VODENJE PARNE KOTLOVNICE Z OMEJENIM NADZOROM · Dejan RAJTER VODENJE PARNE KOTLOVNICE Z OMEJENIM NADZOROM Diplomsko delo Maribor, marec 2009

Dejan RAJTER

VODENJE PARNE KOTLOVNICE Z OMEJENIM NADZOROM

Diplomsko delo

Maribor, marec 2009

I

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa


Študent: Dejan RAJTER

Študijski program: VS ŠP elektrotehnika

Smer: avtomatika

Mentor: izr. prof. dr. Boris TOVORNIK

Lektorica: Viktorija KUKOVEC - POTRČ

Maribor, marec 2009

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Borisu Tovorniku za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske naloge. Prav tako se zahvaljujem podjetju Panvita Mir d.d., ki mi je omogočilo študij. Posebna zahvala pa je namenjena moji družini za vso podporo in spodbudo pri študiju.

IV


Klju čne besede: posodobitev, kotlovnica, nadzor

UDK: 681.51:621.18(043.2)

Povzetek:

V diplomski nalogi je opisana posodobitev parne kotlovnice, ki obratuje s 24-urnim nadzorom. V nalogi so podrobneje predstavljeni osnovni gradniki krmilnega in nadzornega sistema, skupaj s programskim paketom Step7 za programiranje Siemensovih krmilnikov in programskim paketom WinCC za nadzorni sistem. Opisano je tudi opravljanje s parno kotlovnico.

V

CONDUCTING OF STEAM BOILER ROOM WITH LIMITED CONTRO L

Key words: modernization, boiler room, control

UDK: 681.51:621.18(043.2)

Abstract:

In my diploma I have described modernization of steam boiler room that works with 24-hours control. I have precisely presented basic components of control system and supervisory system, together with programme package Step7 for programming of Siemens control system and programme package WinCC for supervisory system. I have also described how to work with steam boiler room..

VI

VSEBINA:

1 UVOD ..........................................................................................................................1

2 OPIS PARNE KOTLOVNICE ...................................................................................3

2.1 Vrste kotlov ............................................................................................................................ 3

2.2 Opis delovanja kotlovnice ...................................................................................................... 4

3 PROJEKT POSODOBITVE KOTLOVNICE ...........................................................5

3.1 Mehčanje vode ......................................................................................................................... 5

3.2 Centralno ogrevanje ................................................................................................................. 9

3.3 Glavna električna omara R1 ................................................................................................... 12

3.4 Krmilni del ............................................................................................................................. 14

3.5 Krmilniki serije S7-300 .......................................................................................................... 23

3.6 Strojna oprema krmilnika ....................................................................................................... 25

3.7 Nadzorni sistem ...................................................................................................................... 26

3.8 Industrijsko komunikacijsko omrežje .................................................................................... 27

4 PROGRAMSKI DEL ................................................................................................ 30

4.1 Opis SIMATIC STEP 7.......................................................................................................... 30

4.2 Strojna konfiguracija ............................................................................................................. 33

4.3 Programiranje krmilnika ........................................................................................................ 34

4.4 Konfiguracija mreže ............................................................................................................... 37

4.5 Opis delovanja nadzornega sistema ....................................................................................... 38

4.6 GSM javljalnik napak............................................................................................................. 43

5 OPIS OPRAVLJANJA KOTLOVNICE .................................................................. 44

5.1 Vklop kotlovnice .................................................................................................................... 44

5.2 Vklop črpalk ........................................................................................................................... 45

5.3 Nadzor delovanja na računalniku ........................................................................................... 48

6 SKLEP ....................................................................................................................... 52

7 LITERATURA ......................................................................................................... 53

VII

KAZALO SLIK:

Slika 1: Kotlovnica Mir ...................................................................................................................... 4 Slika 2: Tehnološka shema priprave mehke vode .............................................................................. 8 Slika 3: Dodajanje kemikalij v napajalno vodo.................................................................................. 9 Slika 4: Povezava regulatorja in krmilnega parnega ventila ............................................................ 10 Slika 5: Diagram nastavitve K in P člena na regulatorju črpalke ..................................................... 11 Slika 6: Naprava za vzdrževanje tlaka Reflex variomat ................................................................... 12 Slika 7: Notranjost glavne električne omare R1 ............................................................................... 14 Slika 8: Nastavitev vrste merilnega signala na modulu ................................................................... 16 Slika 9: Blokovna shema analogno vhodnega modula SM 331; AI 8x13 bitov .............................. 16 Slika 10: Magnetno induktivni merilnik pretoka ............................................................................. 18 Slika 11: Blokovna shema analogno izhodnega modula SM 332; AO 8x12 bitov .......................... 19 Slika 12: Povezava frekvenčnega pretvornika z motorjem črpalke mehke vode ............................. 21 Slika 13: Notranja zgradba digitalnega modula SM 321; DI 16x24 VDC ....................................... 22 Slika 14: Notranja zgradba digitalnega modula SM 322; DO 16x24 VDC/0,5A ............................ 22 Slika 15: Sestava celotnega krmilnega sistema ................................................................................ 25 Slika 16: Krmilnik z vhodno-izhodnimi moduli .............................................................................. 26 Slika 17: Konfiguracija strojne opreme z orodjem HW Config ....................................................... 34 Slika 18: Osnovno okno SIMATIC Manager................................................................................... 35 Slika 19: Programsko orodje CFC ................................................................................................... 35 Slika 20: Definiranje programskih blokov ....................................................................................... 36 Slika 21: Programski blok MOTOR_01/K1_P1 .............................................................................. 36 Slika 22: Prikaz konfiguracije tlačnih senzorjev .............................................................................. 37 Slika 23: Prikaz industrijske mreže .................................................................................................. 37 Slika 24: Osnovno okno programa WinCC ...................................................................................... 39 Slika 25: Izbira novega projekta ....................................................................................................... 39 Slika 26: Izbira imena računalnika ................................................................................................... 39 Slika 27: Izbira protokola SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE ........................................................ 40 Slika 28: Pregled datoteke spremenljivk S7$Program(1) ................................................................ 40 Slika 29: Mapa s slikami »Graphics Designer« ............................................................................... 41 Slika 30: Sestavljanje in prikaz simbola za črpalko ......................................................................... 41 Slika 31: Deklariranje spremenljivk k simbolom ............................................................................. 42 Slika 32: Nastavitve alarmov in sporočil alarmov ........................................................................... 42 Slika 33: Nastavitev javljalnika GSM .............................................................................................. 43 Slika 34: Posluževalni panel kotla 2 ................................................................................................ 44 Slika 35: Stikala na glavni električni omari ..................................................................................... 46 Slika 36: Osnovno okno nadzornega sistema ................................................................................... 48 Slika 37: Okno komulative ............................................................................................................... 49 Slika 38: Okno alarmne meje ........................................................................................................... 49 Slika 39: Okno hidrofor.................................................................................................................... 50 Slika 40: Okno kaluženje ................................................................................................................. 50 Slika 41: Grafi temperatur ................................................................................................................ 51

VIII

UPORABLJENE KRATICE

OB – organizacijski blok

FB – funkcijski blok

FC – funkcije

SFB – sistemski funkcijski bloki

SFC – sistemske funkcije

DB – podatkovni bloki

STL – nabor ukazov

SFB – sistemski funkcijski bloki

LAD – lestvični diagram

FBD – funkcijski načrt

CPU- centralna procesna enota

PS – napajalni modul

MPI – večtočkovni vmesnik

GSM – globalni sistem za mobilne komunikacije

SMS – servis za kratka sporočila

SCADA – vmesnik človek-stroj, ki služi nadzoru, alarmiranju in shranjevanju podatkov

Vodenje parne kotlovnice z omejenim nadzorom 1

1 UVOD

Avtomatizacija proizvodnih procesov predstavlja začeten strošek, ki pa se dolgoročno povrne. Za konkurenčnost podjetja je avtomatizacija proizvodnega procesa, delov naprav ali strojev dolgoročna naložba, ki z dobrim poslovanjem podjetja hitro vrne vložene stroške investicije. Za avtomatsko vodenje in posodobitev parne kotlovnice smo se odločili tudi v podjetju Panvita Mir d.d. Parna kotlovnica je bila zgrajena leta 1996 in je prvotno služila ogrevanju upravne stavbe v zimskem času. Predvidevali pa smo tudi proizvodnjo tehnološke pare za potrebe mesno predelovalne industrije. Kapaciteta kotlov in ostalih naprav v kotlovnici je bila projektirana glede na tedanje razmere in plane proizvodnje. Predvidevali smo, da bomo pri selitvi proizvodnje na sedanjo lokacijo dogradili še grelnike sanitarne vode. Tako smo v kotlovnico vgradili dva parna kotla s pripadajočo kemično in termično pripravo vode. Vgrajen je bil tudi toplotni izmenjevalec za centralno ogrevanje ter obtočne črpalke. Kotlovnica je tako delovala s stalnim nadzorom kurjača parnega kotla v zimskem obdobju. Z leti se je tehnologija proizvodnje zelo spremenila, s tem pa so nastale tudi drugačne zahteve po tehnološki pari in ogrevani vodi. Pred selitvijo proizvodnje smo ugotovili, da je nekatera oprema dotrajana in nepravilno dimenzionirana glede na tehnološke potrebe. V svoji diplomski nalogi bom predstavil posodobitev kotlovnice pri kateri sem sodeloval pri iskanju tehnoloških rešitev in sami izvedbi projekta. Delo pri projektu mi je omogočilo vpogled v široki spekter različnih električnih in strojnih komponent, ki so potrebne pri načrtovanju in izvedbi projekta.

