1 Описание и анализ объекта автоматизации
1.1 Описание теплового пункта
Тепловой пункт — это сложная установка для передачи тепловой энергии от наружных теплосетей (котельных, РТС или ТЭЦ) во внутреннюю систему водоснабжения, отопления и вентиляции.
Тепловые пункты необходимы практически во всех сферах: в административных и жилых зданиях – для горячего водоснабжения и вентиляции, и самым востребованным является тепловой пункт системы отопления, на промышленных предприятиях – для соблюдения и обеспечения необходимых норм в технологическом процессе.
Тепловые пункты различаются по типу и количеству подключений, по способам размещения (непосредственно в здании или отдельно), и таким образом делятся на несколько типов:
– центральный тепловой пункт (ЦТП) это тепловой пункт обслуживающий группу зданий, например, поселок городского типа, микрорайон, промышленное предприятие и т.д.;
– индивидуальный тепловой пункт (ИТП) представляет собой устанавливаемый в подвале здания и работающий автоматически комплекс насосов, теплообменников и датчиков, регулирующий подачу ресурса в системы отопления и горячего водоснабжения дома в соответствии с заданной программой и температурой наружного воздуха;
– модульный (или блочный) тепловой пункт (БТП) – созданная на одной раме конструкция, может применяться для ИТП или ЦТП. Модульный тепловой пункт является полностью законченным и спроектированным на заводе тепловым пунктом. Он не требует доработок, и позволяет в максимально сжатые сроки подключить здания к горячему водоснабжению.
1.2 Индивидуальный тепловой пункт
Индивидуальный тепловой пункт (ИТП) — комплекс устройств, расположенный в обособленном помещении, состоящий из элементов тепловых энергоустановок, обеспечивающих присоединение этих установок к тепловой сети, их работоспособность, управление режимами теплопотребления, преобразование, регулирование параметров теплоносителя и распределение теплоносителя по видам потребителей.
Такой пункт чаще всего устанавливается в подвале обслуживаемого здания или монтируется в специальный блок-контейнер. Установка в подвале дома позволяет пользователям подобного оборудования сэкономить средства на возведении отдельного здания. ИТП предназначен для регулировки подачи тепла и горячей воды в обслуживаемые квартиры. При такой регулировке учитываются индивидуальные потребности пользователей, сезон, параметры обслуживаемых помещений и другие факторы. ИТП позволяют людям корректировать тепло, подаваемое с автономной котельной. При потреблении услуг централизованного отопления в обслуживаемых квартирах часто слишком жарко или очень холодно, ведь регулировать подачу тепла в такой системе невозможно. Данный фактор, вкупе с экономичностью автономных отопительных систем, делает частные котельные и ИТП востребованными среди нынешних владельцев жилья.
Современные ИТП решают задачу по распределению тепловой энергии между потребителями. Тепло в таких системах распределяется на основе заданных параметров, при этом экономится теплоноситель. Все это приводит к снижению стоимости обогрева единицы площади обслуживаемых помещений. Нередко разная температура обогрева устанавливается владельцами квартир для жилых и нежилых помещений.
Современные ИТП характеризуются полной автоматизацией. Это позволяет без труда контролировать и регулировать температуру в обслуживаемых помещениях. Такие устройства, кроме всего прочего, учитывают расход теплоносителя и оптимизируют его. ИТП предназначено также для подготовки воды, используемой в системе горячего водоснабжения.
Экономия, полученная благодаря применению подобных устройств, может достигать 30 %.
В задачи индивидуального теплового пункта входит преобразование теплоносителя и регулирование численных значений его параметров, рациональное распределение теплоносителя, защита систем потребления тепловой энергии от опасного превышения параметров (давления, температуры) теплоносителя, учет расхода теплоносителя и тепла.
