котел являє собою складну динамічну систему[2], при

проектуванні якої важливо врахувати всі взаємозв‘язки між технологічними

параметрами котла (див. Рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Схема взаємозв‘язків між вхідними і вихідними

параметрами барабанного котла

Одним із перспективних напрямків підвищення ефективності АСУТП

теплоенергетичних процесів є використання нових структур систем

регулювання. Удосконалення таких схем шляхом доповнення контурами

підстройки параметрів в режимі нормальної експлуатації та в перехідних

режимах дозволить суттєво підвищити якість регулювання і розширити область

їх використання.

Оскільки паровий котел є дуже складною динамічною системою з великою

кількістю пов‘язаних вхідних/вихідних величин (див. Рисунок 1.3), при

побудові АСР необхідно розбивати загальну систему регулювання на декілька

незалежних систем.

23

Загальна автоматична система регулювання (АСР) барабанного парового

котла складається з:

1. АСР теплового навантаження котла;

2. АСР економічності горіння палива;

3. АСР розрідження в топці котла;

4. АСР температури перегрітої пари;

5. АСР живлення водою;

6. АСР неперервної продувки.

1.1.5 АСР живлення водою

Регулювання живлення барабанних котлоагрегатів передбачає

автоматичне керування живленням водою як за умов нормального перебігу

експлуатаційних режимів роботи котла, так і при режимах пуску і зупинки

котельного агрегату.

Прийнято, що максимально допустимі відхилення рівня води в барабані

становлять ± 100 мм від середнього значення, установленого заводом-

виробником. Основними збуреннями, що впливають на рівень води в барабані

котла є:

1. зміна витрати живильної води,

2. зміна навантаження, зміна витрати палива,

3. зміна температури живильної води.

При збуренні витратою пари контуру регулювання рівня води в барабані

котла явно виражене «набухання» рівня, тобто зміна його в початкові моменти

часу в сторону, невідповідну знаку обурює впливу.

Виходячи з вимог до регулювання рівня води в барабані, автоматичний

регулятор повинен забезпечити сталість середнього рівня незалежно від

навантаження котла та інших збурень. У перехідних режимах зміна рівня

відбувається досить швидко, тому регулятор живлення для забезпечення малих

відхилень рівня повинен підтримувати сталість співвідношення витрат

24

живильної води і пари. Це завдання виконує трьохімпульсний регулятор,

принципова схема якого зображена на Рисунок 1.4.

Рисунок 1.4 - Трьохімпульсна АСР живлення водою барабанного

котлоагрегата

1 - барабан; 2 - водяний економайзер; 3 - регулятор живлення; 4 -

регулюючий клапан живильної води.

1.1.6 АСР неперервної продувки

Система призначена для підтримки допустимого значення солевмісту в

котельній воді. Концентрація солей у воді постійно зростає через процес

випаровування в котлі.

Перевищення допустимого рівня вмісту солі загрожує піноутворенням,

відкладенням шару накипу, негативними наслідками для парового тракту як

котла, так і пов'язаного з ним паропроводу. Регулювання неперервної продувки

здійснюється шляхом впливу регулятора на регулюючий клапан на лінії

продувки. Хімічний склад води, що циркулює в контурі агрегатів, істотно

впливає на тривалість безвідмовної роботи обладнання. До основних

показників якості води відносять загальний вміст солей і надлишок

концентрації фосфатів.

Підтримання загального вмісту солей котлової води в межах норми

здійснюють за допомогою неперервної і періодичної продувок з барабана в

25

спеціальні розширювачі. Втрати технологічної води з продувкою заповнюють

живильною водою в кількості, що визначена рівнем води в барабані або іншої

ємності .

Існуючими схемами регулювання неперервної продувки є двохімпульсна

(Рисунок 1.5) та трьохімпульсна (Рисунок 1.6) схеми.

Рисунок 1.5 - Принципова двохімпульсна схема регулювання неперервної

продувки

У двохімпульсній схемі на вхід ПІ-регулятора (Р) надходять сигнали по

витраті пари Dnn і витраті продувочної води Dnp. Трьохіспульсна схема

відрізняється тим, що на вхід регулятора надходить додатковий коригувальний

сигнал по вмісту солей NaCl. Необхідне співвідношення між вмістом фосфатів,

паровим навантаженням і безперервною продувкою встановлюють за

результатами теплохімічних випробувань. Через відсутність датчиків

вимірювання концентрації кремнієвої кислоти у воді, яка забезпечує

необхідний вміст солей у воді реалізація даної САР ускладнена, що є основним

недоліком даної схеми регулювання, тому найчастіше використовують

двохімпульсну систему регулювання.

26

Рисунок 1.6 - Принципова трьохімпульсна схема регулювання

неперервної продувки

Система, показана на Рисунок 1.7, використовується для підтримки

допустимого значення солевмісту в котельній воді. Концентрація солей у воді

постійно зростає через процес випаровування в котлі.

Рисунок 1.7 – Альтернативна принципова схема регулювання неперервної

продувки

Перевищення допустимого рівня вмісту солі загрожує піноутворенням,

відкладенням шару накипу, негативними наслідками для парового тракту як

котла, так і пов'язаного з ним паропроводу.

27

Усунути подібну ситуацію можна, використовуючи систему

автоматичного продування, яка забезпечить підтримання концентрації солей у

воді на допустимому рівні.

Система автоматичного продування може працювати в режимі постійної

(якщо датчик встановлений безпосередньо в котлі) або періодичної (для

датчика, розташованого в лінії продувки) режимах.

У разі постійного потоку система підтримує задане значення солевмісту,

відкриваючи продувочний клапан, якщо показання датчика перевищать

допустиме значення вмісту солей у воді.

Якщо ж продування періодична (переривчастий потік), то система

періодично відкриває продувочний клапан, щоб впустити пробу води. Клапан

закриється, якщо протягом заданого часу система визначить, що солевміст

знаходиться на допустимому рівні. Якщо ж солевміст перевищує задане

значення, то клапан залишається відкритим, поки вода не заміниться чистої з

поживного бака. У момент закриття клапана система фіксує показання датчика

для відображення останнього реального значення солевмісту.

Система підтримує солевміст в котельній воді нижче заданого значення.

Задаються також тимчасові параметри продувки й інші значення, необхідні для

роботи системи в автоматичному режимі.

1.1.7 АСР економічності горіння палива

Економічність роботи котла оцінюють по ККД, що дорівнює

відношенню корисної теплоти, витраченої на генерування і перегрів пари, до

бажаної теплоти, яка могла бути отримана при спалюванні всього палива.

Однак регулювання економічності безпосередньо по ККД або сумарній оцінці

теплових втрат не отримало широкого поширення через відсутність надійних

способів і засобів їх безперервного вимірювання [2].

Одним з найбільш зручних непрямих способів оцінки економічності

процесу горіння служить аналіз складу газів, що залишають топку. На основі

28

залежності ККД і сумарних втрат від надлишку повітря, доцільно підтримувати

коефіцієнт надлишку повітря (див. Рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Вплив коефіцієнта надлишку повітря на концентрацію

основних компонентів димових газів і ККД при певній теплової навантаженні

котла

З наведених кривих видно, що зменшення коефіцієнта надлишку повітря

сприяє: зниження вмісту кисню (О2), підвищенню ККД і, як наслідок, зниження

температури димових газів і споживання електроенергії вентилятором і

димососом. При цьому зменшується вихід шкідливих оксидів азоту (NOх).

Основним способом регулювання надлишку повітря за пароперегрівачем

служить зміна його кількості, що подається в топку за допомогою

дуттєвихвентиляторів. Існує кілька варіантів схем автоматичного управління

подачею повітря залежно від способів непрямої оцінки економічності процесу

горіння по співвідношенню різних сигналів.

При постійній якості палива його витрата і кількість повітря, яке

необхідне для забезпечення необхідної повноти згоряння, зв‘язані прямою

пропорційною залежністю, яка встановлюється в результаті режимних

29

випробувань. Якщо вимірювання витрати палива виконують досить точно, то

підтримку оптимального надлишку повітря можна реалізувати використовуючи

схему регулювання «паливо – повітря» [2] (див. Рисунок 1.9). При

газоподібному паливі необхідне співвідношення між кількостями газу і повітря

здійснюється просто: порівнюють перепади тисків на витратомірах, що

встановлюються на газопроводі і на повітропідігрівачі або ж на спеціальному

вимірювальному пристрої витрати повітря.

Рисунок 1.9 - Регулювання економічності за співвідношенням

«паливо – повітря»

1 - регулятор подачі повітря, 2 - регулюючий орган, Вп- витрата палива

∆Рпо - перепад тиску на повітропідігрівнику, Зд - задатчик, Dпов - витрата

повітря.

На одиницю витрати різного за складом палива необхідна різна кількість

повітря. На одиницю теплоти, що виділяється при згорянні різних видів палива,

потрібна така ж його кількість. Тому, якщо оцінювати тепловиділення в топці

по витраті пари і змінювати подачу повітря відповідно до змін цієї витрати, то,

загалом, можна досягти оптимального надлишку повітря. Даний принцип

регулювання повітря використовується в схемі «пара - повітря» на Рисунок

1.10.

30


«пара — повітря»

Якщо тепловиділення в топці оцінювати по витраті перегрітої пари і

швидкості зміни тиску пари в барабані, то інерційність цього сумарного

сигналу при збуреннях в топці буде менше інерційності одного сигналу по

витраті пара.

Рисунок 1.11 - Регулювання економічності за співвідношенням сигналів

«теплота — повітря»

Кількість повітря, що відповідає заданому тепловиділенні вимірюють по

перепаду тисків на повітропідігрівачі. Різницю цих сигналів використовують в

якості вхідного сигналу регулятора економічності.

У промислових умовах найбільш поширені схеми регулювання подачі

повітря не з прямим, а з коригувальним впливом по О2.

31

Регулятор подачі повітря 1 (Рисунок 1.12) змінює його витрату по

сигналу від головного або коригуючого регулятора тиску 5, що є автоматичним

задавачем регулятора навантаження котла. Сигнал, пропорційний витраті

повітря, діє як і в інших схемах: по-перше, усуває збурення по витраті повітря,

що не пов‘язані з регулюванням економічності; по-друге, сприяє стабілізації

самого процесу регулювання подачі повітря, так як служить одночасно

сигналом жорсткого негативного зворотного зв‘язку.

Введення додаткового коригуючого сигналу по вмісту О2 підвищує

точність підтримки оптимального надлишку повітря в будь-якій системі

регулювання економічності. Додатковий коригувальний регулятор 4 по О2 в

схемі регулювання «навантаження – повітря» керує подачею повітря при

збуреннях в топці і безпосередньо забезпечує підтримку заданого надлишку

повітря в топці.


«навантаження — повітря»з додатковим сигналом по вмісту О2 в димових газах

1.1.8 АСР розрідження в топці котла

Наявність невеликого (до 20-30 Па) постійного розрідження у верхній

частині топки необхідна за умовами нормального режиму в топці. Це

32

перешкоджає виходу газів з топки і служить непрямим показником

матеріального балансу між повітрям, що подається в топку і димовими газами.

Об'єкт регулювання по розрідженню - топкова камера з включеними

послідовно з нею газоходами від поворотної камери. Вхідним регулюючим

величинами цієї ділянки є витрата димових газів. До зовнішніх збурень

відносять зміну витрати повітря в залежності від теплового навантаження

агрегату, до внутрішніх - порушення газоповітряного режиму.

Регулювання розрідження зазвичай здійснюють за допомогою зміни

кількості газів, що забираються димососами .

Найбільшого поширення набула схема регулювання розрідження з

одноімпульсним ПІ-регулятором, що реалізує принцип регулювання по

відхиленню (Рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 - Схема регулювання розрідження в топці

1 – регулятор розрідження

2 – пристрій динамічного зв‘язку

3 – регулятор повітря.

У даній схемі регулюючий пристрій 1 отримує імпульс по розрідженню в

верхній частині топки від датчика розрідження, а також сигнал від регулятора

повітря 3, через пристрій динамічного зв‘язку 2 і діє через ВМ на РО тяги. РО

тяги - направляючі апарати димососа чи шибера, встановлені в газоході. Для

покращення енергоефективності вони можуть бути замінені частотним

перетворювачем, що регулює кількість обертів димососа, а, отже, регулює тягу.

Регулятор повітря одночасно діє на ВМ, що змінює витрату повітря в топку.

33

1.1.9 АСР температури перегрітої пари

Для регулювання температури перегрітої пари використовують три

різних способи: змішування, поверхове охолодження, теплосприйняття.

Спосіб змішування полягає у тому, що в перегріту пару додається для

охолодження (вприскується) вода чи пар з меншим вмістом теплоти.

Регулювання за допомогою теплосприйняття найчастіше здійснюється за

рахунок зміни положення факела в топці, рециркуляції димових газів і

розподілення димових газів по газоходам.

Найчастіше використовується спосіб регулювання температури перегрітої

пари з використанням пароохолоджувачів. Регулюючий вплив здійснює

витрата охолоджуючого агента (живильної води).

Розглянемо існуючі схеми регулювання САР перегрітої пари барабанного

котлоагрегата, а саме: одноімпульсну та двоімпульсну.

У одноімпульсній САР температури, що зображена на Рисунок 1.14

передбачається регулювання за допомогою вприску води. Температура на

виході другого пакета пароперегрівача вимірюється за допомогою датчика Д,

далі її значення порівнюється із заданим, і в залежності від знака і величини

розбалансу ВМ діє на регулюючий орган РО, що регулює подачу конденсату.

Недоліком такої схеми регулювання є те, що на вхід пароперегрівника

надходять великі збурення у вигляді зміни температури пари на виході наперед

включених пакетів регулювання.