Pri načrtovanju novega objekta ima izvajalec veliko več možnosti prilagajanja s prostorom, rešitvami in sredstvi kot pri izvajanju posodobitve. Pri posodobitvah smo velikokrat omejeni s prostorom in možnostjo nadgradnje. V večini primerov je potrebno odstraniti stare strojne in elektroinštalacije ter jih nadomestiti z novimi. V našem primeru smo se srečali s posodobitvijo parne kotlovnice, ki zagotavlja oskrbo s paro za potrebe mesne industrije. V kotlovnici imamo vgrajena dva parna kotla z naslednjimi tehniškimi značilnostmi:

Kotel 1 - EMO tip TVP 3,0:

• Q = 1960 kW, • G = 3000 kg/h – produkcija pare,

• p = 10 bar – maksimalni obratovalni tlak, • temperatura nasičenja 1800C,

• gorilnik Weishaupt RLG 10/1-D proga DN 65, • tlak zemeljskega plina 1,0/0,100 barov, • napajalna črpalka Grundfos CRN 5 4,5 m3/h, tlak 17 barov.


Kotel 2 - EMO tip TVP 4,5:

• Q = 2940 kW,

• G = 4500 kg/h – produkcija pare, • p = 10 bar – maksimalni obratovalni tlak, • temperatura nasičenja 1800C, • gorilnik Weishaupt G40/2 - A- proga DN 65, • tlak zemeljskega plina 1,0/0,100 barov, • napajalna črpalka ELKO 5,62 m3/h, tlak 17 barov.

Obstoječa kotla sta bila redno vzdrževana ter pregledana s strani inšpekcijskih služb za energetiko, zato se kotla pri posodobitvi samo dopolnita z dodatno varnostno opremo, ki bo omogočala obratovanje z omejenim 24-urnim nadzorom po smernicah TRD 604. S ciljem večje varnosti ter zmanjšanja potrebnega števila ljudi in s tem tudi stroškov za nadzor nad obratovanjem parnih kotlov, so bila s smernicami TRD 604 v Nemčiji določena pravila za obratovanje parnih postrojenj brez stalnega nadzora. Kotli so opremljeni z varnostnimi in regulacijskimi napravami za avtomatski pogon in obratovanje. Ves nadzor prevzamejo varnostne in krmilne naprave. Omenjeni nadzor nad kotlovno napravo je dovoljen le pri kotlih, ki so kurjeni s tekočimi ali plinastimi gorivi, vročimi dimnimi plini ali z vpihovanjem prašnih goriv. V našem primeru je bilo za takšno delovanje potrebno dograditi celoten nadzorni sistem, ki vsebuje senzorje tlaka, temperature, pretokov..., krmilnik Simatic S7-300 s pripadajočimi moduli, nadzorni računalnik s SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) nadzornim sistemom, avtomatske ventile za kaluženje in odsoljevanje kotlov. Zamenjati smo morali celotno verigo mehčalne naprave, zaradi premajhne pretočnosti stare. Za pripravo sanitarne vode smo dogradili bojler z zunanjim toplotnim izmenjevalcem in regulatorjem, tudi za pripravo centralne vode smo dogradili toplotni izmenjevalec s pripadajočo strojno in regulacijsko opremo.

Diplomska naloga je razdeljena na šest delov. Po uvodnem delu, sem v drugem delu opisal parno kotlovnico ter navedel vrste parnih kotlov. Sledi tretji del, kjer sem predstavil projekt posodobitve s prikazom dimenzioniranja filtrov za mehčanje vode in opisom delovanja centralnega ogrevanja. V tem delu sem opisal tudi krmilno in strojno opremo, potrebno za avtomatsko delovanje kotlovnice, nadzorni sistem in industrijsko komunikacijsko omrežje. V četrtem delu sem opisal program za krmilnik in nadzorni sistem. Peti del opisuje postopke posluževanja s pomočjo stikal in nadzornega računalnika. Zadnji šesti del predstavlja zaključek.

Namen diplomske naloge je prikaz posodobitev in prilagoditev naprav v parni kotlovnici glede na potrebe proizvodnje in doseganja standardov za 24-urni nadzor. Pri projektu kotlovnice smo strmeli v smer, da bi čim več že vgrajene opreme obdržali in jo poskušali prilagoditi na nove potrebe, saj bi tako občutno zmanjšali stroške posodobitve.


2 OPIS PARNE KOTLOVNICE

Parna kotlovnica je zgradba ali del večje zgradbe v kateri imamo vgrajene parne kotle z vso pripadajočo opremo za delovanje kotlov. Parni kotel toploto, ki se sprošča iz goriva v kurišče, preko ogrevalnih površin prenaša na vodo in služi, da se spremeni voda iz tekočega v parno stanje. Ta toplota, ki jo je para v kotlu dobila, se odda v delovnem procesu ali pa služi za ogrevanje. Vsa konstrukcija pri parnem kotlu strmi za tem, da so nameščene ogrevalne površine tako, da je prenos toplote pri čim manjši količini uporabljenega materiala čim boljši. Ogrevalna površina parnega kotla je mišljena površina stene, ki jo z ene strani obdajajo vroči plini z druge strani pa jo obdaja voda. Ogrevalno površino merimo vedno na strani ognja v kvadratnih metrih (m2). Izvedba in razporeditev ogrevalnih površin je pri kotlih najvažnejša. Ločimo dve osnovni vrsti ogrevalnih površin:

• konvekcijske, kjer toplota prehaja zaradi gibanja plinov ob ogrevalnih površinah, • sevalne, kjer toplota prehaja s sevanjem.

Sevalne ogrevalne površine so v kurišču samem. Prenos toplote je neprimerno bolj močan kot v konvekcijskih. V parnih kotlih proizvajamo paro z različnimi tlaki in temperaturami, odvisno od tega, za kakšen namen je kotel grajen. Paro pridobljeno v kotlu, z določenim tlakom in temperaturo vodimo do tehnoloških porabnikov, izmenjevalcev (para-voda) za ogrevanje sanitarne vode in centralnega ogrevanja.

2.1 Vrste kotlov

Z izrazom kotel označujemo napravo v kateri se proizvaja toplota, ki se koristi izven te naprave. Glede na medij, ki služi za transport toplote pa je to lahko parni, termo oljni ali toplovodni kotel. Daleč najbolj razširjen je parni kotel. Te vrste kotlov se najbolj uporabljajo v industriji. Parni kotel je vsaka zaprta posoda, v kateri se proizvaja vodna para ali vroča voda s tlakom, ki je večji od 0,5 barov in temperaturo večjo od 1100 C, ter ima prostornino večjo od 2 litra.

• Majhen parni kotel je kotel, kjer je produkt obratovalnega tlaka v barih (bar) in prostornine v litrih (l), manjši od 200 (bar.l), pri čemer največji dovoljeni obratovalni tlak ne presega 32 barov.

• Srednje velik parni kotel je kotel, kjer je produkt obratovalnega tlaka v barih (bar) in prostornine v litrih (l), enak ali večji od 200 (bar.l) in manjši od 3000 (bar.l), pri čemer največji dovoljeni tlak ne presega 32 barov.

• Velik parni kotel je kotel, kjer je produkt obratovalnega tlaka v barih (bar) in prostornine v litrih (l), enak ali večji od 3000 (bar.l).

• Parna naprava je parni ali vročevodni kotel, pregrevalnik pare in grelnik vode vključno z električnim parnim kotlom in parno posodo za kuhanje, sterilizacijo in ogrevanje v tehnoloških procesih ter posoda v parno kondenzacijskih in vročevodnih sistemih.


