Технические средства автоматизации

• подачи воды в котел;

• паросъема котла при изменении нагрузки потребителя;

• паропроизводительности при изменении нагрузки топки;

• температуры воды, подаваемой в котел.

Кроме того, частые и резкие изменения подачи воды в котел могут вызвать значительные температурные напряжения в металле экономайзера, и качество поддержания уровня также определяется равномерностью подачи воды.

Наряду с этим создание необходимого давления пара в котле и его поддержание на заданном уровне обеспечиваются созданием соответствующих температурных режимов. Они достигаются сжиганием некоторого количества топлива. В свою очередь процесс сжигания также имеет критические моменты. Химическая сторона горения топлива представляет собой реакцию окисления горючих элементов молекулами кислорода. Для горения используется кислород, находящийся в атмосфере. Воздух в топку подается в определенном соотношении с газом посредством дутьевого вентилятора. Соотношение газ–воздух составляет примерно 1 : 10.

При недостатке воздуха в топочной камере происходит неполное сгорание топлива, и несгоревший газ выбрасывается в атмосферу, что ведет к снижению экологических характеристик котельной и нерациональному использованию топлива. Избыточная же подача воздуха в топочную камеру приводит к полному сгоранию топлива. Однако при этом происходит охлаждение топки, что также снижает эффективность агрегата. Кроме того, остатки кислорода и азот, присутствующий в воздухе, будут образовывать двуокись азота, что также недопустимо, поскольку это соединение вредно для человека и окружающей среды. Поэтому регулирование подачи воздуха для сжигания топлива необходимо как физически, так и экономически.

Вместе с тем отсутствие разряжения в топке приводит к обгоранию горелок и нижней части топки, дымовые газы при этом пойдут в помещение цеха, что сделает невозможной работу обслуживающего персонала. Таким образом, создание и поддержание разряжения в топке котла является необходимым условием для поддержания топки под наддувом.

Кроме того, подготовка котла к розжигу представляет собой довольно трудоемкий и кропотливый процесс, при котором проводятся проверка исправности технологического оборудования и многочисленные замеры параметров. Результаты подготовительного процесса определяют возможность запуска и использования котла по назначению, так как исправность котла и его безопасность обусловливаются обеспечением поддержания на заданном уровне необходимых параметров процесса.

Таким образом, нормальное протекание процесса, реализуемого паровым котлом, требует выполнения множества условий, и несоблюдение хотя бы одного из них может вызвать аварийную ситуацию и выход из строя дорогостоящего оборудования. Все это обусловливает необходимость постоянного слежения за параметрами и немедленного реагирования на отклонение их от нормы.

                      4.Цель создания системы автоматизированного управления котлом, ее назначение, задачи управления  

Все вышесказанное определяет цель создания системы – обеспечение оптимальных производственно-экономических, технологических и технических параметров работы котла.

Система предназначена для автоматического контроля параметров и оперативного управления технологическим оборудованием в зависимости от значений параметров процесса производства тепловой энергии в котлах во всех режимах функционирования.

Исходя из вышесказанного, определяется ряд задач, которые должна решать система автоматизированного управления котлом (САУК) и его технологическим оборудованием в различных режимах эксплуатации.

При подготовке котла к запуску система должна осуществлять:

• проведение проверок исправности технологического оборудования;

• проведение замеров параметров.

При запуске котла:

• проверку контроля герметичности запорной арматуры при использовании в качестве топлива газа;

• наполнение котла водой до требуемого уровня;

• проверку соответствующего давления подачи топлива на горение;

• подачу воздуха на горение и создание соответствующего давления подачи воздуха;

• создание соответствующего разряжения в топке;

• подачу топлива и розжиг.

При функционировании котла в основном режиме система должна осуществлять контроль и регулирование:

• давления пара;

• уровня воды в котле;

• подачи воздуха на горение;

• разряжения в топке.