34

Рисунок 1.14 - Технологічна схема одноімпульсної САР температури

перегрітої пари

Для досягнення кращої якості перехідного процесу найчастіше при

регулюванні температури перегрітої пари використовують двохімпульсну САР

(Рисунок 1.15), внутрішній малоінерційний контур якої утворюється вводом

похідної з проміжної точки, а зовнішній інерційний контур забезпечує

підтримку вихідного регульованого параметру. Дана схема передбачає

додаткове використання датчика Д2, що вимірює температуру перед

пароперегрівачем. Внутрішній малоінерційний контур дозволяє відфільтрувати

майже всі збурення, що надходять від пакетів пароперегрівача.

Рисунок 1.15 - Технологічна схема двохімпульсної САР температури перегрітої

пари

1.1.10 АСР теплового навантаження

Котел як об‘єкт регулювання теплового навантаження може бути

представлений у вигляді послідовного з‘єднання простих ділянок,

розмежованих конструктивно.

Неперервний спосіб виміру теплового навантаження полягає у

використанні залежності (1.1):

б

в n п п

d pD C D

d t (1.1)

Розглянемо можливі способи регулювання теплового навантаження

барабанного котла.

35

Із залежності (1.1) бачимо, що на теплове навантаження впливають

швидкість зміни тиску пари та витрата палива. Таким чином кожен момент

часу в топці котла повинно згоряти стільки палива, щоб кількість пари, що

виробляється котельним агрегатом, відповідала кількості споживаного пара,

тобто зовнішньому навантаженні котла, тобто, подача палива повинна

проводитися так, щоб забезпечити постійний тиск пари на виході котла.

Рисунок 1.16 - Принципова схема регулювання теплового навантаження

Датчик 2 вимірює тиск в барабані котла, який підключений до

регулятора 1, що керує подачею палива.

Рисунок 1.17- Принципова схема регулювання теплового навантаження з

регулятором тиску в барабані котла та коректуючим регулятором 6

Для забезпечення стабільності тиску і навантаження схема регулювання

(Рисунок 1.17) доповнюється коректуючим регулятором 6.

36

1.2 Режими роботи котла

1.2.1 Загальна характеристика режимів роботи відповідно до

навантаження

Пара, яку виробляє котел, використовуються на технологічні потреби і

потреби населення. Графіки теплових навантажень будують для окремих

районів теплоспоживання та окремих споживачів. Існує декілька типів

теплового споживання:

1. технологічні потреби промислових підприємств;

2. опалення житлових будинків та промислових об‘єктів;

3. вентиляція промислових будівель, установ, об‘єктів соціально-

культурного призначення;

4. кондиціонування повітря на промислових підприємствах, об‘єктах

соціально-культурного призначення;

5. гарячого водопостачання.

Витрата теплової енергії на технологічні потреби мало залежить від

температури зовнішнього повітря, тому конфігурація графіків технологічного

навантаження в основному визначається режимом роботи (кількістю робочих

змін) промислових споживачів.

Найскладнішу конфігурацію має добовий графік теплового навантаження

гарячого водопостачання. Він характеризується малим навантаженням вночі,

наявністю ранкового короткотермінового піку і більш тривалого вечірнього.

На Рисунок 1.18, а, б показано приклади добових графіків теплового

навантаження.

37

а) б)

Рисунок 1.18 - Графіки добового теплового навантаження: а) на технологічні

потреби; б) гарячого водопостачання

Графіки навантажень показують, що протягом заданого періоду часу

котел повинен виробляти різну кількість теплової енергії. При цьому для

кожного котлоагрегати створюються режимні карти, у яких зазначено, які

вихідні параметри повинен підтримувати котел при роботі у різних режимах


1.2.2 Можливі способи врахування зміни режимів роботи керування

об’єктом

Проблема управління динамічними об‘єктами в умовах невизначеності є

центральною проблемою сучасної теорії управління. Одним з напрямів

підвищення ефективності управління нестаціонарними об‘єктами є

застосування спеціальних регуляторів. В технічній літературі описано значну

кількість спеціальних регуляторів, до яких можна віднести такі, які

відрізняються від типових ПІ-, ПІД регуляторів, а саме:

адаптивні

Адаптивні системи – це системи у яких автоматично змінюється алгоритм

керування з метою збереження показників якості залежно від зміни параметрів

об'єкта керування або зовнішніх збурень, що діють на об‘єкт керування[3].

Актуальною проблемою є адаптивне управління технологічними

процесами з нестаціонарними параметрами і синтез адаптивних прогнозуючих

38

моделей, що забезпечують локально-оптимальне та енергозберігаюче

управління.

Типовим є випадок, коли відсутній точний математичний опис об‘єкта

або відбувається зміна його параметрів невідомим чином в широких межах,

тобто багато об‘єктів управління характеризуються неповнотою апріорної та

поточної інформації щодо їх характеристик і впливів зовнішнього середовища,

що істотно впливає на якість управління і його результати. Застосування

адаптивних методів націлено на усунення невизначеності, пов‘язаної з

незнанням структури і параметрів моделі об‘єкта.

Адаптивні методи потребують постійного оновлення інформації в процесі

функціонування об‘єкту.

робастні

Робастні методи орієнтовані на забезпечення зниженої чутливості

автоматичної системи регулювання у наперед визначеному інтервалі зміни

параметрів об‘єктів.

регулятори на базі нечіткої логіки

Нечітка логіка отримала деяку популярність в останні роки, але її

складність та недостатня дослідженність є причиною, через яку її ще важко

застосовувати в системах автоматичного керування. Складність цього підходу

полягає у тому, що вихідний набір нечітких правил, які постулюються,

формулюється експертом і може виявитися неповним, суперечливим чи містити

погрішності, що не усуваються в чисельній залежності, що описують вхідні і

вихідні змінні стану системи, вибираються суб‘єктивно.

з використанням штучних нейронних мереж.

До переваг нейромережевого підходу відносять: паралелізм обробки

інформації; єдиний принцип навчання та здатність вирішувати неформалізовані

завдання. Недоліками нейронних мереж є неможливість передбачення похибки

регулювання для вхідних впливів, які не входили в набір навчальних сигналів;

відсутність критеріїв вибору кількості нейронів у мережі, тривалості навчання,

39

діапазону і кількості навчальних впливів. Ні в одній з публікацій не

досліджували робастність або запас стійкості регулятора. Продовжуваність

процесу навчання є основною перепоною на шляху широкого використання

методів нейронних мереж в регуляторах[16].

1.3 Вимоги до функціонування АСР котла

Для забезпечення бажаних показників якості регулювання необхідно

підтримувати регульовані параметри з певною точністю. Допустимий діапазон

відхилення регульованих параметрів від номінальних значень (Таблиця 1.1):

1. регулювання рівня в барабані котла – ±100мм;

2. регулювання витрати води на продувку – ±0,025т/год;

3. підтримання тиску пари в барабані котла – до ±13кПа;

4. регулювання розрідження в топці котла в межах - до ±20 Па від

номінального значення;

5. допустиме відхилення по температурі перегрітої пари ±5℃;

6. підтримання вмісту кисню в димових газах в межах ±1%.

1.4 Необхідність практичної перевірки теоретичних результатів

Застосування нових і недостатньо вивчених методів регулювання на

реальних об‘єктах, особливо, коли об‘єкт є відповідальним і має підвищену

небезпеку, не є виправданим. Тому перед впровадженням системи керування в

експлуатацію, необхідно переконатися у її працездатності. Таким чином

необхідно мати можливість перевірити роботу системи керування в умовах,

максимально наближених до реальних.

Для цього необхідно мати опис процесів, принаймні наближено, та

розроблену систему керування.

40

1.5 Постановка задачі дослідження

Незважаючи на класичність об‘єкта та його добру вивченість, існуючі

математичні моделі описують окремі контури регулювання, що унеможливлює

отримання результатів теоретичних досліджень на практиці. Про комплексні

моделі котла як єдиного цілого відомостей значно 4. Що стосується моделі

об‘єкта, на якій можна досліджувати нові алгоритми керування та порівнювати

з уже існуючим і при цьому спостерігати поведінку об‘єкта в цілому, то тут

відомостей ще менше. Розробки у даній предметній області зводяться до

дослідження одного контуру регулювання і зводять модель до набору

елементарних ланок та розгляду контуру у відриві від інших компонентів САР.

Побудувавши спрощену, але подібну до реальної динаміки котла комплексну

математичну модель всіх важливих контурів котла, можна підвищити

ефективність алгоритмів керування, а, отже, і системи, вцілому.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв‘язати такі задачі:

1. Доповнити математичні моделі барабанних котлів малої потужності

зв‘язками, що враховують взаємний вплив регулюючих впливів на

регульовані параметри.

2. Виявити недоліки застосовуваних уже існуючих систем управління

барабанними парогенераторами.

3. Дослідити ефективність взаємозв‘язного управління барабанним котлом

малої потужності за допомогою полігону HIL та SIL.

Висновки до розділу

У даному розділі описано барабанний котлоагрегат малої потужності, що

є об‘єктом для розробки комплексної математичної моделі.

Розглянуто стандартні схеми регулювання, які застосовуються для

підтримання на заданому значенні основних технологічних параметрів

котлоагрегата. Вказано, які підходи можуть використовуватися для побудови

41

систем керування, а також наведено причини необхідності перевірки

розроблених алгоритмів керування спочатку на моделі об‘єкта керування.

42

2 ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ОБ’ЄКТА

КЕРУВАННЯ

2.1 Математична модель окремих ділянок та процесів об’єкта

керування

2.1.1 Динамічна модель розрідження в топці котла

На схемі Рисунок 2.1 показано регулюючі та збурювальні впливи на

розрідження (Rozridgennya). Розрідження в топці котла змінюється за рахунок

зміни продуктивності димососа (Yout). Збуренням в цій схемі є витрата повітря

(Zburennya-Flow air).

Рисунок 2.1 - Математична модель розрідження

Передаточні функції каналів продуктивність димососа-розрідження та

витрата повітря-розрідження:

продуктивність димососа-розрідження в топці котла:

;167.166.5

78.26.20

2

ss

ssW

витрата повітря-розрідження в топці котла:

.167.166.5

080.13.80

2

ss

ssW

43

2.1.2 Динамічна модель економічного спалювання палива

Взаємозв‘язки між параметрами, які характеризуються процес

спалювання палива, показано на Рисунок 2.2.

Регулюючим впливом є витрата повітря (Flow air), яка змінюється за

допомогою зміни продуктивності вентилятора (Y_InternalReg). Збуренням

роботи системи є витрата палива (Zburennya – Flow fuel). Додатково у системі є

вихід по тиску повітря (Air pressure).

Показником економічності процесу горіння є концентрація кисню в

димових газах (CO2), тому в даній схемі регульованою величиною є саме цей

параметр.

Рисунок 2.2 - Математична модель економічності горіння

Передаточні функції каналів у схемі такі:

продуктивність вентилятора-витрата повітря

;224,0sW

продуктивність вентилятора – тиск повітря

;116

5,0

ssW

витрата повітря – вміст O2

4 5

2

2 , 7 4 0 , 2 2 4;

5 6 1 6 1

ssW s e

s s

Витрата палива - вміст O2

44

2 5

2

0 .0 1 2.

5 6 1 6 1

sW s e

s s

2.1.3 Динамічна модель рівня води в барабані котла

Рисунок 2.3 показує, як впливають технологічні параметри на рівень води

в барабані котла.

На рівень (Level) впливають витрата живильної води, яка змінюється за

рахунок зміни положення клапана подачі води в барабан котла (Yout, є

сигналом керування), витрата пари (Flow steam), витрата палива (Flow fuel) та

витрата води на продувку (Flow produvka). При виникненні аварійної ситуації

вода з барабану може зливатися через аварійний клапан (Alarm_zliv).

Рисунок 2.3 - Математична модель рівня

Передаточні функції каналів у схемі:

подача живильної води – рівень в барабані

;5,45

1 20 se

ssW

витрата палива – рівень в барабані

;1100

1

160

015,0

sssW

витрата пари - рівень в барабані

45

;9,3

1 70 se

ssW

витрата води на продувку – рівень води в барабані

.9,3

1

ssW

2.1.4 Динамічна модель теплового навантаження

Динамічна модель теплового навантаження є дуже складною (Рисунок

2.4). Параметр, що характеризує теплове навантаження є тиск пари в паровій

магістралі від котла (P_magistrali). Зміна тиску пари відбувається за рахунок

зміни подачі палива, що відбувається за рахунок керування регулювальним

органом (Yout). Збуренням для цієї системи регулювання є витрата пари (Flow

steam). У цій схемі додатково виведено сигнал по тиску палива (Fuel press).

Рисунок 2.4 - Математична модель теплового навантаження


Тиск в барабані - тиск в магістралі

;132

1

ssW

тиск в барабані- витрата споживаної пари

;167,43

1

125,28

8,0

ss

ssW

витрата пари - тиск в магістралі

;167,43

140

125,28

103,30

s

s

s

ssW

46

витрата пари – витрата споживаної пари

;141

410195,0

s

ssW

витрата палива - тиск палива

;120

2,1

ssW

витрата палива – теплосприйняття топки

;110

5,0

ssW

теплосприйняття в топці – витрата пари з барабану

.120

6,0

ssW

2.1.5 Динамічна модель неперервної продувки

Математична модель процесу неперервної продувки показана на Рисунок

2.5. Вміст солей у котловій воді (NaCl) підтримується за рахунок зміни витрати

продувочної води з барабану, за рахунок зміни положення клапана продувочної

води (Yout). Для імітації збільшення вмісту солей у котловій воді додано вплив

збурення (Dist).