2.2 Opis delovanja kotlovnice

V mesno predelovalni industriji Panvita Mir d.d. imamo vgrajena dva parna kotla, ki imata oznake K1 in K2. Parna kotla proizvajata paro s tlakom 8 barov, ki se koristi v tehnološkem procesu proizvodnje, del pa za ogrevanje prostorov. Parna kotla imata vgrajena Weishauptova industrijska gorilnika, prvi tip RGL10/1-D na zemeljski plin ali lahko kurilno olje in drugi tip G40/2-A na zemeljski plin. Odvisno od potreb in drugih dejavnikov lahko delujeta oba parna kotla ali pa le eden. Zmogljivost prvega parnega kotla je 4500 kg pare na uro, drugega pa 3000 kg pare na uro. Para v kotlu ima temperaturo 1800C in tlak 8 barov. Zrak za zgorevanje dovaja potisni ventilator z močjo 4kW, zrak zajamemo iz okolice. Vlek dimnega plina je naraven, skozi dimni cevi za vsak kotel samostojen. Plin je od razdelilne postaje, kjer se meri porabljena količina, speljan po skupni cevi do glavnega zapornega ventila, od tu pa do gorilnikov. Napajalna voda je za oba kotla skupna, iz istega rezervoarja, kjer je voda segreta na 1050C. Skupno je tudi omrežje, po katerem parna kotla dobavljata proizvedeno paro porabnikom. Oba gorilnika imata regulatorja, ki delujeta glede na tlak v kotlu. Regulator zagotovi brezhiben zagon gorilnika, boljše izgorevanje goriva ter prilagajanje moči gorilnika. Za oba gorilnika lahko ročno izberemo režim delovanja (1. avtomatsko delovanje, 2. mala moč, 3. izklop gorilnika, 4. velika moč). Pri zagonu kotla iz hladnega stanja obtežbo nastavljamo ročno, tako da na regulatorju povečujemo želeno vrednost tlaka in temperature po navodilih proizvajalca parnega kotla. Na tlačni strani kotla je nameščen tlačni senzor s katerim določamo avtomatsko obtežbo kotla.

Slika 1: Kotlovnica Mir


3 PROJEKT POSODOBITVE KOTLOVNICE

Pri načrtovanju novega objekta ima izvajalec veliko več možnosti za manipuliranje s prostorom, rešitvami in sredstvi kot pri izvajanju posodobitve. Pri posodobitvah smo velikokrat omejeni s prostorom in možnostjo nadgradnje. V večini primerov je potrebno odstraniti stare strojne in elektroinštalacije, ter jih nadomestiti z novimi. V našem primeru smo se srečali s posodobitvijo parne kotlovnice, ki zagotavlja oskrbo s paro za potrebe mesno predelovalne industrije. Izdelati je bilo potrebno tehnološko rešitev, dokumentacijo ter izvesti projekt. Pri izdelavi tehnoloških rešitev, ter pri izvedbi projekta sem kot predstavnik naročnika sodeloval tudi sam, zato bom v diplomski nalogi opisal potek prenovitve parne kotlovnice za delovanje z omejenim 24-urnim nadzorom. Pri posodobitvi smo izhajali iz tehnološkega projekta , ki je bil narejen za proizvodnjo, saj smo iz njega dobili podatke za dimenzioniranje naprav v kotlovnici. Preverili smo zmogljivost parnih kotlov glede na potrebo toplote v objektu uprave, predelave in klavnice, ter preračunali energijo glede na porabo 8-barske pare. Poraba pare:

Menjalnik za ogrevanje 1600 kg/h Klavnica 2500 kg/h Predelava 2100 kg/h Skupaj 6200 kg/h Upoštevali smo faktor istočasnosti 0,7 saj se pred pričetkom proizvodnje najprej ogreje napajalni rezervoar in vsi bojlerji, šele nato se pojavi potreba po tehnološki pari. V poletnih mesecih je poraba manjša, saj ni potrebe po ogrevanju. Poraba pare z upoštevanim koeficientom istočasnosti je 4340 kg/h v zimskih mesecih in 3500 kg/h v poletnih mesecih. Parna kotla lahko proizvedeta 7500 kg pare na uro v našem primeru zmoreta napajati porabnike s paro tudi pri maksimalni dimenzionirani obremenitvi. Naslednja naloga je bila priprava mehke vode za potrebe kotlovnice in proizvodnje. Mehčano vodo potrebujemo za napajanje bojlerjev sanitarne vode, v proizvodnji za hlajenje strojev, v strojnici za hlajenje kondenzatorjev hladilnega sistema, ter v kotlovnici za napajanje parnih kotlov. Ugotovili smo, da imata filtra, ki sta bila že montirana premajhno pretočno kapaciteto, zato smo sprojektirali nova.

3.1 Mehčanje vode

Za izračun in dimenzioniranje naprav za mehčanje vode z ionsko dekarbonizacijo smo upoštevali vhodne podatke o pretočnih kapacitetah ter pogoje, da morajo naprave obratovati neprekinjeno 24-ur dnevno v avtomatskem režimu. V delovnem ciklusu so predvidene naslednje porabe:


Qnaz = 15 m3/h – nazivna pretočna kapaciteta, Qmax = 17 m3/h – maksimalna pretočna kapaciteta, Q min = 2 m3/h – minimalna pretočna kapaciteta, t = 16 ur – obratovalni ciklus med dvema regeneracijama, K = 240 m3/reg. – količina dekarbonizirane vode med dvema regeneracijama. Instalirali smo dva enaka ionska izmenjevalca od katerih bo eden v obratovanju, drugi pa bo v fazi regeneracije in nato bo v mirovanju dokler se predhodni ne zasiti. Surova voda iz javnega omrežja za napajanje ionskih filtrov ima sledeče osnovne karakteristike:

Ca + Mg = 5,14 meq/l HCO3 = K = 3,57 meq/l T= 120C Izračun volumna ionske mase in dimenzija ionskega filtra: Vv = 15 m3/h x 16 ur = 240 m3/reg. CaO = Vv x K = 240 x 3,57 = 856,8 eq/l Iz pogojev: fi = Ca+Mg / HCO3 = 5,14 / 3,57 = 1,44 T = 120C t = 16 h/reg. Iz tehnoloških diagramov proizvajalca ionskih mas LEWATIT CNP 80 LF dobimo koristno kapaciteto Kk = 1,65 eq/l ionske mase. Vm = CaO/Kk = 856,8/1,65 = 519 litrov ionske mase za en filter

Na osnovi obratovalnih pogojev in količine ionske mase za en filter, izberemo tipski ionski

filter dimenzije φ 800 x 2000 mm za delovni tlak p = 6 barov. Karakteristike slabo kislega ionskega filtra so sledeče: Qnaz = 15 m3/h – nazivna pretočna kapaciteta, Qmax = 17 m3/h – maksimalna pretočna kapaciteta, D = 800 mm – zunanji premer ionskega filtra, Vm = 525 litrov – količina ionske mase LEWATIT CNP 80 LF, Hm = 1117 mm – višina sloja ionske mase, Hp = 883 višina prostora nad ionsko maso, Hc = 2000 mm – skupna višina cilindričnega dela ionskega filtra, Sn = 0,47 m2 – neto površina cilindričnega dela filtra. Hitrost pretoka vode v delovnem ciklusu v = Qn / Sn = (15 m3/h) / (0,47 m2) = 31,9 m/h. Regeneracija slabo kisle kationske mase se bo izvajala s solno kislino HCl koncentracije 3–4 %. Proces regeneracije se vključi, ko doseže dekarbonizirana voda na izhodu iz filtra »m« vrednost 0,5 m val/l.


Po ionski dekarbonizaciji je voda iz slabo kislih kationskih izmenjevalcev - filtrov kisla, pH vrednost je 4-5 z visoko vsebnostjo proste ogljikove kisline, v enaki količini kot je bila skupna količina CO2 v surovi vodi. Zato moramo CO2 izločit iz vode, to naredimo z odplinjevalcem.

Odplinjevalec CO2

Odplinjevanje CO2 vršimo v vertikalnem odplinjevalcu, ki je polnjen z visokim slojem Raschigovih obročkov, skozi katere protitočno vpihujemo zrak s centrifugalnim ventilatorjem. Odplinjevalec dimenzioniramo za pogoj maksimalne delovne kapacitete ionske dekarbonizacije:

Q = 17 m3/h – maksimalna pretočna kapaciteta, v = 30 - 40 m/h – hitrost pretoka vode skozi odplinjevalec. Iz teh podatkov smo izbrali odplinjevalec CO2 s sledečimi dimenzijami: D = 800 mm – premer odplinjevalca, H = 2400 mm – višina odplinjevalca, HR = 1500 mm – višina polnil Raschigovih obročkov, HN = 200 mm – višina nosilnega sloja Raschigovih obročkov, HS = 400 mm – prostor za dovodni distributer vode in lovilec kapljic, HV = 300 mm – prostor za dovod zraka pod nosilno ploščo za Raschigove obročke, Količina zraka za odplinjevanje Vz = 17 mV

3/h x 60 mZ3/mV

3 = 1020 mZ3/h,

Vz = 1100 m3/h – pretočna kapaciteta zraka. Pretočno kapaciteto zraka zagotovimo z ventilatorjem montiranim pod odplinjevalcem, odzračevanje pa je izvedeno skozi streho na prosto. Odplinjena voda se steka v zbirni rezervoar izpod odplinjevalca CO2, od koder jo s centrifugalno črpalko prečrpamo v tlačno hidroforno posodo. Z upoštevanjem možnosti, da bo v nekaterih primerih odvzem vode večji od dotoka predvidimo 3 m3 rezervoar za odplinjeno vodo.