Ключевыми компонентами ИТП являются:
– теплообменники (осуществляют передачу тепла). В рассматриваемом тепловом пункте горячее водоснабжение подключено через специальный теплообменник, который позволяет разделять теплоноситель из теплотрассы от теплоносителя внутри дома. Такая система позволяет производить его подготовку при помощи фильтрации. Благодаря такой схеме появляются большие возможности в регулировании давления и температуры теплоносителя внутри дома, что позволяет снизить затраты на водоснабжение. Отопление дома производится непосредственно от теплосети;
– запорная и регулирующая арматура – это совокупность устройств, относящихся к трубопроводной арматуре и отвечающих за перекрытие теплоносителя. Запорная арматура должна использоваться на всех подающих и обратных трубопроводах теплосетей на вводе и выводе их из тепловых пунктов, на нагнетательном и всасывающем патрубках каждого насоса внутри теплового пункта, на подводящих и отводящих трубопроводах водоподогревателей. Арматура тепловых пунктов может быть оснащена электроприводом, гидро- или пневмоприводом;
– циркуляционные насосы – одна из главных составляющих системы отопления и горячего водоснабжения. Они предназначены для реализации возможности принудительного движения жидкости по замкнутому контуру и рециркуляции. В тепловом узле используются четыре циркуляционных насоса: два в системе ГВС и два в системе отопления;
– контрольно-измерительные приборы. В индивидуальных тепловых пунктах систем теплопотребления устанавливаются приборы для измерения: давления, температуры, расхода. В рассматриваемом тепловом узле температура теплоносителя измеряется на входе в тепловой пункт, на выходе из теплового пункта, перед системой отопления, после возврата из системы отопления, а также перед подачей в систему ГВС. Расход и давление теплоносителя отслеживаются на входе в тепловой пункт и на выходе из него;
– контроллер – это выполненное на основе микропроцессора устройство, служащее для управления различными системами автоматизации. Контроллеры собирают и обрабатывают по заданной пользователем программе данные с датчиков, после чего отправляют на исполнительные устройства управляющие сигналы. Так же они контактируют с рабочими местами операторов. В случае надобности, контроллеры можно объединить в единую сеть с необходимым числом узлов; – щиты электроуправления.
Щит учета теплового пункта (ЩУ-ТП) объединяет в себе тепловычислитель и интернет-коммуникатор. ЩУ-ТП предназначен:
– для учета тепловой энергии и теплоносителя в системах отопления, ГВС;
– для учета электроэнергии для систем любой мощности.
Щит автоматизации теплового пункта (ЩА-ТП) содержит программируемый логический контроллер. ЩА-ТП предназначен для автоматического управления работой теплового узла и регулирования процессов теплопотребления в системах отопления и ГВС:
– поддержание заданной температуры теплоносителя в подающем трубопроводе;
– поддержание заданной температуры теплоносителя в обратном трубопроводе в соответствии с температурным графиком теплоснабжения;
– поддержание температуры горячей воды в системе ГВС;
– защита насосных групп от «сухого хода», перегрева;
– защита оборудования от короткого замыкания; – возможны дополнительные функции и диспетчеризация.
Разработка проекта теплового узла проведена в соответствии со следующими документами: СНиП 2.04.07-86 [21], СНиП 41-101-95 [22], СНиП 2.04.05-91 [23].
Теплоснабжение и водоснабжение осуществляется от наружной теплосети с параметрами теплоносителя:
– температура теплоносителя в подающем трубопроводе 105 °С;
– температура теплоносителя в обратном трубопроводе 70 °С;
– температура теплоносителя в системе ГВС 70 °С.
Характеристики системы:
– отопление: непосредственно от теплосети;
– горячее водоснабжение: независимая схема, циркуляция теплоносителя через теплообменник;
– система вентиляции: отсутствует.
Система теплоснабжения офисного здания двухтрубная. На входе в индивидуальный тепловой пункт должен соблюдаться температурный график 105/70 °С от котельной. Отопительный температурный график котельной представлен на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Отопительный температурный график котельной: Т1 – прямая сетевая вода, Т2 – обратная сетевая вода
Отопительный температурный график для системы теплоснабжения здания представлен на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Отопительный температурный график для системы теплоснабжения здания: Т1 – прямая сетевая вода, Т2 – обратная сетевая вода
Структурная схема АСУ теплового узла определяет основные функциональные части, их назначение и взаимосвязи между ними. На рисунке 1.3 представлена структурная схема рассматриваемого теплового узла.