Рисунок 2.5 - Математична модель неперервної продувки


витрата води на продувку – вміст солей в барабані

.11500

1 120 se

ssW

47

2.1.6 Динамічна модель температури перегрітої пари

Для регулювання температури перегрітої пари в алгоритм регулювання

необхідно вводити значення температури в двох характерних точках (Рисунок

2.6) – безпосередньо після місця вприску (TpromTochka) та на виході із котла

(Tpp). Температура підтримується вприском охолоджуючої води в паропровід

(Yout).

Рисунок 2.6 - Математична модель температури перегрітої пари

Збурюючими впливами на регулювання температуру перегріву пари є

розрідження в топці котла (Razregenie_V_topke) та витрата пари із барабану

(Flow_steamDrum).

Передаточні функції:

розрідження в топці – температура перегрітої пари

;1180

02,0 50 se

ssW

витрата пари з барабану – температура перегрітої пари

;13,239

95,0 8,79 se

ssW

витрата води на вприск– температура в проміжній точці

48

;136

1 6 se

ssW

витрата води на вприск – температура після пароперегрівника

;180

1 12 se

ssW

2.2 Загальна структура моделі об’єкта

Математична модель барабанного котла, який досліджується в даній

роботі, розроблена в середовищі Simulink системи комп‘ютерної математики

MatLab.

ЇЇ створення було проведено в декілька етапів роботи:

1. декомпозиція парової установки на окремі контури регулювання;

2. аналіз і дослідження технологічного процесу кожного контуру на

основі літературних джерел;

3. реалізація математичної моделі за рахунок поступового приєднання

кожного підоб‘єкта з використанням СКМ;

4. дослідження динамічних властивостей нарощуваного об‘єкта.

Необхідність створення комплексної математичної моделі об‘єкта

керування пояснюється реалізацією імітаційного регулювання. Згідно зі схемою

взаємозв‘язків між вхідними та вихідними параметрами барабанного котла,

(Рисунок 1.3) у моделі ОК реалізовано 6 основних контурів регулювання.

Математичну модель див. Рисунок 2.7 Ошибка! Источник ссылки не найден..

У моделі використовуються підсистеми (ASRLevel, ASRNavantagennya,

ASRProduvki, ASRRozridgennya, ASRTemperature, ASREconomichnosti), у яких

«заховано» власне математичні моделі контурів регулювання. Для виводу

поточних значень на екран використовуються блоки Display. Блоки out

використовуються для збереження результатів моделювання і можливості

обробки отриманих даних після завершення процесу моделювання. Обмін

даними між моделлю та контролером, у якому реалізовані алгоритми

49

регулювання та захистів, відбувається за технологією ОРС, тому

використовуються блоки ОРС Readта OPCWrite.

Для моделювання зміни навантаження по витраті пари, збільшення вмісту

солей у котловій воді та виходу з ладу димососа передбачена можливість

ручного введення цих значень за допомогою блоків ManualSwitch.

Рисунок 2.7 - Комплексна спрощена модель об‘єкта

50

2.3 Межі застосування отриманої моделі динаміки парогенератора

Отримана модель динаміки парогенератора описує процеси, які

відбуваються в барабанних котлах. При цьому параметри передаточних

функцій каналів регулювання повинні уточнюватися для кожного конкретного

випадку котлоагрегата.

Модель розроблена для використання у стендах імітаційного

моделювання. Стенди імітаційного моделювання можуть використовуватися

для:

перевірки роботи розроблених систем керування;

тестування нових алгоритмів керування, які неможливо застосувати

на реальному об‘єкті;

підвищення кваліфікації експлуатаційного персоналу;

проведення лабораторних робіт у вищих навчальних закладах, для

навчання студентів основам технологічних процесів.

2.4 Розробка моделі-імітатора на промисловому обладнанні

2.4.1 Вибір програмно-апаратної платформи

Систему керування для створеної математичної моделі барабанного

котлоагрегата розроблено на використанні мікропроцесорного контролера від

компанії Phoenix Contact моделі ILC130 ETH.

Вибір оптимального для конкретного завдання контролера ґрунтувався на

відповідності функціональних характеристик контролера вирішуваному

завданню за умови мінімальної його вартості.

Для обраного контролера середовищем розробки програмних проектів

для автоматизації є PC WorX, яке поєднує в собі програмування мовами IEC

61131, налаштування мережевої конфігурації і діагностику. PC WorX працює в

середовищі операційної системи Windows. PC WorX є частиною програмного

забезпечення AUTOMATIONWORX SoftwareSuite.

51

Контролер під‘єднаний до робочої станції (ПК) через інтерфейс Ethernet.

Обмін даними відбувається за стеком протоколів ТСР/ІР.

Під час моделювання дані між моделлю та контролером передаються за

такою схемою: ОРС-сервером, який використовується для обміну даними між

ПЛК і моделлю об‘єкта, є AX OPC Server. Згідно зі стандартом Ethernet-мережі,

комунікація між пристроями здійснюється за допомогою IP-адрес, що

привласнюються кожному пристрою користувачем.

ILC130 ETH – це модульний високопродуктивний компактний контролер,

який використовується у невеликих системах. Через вбудований Ethernet-

інтерфейс можливе налаштування та програмування за допомогою програмного

забезпечення для автоматизації PC WorX згідно з МЕК 61131, паралельний

обмін даними з ОРС-серверами та комунікація із кінцевими пристроями, які

підтримують протокол ТСР/ІР.

Характеристики контролера:

Інтерфейс Еthernet 10Base-T/100Base-TX;

підтримка комунікаційний протоколів: http, FTP, SNTP, SNMP,

SMTP, SQL, MySQL та ін.;

вбудований веб-сервер для візуалізації за допомогою WebVisit;

FTP-сервер;

файлова система Flash;

швидкість обробки даних: 1,7 мс (1 К змішаних команд), 90 мкс (1

К біт-команд);

пам‘ять для програм: 192 кБайт (16 К команд ІL);

пам‘ять для даних: 192 кБайт;

пам‘ять для постійного збереження даних: 8 кБайт (NVRAM);

кількість задач управління: 8;

годинник реального часу.

52

PC WorX – це універсальне програмне забезпечення для технічної

розробки, яке підходить для всіх пристроїв керування виробництва Phoenix

Contact. Воно об‘єднує в собі програмування відповідно до вимог МЕК 61131,

конфігурування польових шин та діагностику обладнання.

PC WorX дозволяє ефективно програмувати задачі автоматизації,

включно із тими, до яких висувають підвищені вимоги. Для цього користувачу

надається багато функцій:

програмування усіма мовами МЕК 61131-3;

перетворення мов програмування МЕК;

зручні текстові та графічні редактори;

можливість роботи декількох користувачів.

PC WorX підтримує різноманітні протоколи шин, зокрема ІNTERBUS,

PROFINET, Profibus и Modbus-TCP.

PC WORX пропонує попередньо підготовлені макети, розраховані на

пристрої керування Phoenix Contact. Тобто користувачу не доводиться

індивідуально настроювати свою програму для кожного пристрою управління,

що значно заощадить час.

Інтерфейс програмування - більш наочний і чіткий, тобто редагування

займає менше часу і воно більш комфортне.

Завдяки оболонці для симуляції можна протестувати програму без

підключення до апаратного ПЛК. Потім можна просто переключитися з режиму

симуляції в режим реальної установки.

2.4.2 Опис програмних рішень по створенню моделі

Simulink - інтерактивний інструмент для моделювання, імітації та аналізу

динамічних систем. Він дає можливість будувати графічні блок-діаграми,

імітувати динамічні системи, досліджувати працездатність систем і

вдосконалювати проекти. Simulink повністю інтегрований з MATLAB,

забезпечуючи негайним доступом до широкого спектру інструментів аналізу та

53

проектування. Simulink також інтегрується з Stateflow для моделювання

поведінки, викликаного подіями. Ці переваги роблять Simulink найбільш

популярним інструментом для проектування систем управління та комунікації,

цифрової обробки та інших програм моделювання.

Програма Simulink є додатком до пакету MATLAB. При моделюванні з

використанням Simulink реалізується принцип візуального програмування,

відповідно до якого, користувач на екрані з бібліотеки стандартних блоків

створює модель пристрою і здійснює розрахунки. При цьому, на відміну від

класичних способів моделювання, користувачеві не потрібно досконально

вивчати мову програмування та чисельні методи математики, а досить

загальних знань потрібних при роботі на комп'ютері і знань тієї предметної

області, в якій він працює.

Simulink є достатньо самостійним інструментом MATLAB і при роботі з

ним зовсім не потрібно знати сам MATLAB і інші його додатки. З іншого боку

доступ до функцій MATLAB та іншим його інструментам залишається

відкритим і їх можна використовувати в Simulink. Частина входять до складу

пакетів має інструменти, що вбудовуються в Simulink (наприклад, LTI-Viewer

додатки Control System Toolbox - пакета для розробки систем управління). Є

також додаткові бібліотеки блоків для різних областей застосування

(наприклад, Power System Blockset - моделювання електротехнічних пристроїв,

Digital Signal Processing Blockset - набір блоків для розробки цифрових

пристроїв і т.д).

При роботі з Simulink користувач має можливість модернізувати

бібліотечні блоки, створювати свої власні, а також складати нові бібліотеки

блоків.

При моделюванні користувач може вибирати метод розв‘язання

диференціальних рівнянь, а також спосіб зміни модельного часу (з фіксованим

або змінним кроком). В ході моделювання є можливість стежити за процесами,

що відбуваються в системі. Для цього використовуються спеціальні пристрої

54

спостереження, входять до складу бібліотеки Simulink. Результати

моделювання можуть бути представлені у вигляді графіків або таблиць.

Перевага Simulink полягає також у тому, що він дозволяє поповнювати

бібліотеки блоків за допомогою підпрограм написаних як мовою MATLAB, так

і на мовах С++, Fortran і Ada.

2.4.3 Способи інтерактивної взаємодії дослідника та моделі

Для інтерактивної взаємодії дослідника та моделі використовується

вбудований у контролер веб-сервер. Це означає, що користувач імітаційного

стенду може мати видалений доступ до поточних даних, якщо він має

підключення до мережі, у яку під‘єднано контролер.

Розробка людино-машинного інтерфейсу відбувалася у програмному

забезпеченні WebVisit. WebVisit – це проектний програмний інструмент для

веб-візуалізації всіх пристроїв керування за допомогою вбудованого веб-

сервера. Інтерфейс користувача відрізняється високим ступенем

функціональності і містить більшість основних графічних елементів та

функцій.

Щоб забезпечити користувачеві максимально зручний та зрозумілий

інтерфейс було вирішено організувати систему таким чином: розроблено

8вікон, між якими передбачена можливість перемикання.

Наведемо список вікон:

1. вікно, у якому виведено основні регульовані поточні значення та

уставки технологічних параметрів;

2. вікна кожного контуру регулювання з трендами реального часу та

налаштуваннями регуляторів;

3. вікно алармів реального часу та історичних алармів, у якому

показується інформація про критичні значення технологічних параметрів;

наприклад, вихід значення технологічного параметра за дозволені межі; аларми

55

повідомляють оператора про стани процесу, які потенційно можуть призвести

до проблем.

Рисунок 2.8 – Вікно налаштувань економічності горіння палива

Рисунок 2.9 – Вікно історичних алармів та алармів реального часу моделі

56

Рисунок 2.10 - Вікно налаштувань теплового навантаження

Рисунок 2.11 - Головне вікносистеми

Рисунок 2.12 - Вікно налаштувань контуру продувки

57

Рисунок 2.13 - Вікно налаштувань розрідження в топці

Рисунок 2.14 - Вікно налаштувань температури перегрітої пари


У даному розділі було описано математичні моделі кожного контуру

регулювання барабанного котла, обґрунтовано вибір схем регулювання

контурами, наведено розрахунок налаштувань класичних ПІ-регуляторів для

обраних схем регулювання.

Показано розроблену комплексну математичну модель барабанного

парового котла, яка буде застосовувати для тестування алгоритмів керування,

вказано межі її застосування.

58

Наведено розроблений інтерфейс для зручної взаємодії користувача з

імітаційним стендом. Описано основні технічні рішення за допомогою яких

реалізовано імітаційний стенд.

59

3 РОЗРОБКА СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ

БАРАБАННИМ КОТЛОМ

3.1 Алгоритми та способи синтезу регулюючих ланок

Існує велика кількість різних способів обчислення параметрів

регуляторів. У [6] зібрано практично усі інженерні методики, які були

розроблені різними вченими за роки розвитку теорії автоматичного керування.

Тут також наведено класифікацію методів обчислення налаштувань:

Методи, засновані на визначенні реакції об‘єкта на одиничне збурення;

Методи, які мінімізують критерій якості;

Методи, які налаштовані на заданий вигляд перехідного процесу;

Методи отримання робастних налаштувань;

Частотні методи отримання налаштувань;

Інші види методів, наприклад, методи визначення коефіцієнта підсилення

регулятора для отримання перехідних процесів із заданим ступенем

затухання.

3.1.1 Методики налаштування на задані критерії якості

Методи обчислення параметрів регулятора залежать від структури

регулятора. У [8] наведено 7 різних структур ПІ регулятора та 46 – ПІД

регулятора. Розглядаються лише структури ПІ та ПІД з варіаціями, тому що, як

зазначено, більше 90 % регуляторів, які застосовуються у системах

регулювання, мають ПІ та ПІД структуру.

Звичайно, що для правильного налаштування регулятора необхідно мати

опис об‘єкта регулювання. [8] представляє 22 види передаточних функції

об‘єктів.