Za prečrpavanje vode iz rezervoarja v hidrofor velikosti 2 m3, kjer moramo zagotavljati konstantni tlak 4 bare, zaradi zahtev strojev v proizvodnji, smo instalirali dve enaki črpalki. Prva črpalka je v delovanju, druga je rezervna in se avtomatsko vklopi, če je prva v alarmu. Črpalki sta krmiljeni s frekvenčnim pretvornikom v avtomatskem načinu delovanja. V ročnem načinu delujeta črpalki preko tlačnega stikala nastavljenega na diferenčni tlak 3,8-4,3 bara.

Karakteristike črpalke so naslednje:

Q = 20 m3/h – maksimalni pretok črpalke, p = 6 bar – delovni tlak črpalke, P = 5,5 kW – moč pogonskega elektromotorja, U= 400 V / 50Hz – priključna napetost.


Slika 2: Tehnološka shema priprave mehke vode

Za dovod vode v odplinjevalec smo uporabili membranski pnevmatski ventil tip DIASTAR PVC/EPOM 63 DN50, ki je krmiljen z elektro-pnevmatskim ventilom TPC Pneumatics, model DS 301. Signal za vklop ventila dobimo preko plovnih stikal nameščenih v rezervoarju mehke vode. Signale, kakor tudi močnostni del instalacije za pripravo vode, priklopimo v razdelilno omaro R2. V rezervoar mehke vode smo vgradili tri plovna stikala: izklopno stikalo za maksimalni nivo, vklopno stikalo za minimalni nivo in stikalo za alarmiranje v primeru kritičnega minimalnega nivoja - pomanjkanje vode v rezervoarju. Stikala so delovna, napajana s 24 VAC, povezana preko relejev na krmilni ventil mehke vode, ki ima delovno napetost 230 VAC. Plovna stikala smo vgradili tako, da rezervoar polnimo diferenčno od 75% do 100%. Tako zagotovimo dovolj vode v trenutkih večje porabe, kot je dotok iz omrežja. Krmilni ventil ima funkcijo NC (normalno zaprt), zapiranje omogoča vzmet, odpiranje pa zrak preko krmilnega ventila, na katerega smo vgradili nastavljivo dušilko, s katero nastavimo čas zapiranja ventila. Če dušilka ni vgrajena, ventil s pomočjo vzmeti izprazni zrak iz membrane, ter hitro zapre ventil. V instalaciji nastanejo trenutno veliki zaporni tlaki, ki lahko poškoduje instalacijo. Z dušilko lahko nastavimo čas zapiranja ventila.

Na vratih električne omarice R2 imamo vgrajeno tripolno grebenasto stikalo za vklop ventilatorja odplinjevalca CO2, stikali za vklop dozirnih črpalk za dodajanje kemikalij v vodo, ter signalne lučke za zaznavanje vklopov in alarmov na teh napravah.

Doziranje sredstev v pripravi vode

V sistem priprave vode smo dogradili dve dozirni črpalki tip PRODOS 5, ki se uporablja za doziranje dezinfekcijskih sredstev, sredstev za pripravo vode v energetiki, hladilnih sistemih in pripravi sanitarne vode. Naprava je mikroprocesorsko krmiljena elektromagnetna dozirna črpalka, katera lahko prikaže kapaciteto doziranja v l/h ali hodih/min, hitrost doziranja je zvezno nastavljiva in se digitalno izpisuje na LCD zaslonu. Črpalka deluje proporcionalno glede na pretok vode. Standardni sestavni deli naprave so:


impulzni vodomer, dozirna črpalka, sesalna garnitura z nivojskim stikalom, ter dozirni ventil. Dozirno črpalko zmontiramo na 100 litrsko posodo, v katero pripravimo dozirno sredstvo. V našem primeru dodajamo s prvo črpalko Irgatread 880 v napajalni rezervoar, z drugo pa dodajamo natrijev hidroksid NaOH v dekarbonizirano - mehko vodo.

Slika 3: Dodajanje kemikalij v napajalno vodo

3.2 Centralno ogrevanje

Pri centralnem ogrevanju in pripravi sanitarne vode smo uporabili enak sistem za ogrevanje. Ogrevanje vode za centralno vršimo s spiralnim toplotnim izmenjevalcem NIRO stoječe izvedbe s toplotno močjo 1000 kW. Menjalnik ima na primarno stran speljano paro tlaka 1,5 bara (1110C), na sekundarni strani pa pridobimo toplo vodo 85/650C pri pretoku 44 m3/h. Za regulacijo temperature v sistemu smo vgradili opremo firme Spirax Sarco z regulatorjem SX 25, sondo za zajemanje podatkov o trenutni temperaturi iz menjalnika, ter krmilni parni ventil s pnevmatskim pogonom, kateri regulira dotok pare v menjalnik glede na temperaturo izhodne sekundarne vode. Ventil s pnevmatskim pogonom je po konstrukciji enostaven, robusten, zanesljiv in cenovno ugoden. Odporen je na agresivno atmosfero in ni eksplozivno nevaren, zato smo ga uporabili v plinski kotlovnici. Ventil ima pnevmatski membranski pogon, ki je sestavljen tako, da je v prostoru z membrano na eni stran doveden krmilni tlak, ki je funkcija signala za pogon ventila. Nasproti tej sili deluje na nasprotni strani membrane, sila vzmeti. Ventil krmilimo s tlakom, ki mora premagati silo vzmeti, ki poganja ventil v nasprotni smeri. Položaj pnevmatskega ventila je zaradi tega vedno odvisen od razlike sil tlaka in vzmeti FP–FV. Zaradi takega stalno napetega stanja je pogon ventila občutljiv na majhne spremembe signala. Karakteristika ventila ima majhno histerezo. Hod ventila je od zaprtega do odprtega položaja linearno odvisen od krmilnega signala. Za krmiljenje ventila uporabimo tokovno pnevmatski pretvornik I-p. Na pretvornik pripeljemo električni vhodni signal 4–20 mA iz regulatorja SX 25 in napajalni zrak minimalno 1,4 do maksimalno 6 barov. Električni signal dobimo iz temperaturnega regulatorja, s katerim preko Pt 100 sonde merimo temperaturo na izhodu iz toplotnega izmenjevalca.


Slika 4: Povezava regulatorja in krmilnega parnega ventila

I–p pretvornik nam pretvori tok 4-20 mA v tlačni signal 0,2-1 bar, ta signal pa krmili pnevmatski položajni regulator, ki je sestavni del regulacijskega pnevmatskega ventila. Položajni regulator deluje na principu ravnotežja sil, ki jih ustvarimo z mehanskim premikom hoda pogona ventila na eni strani in želenim vhodnim signalom na sistemu šoba odbojna ploščica na drugi strani. Vhodni signal, ki zavzame vrednosti normiranega tlačnega signala 0,2-1 bar deluje na membrano. Premik membrane, ki je togo povezana z zvodom, se prenese na sistem šoba - odbojna ploščica, kar povzroči ustrezno dinamično spremembo izhodnega tlaka sistema šoba odbojna ploščica. Ta signal se ojači s pnevmatskim ojačevalnikom in se kot izhodni signal prenese preko dušilnih elementov v pnevmatski pogon ventila, kar preko membrane povzroči linearni pomik osi pogona ventila. Na regulatorju smo nastavili osnovne nastavitve, kot so izbira sonde, izbira izhodnega signala, minimalno ter maksimalno dovoljeno temperaturo, alarmne meje, rampo gor ter rampo navzdol.

Obtočne črpalke

Za obtok vode po sistemu centralnega ogrevanja smo uporabili elektronsko regulirani črpalki IMP pumps. Črpalka je sestavljena iz centrifugalne črpalke in elektronskega regulatorja nameščenega na črpalki. Elektronski regulator je sestavljen iz frekvenčnega pretvornika, senzorja obremenitve in elektronskega krmilja. Črpalke serije EGHN samodejno regulirajo število vrtljajev motorja in posredno tudi moč, glede na količino pretočnega medija. Črpalke zaznajo spremembo hidravličnega upora v hidravličnem sistemu in se glede na hidravlični upor zregulira moč in obrati črpalke. Pri povečanju hidravličnega tlaka se zmanjša moč črpalke in obratno. S tem privarčujemo električno energijo , zmanjšamo šumnost naprave in zagotovimo optimalno delovanje grelnih naprav.


Slika 5: Diagram nastavitve K in P člena na regulatorju črpalke

Pri nazivni vrednosti črpalke smo določili delovno točko Tn to je pri pretoku Q=10 m3 in tlačni višini h=5 m. Določili smo tudi točko pri čisto zaprtih ventilih to je točka T0 pri kateri je pretok Q=0, tlačna višina pa je H=2,3 m. Točki nato povežemo in dobimo delovno premico, katero nastavimo na regulatorju s pomočjo potenciometrov označenih s K za konstantni člen in s P za proporcionalni člen.