Рисунок 1.3 – Структурная схема АСУ теплового узла
Рассмотрим функциональные части структурной схемы, изображенной на рисунке 2.3:
? ПЛК – это программно-управляемое устройство, работающее в режиме реального времени. Предназначен для сбора, преобразования и последующей обработки, хранения информации, а также выработки команд управления;
? интернет-коммуникатор используется в системах диспетчеризации и удаленного управления для прямого соединения с приборами различного назначения;
? тепловычислитель обеспечивает учет параметров теплоносителя, а также измерение количества тепловой энергии в системах теплоснабжения потребителей тепловой энергии;
? технологическое оборудование и датчики представляют собой набор приборов, таких как термометры, манометры, расходомеры, насосы и т.д.;
? АРМ диспетчера. Система диспетчеризации предназначена для получения информации о параметрах объекта и позволяет в режиме реального времени осуществлять текущий контроль потребления энергоресурсов в удобной для оператора форме.
Таким образом, информация с технологического оборудования и датчиков поступает на ПЛК и тепловычислитель, где осуществляется обработка параметров. Затем данные с помощью интернет-коммуникатора и оборудования оператора связи поступают в диспетчерскую, где можно наглядно отследить параметры теплового пункта.
?
2 Разработка АСУ ТП теплового пункта
2.1 Назначение АСУ ТП
Автоматизированная система управления ИТП предназначена:
? для обеспечения автоматизированного режима работы регулирующих клапанов и циркуляционных насосов систем отопления и вентиляции, электромагнитных клапанов и насоса подпитки;
? для дистанционного контроля и управления по заданным алгоритмам;
? для стабилизации эксплуатационных показателей технологического оборудования и режимных параметров технологического процесса;
? для улучшения качества регулирования технологических параметров;
? для оптимизации эксплуатационной деятельности;
? для обеспечения противоаварийных защит, блокировок и сигнализации.
Автоматизированная система управления индивидуальным тепловым пунктом состоит из следующих уровней:
? первый уровень: полевые контрольно-измерительные приборы (КИП), шкаф управления электродвигателями технологического оборудования, исполнительные механизмы;
? второй уровень: контроллер системы управления ИТП;
? третий уровень: контроллер для управления узла учета ИТП
2.2 Обоснования структуры АСУ и принцип её работы
Узел учета тепловой энергии (далее по тексту «узел учета») предназначен для автоматизированного учета количества потребляемой тепловой энергии и теплоносителя, в соответствии с «Правилами учета тепловой энергии и теплоносителя».
На узле учета с помощью приборов должны определяться:
? время работы приборов узла учета;
? полученная тепловая энергия;
? масса теплоносителя, полученного по подающему трубопроводу и возвращенного по обратному трубопроводу;
? масса теплоносителя, полученного по подающему трубопроводу и возвращенного по обратному трубопроводу за каждый час;
? среднечасовая и среднесуточная температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах узла учета;
? среднечасовое давление теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах;
? масса теплоносителя, полученного по трубопроводу подачи ГВС;
? масса теплоносителя, полученного по трубопроводу подачи ГВС за каждый час;
? среднечасовая и среднесуточная температура теплоносителя в трубопроводе подачи ГВС.
Работа инженерных систем проектируемого жилого корпуса с автостоянкой в автоматическом и дистанционном режимах будет обеспечена системой контроля и управления, реализованной на свободно программируемых микропроцессорных контроллерах МС ПТК «Контар» ОАО МЗТА. Контроллеры между собой объединены локальными шинами RS- 485 с протоколом «Контар». Локальные шины контроллеров через адаптеры сети Ethernet подключаются к компьютеру автоматизированного рабочего места (APM) диспетчера инженерных систем, расположенного в диспетчерском пункте (ЦДП) корпуса на 1-ом этаже. Также к АРМ диспетчера по шине RS.