Таким чином, для усього різноманіття структур регуляторів та об‘єктів, у

[8] наведено 443 різні методики обчислення налаштувань ПІ регуляторів та 691

– для ПІД структури регулятора.

60

3.1.2 Методика вибору коректного методу налаштування

Окрім інженерних методик обчислення параметрів регуляторів існують

також аналітичні методи, наприклад, загальновідомі метод розширеної

амплітудно-фазової характеристики (метод РАФХ) або максимуму амплітудно-

частотної характеристики (метод МАЧХ).

Інженерні методики варто застосовувати при застосуванні простих схем

регулювання (одноконтурних), тому що в більшості таких випадків структура

моделі об‘єкта відома і можна вибрати саме ту методику, яка б забезпечувала

заданий вигляд результуючих перехідних процесів.

Аналітичні методи краще використовувати при налаштуванні регуляторів

у складних схемах регулювання (каскадні, із вводом похідної із проміжної

точки, комбіновані схеми). Це обумовлено тим, що результуючі об‘єкти

регулювання можуть мати складну структуру, яку неможливо описати із

необхідною точністю стандартними структурами. Способи застосування таких

методик для різних схем регулювання добре описані в книжках з теорії

автоматичного керування, зокрема в [10].

3.1.3 Засоби автоматичного синтезу налаштувань регуляторів

Зрозуміло, що наявність великої кількості методик отримання

налаштувань регуляторів, це добре, але б було б дуже зручно мати засіб

автоматичного налаштування регуляторів.

У даній магістерській дисертації було розроблено такий засіб. На Рисунок

3.1 показано головне вікно розробленого програмного забезпечення. Програма

розроблена за допомогою засобів Matlab.

У головному вікні користувачу надається можливість вибору схеми

регулювання. Після вибору схеми регулювання на екран виведуться необхідні

поля, у яких можна буде задати параметри об‘єкта(-ів) регулювання.

Наприклад, при виборі комбінованої схеми (Рисунок 3.2) користувачу

61

надається можливість ввести параметри передаточної функції об‘єкта та

функції, через яку вводиться збурення.

Рисунок 3.1 – Головне вікно програми автоматичного обчислення налаштувань

регулятора

Рисунок 3.2 – Вікно задання параметрів об‘єктів регулювання

62

Окрім параметрів об‘єктів користувачу надається можливість ввести

бажані значення прямих показників якості перехідних процесів та частотні

показники якості системи керування (Рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Вікно задання регулювання бажаних показників якості

У результаті роботи програми на екран буде виведено 2 вікна із

результуючими перехідними процесами в каналі завдання- та збурення-вихід,

які задовольняють вимогам по заданим показникам якості (Рисунок 3.4). У цих

же ж вікнах буде виведено необхідні значення параметрів регуляторів.

Поточна версія програми розрахована на налаштування ПІ регуляторів.

При цьому для одноконтурних схем обчислення параметрів регуляторів

відбувається за інженерними методиками, а для складних схем регулювання

обчислення регуляторів здійснюється за методом РАФХ.

63

Рисунок 3.4 – Вікна результатів роботи програми

3.2 Вибір схем регулювання технологічними параметрами

Налаштування регуляторів, компенсаторів та диференціатора, які будуть

наведені у наступних підпунктах, отримано за допомогою програми, описаної в

попередньому підпункті.

3.2.1 Схема регулювання теплового навантаження

У даній роботі для регулювання теплового навантаження котлоагрегата

буде використовуватися схема, показана на Рисунок 1.17, оскільки вона

позбавлена недоліку, що пов‘язаний із залежністю величини тиску від


Схема регулювання є каскадною, у якій внутрішній регулятор підтримує

необхідний тиск у барабані, у той час як на основний регулятор надходять

сигнали по заданому значенню тиску пари в магістралі та власне поточне

значення тиску пари в магістралі. Параметри налаштування регуляторів:

. .

10 , 3 9 1 ;

3 8 , 3 7к о р р

W ss

. .

11, 4 4 1 .

1 9 , 6 6с т а б р

W ss

64

3.2.2 Схема регулювання неперервної продувки

Регулювання неперервної продувки здійснюється за двохімпульсною

схемою (п. 1.1.6), оскільки дана схема є доступною з точки зору практичної

реалізації у порівнянні з трьохімпульсною, де відсутня можливість виміру

концентрації кремнієвої кислоти, що підтримує необхідний вміст солей. Проте

для забезпечення відсутності накипу поверхонь нагріву котел необхідно

забезпечити додатковою апаратурою, що регулює введення фосфатів (мається

на увазі хімводоочистку).

Регулювання вмісту солей у воді відбувається за рахунок зміни витрати

продувочної води через барабан котла. Регулювання здійснюється за звичайною

одноконтурною схемою. Параметри налаштування регулятора:

.1500

115,6

ssW

p

3.2.3 Схема регулювання живлення котла

Для регулювання рівня в барабані котла використовується

трьохімпульсна САР (Рисунок 1.4). Дана схема є найбільш вживаною, так як:

забезпечує необхідну швидкодію компенсації відхилення рівня при перехідних

режимах котла. До переваг такої АСР також можна віднести і поєднання

принципів регулювання по відхиленню та збуренню.

Регулювання рівня здійснюється шляхом зміни подачі живильної води в

барабан котла. Регулювання рівня відбувається за допомогою одноконтурної

схеми, до якої додано компенсатор збурення по витраті пари.

Параметри налаштування регулятора та компенсатора:

1

0 , 3 1 ;3 0 0

pW s

s

1 0 4

.1 0 0 1

к о м п

sW s

s

65

3.2.4 Схема регулювання економічності горіння палива

Для регулювання економічності процесу горіння використовується схема

«завдання-повітря» із додатковою корекцією по вмісту кисню в димових газах.

Ця схема є надійною та точною, і в ній поєднуються принципи регулювання по

збуренню та відхиленню.

Регулювання відбувається за каскадною схемою, на основний регулятор

якого подається поточне значення концентрації, її завдання, який за своїм

алгоритмом розраховує завдання внутрішньому регулятору, який змінює

витрату повітря, впливаючи на роботу вентилятора. Параметри налаштування

коректуючого та стабілізуючого регулятора.

. .

11, 0 4 1 ;

1 6к о р р

W ss

. .

10 , 6 1 1 .

0 , 2 7с т а б р

W ss

3.2.5 Схема регулювання розрідження в топці котла

Найбільше розповсюдження отримала схема регулювання розрідження з

одно імпульсним ПІ-регулятором, яка реалізує принцип регулювання за

відхиленням. При цьому у систему надходить зникаючий сигнал по витраті

повітря зі схеми регулювання економічності процесу горіння.

Математично схема регулювання розрідження в топці котла згідно з п.

1.1.8 є схемою із компенсатором збурень. Основним регулятором є ПІ

регулятор, компенсатор розрахований таким чином, щоб компенсувати

збурення по витраті повітря. Параметри налаштування регулятора та

компенсатора:

1

0 ,1 2 1 ;1,1 5

pW s

s

2

2

2 , 7 9 3, 7 6.

8 , 5 1 8 , 5 6 1к о м п

s sW s

s s

66

3.2.6 Схема регулювання температури перегрітої пари

Для регулювання температури перегріву пари використовується

двоімпульсна САР (Рисунок 1.15), тому що використання такої схеми зменшує

інерційність ділянки регулювання, а також дозволяє відфільтровувати

збурення, які надходять від пакетів пароперегрівача.

Класичною схемою регулювання температури перегрітої пари є система

із вводом похідної із проміжної точки. Випереджаючим об‘єктом є температура

пари в проміжній точці. Параметри налаштування регулятора та

диференціатора:

1

0 ,1 3 2 1 ;5 8 , 7 5

pW s

s

.15,38

5,3894,4

s

ssW

радиф

3.3 Програма керування технологічним процесом барабанного котла

Загальний вигляд програми контролера, у якій реалізовано систему

керування, наведено на Рисунок 3.5. Програма написана технологічною мовою

програмування FBD і складається із 7 функціональних блоків – 6 блоків для

керування кожним контуром регулювання за схемами, обраними в п. 3.2, і

додатковий блок, який виявляє аварійні ситуації, які можуть виникнути при

регулюванні.

Поточний стан котлоагрегата визначається значеннями змінних, які

використовуються у програмі. Опис змінних наведено в Таблиця А.0.1

Додатку А.

Незважаючи на те, що в даній магістерській дисертації для реалізації

алгоритмів регулювання було обрано контролер компанії Phoenix Contact[7],

користувачі розробленого імітаційного стенду можуть реалізовувати власні

алгоритми на обладнанні інших виробників, але для того щоб налаштувати

67

обмін даними між контролером та моделлю необхідно в розробленій програмі

контролера налаштувати обмін даними за технологією ОРС. При цьому назви

68

Рисунок 3.5 - Програма контролера для керування технологічним

процесом в барабанному котлі

змінних, які будуть використовуватися для обміну даними з моделлю за

вказаною технологією, повинні відповідати назвам змінних, наведених у

таблиці А.1 Додатку А.

3.4 АСР економічності процесу горіння

Регулювання вмісту кисню в димових газах відбувається за допомогою

каскадної схеми (Рисунок 3.6). Зовнішній регулятор отримує поточне значення

концентрації O2 (сигнал Concentration_O2) і залежно від відхилення цього

значення від уставки (сигнал Zavdannya) формує керуючий сигнал, який є

завданням внутрішньому регулятору. Внутрішній регулятор в свою чергу керує

частотним перетворювачем вентилятора повітря (сигнал Vent_produktivity) для

зміни витрати повітря (Flow_air).

Рисунок 3.6 - Реалізація регулювання економічності горіння на ПЗ

нижнього рівня

При виникненні аварійної ситуації в роботі котлоагрегату (з‘являється

сигнал Stop_DKVR) або зупинці регулювання в контурі (сигнал Stop_regul) на

виходах обох регуляторів встановлюються нульові сигнали.

69

3.5 АСР живлення водою

Регулювання рівня води в барабані котла відбувається за допомогою

комбінованої схеми (Рисунок 3.7), тому на вхід регулятора, окрім сигналу по

рівню (level_current), надходить сигнал із виходу компенсатора збурення

(витрати пари з барабану, flow_steam). Регулятор підтримує рівень на заданому

значенні Zavdannya. Залежно від відхилення рівня від завдання регулятор

формує сигнал керування подачі живильної води Open_valve.

Рисунок 3.7 - Реалізація регулювання живлення водою в барабані котла

на ПЗ нижнього рівня

Регулятор живлення водою в барабані котлоагрегата автоматично

закриває клапан подачі живильної води у випадку зупинки котла

(Stop_DKVR)або зупинки роботи цього контуру (Stop_regul). При перевищенні

рівнем допустимої межі (сигнал Hi_level_alarm) контролер надсилає керуючий

сигнал на відкриття клапану аварійного зливу води з барабану (сигнал

Open_Alarm_valve).

70

Аварійний клапан буде відкритий поки рівень не зменшиться до заданої

межі (300мм).

На схемі, показаній на Рисунок 3.7, використовується функціональний

блок kompensator_1_1. Цей блок реалізує передаточну функцію виду

.

1

2

2

01

2

2

sBsB

AsAsAsW

k

Рисунок 3.8 - а) компенсатор збурень

71

Рисунок 3.8 - б) компенсатор збурень

Оскільки немає стандартного функціонального блоку, який би

реалізовував таку динамічну ланку, було вирішено розробити власну реалізацію

такої ланки. Це було зроблено за допомогою функціональних блоків бібліотеки

Oscat, які реалізують ідеальну диференційну (FT_DERIV) та аперіодичну ланку

першого порядку (FT_PT1).

1 2 3 1 2К ІД ІД ІД П А П А П

Для визначення сталих часу аперіодичних ланок використовуються

формули показані на Рисунок 3.8а).

3.6 АСР неперервної продувки

Регулювання витрати води на продувку здійснюється за допомогою

одноконтурної схеми (Рисунок 3.9).

72

Рисунок 3.9 - Реалізація регулювання продувки на ПЗ нижнього рівня

В автоматичному режимі при відхиленні поточного значення вмісту

солей у воді (сигнал Current_NaCl) від заданого значення (сигнал Zavdannya)

регулятор формує сигнал керування Flow_water_produvka. При цьому заданий

сигнал подається на вхід регулятора, який сприймає поточне значення

регульованої величини, а поточний вміст солей – на вхід завдання. Це зроблено

тому, що в п. 2.1.5 показано, що вміст солей має обернену реакцію на витрату

продувочної води. Таким чином уникається ситуація отримання замкненої

системи з додатнім зворотним зв‘язком.

Як і в попередніх схемах регулювання припиниться при появі будь-якого

з двох сигналів – Stop_DKVR або Stop_regul.

3.7 АСР теплового навантаження перегрітої пари

Навантаження регулюється за допомогою каскадної схеми (Рисунок 3.10),

де випереджаючим сигналом є тиск пари в барабані, а інерційним – тиск пари в

магістралі.

73

Рисунок 3.10 - Реалізація регулювання теплового навантаження котла на

ПЗ нижнього рівня

На коректуючий регулятор надходять сигнали по поточному значенню

тиску пари в магістралі (сигнал Current_Pmagistrali) та завданню по цьому

параметру (сигнал Zavdannya). При відхиленні тиску пари від завдання

регулятор формує сигнал керування, який подається як завдання на

стабілізуючий регулятор, на який надходить значення тиску пари в барабані

(сигнал Pb).

При відхиленні цих сигналів внутрішній регулятор формує сигнал

керування (сигнал Open_valve_fuel), який означає необхідне положення

заслінки подачі газу.

При перевищення тиску пари в барабані контролер надсилає сигнал

аварійного скиду пари в атмосферу (сигнал SkidVAtm).