Če se poveča hidravlični upor sistema, kar se zgodi če zaprejo termostatski ventili ali izklopimo določene porabnike, naraste število vrtljajev črpalke, naraste hidravlični tlak in pade moč motorja. Padec moči motorja zazna senzor, ki je vgrajen v črpalko in s pomočjo algoritma, ki je vnesen v krmilje zmanjša moč motorja na vnaprej izbrano vrednost s čemer popravi spremembo, ki jo povzročijo porabniki. Samodejno-avtomatsko prilagajanje lahko tudi izključimo, tedaj deluje črpalka kot običajna obtočna črpalka. Preklapljamo lahko med malim pretokom, reguliranim obratovanjem in velikim pretokom. Ta preklop je možen s pomočjo stikala na regulatorju. Črpalke smo priklopili preko stikal in varovalk iz razdelilca R1 z energetskim kablom z zaščitnim opletom. Digitalne signale za delovanje in alarme črpalk smo povezali na digitalni vhodni modul SM 321/2.

Vzdrževanje tlaka v ogrevalnem sistemu

Za vzdrževanje tlaka v sistemu ogrevanja smo vgradili napravo Reflex variomat, ki je namenjena za vzdrževanje tlaka, odzračevanje in dopolnjevanje cevovodov. Sestavljena je iz ene krmilne enote, črpalke, elektromagnetnih ventilov , merilca tlaka in 300 litrske posode. Naprava lahko obratuje v avtomatskem ali ročnem načinu.

Pri avtomatskem načinu je vklopljena funkcija vzdrževanja tlaka, kompenzacija raztezne prostornine, odzračevanje in avtomatsko naknadno polnjenje. Krmiljenje črpalke in ventila za presežni tlak poteka tako, da ostaja tlak stalno v mejah nastavljenega +/-0,2 bara. Krmilje načrtuje izvajanje funkcij . Med obratovanjem poteka prikaz in ovrednotenje motenj. Pri standardni nastavitvi je izločanje plinov iz sistema trajno nastavljeno. Pri popravilih na cevovodih lahko uporabimo program za trajno izločanje plinov.


Posamezni cikli izločanja plinov potekajo eden za drugim v skladu z izbranim časom, po 12. urah se nastavi osnovna nastavitev. Mi smo nastavili tlak v sistemu na 2 bara. Naprava se napaja preko varovalnega elementa iz razdelilca R1. Digitalni alarmni signal imamo priklopljen na digitalni vhodni modul krmilnika označen z SM 321/2. Tako lahko spremljamo alarme te naprave v nadzornem sistemu.

Pri ročnem načinu obratovanja je možno vklopiti in izklopiti vse magnetne ventile ter črpalko. Pri preklopu na ročno delovanje se izklopijo vsi ventili , ki so bili pred spremembo vklopljeni. Tudi pri tem načinu obratovanja krmilje nadzoruje varno delovanje črpalke in ventila za presežni tlak.

Slika 6: Naprava za vzdrževanje tlaka Reflex variomat

3.3 Glavna električna omara R1

Pred prenovitvijo smo imeli v nadzornem prostoru kotlovnice vgrajeno glavno električno omaro. V omari smo imeli vgrajene močnostne in krmilne tokokroge za naprave v kotlovnici ( priprava vode, napajalni rezervoar, centralno ogrevanje, kalužna jama...), ter dva komandna pulta za vklop gorilnikov in napajalnih črpalk. V omari pod pultom pa so bili vgrajeni močnostni, krmilni in varnostni elementi gorilnika. Pri prenovitvi električne omare R1 smo odstranili vse stare elemente, ki so bili vgrajeni ter, zamenjali vrata na njej. Na prva vrata smo namestili glavno stikalo, ter tipko za izklop v sili, ki preko tuljave na glavnem stikalu izklopi le-tega. Stikalo se izklopi ob vsakem izpadu električne energije. Tako preprečimo nekontroliran ponovni vklop. Še eno tipko za izklop v sili smo namestili pred vhodnimi vrati v objekt kotlovnice.


Nad tipko za izklop v sili smo namestili stikala za vkop črpalk z možnostjo izbire delovanja avtomatsko-ročno, ter časovni uri za 8 in 24-urno potrditev, ki se izvede preko tipke. Namestili smo tudi stikali na ključ za izbiro potrditve ure 8 ali 24 ur in preklop delovanja črpalk za hidrofor avtomatsko ali ročno. V ročnem načinu delujejo črpalke preko tlačnega stikala, v avtomatskem načinu pa reguliramo obrate črpalke s frekvenčnim pretvornikom, glede na tlak v hidroforju. Na druga vrata smo namestili merilnika pretoka pare za objekt predelave in objekt klavnice. V notranjost prvega dela električne omare smo vgradili:

• frekvenčni pretvornik za črpalki mehke vode,

• glavno stikalo, • kontaktorje in motorske zaščite, • priključne sponke, • krmilnik nivojskih sond napajalnega rezervoarja, • varovalne elemente črpalk centralnega ogrevanja.

V notranjost drugega dela električne omare smo vgradili naslednje elemente:

• priključne sponke, • glavne varovalke za gorilnika NV 35A, • varovalke,

• krmilnik Siemens serije S7-300 z vhodno-izhodnimi moduli, • releje Schrack z mirnimi in delovnimi kontakti.

Med montažnimi letvami so pritrjeni instalacijski kanali, po katerih so speljani instalacijski vodniki. Za ožičenje znotraj omare so uporabljeni vodniki različnih barv in presekov:

• črni in rjavi vodniki preseka 2,5 mm2 za dovode do varovalk, od varovalk do kontaktorjev, napajanje porabnikov,

• črni vodniki preseka 6 mm2 za dovod do gorilnikov, • rdeči vodnik preseka 0,75 mm2 za nizkonapetostne signale, • modri vodniki 2,5 mm2 za nevtralni vodnik,

• rumeno-zeleni vodnik preseka 2,5 mm2 za ozemljitev, • UTP kabel za komunikacijo z nadzornim računalnikom,

• kabel kompenzacijski s kovinskim opletom 2 x 1,5 mm2 za priklop merilnih sond, • kabel kompenzacijski s kovinskim opletom 4 x 2,5 mm2 za priklop črpalk.


Slika 7: Notranjost glavne električne omare R1

Kabli so položeni po kabelskih policah in speljani v omaro na spodnji levi strani. Kabel iz frekvenčnega pretvornika do črpalke je speljan po svoji liniji zaradi motilnih signalov, ki jih lahko povzroča na druge kable in elektronske naprave. Del kablov, ki so bili že speljani v omaro preko uvodnic na zgornjem delu omare, smo tam tudi pustili in dodali nekaj priključnih sponk. Komunikacijski kabli UTP so v omari ločeni od energetskih linij zaradi možnosti motenj.

3.4 Krmilni del

Za avtomatizacijo procesa potrebujemo PLC (Programabilni Logični Krmilnik), ki predstavlja jedro krmilnega sistema. Z aplikacijskim programom PLC ciklično preverja stanje sistema preko povratnih signalov vhodnih naprav. Na osnovi teh signalov program vrši nadaljne korake in jih prenaša na izhodne naprave. PLC lahko uporabljamo za kontrolo enostavnih ali ponavljajočih se nalog, ki so lahko medsebojno povezane z drugimi krmilniki ali mrežnimi računalniki. S takšnim načinom lahko dosežemo nadzor nad zelo kompleksnimi sistemi. Mi smo se srečali z srednje velikim sistemom avtomatizacije, ki smo se ga lotili po sledečem vrstnem redu:

• pregled potrebnih senzorjev v kotlovnici, • ugotavljanje števila analognih in digitalnih signalov,

• izbira modulov krmilnika, • izbira krmilnika,

• povezava naprav na krmilnik, • pisanje programa za krmilnik, • prireditev SCADA nadzora.


Pri izbiri opreme nismo imeli veliko pomislekov glede proizvajalca, saj trenutno v našem podjetju uporabljamo krmilno in regulacijsko opremo podjetja Siemens. S to opremo do sedaj nismo imeli večjih težav, zato smo jo uporabili tudi v kotlovnici. Drugi razlog pa je lažje povezovanje opreme istega proizvajalca pri različnih aplikacijah proizvodnje. Pri projektu smo najprej določili potrebne senzorje, ki jih moramo vgraditi. Ozirali smo se na priporočila TRD za 24-urni nadzor ter vgradili vso potrebno opremo za zagotavljanje varnosti in učinkovitosti delovanja kotelnih naprav.