RS-485 с протоколом Modbus подводятся данные измерения качества электроэнергии на вводах ВРУ корпуса. Компьютер APM совмещает функции сервера ввода/вывода данных и пульта диспетчера, оборудован средствами обработки, архивирования и ведения баз данных, управления и вывода информации на дисплей и печать. Диспетчер с пульта управления АРМ будет иметь возможность выбирать режим работы систем (автоматический - дистанционный) и управлять системами в дистанционном режиме управления. Диспетчеру доступна полная информация о работе инженерных систем, аварийных ситуациях, состоянии входов-выходов модулей контроллеров, данные измерений со всех датчиков.
Силовая и защитная электроаппаратура, а также органы ручного управления и местной сигнализации для всех агрегатов инженерных систем запроектированы в щитах управления и автоматики. Контроллеры и расширительные модули также располагаются в щитах управления и щитах автоматики.
Технические решения, принятые в проекте, обеспечивают безопасную для жизни и здоровья людей эксплуатацию объекта при соблюдении предусмотренных проектом мероприятий.
Для реализации функций автоматического управления насосами и приводами задвижек трубопровода, контроля и сигнализации необходимых параметров систем в проекте разработаны щиты управления ИТП (ЩУИТП). Для учета параметров теплоносителя в ЩТВ (щит тепловычислителя) предусмотрены тепловычислители ВЗЛЕТ ТСР 024М.
Функции автоматизированной системы управления информационные функции:
? сбор и первичная обработка аналоговых сигналов;
? сбор и первичная обработка дискретных сигналов;
? идентификация аварийных ситуаций и регистрация аварийных сообщений;
? передача информации на АРМ-оператора.
Управляющие функции:
? дистанционное управление предназначено для реализации команд оператора по управлению оборудованием;
? автоматическое регулирование предназначено для автоматического поддержания заданных значений технологических параметров.
Электропроводки (цепей измерения, управления, сигнализации и передачи данных) следует прокладывать в кабельном лотке, отделяя силовые цепи питания перегородкой.
После монтажа кабельных сетей выполнить измерение сопротивления изоляции электропроводок (цепей измерения, управления, питания и сигнализации). Сопротивление изоляции не должно быть менее 0,5 МОм. Во время измерения сопротивления изоляции кабели должны быть подключены к клеммникам щитов, пультов и соединительных коробок.
Приборы, аппараты и проводки, не допускающие испытания мегаомметром напряжение 500-1000В, на время испытания отключить. Выполнить защитное зануление (заземление) средств автоматизации согласно ПУЭ и инструкции на приборы и средства автоматизации.
Кабельные проводки в технических помещениях прокладываются по потолку и по стенам с применением металлических кабельных лотков, отводы кабелей к датчикам и к двигателям агрегатов прокладываются в ПВХ- гофротрубах не поддерживающих горение.
2.3 Структурная схема ИТП
Структурная схема (ИТП) предстявляет из себя комплекс устройств, состоящий из элементов, обеспечивающих присоединение системы отопления и горячего водоснабжения к централизованной тепловой сети. Основными элементами ИТП являются: теплообменники, насосы, клапаны, датчики, контроллеры, различные блоки управления и запорно-регулирующая арматура (Приложение А). Также устанавливаются узлы учета тепловой энергии, позволяющие отслеживать реально потребленное зданием количество тепла на отопление, горячее водоснабжение.
2.4 Принципиальные электрические схемы автоматизации ИТП
В настоящим проекте разработаны принципиальные электрические схемы автоматизации ИТП, которые полностью удовлетворяют запросу заказчика и оформлены со стандартом ГОСТ.
Для питания щита управления использовалось трехфазное подключение.