Stop_DKVR та Stop_regul використовуються для зупинки регулювання,

відповідно аварійної та планової.

74

3.8 АСР розрідження в топці котла

Для регулювання розрідження використовується схема з компенсацією

збурення по витраті повітря (Рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 - Реалізація регулювання розрідження на ПЗ нижнього рівня

На регулятор надходять сигнали: поточне значення розрідження (сигнал

Rozridgennya), вихідний сигнал компенсатора вхідним сигналом якого є

поточне значення витрати повітря (сигнал Flow_air) та задане значення на

якому потрібно підтримувати розрідження (завдання Zavdannya). Залежно від

відхилення поточного значення розрідження від заданого регулятор за ПІ-

законом формує необхідне значення продуктивності роботи частотного

перетворювача димососа (сигнал Productivity_dimosos).

Для зупинки регулювання використовуються сигнали Stop_DKVRта

Stop_regul.

75

3.9 АСР температури перегріву пари

Регулювання температури перегрітої пари в магістралі відбувається за

допомогою схеми з вводом похідної з проміжної точки (Рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 - Реалізація регулювання температури перегріву пари на ПЗ

нижнього рівня

На вхід регулятора надходить поточне значення температури пари

(сигнал Current_temperature), значення уставки (сигнал Zavdannya ) та вихідний

сигнал диференціатора. На вхід диференціатора надходить поточне значення

температури в проміжній точці (сигнал temperature_vPromigPoint). Вихідним

сигналом регулятора є положення клапана вприску води на яке потрібно його

відкрити (сигнал Open_valve_vprisk).

Диференціатор описується передаточною функцією реальної

диференційної ланки.

Оскільки немає стандартного функціонального блоку, який би

реалізовував таку динамічну ланку, було вирішено розробити власну реалізацію

такої ланки. Це було зроблено за допомогою функціональних блоків бібліотеки

76

Oscat, які реалізують ідеальну диференційну (FT_DERIV) та аперіодичну ланку

першого порядку (FT_PT1).

Д ІД А П

Рисунок 3.13 - Реалізація диференціатора для контуру регулювання

температури перегрітої пари на ПЗ нижнього рівня

3.10 Виявлення аварійних ситуацій

Функціональний блок, який виявляє аварійні ситуації, показано на

Рисунок 3.14.

Рисунок 3.14 - Функціональний блок виявлення аварійних ситуацій

Аварійні ситуації, які можуть виникнути в контурах регулювання,

виявляються у випадку, коли контур увімкнений до роботи. У результаті роботи

77

функціонального блоку отримано 3 сигнали, які впливають на подальшу роботу

контурів регулювання:

Hi_level_alarm–впливає на роботу контуру регулювання живлення

котла;

Pb_alarm – впливає на роботу контуру регулювання навантаження;

Stop_DKVR – при появі цього сигналу робота котла зупиняється.

Рисунок 3.15 - Виявлення аварійних ситуації у контурі регулювання

живлення

У контурі регулювання живлення барабана котла водою може виникнути

3 аварійні ситуації – занизький (Lo_level_alarm), високий (Hi_level_alarm) і

зависокий (Hihi_level_alarm) рівні. Додатково визначається узагальнена аварія

по рівню води в котлі (Level_alarm).

Виявлення аварії по низькому тиску відбувається із пусковою затримкою

(3 хвилини), тому що на початку роботи системи рівень води в барабані може

бути менший за нижню аварійну межу.

У контурі регулювання теплового навантаження виявляється 4 аварійних

ситуації –перевищення тиску в магістралі (Pmag_alarm), перевищення тиску в

барабані котла (Pb_alarm), зниження (Lo_fuel_pressure_alarm) та перевищення

78

тиску палива (Hi_fuel_pressure_alarm). Виявлення аварії по низькому тиску

палива здійснюється із пусковою затримкою. Додатково визначається

узагальнена аварія по тиску палива (Fuel_pressure_alarm).


теплового навантаження

У контурі регулювання економічності процесу горіння визначається

аварія по низькому тиску повітря (Air_pressure_alarm). Ця аварія є

опосередкованим показником, по якому можна визначити вихід із ладу

вентилятора. Ця аварія визначається із пусковою затримкою, тому що при

увімкненні вентилятора в роботу повинен пройти деякий час, поки буде

набрано заданий тиск повітря.

79


економічності процесу горіння

Розроблена система автоматичного керування слідкує за тим, щоб

розрідження в топці котла не опускалося нижче заданого значення

(Rozridgennya_alarm), тому що це може привести до потрапляння отруйних

димових газів у приміщення, в яких знаходиться персонал. Ця аварія

виявляється із пусковою затримкою, щоб після увімкнення в роботу димососа

встигло набратися розрідження необхідної величини.

Виявляється також аварія, яка виникає при виході з ладу димососа

(Dimosos_alarm).



Деякі виявлені аварії спричиняють безумовне відключення котла. Такими

аваріями є:

80

аварія по рівню води в баку;

перевищення тиску в магістралі;

аварія по тиску палива;

аварія по розрідження в топці котла;

аварія димососа;

аварія по тиску повітря.

Рисунок 3.19 - Виявлення узагальненої аварійної ситуації

При виявленні будь-якої із цих аварій формується сигнал Stop_DKVR,

при появі якого кожен контур регулювання вимикається, тобто технологічний

процес барабанного котла припиняється.


У даному розділі описано розроблене програмне забезпечення для

контролера, яке реалізує алгоритми регулювання та захистів. Реалізовані

алгоритми відповідають схемам регулювання, обраним у п. 3.2.

81

4 ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ

4.1 Загальна характеристика

Доцільність випробувань нових розробок автоматизованих систем

управління технологічними процесами (АСУТП) ще до інсталяції системи на

реальному об‗єкті не викликає питань, такі випробування дешевші та більш

зручні для команди розробників. Для реалізації імітаційного моделювання

використовуються системи комп‘ютерної математики (СКМ). Увага

приділяється моделюванню технологічного об‘єкта управління (ТОУ) і

відсутність реалізації в повному обсязі задач супервізорної автоматизації.

До імітаційного моделювання удаються, коли дорого або неможливо

експериментувати на реальному об‘єкті; неможливо побудувати аналітичну

модель, тому що в системі є час, причинні зв‘язки, наслідки, нелінійності,

стохастичні (випадкові) змінні; необхідно зімітувати поведінку системи в часі.

Вирізняють два методи імітаційного моделювання:

1. Hardware-in-the-loop (HIL);

2. Software-in-the-loop (SIL).

Полігони HIL і SIL відрізняються способом реалізації задач контролерної

автоматизації. В полігоні HIL використовується реальний програмований

логічний контролер (хард-ПЛК), а в SIL використовується програмно

реалізований контролер (реальний софт-ПЛК або програмний симулятор хард-

ПЛК).

Імітаційне моделювання адекватно відтворює (імітує) реальний АТК і

може бути використано для полігонних випробувань АТК до інсталяції

АСУТП на реальному ТОУ.

82

4.2 Імітаційна модель ДКВр-10/13

Імітаційний стенд створений для тестування алгоритмів керування та

повноцінної діагностики функцій АСУТП. Передбачається, що результаті це

дозволить:

скоротити час пусконалагоджувальних робіт;

діагностувати помилки в алгоритмах керування;

знизити ризики виникнення аварійних ситуацій під час випробувань

АСУТП;

підвищити рентабельність технологічної установки завдяки поліпшенню

експлуатаційних якостей системи управління.

Вимоги, що ставилися до стенду при його створенні:

1. складові стенду

1.1. динамічна модель, що здійснює імітацію поведінки реального об'єкта

із заданою точністю;

1.2. взаємодія стенду з АСУТП здійснюється як на рівні фізичних каналів

зв‘язку, так і по OPC;

2. забезпечується можливість автоматизованого тестування алгоритмів

керування.

Функції імітаційної моделі:

розрахунок технологічних параметрів процесу в динаміці;

моделювання основних режимів експлуатації, такі як: пуск, зупин,

перехід з режиму на режим;

можливість імітації відмов обладнання.

Модель здійснює обчислювальні операції для розрахунку значень

технологічних параметрів. Далі ці значення передаються в SCADA-систему, яка

забезпечує виведення інформації на екран оператора стенду. У свою чергу ПЛК

відповідно до закладених алгоритмів формує керуючі впливу на об‘єкт, і так

само передає дані на верхній рівень.

83

Рисунок 4.1 - Структурна схема імітаційного стенду

Математичний апарат моделі дозволяє імітувати ситуацію, яка

відбувається під час настання аварії на об‘єкті.

Тестування ІС:

завдання сценаріїв роботи об‘єкта;

перевірку виконання алгоритмів АСУТП;

формування звітів про результати тестування.

4.3 Послідовність запуску САК

Під час запуску системи регулювання в роботу необхідно дотримуватися

деякої послідовності вмикання контурів регулювання. Ця послідовність є

такою:

1. виведення на завдання рівня в барабані;

2. коли рівень вийшов на задане значення, вмикається регулятор

продувки;

3. після того, як вміст солей у котловій воді вийшов на задане

значення, вмикається регулятор навантаження;

84

4. коли навантаження вийшло на заданий рівень,необхідно почати

регулювати розрідження, щоб вихід димових газів був нормальний;

5. після отримання нормального розрідження починає регулюватися

вміст кисню у димових газах;

6. коли це досягнуто, вмикається в роботу регулювання температури

перегріву пари, щоб досягнути задане значення.

4.4 Результати моделювання

4.4.1 АСР живлення водою

На Рисунок 4.2 показані перехідні процеси в системі регулювання рівня

води в барабані з використанням схеми регулювання описаної в п.п. 1.1.5 при

відповідних налаштуваннях регулятора. Як видно з рисунку, система

відпрацьовує збурення і при цьому рівень не виходить за межі ±100 мм від

заданого значення.

85

Рисунок 4.2 - Теоретичні перехідні процеси в системі регулювання рівня в

барабані котла

Опишемо реакцію системи на збурення.

У момент 2000 с починається більший відбір пари з барабану котла, що

призводить до зменшення рівня води в барабані і система реагує відповідним

чином, відкриваючи клапан подачі живильної води до барабану котла.

Наступним збуренням, що починається у момент 4000 с є збільшення

витрати води на продувку. Щоб компенсувати злив продувочної води

відкривається клапан подачі живильної води до барабану котла.

У момент часу 6000 с імітується зміна витрати палива, яку система

компенсує за рахунок роботи клапану подачі живильної води.

Рисунок 4.3 – Реальні перехідні процеси в системі регулювання рівня в барабані

котла

Реальні перехідні процеси відрізняються від теоретичних тим, що

збурення під час роботи всієї системи можуть подаватися одночасно, але

86

незважаючи на це система відпрацьовує збурення. Починаючи з 2500с

зімітоване аварійне припинення подачі живильної води в барабан.

4.4.2 АСР неперервної продувки

Контур регулювання неперервної продувки реалізовано відповідно до

п.п.1.1.6. Регулювання вмісту солей у котловій воді здійснюється монотонно

(Рисунок 4.4). На показаному перехідному процесі у першій половині система

виходить на задане значення, після чого вміст солей у котловій воді починає

збільшуватися, а система повертає вміст солей на задане значення за рахунок

збільшення витрати води на продувку.

Рисунок 4.4 - Теоретичні перехідні процеси в системі регулювання вмісту солей

у воді

87

Рисунок 4.5 - Реальні перехідні процеси в системі регулювання вмісту солей у

воді

Бачимо, що в реальних перехідних процесах збільшується динамічна

похибка, що пояснюється принципом роботи стандартних функціональних

блоків, які використовуються при розробці програмного забезпечення

контролера, що реалізують регулятори.

4.4.3 АСР теплового навантаження перегрітої пари

Регулювання теплового навантаження виконується за допомогою схеми

зображеної на Рисунок 1.17.

На Рисунок 4.6 окрім перехідного процесу тиску пари в магістралі,

показано ще й перехідний процес тиску пари в барабані, тому що регулювання

навантаження відбувається за каскадною схемою, випереджаючим сигналом в

якій є тиск пари в барабані.

88

Рисунок 4.6 - Теоретичні перехідні процеси в системі регулювання теплового


Рисунок 4.7 – Реальні перехідні процеси в системі регулювання теплового


89

На рисунках бачимо, що реальні перехідні процеси практично не

відрізняються від теоретичних, що доводить якісне налаштування системи

регулювання. При аварійній зупинці котла система (починаючи з 2500 с)

знижує до нуля тиск пари в магістралі захищаючи від виникнення небезпечних

ситуацій.

4.4.4 АСР розрідження в топці

Регулювання розрідження в топці котла відбувається із коливальними

перехідними процесами (Рисунок 4.8). Це пов‘язано зі швидкістю реакції

розрідження на роботу димососа. Але незважаючи на це система автоматичного

керування спроможна вийти на задане значення розрідження в топці, а також

компенсувати вплив збурень - витрати повітря - на роботу цього контуру (що

показано починаючи з 25 с на графіку).

Рисунок 4.8 - Теоретичні перехідні процеси в системі регулювання розрідження

в топці котла

90

Реальні перехідні процеси є більш коливальними (див. Рисунок 4.9), тому

теоретичні налаштування не можуть бути застосовані при роботі з реальним

обладнанням і їх необхідно уточнити.

Рисунок 4.9 - Реальні перехідні процеси в системі регулювання

розрідження в топці котла

4.4.5 АСР економічності горіння палива

Система регулювання процесу економічності горіння відпрацьовує і

зміни завдання і компенсує вплив збурень – витрату палива (Рисунок 4.11).