Popis senzorjev za kotlovnico:

Tlačni senzorji: p1 – tlačni senzor, 0 - 15 bar, 1840C, para p2 – tlačni senzor, 0 - 15 bar, 1840C, para p3 – tlačni senzor, 0 - 2 bar, 1100C, voda p4 – tlačni senzor, 0 - 6 bar, 1100C, voda p5 – tlačni senzor, 0 - 6 bar, 200C, voda p6 – tlačni senzor, 0 - 6 bar, 200C, mehčana voda p7 – tlačni senzor, 0 - 10 bar, 1450C, para Temperaturni senzorji: T1 – temperaturni senzor, 1100C, 0.5 bar, voda T2 – temperaturni senzor, 1100C, 3 bar, voda T3 - potopni temperaturni senzor, 1300C, 0.5 bar, voda T4 – temperaturni senzor, 1100C, 3 bar, voda T5 – temperaturni senzor, 1100C, 3 bar, voda T6 – temperaturni senzor, 850C, 5 bar, voda (tipalo dolgo vsaj 250 mm) Merilci pretoka: M1 – merilec pretoka, 5 bar, 200C, mehčana voda, 30m3/h M2 – merilec pretoka, 5 bar, 200C, mehčana voda, 30m3/h Analogni vhodni signali Analogne signale smo povezali na tri univerzalne vhodne analogne module z oznako SM 331, AI 8x13 bitov, ki so uporabni za večino krmilnih aplikacij. Merilne signale lahko priklopimo direktno na modul, ki ima 8 vhodov z 4 kanali (vsak kanal z dvema vhodoma v posameznem tipu meritve). Vsi merilni kanali so prilagodljivi na štiri možne meritve vhodnih signalov. To so:

• napetost, • tok,

• upornost, • temperatura.


Vsi vhodi so zaščiteni z optičnim elementom proti notranjem vodilu, tako tudi ob prevelikih napetostih ne poškodujemo vodila. Na kartici lahko nastavimo štiri različne pozicije kanalov-slika 8 (A, B, C ali D) odvisno, katere vhodne signale pripeljemo na kartico: napetost, tok, upornost ali upornost temperaturno odvisnih elementov.

Slika 8: Nastavitev vrste merilnega signala na modulu

CPU enota dela zmeraj le z binarnimi operacijami, zato analogni vhodni modul spremeni analogni procesni signal v binarni signal in ga pošlje preko vodila v CPU enoto.

Slika 9: Blokovna shema analogno vhodnega modula SM 331; AI 8x13 bitov

Merilniki tlaka

Vgradili smo merilnike tlaka SIEMENS SITRANS P, ki se lahko uporabljajo za merjenje korozivnih in agresivnih tlakov plina, tekočin in pare v industriji. Tlačni senzor v merilniku ima dve tlačni membrani na eno membrano pritiska tlak medija, ki ga merimo na drugo membrano pa zunanji atmosferski tlak. Merilnik tlaka ima vgrajen tlačni pretvornik, ki razliko obeh tlakov pretvori v tok 4-20 mA. Tlačni pretvornik je tovarniško kalibriran v zahtevanem merilnem področju. Če je potrebna še dodatna nastavitev, odpremo zgornji del merilnika, ter s potenciometrom »Z« nastavimo ničto točko (4 mA) in s potenciometrom »S« nastavimo vrh skale maksimum (20 mA). Ohišje in membrana merilnika sta izdelana iz nerjavečega jekla. Merilnik montiramo na priključek ½ cola. V primeru meritve tlaka medija, ki je imel višjo temperaturo od dovoljene za merilnik, smo ga montirali na kondenzacijski vod. Tako smo montirali vse senzorje, ki merijo tlak pare.


Tehnični podatki merilnika tlaka:

• napajanje: 10-30 VDC (dvožični priključek),

• merilno območje: 0 do 2 (6, 10, 15) bar, • izhodni signal: 4-20 mA, • upornost tokovne zanke: max 750 Ohm (napajanje 24 VDC), • temperatura medija: - 40…800C.

Merilnike tlaka smo priklopili preko dvožičnih kompenzacijskih kablov z opletom na vhodni analogni modul označen s SM 331/1.

Merilniki temperature

Za merjenje temperature smo uporabili merilnike temperature SIEMENS TK-H, ki se lahko uporabljamo za merjenje temperature tekočin in pare v industriji. Merilnik ima vgrajeno uporovno Pt100 sondo in merilni pretvornik. Sondi se spreminja upornost v razmerju s temperaturo, pretvornik pa pretvori spreminjajočo upornost v izhodni signal 4-20 mA.

Tehnični podatki: • napajanje: 8-35 VDC, • merilno območje: -50 do +4000C, • izhodni signal: 4-20 mA, • največji dovoljeni tlak: 20 bar.

Merilnike temperature smo priklopili preko dvožičnih kompenzacijskih kablov z opletom na vhodni analogni modul označen s SM 331/2.

Merilnik pretoka

Merilnik pretoka in količine SIEMENS SITRANS FM MAGFLO 5000 smo vgradili pred oba ionska filtra. Namenjen je za zajemanje podatkov o trenutnem pretoku vode in skupni količini porabljene vode med regeneracijo filtra. Magnetno-induktivni merilnik pretoka deluje na osnovi Faradejevega zakona indukcije, po katerem se v električnem prevodniku, če ga premikamo v magnetnem polju, inducira električna napetost. Pri magnetno-induktivnem postopku merjenja pretoka prihaja do inducirane napetosti, zaradi premikanja prevodne tekočine kot merilnega medija v magnetnem polju. Merilni medij se pretaka s hitrostjo »v« po izolirnem cevovodu pravokotno na smer magnetnega polja »B« in diametralno nameščene merilne elektrode. Velikost inducirane napetosti »U« je proporcionalna hitrosti premikanja električnega prevodnika, gostoti magnetnega polja »B« in dolžini prevodnika »L«. Tudi če električni prevodnik nima dolžinske oblike, se bo pojavila inducirana napetost. Pretakajoča se tekočina predstavlja prostorsko razprostirajoč se prevodnik, ki mora imeti neko minimalno električno prevodnost vsaj 1µS/cm. Praviloma

se zahteva do 10 µS/cm. Dolžina prevodnika je enaka premeru svetle odprtine cevovoda, tako, da je L = d.


Inducirano koristno napetost velikostnega razreda nekaj milivoltov izmerimo s pomočjo izoliranih elektrod, ter pripeljemo na vhod merilnega pretvornika. Ta jo mora ločiti od občutno večjih motilnih napetosti in upoštevati, da predstavlja visoko-omski vir, ki praktično mora ostati neobremenjen. Merilno napetost »U« dobimo kot razliko potencialov na elektrodah. Merilnik je relativno neobčutljiv na turbulence, saj je izhodna napetost rezultat integrala prispevkov med dvema elektrodama (povprečje), kar pomeni, če je v nekem delu hitrost tekočine manjša, je v drugem delu večja.

Med pretokom »qv« in inducirano napetostjo »U« je linearna odvisnost:

qv = K*U

Izraz velja ob domnevi homogenega magnetnega polja in rotacijsko simetričnega profila pretočne hitrosti.

Slika 10: Magnetno induktivni merilnik pretoka

Osnovni podatki merilnika pretoka:

• napajalna napetost: 230 VAC,

• frekvenca: 50Hz, • tokovni izhodni signal: 4-20 mA,

• digitalni izhodni signal: aktivni: 24 VDC, 30 mA frekvenca: 0-10 kHz, • relejski izhod: 24 VDC / 1A.

Merilca pretoka napajamo z 230 VAC za spremljanje pretoka vode na nadzornem sistemu uporabimo izhodni tokovni signal 4-20 mA, ki ga priklopimo na analogno vhodni modul SM 331/3 na kanal CH3 za prvi in kanal CH4 za drugi merilnik. Kabelsko povezavo za signal smo izvedli s kompenzacijskim kablom z opletom, za dovodni napajalni kabel smo uporabili P-y- 3 x 1,5 mm2.


Analogni izhodni signali Za vodenje frekvenčnega pretvornika in prikaz trenutne porabe pare smo vgradili analogni izhodni modul SM 332, ki ima 8 izhodnih kanalov velikosti 12 bitov. Posamezni izhodni kanal lahko programiramo tako, da na izhodu dobimo:

• napetostni izhod, • tokovni izhod.

Vhodi so zaščiteni z optičnim elementom proti notranjem vodilu. Vsi signali na notranjem vodilu so binarne oblike, analogni izhodni modul spremeni binarne signale v analogne, ki so tokovni ali napetostni.

Slika 11: Blokovna shema analogno izhodnega modula SM 332; AO 8x12 bitov

Frekvenčni pretvornik

Črpalko za vzdrževanje tlaka v sistemu mehke vode, ki služi prečrpavanju vode iz rezervoarja v hidrofor, smo zvezali preko frekvenčnega pretvornika Micromaster 420. S tem smo dosegli sprotno prilagajanje vrtljajev črpalke glede na trenutno porabo vode in željen tlak v hidroforju. Črpalka z močjo P=5,5 kW in pretokom Q=20 m3/h zmore premostiti vse porabe vode, ki se pojavijo v sistemu, saj je maksimalna pretočna kapaciteta sistema Q=17 m3/h. Frekvenčniki s posebno metodo pulzno širinske modulacije in z izbrano pulzno frekvenco dosežejo tiho delovanje motorjev tudi pri visokih frekvencah. Obsežne zaščitne funkcije skrbijo za popolnost pretvornika in motorske zaščite. S tovarniškimi nastavitvami je uporaben kot samostojna enota, v našem primeru pa je vključen v sistem avtomatizacije.