Для выравнивания напряжения по фазам электроустановок применяется нулевой провод. Он необходим для предотвращения воспламенений приборов и пожаров. Кабель является частью нейтрали – общей точки генераторной или трансформаторной обмотки, соединенной, как звезда. Также использовался защитный PE проводник для защиты людей и животных от поражения электрическим током. Защитные проводники, как правило, имеют электрическую связь с заземляющим устройством и поэтому в нормальном режиме электроустановки здания, находятся под потенциалом локальной земли.
К защитным проводникам присоединяются открытые проводящие части электрооборудования класса I, с которыми человек имеет многократные электрические контакты.
Для индикации работающий сети подключается сигнальная лампа с предохранителем.
Для защиты электрической сети от сверхтоков, т.е. от коротких замыканий и перегрузок использовались автоматические выключатели фирмы “IEK”
Автоматический выключатель — контактный коммутационный аппарат (механический или электронный), способный включать токи, проводить их и отключать при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение нормированного (заданного) времени и автоматически отключать токи при нормированных ненормальных условиях в цепи, таких как токи короткого замыкания.
В проекте использовались однофазные, двухфазные и трехфазные насосы, для трехфазных насосов использовалось подключение звездой. Для управления насосами использовались модульные контакторы и реле.
Модульный контактор – это электрический электромагнитный аппарат, в котором управление осуществляется в дистанционном режиме. По назначению это коммутационный прибор (используется для включения и выключения тока в электрической цепи). Контактор может включать от одного до четырех полюсов других контактов, а также использовать сети переменного и постоянного тока.
Реле – одно из наиболее распространенных устройств, применяемых для автоматизации процессов в электротехнике. По факту, это автоматический выключатель, который соединяет или разъединяет электроцепи при достижении установленных значений или под внешним воздействием.
Также в электрическую схему подключаются однофазные привода регулирующего клапана и однофазные соленоидные катушки.
Для питания тепловычислителя и контроллера были использованы блоки питания 24 В.
Блок питания 24В регулируемый предназначен для питания электроустановок. Он позволяет плавно регулировать напряжение от 0 до 30 В переменного тока и от 0 до 24 В постоянного тока.
Схемы принципиальные электрические смотреть в приложении Б
?
2.5 Контроллер и субмодули
Автоматизация и диспетчеризация системы реализована на программируемом логическом контроллере производства Контар.
Контроллер обеспечивает полное управление системой. На нем происходит управление электрических задвижек, которые открываются и закрываются исходя из температурного графика системы. Также он следит за состоянием насосов в системе. Если происходит скачек давления, контроллер обрабатывает сигнал “авария” и выключает насосы. Также контроллер обрабатывает сигналы датчиков температуры теплоносителя, датчиков давления и реле давления на подпитке.
Контроллер в исполнении “MC12.3” подключает к себе субмодули расширения : “ME16.1”, “MR20.3” и “MA8.3M”.
Субмодули выполняют функции дополнительных дискретных и аналоговых входов и выходов.
Связь контроллера и субмодулей происходит через интерфейс RS485.
Данный интерфейс поддерживает передачу данных в промышленных сетях. Данные передаются по дифференциальному принципу.
Сигнал передается по двум проводам, по одному кабелю идет оригинальный сигнал, по другому его копия.
2.5.1 Межсетевой обмен
Межсетевой обмен - это обмен параметрами между сетями контроллеров комплекса КОНТАР. Каждая сеть контроллеров состоит из одного Master-контроллера (MC8 или МС12) и нескольких Slave контроллеров. Параметры могут передаваться от любого контроллера одной сети к любому контроллеру другой сети, а не только от Master-контроллера к Master-контроллеру. Каждая из сетей - участниц обмена запрашивает необходимые ей параметры из других сетей. Запрошенным параметрам-источникам в контроллерах принимающей сети соответствуют так называемые сетевые параметры. В процессе обмена работает принцип чтения параметров. Параметры-источники считываются и помещаются в сетевые параметры. Ни одна сеть не может инициировать запись своих параметров в контроллеры другой сети. Межсетевой обмен осуществляется по протоколу TCP/IP. Это означает, что Master контроллеры должны иметь выход в IP-сеть и им должны быть присвоены IP-адреса, которые должны быть фиксированными. Макросеть - это структура, состоящая из нескольких сетей контроллеров КОНТАР, объединённых межсетевым обменом.