На Рисунок 4.11 показано реальний перехідний процес при регулюванні

економічності процесу горіння. До 1000 с контур регулювання економічності

процесу горіння був вимкнений, саме тому до цього моменту вентилятор не

вмикався у роботу. Після увімкнення регулювання вмісту кисню в димових

газах система привела цей технологічний параметр до заданого значення.

Зниження вмісту кисню в димових газах після 500 с пояснюється тим, що в цей

момент був увімкнений в роботу контур регулювання теплового навантаження,

91

при цьому почався процес згоряння палива, що й змінило вміст кисню в

димових газах.

Рисунок 4.10 – Теоретичні перехідні процеси в системі регулювання


Рисунок 4.11 – Реальні перехідні процеси в системі регулювання економічності

процесу горіння

92

4.4.6 АСР температури перегрітої пари

На Рисунок 4.12 показано теоретичний перехідний процес в системі

регулювання температури пари в магістралі. Система спочатку виводить

температуру на задане значення, а потім показано, як будуть відпрацьовуватися

збурення – спочатку збурення зміною розрідження в топці котла (починаючи з

2000 с), а потім і зміною витрати палива (4000 с).

Рисунок 4.12 – Теоретичні перехідні процеси в системі регулювання

температури пари в магістралі

Вигляд реальних перехідних процесів (Рисунок 4.13) цього контуру

пов‘язаний із роботою контуру регулювання теплового навантаження. Після

початки роботи цього контуру (починаючи з 500 с) температура пари починала

монотонно збільшуватися, перевищуючи задане значення. Після подачі

команди на регулювання температури пари (починаючи з 1100 с) система за

93

допомогою вприскування охолоджуючої води зменшила температуру пари до

заданого значення.

Рисунок 4.13 – Реальні перехідні процеси в системі регулювання температури

пари в магістралі

4.5 Перевірка нових алгоритмів регулювання

Для показу того, як нові алгоритми регулювання можуть

випробовуватися на розробленому стенді, наведемо результати моделювання

деяких контурів при використанні систем регулювання з регулятором із

внутрішньою моделлю.

Регулятор був застосований до контуру регулювання температури

перегрітої пари в барабанному котлі:

На Рисунок 4.14 показано результуючі перехідні процеси у вказаних

контурах при застосуванні регулятора із внутрішньою моделлю.

Проаналізувавши отримані результати можна сказати, що для використання

регулятора із внутрішньою моделлю необхідно уточнити його налаштування.

94

Рисунок 4.14 – Перехідні процеси у системі регулювання температури

перегрітої пари при впливі інших контурів

Рисунок 4.15 – Перехідні процеси у системі регулювання температури

перегрітої пари як окремого контуру

95

Зважаючи на отримані неякісні перехідні процеси у контурі регулювання

температури перегріву пари (Рисунок 4.14), а також теоретичні перехідні

процеси задовільної якості (Рисунок 4.15), можна зрозуміти, чому розробка

стендів імітаційного моделювання є важливим кроком при впровадженні

систем автоматичного керування. Таким чином можна зрозуміти, як

запропоновані регулятори будуть працювати на реальному обладнанні і при

необхідності можна буде змінити їх структуру або налаштування.


У цьому розділі показано результуючі перехідні процеси, які отримано

при використанні розробленої математичної моделі котла, імітаційного стенду

із контролером ILC 130 ETH, у якому реалізовано алгоритми керування згідно з

п. 3.2. Додатково здійснено перевірку роботи системи керування на базі нових

алгоритмів та доведено необхідність використання моделі на практиці.

96

5 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ

Охорона праці – це система законодавчих актів, соціально-економічних,

організаційних, технічних, гігієнічних та лікувально-профілактичних заходів і

засобів, які забезпечують безпеку, збереження здоров‘я та працездатності

людини у процесі праці. У наш час, коли виробництво все більше розвивається,

охорона праці набуває все більшого значення.

На промислових підприємствах незважаючи на необхідність безумовного

дотримання правил і норм, що стосуються охорони праці, не надають цьому

великого значення. Причини цього є незрозумілими, але у першому наближенні

можуть бути пояснені так званим «людським фактором». Встановлено, що цей

чинник присутній у формуванні причин 90 % нещасних випадків. Уроджене

почуття небезпеки в людини уроджене недостатньо і у ряді мотивацій її

діяльності «безпека» стоїть на другому місці після «вигоди». Тому нещасні

випадки частіше пов‘язані зі ставленням до питань охорони праці [18]. Таким

чином знання питань охорони праці повинні закладатися в процесі навчання

майбутнього спеціаліста.

Дана дипломна робота має дослідний характер, суть дослідів якої полягає

у створенні унікальної комплексної математичної моделі барабанного парового

котла малої потужності. Досліди можуть проводитися у будь-якому

приміщенні, де дозволено працювати і персональними електронно-

обчислювальними машинами (ПЕОМ) і відео-дисплейними терміналами (ВДТ).

Шкідливими виробничими факторами, яким піддаються користувачі

ПЕОМ та ВДТ є:

1. м‘яке рентгенівське випромінювання;

2. ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання;

3. наявність шуму та вібрації;

4. електростатичне поле між екраном та оператором;

5. наявність пилу, озону, оксидів азоту та аероіонізації.

6. електромагнітне випромінювання;

97

У цьому розділі даної магістерської дисертації запропоновані технічні

рішення та організаційні заходи щодо безпечного виконання науково-дослідної

роботи, а також розглянуті питання з гієни праці та виробничої санітарії і

безпеки в надзвичайних ситуаціях.

5.1 Технічні рішення та організаційні заходи щодо безпечного

виконання науково-дослідної роботи

Облаштування робочих місць, обладнаних відеотерміналами, повинно

забезпечувати:

1. належні ергономічні характеристики основних елементів

робочого місця,

2. належні умови освітлення приміщення і робочого місця,

відсутність відблисків;

3. вирішення питань з електробезпеки;

4. оптимальні параметри мікроклімату (температура, відносна

вологість, швидкість руху, рівень іонізації повітря);

а також враховувати шкідливі фактори, яким піддаються користувачі

ПЕОМ та ВДТ (зазначені у вступній частині до цього розділу).

Будівлі та приміщення, в яких експлуатуються ЕОМ та виконуються їх

обслуговування, налагодження і ремонт, повинні відповідати вимогам:

СНиП 2.09.02-85 «Производственные здания»;

СНиП 2.09.04-87 «Административные и бытовые здания»;

«Правил устройства електроустановок», затверджених

Головдерженергонаглядом СРСР 1984 р. (ПВЕ);

«Правил технической эксплуатации електроустановок

потребителей», затверджених Головдерженергонаглядом СРСР

21.12.84 (ПТЕ);

98

Правил безпечної експлуатації електроустановок споживачів,

затверджених наказом Держнаглядохоронпраці 09.01.98 №4,

зареєстрованих у Мін‘юсті України 10.02.98 № 93/2533 (ПБЕ);

СНиП 2.01.02-85 «Противопожарные нормы»,

ГОСТ 12.1.004 «ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования

безопасности»;

Правил пожежної безпеки в Україні, затверджених наказом

Управління Державної пожежної охорони МВС України від14.06.95

№400, зареєстрованих в Міністерстві юстиції України 14.07.95 за №

219/755;

СНиП 2.08.02-89 «Общественные здания и сооружения» з

доповненнями, затвердженими наказом Держкоммістобудування

України від 29.12.94 № 106;

СН 512-78 «Инструкция по проектированию зданий и помещений

для электронно-вычислительных машин», затверджених

Держбудом СРСР;

ДСанПіН 3.3.2.-007-98 «Державні санітарні правила і норми роботи

з візуальними дисплейними терміналами електронно-

обчислювальних машин», затверджених МОЗ України 10.12.98,

Правил охорони праці під час експлуатації електронно-

обчислювальних машин, затверджених наказом Комітету по

нагляду за охороною праці України від 10 лютого 1999 р. № 21,

зареєстрованих у в Міністерстві юстиції України 17 червня 1999 р.

за №382/3675,

а також вимогам нормативно-технічної та експлуатаційної документації

заводу-виробника ЕОМ, чинних санітарних норм, санітарних норм і правил,

правил у сфері охорони праці.

99

5.1.1 Електробезпека

За способом захисту людини від ураження електричним струмом згідно

ГОСТ 12.2.007.0-75 ВДТ, ПЕОМ та периферійні пристрої відносяться до І та ІІ

класів щодо електробезпеки.

Приміщення відноситься до сухих, так як відносна вологість не

перевищує 60%.

За ступенем небезпеки ураження електричним струмом дане приміщення

відноситься до приміщень без підвищеної небезпеки, тому що в ньому відсутні

умови, які створюють підвищену або особливу небезпеку: вологість,

струмопровідний пил, хімічноактивне середовище, струмопровідна підлога,

підвищена температура, можливість одночасного дотику заземлених

металоконструкцій будівель з одного боку та до струмопровідних частин

електрообладнання з іншого боку.

ЕОМ, периферійні пристрої, інше устаткування, електропроводи та кабелі

мають апаратуру захисту від струму короткого замикання та інших аварійних

режимів.

Живлення до приміщення підведене від загального розподільного щитка.

У приміщенні використовується дві фази трифазної мережі з напругою 220 В і

частотою 50 Гц. Споживачами електроенергії є 10 персональних комп‘ютерів,

кондиціонер та освітлювальні прилади.

Електромережа виконана за допомогою трьох провідників – фазного,

нульового та захисного, які проведені по підлозі поруч зі стінами приміщення у

гнучких металевих рукавах з відводами до десяти груп розеток.

Розетки змонтовані на негорючих пластинах і мають сучасну трифазну

конструкцію, захисний контакт виконаний у вигляді бічних контактів, які

взаємодіють першими при включенні вилки в розетку й відключаються

останніми при витягуванні вилки з розетки, що відповідає ДНАОП 0.00-1.31-99

«Правила охорони праці під час експлуатації електронно-обчислювальних

машин».

100

Використання нульового робочого провідника як нульового захисного

забороняється, а також неприпустиме підключення цих провідників на щитку

до одного контактного затискача.

Для сприятливих умов роботи всі елементи електроприладів та

устаткування виконані відповідно до умов техніки електробезпеки, мають

необхідне ізоляційне покриття (подвійна ізоляція) і властивості, що

виключають можливість ураження електричним струмом при підключенні та

експлуатації устаткування.

Виконання розрахунку електромережі на вимикаючу здатність включає

знаходження величини струму короткого замикання (КЗ) і розрахунок

номінального струму спрацювання пристрою максимального струмового

захисту.

Вихідні дані для розрахунку:

Uф=220 В – фазна напруга;

кабель трьохжильний 3х1,5 мм2 плюс 1х0,85 мм

2, матеріал – алюміній

(ρ=0,031 Ом·мм2/м);

L=38м – відстань від трансформатора до споживача.

Розрахуємо активний опір фазного та нульового проводів:

𝑟𝐻 = 𝑟ф =𝜌∙𝐿

𝑆ф=

0,031∙38

1,5= 0,785(Ом).

Стумоднофазового КЗ знаходиться по формулі:

ІКЗ =𝑈ф

𝑟ф + 𝑟Н + 𝑟𝑢=

220

0,785 + 0,785 + 0,4= 111,62 А ,

де 𝑟𝑢 = 0,4 Ом − розрахований опір трансформатора потужністю 250 Вт.

Номінальний струм спрацювання автомату струмового захисту

розраховується за формулою (К – необхідна кратність струму КЗ до струму

спрацювання автомату струмового захисту):

Іном =ІКЗ

К=

111,62

1,4= 79,73 (А)

101

З розрахунків видно, що при однофазному КЗ номінальний струм

спрацювання автомату захисту повинен бути рівним 79,73 А.

При однофазному КЗ нульовий провід і з‘єднаний з ним корпус

електроустаткування за час спрацювання максимального струмового захисту

знаходяться під напругою (Uпр) відносно землі:

𝑈дот = ІКЗ ∙ 𝑟Н = 111,62 ∙ 0,785 = 87,621 (В)

Розрахована напруга 𝑈дот < 𝑈дот.доп. у відповідності з ГОСТ 12.1.038-88

при t < 0,2 с (𝑈дот.доп. = 250В).

Технічні та організаційні рішення з гігієни праці та виробничої санітарії

при використанні ЗОТ

Умови праці осіб, які працюють з ЕОМ, повинні відповідати І або ІІ класу

згідно з Гігієнічною класифікацією праці за показниками шкідливості та

небезпечності факторів виробничого середовища, важкості та напруженості

трудового процесу №4137-86, затвердженою МОЗ СРСР 12.08.86.

5.1.2 Мікроклімат робочої зони

Параметри мікроклімату на робочих місцях, оснащених

відеотерміналами, що нормуються: температура, відносна вологість та

швидкість руху повітря повинні відповідати вимогам пункту 2.4 СН 4088-86

«Санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень», затверджених

Міністерством охорони здоров‗я СРСР. Оптимальні норми мікроклімату для

приміщень з ВДТ та ПЕОМ наведені в Таблиця 5.1.

Таблиця 5.1 - Оптимальні норми мікроклімату для приміщень з ВДТ та

ПЕОМ

Пора року Категорія робіт

згідно з ГОСТ

12.1-005-88

Температура

повітря, °С

Відносна вологість

повітря, %

Швидкість руху

повітря, м/с

оптимальна оптимальна оптимальна

Холодна легка-1а 22-24 40-60 0,1

легка-1б 21-23 40-60 0,1

Тепла легка-1а 23-25 40-60 0,1

легка-1б 22-24 40-60 0,2

102

Для забезпечення необхідних за нормативами параметрів мікроклімату:

Приміщення з ЕОМ повинні бути обладнані системами опалення,

кондиціювання повітря або припливно-витяжною вентиляцією відповідно до

СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование»;

необхідно передбачати установки або прилади зволоження та/або штучної

іонізації, кондиціювання повітря;

необхідно для підвищення вологості повітря у приміщеннях з ВДТ та

ПЕОМ використовувати зволожувачі повітря, які щодня заправляються

дистильованою або прокип‘яченою питтєвою водою.