Osnovne značilnosti frekvenčnih pretvornikov MICROMASTER 420 so:

• enostavna montaža, priključitev in zagon, • robustno ohišje, • hitro ponovljivi odzivni časi kontrolnih signalov, • programsko nastavljivo pospeševanje / pojemanje, 0s do 650s,


• delovna temperatura -100C do +500C, • precizna hitrostna nastavitev, • štiri nastavljene frekvence, • serijski vmesnik RS-485 ter RS 232, • 3 digitalne vhode, 1 analogni vhod, • 1 analogni izhod, 1 relejski izhod.

Frekvenčni pretvornik, ki smo ga izbrali za pogon črpalke ima naslednje karakteristike:

• trifazna vhodna napetost 380 – 480V +10%, 17,3A 47 – 63Hz, • izhodna napetost 0 – (do vhodne napetosti) 400 V, 13,2A 0 – 650Hz, • moč motorja 5,5 kW, • tip in velikost: model A, • brez filtra.

Energetski del frekvenčnega pretvornika je sestavljen iz usmerniškega dela, razsmernika in kondenzatorja. Energijo zagotavlja omrežje, ki preko trifaznega usmerniškega vezja napaja kondenzatorsko baterijo. Kondenzator s svojo dovolj veliko kapacitivnostjo poskrbi, da ostane napetost konstantna tudi med znižanjem vhodne napetosti med polvaloma.

Na izhodni strani pretvornika je šest polprevodniških elementov (tranzistorjev), ki sestavljajo razsmernik. Z ustreznim krmiljenjem posameznih stikal (s pomočjo krmilne logike in mikrokrmilnika), lahko statorska navitja asinhronskega motorja napajamo tako, da ta ustvarijo magnetno polje. Hitrost vrtenja polja lahko uravnavamo s časovnim zaporedjem vklopov posameznih stikal. Na ta način dobimo vrteče se magnetno polje s spremenljivo hitrostjo vrtenja rotorja. Da dosežemo enakomeren tek motorja krmilimo posamezno stikalo tako, da v vsaki polperiodi vklopimo in izklopimo posamezno stikalo večkrat v ritmu sinusne napetosti. Dodatno mora krmilna logika zagotoviti tudi spremembo efektivne pritisnjene napetosti, da ostaja magnetni pretok v mejah tistega pri nazivni točki, pri napajanju iz omrežja, oziroma variabilno spreminjanje U/f v primeru specifičnih bremenskih karakteristik.

Frekvenčni pretvornik je krmiljen preko mikrokrmilnika in uporablja (state-off-the-art Insulated Gate Bipolar Transistor) IGBT tehnologijo. Ta tehnologija priskrbi višjo stikalno hitrost, ki je nujno potrebna za pulzno širinsko modulacijo (PWM), ko ta operira s frekvenčnim pretvornikom. IGBM je zmožen preklapljati med »ON« in »OF« tisočkrat na sekundo, lahko ga aktiviramo v manj kot 400ns (nanosekundah) in deaktiviramo v približno 500ns. IGBM je močnostni, napetostno krmiljeni polprevodniški element, ki vsebuje MOSFET. Kadar je na vratih pozitivna napetost (normirano je +15 VDC), je IGBM odprt. To nam predstavlja zaprto stikalo in začne tok teči od kolektorja proti emiturju. IGBM je aktiven dokler ne odstranimo napetosti iz vrat. Krmilna elektronika je popolnoma galvansko ločena od omrežja, tako da jo lahko povežemo na procesni računalnik ali krmilnik brez posebnih vmesnikov. Krmiljenje vrtljajev lahko izvajamo z analognim napetostnim vhodom 0 - 10V ali s tokom 0/4 – 20 mA. Sodobni frekvenčni pretvorniki nudijo zaščito asinhronega motorja, korekcijo napetosti U/f pri nizkih obratih,


visok razpon spreminjanja obratov (0–200Hz), nastavitev časov zagona in zaviranja, menjavo smeri vrtenja, imajo velik izkoristek (0,98) in faktor delavnosti. Frekvenčni pretvorniki lahko poleg krmiljenja (nastavitev vrtilne hitrosti) s pomočjo PI ali PID regulatorja tudi regulirajo (prisotna povratna vezava).

Za krmiljenje frekvenčnega pretvornika smo uporabili napetostni signal 0-10 V iz analognega izhodnega modula SM 323/1 priklopljenega na kanal CH 6. Močnostni del smo izvedli tako, da lahko z enim frekvenčnim pretvornikom krmilimo črpalko 1 ali črpalko 2. Črpalki delujeta izmenično; ena deluje, druga je v pripravljenosti. Poleg avtomatskega načina imamo tudi možnost ročnega krmiljenja preko tlačnega stikala.

Slika 12: Povezava frekvenčnega pretvornika z motorjem črpalke mehke vode

Pregled digitalnih signalov

Za kontrolo naprav v kotlovnici smo morali pregledati vse dosedanje načrte vgrajenih naprav, da smo ugotovili vse uporabne signale za nadzor. Osredotočili smo se predvsem na signale, ki so pomembni za varno delovanje parnih kotlov. V obeh krmilnih omarah kotlov smo dodatno vgradili releje z ustreznimi vhodnimi napetostmi, ki smo jih prilagajali glede na sistem, s katerega smo pobrali signal. Novo vgrajeni releji so tipa Schrack 5A za napetost 24 VAC in 230 VAC. Tako smo fizično ločili krmilne signale za digitalni vhodni modul, od signalov naprav, ki jih povzročajo. Za vsak kotel smo izbrali 16 digitalnih signalov, ki predstavljajo signale o delovanju naprav in alarmiranju. Poleg teh signalov pa imamo še 16 signalov o stanju ostalih naprav kot so delovanje črpalk, suhi tek črpalk, napaka frekvenčnik...

Vhodni digitalni signali

Za zajemanje digitalnih signalov smo uporabili tri digitalne vhodne module tipa SM 321, vsak ima po 16 vhodov. Tako smo lahko skupaj priklopili 48 vhodnih signalov. Vhodni podatki so dolgi štiri zloge, zamudni čas oziroma preklop iz 0 na 1 ali obratno traja 3 ms. Izhodna napetost modula znaša 24 VDC. Notranje vodilo deluje z napetostjo 5 VDC in modul potroši 35 mA toka. Na sliki 13 je prikazano, kako poteka prenos podatkov iz senzorja-aktuatorja do notranjega vodila. Izhode ima zaščitene z optičnim elementom, tako da je tudi ob previsoki napetosti nemogoče poškodovati notranje vodilo CPE-ja. Logična enka za vhodne digitalne module pomeni napetost med 15 in 30 VDC. Logična ničla pomeni napetost med 0 in 5 VDC. Vhodni tok je okoli 7mA.


Slika 13: Notranja zgradba digitalnega modula SM 321; DI 16x24 VDC

Izhodni digitalni signali

Digitalne izhodne signale smo uporabili za vklop aktuatorjev. Uporabili smo digitalni izhodni modul SM 322, ki zbira binarne kontrolne signale od vodila sistema in prenaša galvansko ločene signale do procesnega nivoja. Modul se napaja z enosmerno napetostjo 24 V, ima 16 kanalov, njihov status je prikazan na čelni plošči s pomočjo LED diod. Vhodni podatki so dolgi 4 zloge, zamudni čas oziroma preklop iz 0 na 1 ali obratno znaša 3ms. Notranje vodilo deluje z napetostjo 5 VDC in modul potroši za pravilno delovanje 200mA toka. Na sliki 14 je prikazano, kako poteka prenos podatka iz senzorja/akumulatorja do notranjega vodila. Vhode ima zaščitene z optičnim elementom, tako, da je tudi ob previsoki napetosti nemogoče poškodovati ali uničiti vodilo CPE-ja. Logična enka za vhodne digitalne module pomeni napetost med 15 in 30 VDC. Logična ničla pomeni napetost med 0 in 5 VDC.

Slika 14: Notranja zgradba digitalnega modula SM 322; DO 16x24 VDC/0,5A


3.5 Krmilniki serije S7-300

Krmilniki omogočajo različne možnosti komuniciranja in priklop vrste posluževalnih, nadzornih in programirnih naprav. So zelo uporabne naprave, s katerimi se enostavno in ekonomsko rešujejo naloge kot so:

• krmiljenje, • reguliranje, • komuniciranje, • posluževanje in nadzor,

• obdelava podatkov, • vnos formul za izračun pozicij in operacij.

Krmilniki se uporabljajo za krmiljenje strojev, avtomatizacijo procesov in nadzor procesov. S kombinacijo komponent iz velikega izbora S7-300 modulov se lahko sestavi sistem, ki je uporaben za izvedbo različnih nalog iz področja avtomatizacije.