Программное обеспечение, необходимое для создания макросети:
? КОНГРАФ (проектирование функциональных алгоритмов контроллеров);
? КОНСОЛЬ (загрузка алгоритмов в память приборов, настройка приборов, проверка работы межсетевого обмена);
? КОНТАР Сервер (сервер для обмена данными);
? MC8Net Конфигуратор (настройка межсетевого обмена). Для создания макросети необходимо составить схему пересылок, т. е. какие параметры и контроллеры будут участвовать в межсетевом обмене. По данной схеме в дальнейшем будут разрабатываться функциональные алгоритмы для контроллеров и производиться конфигурирование макросети.
При проектировании следует учесть следующие ограничения:
? Каждая сеть контроллеров может читать параметры не более чем из 10 других сетей источников. ? Каждая сеть может одновременно поддерживать не более 8 tcp-соединений (сокетов). Соединения могут быть входящими и исходящими. Если число сетей источников для данной сети превышает число свободных tcp-сокетов, запросы выстраиваются в очередь. В этом случае, время обновления сетевых параметров может быть больше указанного при конфигурировании интервала.
? В свою очередь, каждая сеть может одновременно быть источником параметров не более чем для 8 других сетей (подключение сети к серверам КОНТАР уменьшает это число пропорционально числу серверов). Если предполагается, что параметры данной сети будут читать больше 8 других сетей, необходимо так согласовать периоды обновления параметров, чтобы в момент запроса на чтение от любой сети-приемника в сети-источнике всегда был, по крайней мере, один свободный tcp-сокет.
2.6 Датчики и исполнительные механизмы
В системах автоматизированного управления обычно имеется большое количество разнообразных датчиков и измерителей физических величин, таких, как температура, давление, расход жидкостей, и т.п. Датчики преобразуют исходную физическую величину в некоторую стандартную величину другой физической природы, как правило, в электрическое напряжение. Преобразование этой промежуточной величины в цифровую форму для дальнейшей обработки на ЭВМ выполняет система ввода/вывода контроллера PLC.
Системы управления включают в себя комплект датчиков и исполнительных механизмов, позволяющих осуществлять эксплуатацию систем в заданном режиме и обеспечивают поддержание заданных параметров и оптимизацию циклов работы.
Для текущего контроля и аварийной сигнализации насосов устанавливается дифференциальные реле давления, которые подключаются к дискретным входам контроллера.
Схема подключения дифференциальных реле к контроллеру представлена ниже на рисунке 2.7
Рисунок 2.7 – Схема подключения дифференциальных реле
Реле давления предназначены для регулирования, текущего контроля и аварийной сигнализации в промышленности. Устанавливаются в системах с жидкими и газообразными средами. Реле давления снабжены однополюсными выключателями, которые замыкают или размыкают электрическую цепь при изменении давления в системе по сравнению с заданным. Дифференциальное реле давления предназначено для управления и защиты водяных насосов. Реле комбинирует функции выключателя давления и контролирующего устройства. Левый сильфон контролирует давление в системе. Правый - выключает насос, если давление всасывания насоса слишком низко. Таким образом насос защищен от повреждений, связанных с сухим ходом.
Далее установились датчики температуры теплоносителя, которые подключаются к аналоговым входам контроллера.
Схема подключения датчиков температуры представлена ниже
Рисунок 2.8 – Схема подключения датчиков температуры
Датчики температуры необходимы для передачи информации о текущем состоянии теплоносителя и о текущей температуре в контролируемых помещениях. Данные с датчиков направляются в контроллер, который обрабатывает полученную информацию и вырабатывает управляющий сигнал для корректировки работы системы.