При останове котла системой производится прекращение:

• подачи топлива;

• подачи воздуха на горение;

• создания разряжения в топке.

Для предотвращения вывода из строя котла и обеспечения безопасности САУК должна блокировать розжиг котла в следующих случаях:

• при обнаружении неисправности оборудования и нарушении герметичности клапанов горелок;

• при недопустимом давлении топлива на вводе;

• при недопустимом пониженном или повышенном уровне воды в барабане котла;

• при отсутствии необходимого разряжения в топке.

Для предотвращения вывода из строя котла и обеспечения безопасности САУК должна инициировать срабатывание защит и прекращение подачи топлива к горелкам при определении следующих критических параметров:

• повышенном или пониженном давлении топлива перед горелками;

• недопустимых отклонений в подаче воздуха для сжигания топлива;

• недопустимом снижении разряжения в топочном пространстве;

• повышенном давлении пара в барабане котла;

• повышенном или пониженном уровне воды в барабане;

а также при:

• погасании факелов горелок;

     • неисправности цепей защиты, включая исчезновение напряжения;

• неисправности датчиков, участвующих в процессах регулирования подачи газа, уровня воды в барабане, разрежения, подачи воздуха.

            5.Структура, техническое и программное обеспечение САУК

Для решения указанных задач автоматизированная система должна выполнять следующие функции:

• автоматический сбор значений параметров технологических процессов;

• анализ значений контролируемых параметров технологических процессов;

• автоматическое управление параметрами технологических процессов;

• определение внештатных ситуаций.

Из анализа возложенных на систему управления функций становится ясно, что для обеспечения сбора значений параметров технологических процессов котельный агрегат и его технологическое оборудование должны быть оснащены датчиками, а для управления параметрами – исполнительными устройствами. Конечно же, для осуществления анализа значений контролируемых параметров, формирования управляющих воздействий, определения внештатных ситуаций необходимо вычислительное устройство – автоматический регулятор, обеспечивающий сравнение полученных значений параметров со значениями параметров нормального течения процесса – уставок.

На основе результатов сравнения регулятор обеспечивает формирование управляющих воздействий на исполнительные устройства с целью компенсации отклонений и восстановления значений параметров, соответствующих нормальному течению процесса.

Для оснащения котла и технологического оборудования датчиками и исполнительными механизмами необходимо составить перечень контролируемых параметров с указанием их максимальных и минимальных значений, соответствующих нормальному, неаварийному функционированию оборудования. Далее следует составить схему формирования управляющих воздействий системы при изменении значений параметров, снимаемых с датчиков, и выходе этих параметров за пределы минимальных и максимальных значений. Имея перечни входных и выходных сигналов, критических и опасных значений параметров процесса, а также схему формирования управляющих воздействий системы нетрудно составить алгоритм работы системы.

Из составленного перечня легко определяются состав и типы датчиков – аналоговые или дискретные, а из схемы – состав и типы исполнительных механизмов.

Как было сказано выше, для управления процессами САУК в своем составе должна иметь регуляторы давления пара, уровня воды в котле, подачи воздуха на горение и разряжения в топке.

Поддержание давления пара может осуществляться регулированием подачи топлива на сжигание с использованием в качестве исполнительных устройств клапанов, ограничивающих подачу топлива в горелку.

Для поддержания уровня воды в котле в качестве исполнительных устройств также могут использоваться клапаны, которые будут перекрывать подачу воды в котел при наполнении котла до отметки максимального уровня и соответственно разрешать подачу воды при снижении уровня.

Регулирование подачи воздуха и поддержание разряжения в топке могут осуществляться изменением частоты вращения соответствующих вентиляторов. Наиболее качественное регулирование подачи воздуха достигается применением частотного преобразователя. Кроме того, использование частотного преобразователя для регулирования частоты вращения вентилятора приводит к снижению потребления электроэнергии вентилятором, а с учетом мощности электродвигателя – и к значительной экономии. Функциональные схемы регуляторов приведены на рис. 2, 3, 4, 5.