5.1.3 Склад повітря робочої зони

Параметри іонного складу повітря, вміст шкідливих речовин на робочих

місцях, оснащених відеотерміналами, повинні відповідати вимогам ГОСТ

12.1.005-88 «ССБТ Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху

рабочей зоны» (пункт 1.4), СН 2152-80 «Санітарно-гігієнічні норми допустимих

рівнів іонізації повітря виробничих та громадських приміщень», затверджених

Міністерством охорони здоров‘я СРСР. У Таблиця 5.2наведено рівні іонізації

повітря приміщень при роботі на ВДТ та ПЕОМ. Вміст шкідливих хімічних

речовин у виробничих приміщеннях, робота на ВДТ та ПЕОМ в яких є

основною, не повинен перевищувати СН 3086-84 «Предельно допустиме

концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе

населенных мест (с изменениями и дополнениями)».

Таблиця 5.2 - Рівні іонізації повітря приміщень при роботі на ВДТ та

ПЕОМ

Рівні Кількість іонів в 1 см

3 повітря

n+

n-

Мінімально необхідні 400 600

Оптимальні 1500-3000 3000-5000

Максимально допустимі 50000 50000

103

Для підтримки допустимих значень мікроклімату та концентрації

позитивних та негативних іонів необхідно передбачати установки або прилади

зволоження та/або штучної іонізації, кондиціювання повітря.

Приміщення з ВДТ та ПЕОМ кожну годину повинні провітрюватися, що

забезпечує покращення якісного складу повітря, у тому числі і аероіонний

режим.

5.1.4 Виробниче освітлення

Приміщення з ЕОМ повинні мати природне і штучне освітлення

відповідно до ДБН В.2.5-28-2006 «Природне і штучне освітлення» (СНиП ІІ-4-

79).

Природне світло повинно проникати через бічні світлопрорізи,

зорієнтовані, як правило, на північ чи північний схід, і забезпечувати

коефіцієнт природної освітленості (КПО) не нижче 1,5%. Розрахунки КПО

проводяться відповідно до ДБН В.2.5-28-2006.

Згідно зі СНиП 2.2.2.542-96 розміщення робочих місць відносно

світлових проємів повинне бути таким, як показано на Рисунок 5.1.

Рисунок 5.1 - Схема розміщення робочих місць відносно світлових промів

Окно Окно Окно

Дверь

Допускается Рекомендуется Стол

ВДТ

Кресло Кресло

Клавиатура

Клавиатура

Линия

взора

Линия

взора

104

Штучне освітлення приміщення з робочими місцями, обладнаними

відеотерміналами ЕОМ загального та персонального користування, має бути

обладнане системою загального рівномірного освітлення. У виробничих та

адміністративно-громадських приміщеннях, де переважають роботи з

документами, допускається вживати систему комбінованого освітлення

(додатково до загального освітлення встановлюються світильники місцевого

освітлення). Рівень освітленості на робочому столі в зоні розташування

документів має бути в межах 300-500 лк. У разі неможливості забезпечити

даний рівень освітленості системою загального освітлення допускається

застосування світильників місцевого освітлення, але при цьому не повинно

бути відблисків на поверхні екрану та збільшення освітленості екрану більше

ніж до 300 лк.

Для забезпечення нормованих значень освітлення в приміщеннях з

відеотерміналами ЕОМ загального та персонального користування необхідно

очищати віконне скло та світильники не рідше ніж 2 рази на рік, та своєчасно

проводити заміну ламп, що перегоріли.

5.1.5 Виробничі випромінювання

Рівні електромагнітного випромінювання та магнітних полів повинні

відповідати вимогам ГОСТ 12.1.006-84 «ССБТ. Электромагнитные поля

радиочастот. Допустимые уровни на робочих местах и требования к

проведению контроля», СН № 3206-85 «Гранично допустимі рівні магнітних

полів частотою 50 Гц» та ДСанПіН 3.3.2-007-98.

Рівні інфрачервоного випромінювання не повинні перевищувати

граничних відповідно до ГОСТ 12.1.005 та СН № 4088-86 з урахуванням площі

тіла, яка опромінюється, та ДСанПіН 3.3.2-007-98.

Рівні ультрафіолетового випромінювання не повинні перевищувати

допустимих відповідно до СН № 4557-88 «Санітарні норми ультрафіолетового

105

випромінювання у виробничих приміщеннях», затверджених Міністерством

охорони здоров‘я СРСР, та ДСанПіН 3.3.2-007-98.

Гранично допустима напруженість електростатичного поля на робочих

місцях не повинна перевищувати рівнів, наведених в ГОСТ 12.1.045 «ССБТ.

Электростатические поля. Допустимые уровни на робочих местах и требования

к проведению контроля», СН № 1757-77 «Санитарно-гигиенические нормы

допустимой напряженности электростатического поля» та ДСанПіН 3.3.2-007-

98 (Таблиця 5.3).

Таблиця 5.3 - Допустимі значення параметрів неіонізуючих

електромагнітних випромінювань

Назва параметрів до 01.01.1997 Допустимі

значення

Напруженість електромагнітного поля по електричній

складовій на відстані 50 см від поверхні відеомонітора 10 В/м

Напруженість електромагнітного поля по магнітній

складовій на відстані 50 см від поверхні відеомонітора 0,3 А/м

Напруженість електростатичного поля не повинна

перевищувати:

для дорослих користувачів

для дітей дошкільних закладів та учнів середніх

спеціальних і вищих навчальних закладів

20 кВ/м

15 кВ/м

Напруженість електромагнітного поля на відстані 50 см

навколо ВДТ по електричній складовій повинна бути не

більше:

в діапазоні частот 5 Гц - 2 кГц;

в діапазоні частот 2 - 400 кГц

52 В/м

2,5 В/м

Густина магнітного потоку повинна бути не більше:

в діапазоні частот 5 Гц - 2 кГц;

250 нТл

25 нТл

106

в діапазоні частот 2 - 400 кГц

Поверхневий електростатичний потенціал не повинен

перевищувати 500 нТл

Потужність експозиційної дози рентгенівського випромінювання на

відстані 0,05 м від екрана та корпуса відеотермінала при будь-яких положеннях

регулювальних пристроїв відповідно до Норм радіаційної безпеки України

(НРБУ-97), затверджених постановою державного санітарного лікаря

Міністерства охорони здоровя України від 18.08.97 №58, не повинна

перевищувати 7,7410-12 А/кГ, що відповідає еквівалентній дозі 0,1 мбер/год

(100 мкР/год).

Відповідно до ГОСТ 12.1.005-88 вміст озону в повітрі робочої зони не

повинен перевищувати 0,1 мг/м3; вміст оксидів азоту – 5 мг/м3; вміст пилу – 4

мг/м3.

5.1.6 Організація оптимального режиму праці та відпочинку при

використанні ЗОТ

Режим праці та відпочинку тих, хто працює з ЕОМ, визначається в

залежності від виконуваної роботи відповідно до ДСанПіН 3.3.2-007-98.

Залучення жінок до робіт у нічний час є неприпустимим, за винятком

випадків, обумовлених статтею 175 Кодексу законів про працю України.

Якщо проводиться психологічне розвантаження працівників, що

виконують роботи з застосуванням ЕОМ, то воно повинно проводитись у

спеціально обладнаних приміщеннях (кімната психологічного розвантаження)

під час регламентованих перерв, або наприкінці робочого дня - відповідно до

методики проведення психофізіологічного розвантаження, викладеної в

додатку 9 до ДСанПіН 3.3.2-007-98.

Тривалість регламентованих перерв наведена в

Таблиця 5.4.

107

Таблиця 5.4 - Тривалість регламентованих перерв залежно від тривалості

робочої зміни, виду та категорії трудової діяльності з ВДТ та ПЕОМ

Категорія

роботи з

ВДТ або

ПЕОМ

Рівень навантаження за робочу

зміну при видах робіт з ВДТ

Сумарний час

регламентованих

перерв, хв

група А,

кількість

знаків

група Б,

кількість

знаків

група В,

год

при 8-ми

годинній

зміні

при 12-ти

годинній

зміні

I до 20000 до 15000 до 2,0 30 70

II до 40000 до 30000 до 4,0 50 90

III до 60000 до 40000 до 6,0 70 120

5.2 Безпека в надзвичайних ситуаціях

Безпека в надзвичайних ситуаціях регламентується ПЛАС (ДНАОП 0.00 –

4.33 – 99). Одним з основних складових ПЛАС є розробка технічних рішень та

організації заходів з оповіщення, евакуації та дій персоналу у разі виникнення

надзвичайних ситуацій, а також вирішення питань з пожежної безпеки. Метою

плану локалізації і ліквідації аварійних ситуацій і аварій є планування дій

(взаємодії) персоналу підприємства, спецпідрозділів, населення, центральних і

місцевих органів виконавчої влади та органів місцевого самоврядування щодо

локалізації і ліквідації аварій та пом‘якшення їх наслідків.

5.2.1 Вимоги щодо організації роботи системи оповіщення виробничого

персоналу у разі виникнення надзвичайної ситуації

Для підвищення безпеки в надзвичайних ситуаціях (НС) пропонується

встановлення системи оповіщення (СО) виробничого персоналу.

Оповіщення виробничого персоналу у разі виникнення НС, наприклад

при пожежі, здійснюється відповідно до вимог НАПБ А.01.003-2009.

108

Оповіщення про НС та управління евакуацією людей здійснюється одним

з таких способів або їх комбінацією:

поданням звукових і (або) світлових сигналів в усі виробничі приміщення

будівлі з постійним або тимчасовим перебуванням людей;

трансляцією текстів про необхідність евакуації, шляхи евакуації, напрямок

руху й інші дії, спрямовані на забезпечення безпеки людей;

трансляцією спеціально розроблених текстів, спрямованих на запобігання

паніці й іншим явищам, що ускладнюють евакуацію;

ввімкненням евакуаційних знаків «Вихід»;

ввімкненням евакуаційного освітлення та світлових покажчиків напрямку

евакуації;

дистанційним відкриванням дверей евакуаційних виходів.

Як правило, СО вмикається автоматично від сигналу про пожежу, який

формується системою пожежної сигналізації або системою пожежогасіння.

Також з приміщення оперативного (чергового) персоналу СО (диспетчера

пожежного поста) слід передбачати можливість запуску СО вручну, що

забезпечує надійну роботу СО не тільки при пожежі, а і у разі виникнення будь-

якої іншої НС.

Згідно з вимогами ДБН В.1.1-7-2002 необхідно забезпечити можливість

прямої трансляції мовленнєвого оповіщення та керівних команд через мікрофон

для оперативного реагування в разі зміни обставин або порушення нормальних

умов евакуації виробничого персоналу.

Оповіщення виробничого персоналу про НС здійснюється за допомогою

світлових та/або звукових оповіщувачів - обладнуються всі виробничі

приміщення.

СО повинна розпочати трансляцію сигналу оповіщення про НС, не

пізніше трьох секунд з моменту отримання сигналу про НС.

Пульти управління СО необхідно розміщувати у приміщенні пожежного

поста, диспетчерської або іншого спеціального приміщення (в разі його

109

наявності). Ці приміщення повинні відповідати вимогам пунктів 1.6.13, 1.6.14,

1.6.15 ДБН В.2.5-13 «Інженерне обладнання будинків і споруд. Пожежна

автоматика будинків і споруд».

Кількість звукових та мовленнєвих оповіщувачів, їх розміщення та

потужність повинні забезпечувати необхідний рівень звуку в усіх місцях

постійного або тимчасового перебування виробничого персоналу.

Звукові оповіщувачі повинні комбінуватися зі світловими, які працюють

у режимі спалахування, у таких випадках:

у приміщеннях, де люди перебувають у шумозахисному спорядженні;

у приміщеннях з рівнем шуму понад 95 дБ.

Допускається використовувати евакуаційні світлові покажчики, що

автоматично вмикаються при отриманні СО командного імпульсу про початок

оповіщення про НС та/або аварійному припиненні живлення робочого

освітлення.

Вимоги до світлових покажчиків «Вихід» приймаються відповідно до

ДБН В.2.5-28-2006 «Інженерне обладнання будинків і споруд. Природне і

штучне освітлення».

СО в режимі «Тривога» повинна функціонувати протягом часу,

необхідного для евакуації людей з будинку, але не менше 15 хвилин.

Вихід з ладу одного з оповіщувачів не повинен призводити до виведення

з ладу ланки оповіщувачів, до якої вони під‘єднанні.

Електропостачання СО здійснюється за I категорією надійності згідно з

«Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) від двох незалежних джерел

енергії: основного - від мережі змінного струму, резервного - від

акумуляторних батарей тощо.

Перехід з основного джерела електропостачання на резервний та у

зворотному напрямку в разі відновлення централізованого електропостачання

повинен бути автоматичним.

110

Тривалість роботи СО від резервного джерела енергії у черговому режимі

має бути не менш 24 годин.

Тривалість роботи СО від резервного джерела енергії у режимі «Тривога»

має бути не менше 15 хвилин.

Звукові оповіщувачі повинні відповідати вимогам ДСТУ EN 54-3:2003

«Системи пожежної сигналізації. Частина 3. Оповіщувачі пожежні звукові».