Рис. 2. Функциональная схема регулирования давления пара

Рис. 3. Функциональная схема регулирования уровня воды в барабане

Рис. 4. Функциональная схема регулирования подачи воздуха

Рис. 5. Функциональная схема регулирования разряжения в топке

С учетом этого функциональная схема системы управления выглядит следующим образом (рис. 6). Конечно же, это упрощенная схема.

Рис. 6. Функциональная схема автоматической системы регулирования

В реальности система должна отслеживать более 50 параметров и управлять более чем 20 устройствами, а также предусматривать сигнализацию (предупреждение машинисту котла) о выходе параметров за установленные пределы и сигнализацию о срабатывании защит, действующих на останов котла. А для предотвращения вывода из строя котла в случае возникновения опасных ситуаций алгоритм работы системы должен предусматривать защиту, реализуемую прекращением подачи топлива на горение. Эти требования обусловлены невозможностью одновременного отслеживания оператором всех параметров функционирующего.

                         6.Реализация архитектуры MAXQ2000

     Рассмотрим микроконтроллер MAXQ2000 для системы автоматизированного управления паровым котлом.

                                                Структурная схема MAXQ2000

Отличительные особенности:

-высокопроизводительное, мало-потребляющее 16-битное RISC ядро

-рабочая частота 0...20 МГц, примерно 1 MIPS на МГц

-напряжение питания ядра 1.8 Вольта, линий ввода/вывода 3 Вольта

-33 команды, большинство выполняются за один такт

-три независимых указателя данных с автоматическим увеличением/уменьшением

-16-уровневый аппаратный стек

-16-битные команды, 16-битная шина данных

-шестнадцать 16-битных регистров общего назначения

-оптимизирован для С-компилятора (высокая скорость/большой размер кода)

-память программ и данных

-32К слов FLASH или ROM (для крупносерийного производства)

-10000 циклов записи/стирания FLASH памяти

-1К слов внутренней RAM

-JTAG интерфейс и последовательный загрузчик для внутрисхемного программирования

Периферия

-до 50 линий ввода/вывода

-драйвер 132-сегментного ЖКИ

-интерфейсы SPI и 1-Wire

-два UART

-однотактный 16х16 аппаратный умножитель/делитель с 48-битным аккумулятором

-три 16-битных программируемых таймеров/счетчиков

-32-битные, бинарные часы реального времени

-программируемый сторожевой таймер

Интерфейс программирования

-встроенный загрузчик для простоты программирования

-возможность программирования в системе посредством JTAG интерфейса

-поддержка программирования FLASH памяти в устройстве пользователя

сверхмалое энергопотребление

190 мкА при обращении к FLASH памяти на 8 МГц и 2.2 Вольта

-700 нА (тип.) в режиме останова.

  Семейство микроконтроллеров MAXQ™ производства MAXIM®/Dallas Semiconductor – это высокопроизводительные 16-битные RISC-контроллеры, идеальные для применения в устройствах с автономным питанием и обработкой смешанного сигнала. Разработанная для малошумящих операций, архитектура MAXQ объединяет высокоточные аналоговые функции с цифровыми компонентами, что приводит к уменьшению количества используемых ИС.

   MAXQ использует гарвардскую архитектуру памяти для хранения данных, кодов и регистрового пространства на раздельных шинах. Основное преимущество этой архитектуры – переменная длина слова, что позволяет использовать системные и периферийные регистры шириной 8 или 16 бит. В типичном контроллере MAXQ применена 16-битная память данных, кодов и регистров. Поскольку длина командного слова в MAXQ составляет 16 бит, в микроконтроллере всегда задействована 16-битная шина команд. Другое преимущество гарвардской архитектуры заключается в том, что доступ к памяти всегда осуществляется с использованием регистров. Это позволяет реализовать прямой доступ к памяти со стороны периферийных устройств – таких как АЦП и аппаратные сопроцессоры.