Світлові оповіщувачі, які працюють у режимі спалахування, повинні бути

червоного кольору, мати частоту мигтіння в межах від 0,5 Гц до 5 Гц та

розташовуватись у межах прямої видимості з постійних робочих місць.

5.2.2 Обов’язки та дії персоналу при виникненні надзвичайної ситуації

У разі виявлення ознак НС працівник, який їх помітив, повинен:

– негайно повідомити засобами зв‘язку про це МНС та Державну

пожежну охорону, вказати при цьому адресу кількість поверхів, місце

виникнення пожежі, наявність людей, а також своє прізвище;

– повідомити про НС керівника, адміністрацію, пожежну охорону

підприємства;

– організувати оповіщення людей про НС;

– вжити заходів щодо евакуації людей та матеріальних цінностей;

– вжити заходів щодо гасіння пожежі з використанням наявних

вогнегасників та інших засобів пожежогасіння.

Керівник та пожежна охорона установи, яким повідомлено про

виникнення пожежі, повинні:

- перевірити, чи викликано МНС та Державну пожежну охорону;

- вимкнути у разі необхідності струмоприймачі та вентиляцію;

- у разі загрози життю людей негайно організувати їх евакуацію та їх

рятування, вивести за межі небезпечної зони всіх працівників, які не беруть

участь у ліквідації наслідків НС;

- перевірити здійснення оповіщення людей про НС;

111

- забезпечити дотримання техніки безпеки працівниками, які беруть

участь у ліквідації наслідків НС;

- організувати зустріч підрозділів МНС та Державної

пожежної охорони, надати їм допомогу у локалізації та ліквідації наслідків НС.

Після прибуття на місце виникнення підрозділів Державної пожежної

охорони повинен бути забезпечений безперешкодний доступ їх до місця, де

виникла пожежа.

На Рисунок 5.2 показано план евакуації виробничого персоналу у випадку

виникнення надзвичайної ситуації.

Рисунок 5.2 - План евакуації

5.2.3 Пожежна безпека

Будівлі і ті їх частини, в яких розташовуються ЕОМ, повинні мати не

нижче ІІ ступеня вогнестійкості. Приміщення для обслуговування, ремонту та

налагодження ЕОМ повинні належати за пожежо-вибухобезпекою до категорії

В відповідно до ОНТП 24-86, а за класом приміщення - до П-ІІа за ПВЕ.

Вибір пожежних сповіщувачів здійснюється залежно від характерних

приміщень, виробництв, технологічних процесів згідно з Додатком К до ДБН В

2.5-13-98 «Інженерне обладнання будинків і споруд. Пожежна автоматика

будинків».

112

Відповідно до Додатку Л до ДБН В 2.5-13-98 «Інженерне обладнання

будинків і споруд. Пожежна автоматика будинків» відстань між пожежними

сповіщувачами не повинна перевищувати 9 м, а відстань до стіни повинна

становити не більше 4,5 м. При виявленні задимлення повідомлення

передається на пульт охорони будівлі, а також вмикається звукове сповіщення.

Як система пожежної сигналізації, що відповідає приведеним вимогам, може

бути використана «Тирас-2П» зі сповіщувачами моделі «СПД-3.10».

Приміщення з ЕОМ повинні бути оснащені переносними

вуглекислотними вогнегасниками з розрахунку 2 шт. на кожні 20 м2 площі

приміщення з урахуванням граничнодопустимих концентрацій вогнегасної

рідини відповідно до вимог Правил пожежної безпеки в Україні.Підходи до

засобів пожежогасіння повинні бути вільними.

У приміщеннях повинна бути встановлена система об‘ємного газового

пожежогасіння з децентралізованим зберіганням вогнегасної речовини, що

відповідає вимогам ДБН В 2.5-13-98 «Інженерне обладнання будинків і споруд.

Пожежна автоматика будинків». Як вогнегасна речовина використовується

зріджений двоокис вуглецю.

Розпилювачі мають бути розміщені не більше, ніж 4 м один від одного, а

оскільки двоокис вуглецю в зрідженому стані має густину більшу, ніж повітря,

то відстань від стін має бути не більше 0,5 м.

Оскільки в приміщенні перебувають люди, то система пожежогасіння має

бути обладнана пристроєм відключення автоматичного пуску.

Резервування балонів з вогнегасною речовиною проводиться із

розрахунку по одному балону на кожний відпрацьований. Додатково до цього

додається по одному балону на кожні вісім балонів для резервування

несправних балонів.

113


У цьому розділі розроблено організаційні та технічні рішення щодо

забезпечення безпечної науково-дослідної роботи працівників, які працюють у

приміщеннях з використанням відеодисплейних терміналів та персональних

електронно-обчислювальних машин.

114

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

В магістерській дисертації розроблено систему автоматичного керування

барабанним паровим котлом малої потужності на базі якого запропоновано

альтернативний підхід до тестування та розробки нових алгоритмів керування

на основі комплексної математичної моделі.

Аналіз класичних підходів для вирішення подібних ситуацій показав

низький відсоток інтеграції законів керування в реальні технологічні об‘єкти,

через ряд відмінностей між поведінкою реального об‘єкта і теоретичною

динамікою досліджуваного контуру, а реалізація законів керування з

допомогою мікропроцесорної техніки наближує повну відтворюваність

системи.

Для розробки такого методу протягом виконання магістерської дисертації

було вирішено такі завдання:

Проведено аналіз вже існуючих підходів та ефективність їх впровадження

на реальні технологічні комплекси;

визначено основні збурення системи та їх вплив на технологічні параметри;

запропоновано гнучку структуру математичної моделі;

розроблено тестове програмне забезпечення з використанням реального

ПЛК;

проведено порівняльні дослідження результатів ефективності роботи моделі

та одного з контурів системи;

Виходячи зі сказаного вище можна стверджувати, що мета написання

магістерської дисертації була досягнута, застосування розробленої моделі з

реальним ПЛК дозволить максимально точно наблизитися до реальних

результатів поведінки об‘єкта, що дозволить отримувати на практиці перехідні

процеси регулювання заданої якості.

115

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Ложечников В.Ф., Михайленко В.С., Максименко И.М.. Аналитическая

многорежимная математическая модель динамики газовоздушного тракта

барабанного котла средней мощности // Автоматика. Автоматизация.

Электротехнические комплексы и системы. – 2007. – №2(20).– С. 29–33.

2. Плетнев, Г. П. Автоматизированное управление объектами тепловых

электростанций [Текст] / Плетнѐв Г. П. – М. : Энергоатомиздат, 1981. – 368 с.

3. Антонов, В.Н., Пришвин, А.М., Терехов, В.А., Янчевский, А.Э. Адаптив-

ные системы автоматического управления: учеб. пособие / под ред. проф. В.Б.

Яковлева. – Л.: Изд-во Ленинград. ун-та. 1984. – 204 с.

4. Серов, Е. П. Динамика парогенераторов [Текст] / Е. П. Серов, Б. П.

Корольков. – М. : Энергоиздат, 1981. – 408 с.

5. Astrӧm, K. J. Drum-boiler dynamics [Text] / R. D. Bell, K. J. Astrӧm.//

Automatica. – 2000.-No36.— P. 363—368.

6. Клюев, А. С. Наладка систем автоматического регулирования

котлоагрегатов [Текст] / Клюев А. С., Товарнов А. Г. – М. : Энергия, 1970. – 280

с.

7. Control Technology, I/O Systems and Automation Infrastructure 2013/2014.

— Phoenix Contact GmbH, Germany, №8, 2013. — 560pp.

8. O‘Dwyer, A. Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules. - Imperial

College Press, Londod, 2nd Edition, 2006. – p. 80

9. Гудвин, Г.К. Проектирование систем управления/Г.К. Гудвин, С.Ф. Гребе,

М. Э. Сальгадо. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – с. 32-32., ил.

10. Ротач, В.Я. Теория автоматического управления: учебник для вузов / В.Я.

Ротач. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – с. 7-14.,

ил.

11. Демченко, В.А. Автоматизация и моделирование технологических

процессов АЭС и ТЭС. - О.:Астропринт, 2001. - с. 305.

116

12. Автоматика-2014 [Текст]: материалы 21-й Международной конференции с

автоматического управления: 23-27 сетября 2014 г. Киев / редкол. : М. Ю.

Ильченко (отв. ред.). — К.: Изд-во НТУУ «КПИ» ВПИ ВПК

«Политехника», 2014. — 58 с.

13. Ткаченко, B.H., Дзюба, А.В. Математическая модель нагрева воды и

парообразования в топочном пространстве котлоагрегага

СКД// НауковіпраціДонецького державного технічногоуніверситету.

Серія:Обчислювальнатехніка та автоматизація, випуск 107, - Донецьк:

ДонНТУ, 2006 р.-, с. 17-22.

14. Беднаржевский, В.С. Математическое моделирование и компьютерные

технологии в задачах проектирования энергетических паровых котлов //

Вычислит. технологии. - 2002. - Т.7, N 6. - С.13-23. - Библиогр.: 8 назв.

15. Жукова, Н.В., Сухарева, Т.Н., Исследование САР уровня воды в ПГ //

Донецкий национальный технический университет// -2011/. – с.8

16. Кузьменко, Д. Я. Регулирование и автоматизация паровых котлов [Текст] :

учебник / Д. Я. Кузьменко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергия, 1978. -

160 с. : ил. - 0.30 р.

17. Денисенко. Компьютерное управления технологическим процессом,

экспериментом, оборудованием / В. В. Денисенко. – М.: Горячая линия -

Телеком, 2009. – 608 с.

18. Зеркалов, Д.В. Охорона праці в галузі: Загальні вимоги [Текст] : навч.

посібник / Д.В. Зеркалов. – К.: Основа, 2011. – 551 с.

117

ДОДАТОК А

Таблиця А.0.1 - Змінні для передачі по технології OPC

№ Назва змінної Призначення

1 Conc_CO2_Connect

Змінна для передачі по технології OPC між

контролером та математичною моделлю

вмісту кисню в димових газах

2 Flow_air_Connect



витрати повітря

3 Vent_produktivity_Con

nect


контролером та математичною моделлю, що

відображує продуктивність вентилятора

4 CO2_Connect



встановленого значення уставки вмісту

кисню в димових газах

5 Hi_level_alarm Змінна, що характеризує попередження про

перевищення рівня в барабані

6 flow_steam_Connect



що відображає витрату пари

7 level_curr_Connect



показує поточне значення рівня в барабані

котла

8 level_SP_Connect



відображає значення уставки рівня в

118

барабані

9 Open_valveLevel_Conn

ect



відображає ступінь відкриття клапану подачі

живильної води

10 Open_alarm_valve_Con

n



відображає відкриття аварійного клапану

зливу води з барабану

11 Open_valveVprisk_Con

nect



відображає ступінь відкриття клапану подачі

води на вприск

12 temp_vPromTochki_Co

nnect



відображає температуру в проміжній точці в

контурі регулювання температури перегрітої

пари

13 Current_Temp_Connect



характеризує поточне значення температури


14 Temp_SP_Connect



характеризує значення уставки температури


15 Dimosos_alarm_connec

t



відображає аварійний стан димососу

119

16 Rozridg_Current_Conn



характеризує поточне значення розрідження


17 Rozridg_SP_Conn



характеризує значення уставки розрідження


18 Productivity_dimosos_

Conn



характеризує продуктивність димососа

19 Current_Pmagist_Conn

ect



характеризує поточне значення тиску пари в

магістралі

20 Pmag_SP_Connect



характеризує поточне значення тиску пари в

магістралі

21 Open_valveFuel_Conne

ct



характеризує ступінь відкриття клапану

подачі палива

22 Current_NaCl_Connect



відображає поточне значення вмісту солей в

барабані котла

23 FlowWater_Produvka_

SP_Connect



120

характеризує значення уставки витрати води

на продувку

24 FlowWater_Produvka_

Connect



характеризує поточне значення витрати води

на продувку

25 EconomTi_ext



сталої інтегрування коректуючого

регулятора для АСР економічності горіння

26 EconomTi_int



сталої інтегрування стабілізуючого


27 EconomKp_ext



коефіцієнта передачі коректуючого


28 EconomKp_int



коефіцієнта передачі стабілізуючого


29 LevelTi



сталої часу регулятора для АСР живлення

водою

30 LevelKp



коефіцієнта передачі регулятора для АСР

121

рівня води в барабані

31 TempTi



сталої часу регулятора для АСР температури


32 TempKp




температури перегрітої пари

33 RozrTi



сталої часу регулятора для АСР розрідження

34 RozrKp




розрідження

35 ProduvkaTi



сталої часу регулятора для АСР продувки

36 ProduvkaKp




продувки

37 Pb_Conn



характеризує тиск пари в барабані

38 NavantTi_ext



сталої інтегрування коректуючого

122

регулятора для АСР теплового навантаження

39 NavantKp_ext



коефіцієнта передачі коректуючого


40 NavantTi_int



сталої інтегрування стабілізуючого


41 NavantKp_int



коефіцієнта передачі стабілізуючого


42 Pb_alarm Змінна, що сигналізує аварійне значення

тиск пари в барабані

43 SkidVAtm_Conn



характеризує відкриття клапану скидання

пари в атмосферу

44

45

46

47

48

49

Stop_regul_produvka

Stop_regul_econom

Stop_regul_temp

Stop_regul_navant

Stop_regul_level

Stop_regul_rozr

Зупинка роботи відповідного контуру:

продувки, економічності горіння,

навантаження, рівня, температури,

розрідження.

50 Stop_DKVR Аварійна зупинка котла

Магістерська дисертація - kpi.ua_koropova...5.1.4 Виробниче...

Documents

Transcript of Магістерська дисертація - kpi.ua_koropova...5.1.4 Виробниче...