Glede na razporeditev posameznih modulov ločimo:

• centralno procesne enote »CPE« različnih vrst in zmogljivosti, • signalne module za digitalne in analogne vhode ali izhode, • funkcijske module za tehnološke funkcije,

• komunikacijske krmilnike »CP«, • napajalne module za napajanje S7-300 modulov iz omrežja 120/230 VAC,

• module za povezavo večjih sklopov ali multi-sklopov v celoto.

Krmilni moduli so sestavljeni iz naslednjih komponent:

• napajalni moduli (PS), • centralno procesna enota (CPU),

• signalni moduli (SM), • frekvenčni moduli.

Jedro celotnega sistema je centralno procesna enota CPU. Glede na zahtevnost naloge lahko izbiramo pri krmilniku S7-300 med različnimi procesorji (CPU 312IFM, CPU 313, CPU 314IFM, CPU 314/315/315-2DP/316-2DP/317-2DP/318/318-2DP). Čim zmogljivejši procesor bo v sistemu, tem krajši bodo obdelovalni cikli in veliko več bo uporabniku nudil pomnilnik. Pri avtomatizaciji kotlovnice smo se odločili za krmilnik CPU 314 na osnovi velikosti projekta in zahtevnosti sistema, ki ga mora krmiliti.

Krmilnik je moral izpolnjevati:

• priklop senzorjev z visoko frekvenco vklopov in izklopov, • možnost dodajanja vhodno – izhodnih modulov, • možnost povezave komunikacijskih modulov, • priklop povezovalnih modulov.


CPU 314 ima interni pomnilnik 96 KBytov za program in podatke, mesto za Simatic pomnilno kartico MMC (Micro Memory Card) 128 KBytov uporabniškega programa, ter vmesnik za programirno napravo (MPI). V krmilniku se izvajata hkrati sistemski in uporabniški program. Sistemski program je tovarniško naložen v krmilniku in ni odvisen od krmilne naloge, zato ga običajno ne spreminjamo. Naloge sistemskega programa so:

• preslikava stanja vhodov v pomnilniško področje-slika vhodov in preslikava stanja pomnilniškega področja-slika izhodov na izhode,

• klicanje uporabniškega programa, • zaznavanje prekinitev in klicanje prekinitvenih organizacijskih blokov,

• zaznavanje napak in ustrezno javljanje in ukrepanje, • upravljanje s krmilnikovim pomnilnikom,

• skrb za pravilno odvijanje uporabniškega programa ob zagonu krmilnika.

Uporabniški program je odvisen od nalog, ki jih naj rešuje krmilni sistem. Uporabniški program napiše uporabnik in ga naloži v krmilnik. V uporabniškem programu se določi:

• pravilna preslikava vhodnih signalov v izhodne, • pravilno reagiranje v primeru prekinitev, • način reagiranja v primeru motenj med normalnim izvajanjem programa,

• naloge, ki jih naj izvede krmilni sistem ob vklopu.

Naslednji pomemben del so vhodni in izhodni moduli. Takšni moduli predstavljajo povezave med vsemi aktuatorji, senzorji, stikali. Zajemajo še druge elemente, ki jih v procesih uporabljamo. V glavnem so deljeni takšni moduli na vhodne in izhodne signale. Nadalje jih delimo na digitalne, ki obdelujejo binarne signale in analogne v našem primeru signale 4-20 mA.

Krmilniki te serije imajo modularno zgradbo. Zaradi tega so zelo prilagodljivi, saj jih lahko preprosto razširimo. Največkrat je sestavljen krmilni sistem iz enega krmilnika (CPU-ja), napajalnika in ustreznega števila dodatnih razširitvenih modulov. Ločimo dva obsega takšnih krmilnih sistemov:

• za povezavo enega krmilnika z do osem razširitvenih modulov, zadošča ena letev, v tem primeru ne potrebujemo dodatnih povezovalnih modulov, ki povezujejo razširitvene module na posameznih letvah,

• za povezavo enega krmilnika z več kot osem razširitvenimi moduli, potrebujemo več letev, v tem primeru potrebujemo tudi dodatne povezovalne module (IM), ki povezuje razširitvene module na posameznih letvah.


3.6 Strojna oprema krmilnika

Glavni element strojne opreme je krmilnik. V našem primeru smo izbrali krmilnik iz serije Siemens S7-300, s centralno procesno enoto CPU 314. Napajanje celotnega krmilnika smo izvedli z napajalnim modulom serije PS 307. Uporabili smo povezovalni modul IM 365, ki služi za povezavo letev med seboj. Krmilniku smo dogradili digitalni izhodni modul s 16 izhodi, tri analogne vhodne module z 8 vhodi in 13 biti, štiri digitalne vhodne module s 16 vhodi ter analogni izhodni modul z 8 izhodi in 12 biti. Za prenos podatkov uporabimo modul Scalance X005 za industrijski ethernet 10/100 MBit/s. Grafični prikaz delovanja ter zgodovino dogodkov spremljamo na računalniku s pomočjo Siemensove SCADA-e programa Win CC.

Slika 15: Sestava celotnega krmilnega sistema

PS 307 NAPAJALNIK 10A - 24V DC

CPU-314 IM 365 SEND

SIMATIC NET

SM 322 16 x DO

SM 331/1 8 x AI

SM 331/2 8 x AI

VKLOPI VENTILOV

MERILNIKI TLAKA

MERILNIKI TEMPERATURE

X005 SM 321/4 16 x DI

SM 332 8 x AO

SM 321/3 16 x DI

IM 365 RECEIVER

SM 321/2 16 x DI

SM 321/1 16 x DI

SM 331/3 AI 8x13Bit

MERJENJE PRETOKOV

KOTEL 1

KOTEL 2

DELOVANJE ČRPALK

VKLOP ČRPALK

REZERVA

PC


Tehnični podatki krmilnika, ki smo ga uporabili:

• procesor CPU 314,

• naročniška številka 6ES7 314-1AF11-0AB0, • 24 VDC napajalna napetost, • 1 A nazivna vrednost toka, • 96 kByte delovnega pomnilnika, • 2048 spominskih bitov, • obdelava bitnih podatkov 0.1 µs,

• obdelava besednih ukazov 0,2 µs,

• obdelava matematičnih ukazov 0,3 µs,

• 256 števcev, • 256 časovnikov, • prenos podatkov 187.5 kbit/s,

• 1 leto ohranitev podatkov s podporno baterijo, • komunikacijski vmesnik MPI,

• možnost priključitve do 31 dodatnih modulov.

Slika 16: Krmilnik z vhodno-izhodnimi moduli

3.7 Nadzorni sistem

Nadzor proizvodnih procesov opravljajo SCADA sistemi, ki nadzorujejo delovanje krmilnih enot in preko tega nadzora vplivajo na proizvodni proces. Naloge SCADA sistemov so: nadzor, spremljanje in vodenje proizvodnje. Sistemi omogočajo veliko odprtost, saj se podatki lahko pridobijo iz različnih virov, ustrezno obdelujejo in služijo za avtomatizacijo sistema. Sodobni SCADA sistemi imajo možnost povezave z raznovrstno programsko opremo. Te povezave omogočajo prenose različnih podatkov, ki so potrebni za delovanje. Ta odprtost sistemov je posledica dejstva, da vsa sodobna avtomatizacija teži k vse večji povezavi sistemov med seboj.

Delovanje nadzora

Okolje, v katerem dajemo ukaze v krmiljen proces in iz njega dobivamo informacije (oziroma nadziramo proces), je del koncepta HMI (human machine interface ali človek računalnik vmesnik). Koncept HMI v PCS7 ponuja operatersko postajo OS za razvoj aplikacij in detektiranje vzrokov, za eventualne težave pa inženirsko postajo ES.


OS in ES uporabljata za nadzor SCADA sistem in na prvi pogled ju ni mogoče ločiti, a med njima so velike razlike. Temeljne razlike so nivo dostopa, mesto priključitve in namen uporabe. Namen OS je nadzor in vodenje avtomatiziranega procesa. Navadno ga uporablja operater, ki skrbi za proces. ES na drugi strani pa je namenjen vzdrževanju SCADA sistema in iskanju napak v samem procesu. Prav iz tega razloga ima ES najvišji nivo dostopa, medtem ko OS dostop le do podatkov in opravljanja s procesom. Velika razlika med OS in ES je tudi priključitev v mrežo. ES je priključen v industrijsko mrežo in s tem neposredno dostopa do podatkov iz procesnih krmilnikov, medtem ko je OS priključen v terminalsko mrežo, od koder dostopa do podatkov.

3.8 Industrijsko komunikacijsko omrežje

Rast tehnologije v avtomatizaciji je povzročila, da tehnologija zdaj pokriva vsa področja od procesa, nadzora proizvodnje do logistike podjetja. Komunikacije znotraj podjetja istih nivojev so postale vse bolj direktne, kar pomeni, da komunikacijska partnerja komunicirata brez posrednikov. Vse bolj postajajo direktne tudi komunikacije po hierarhični strukturi navzgor. Industrijska omrežja v groben razdelimo na štiri skupine: senzorsko-aktuatorski, področni, celični in »management« nivo. Senzorsko-aktuatorski nivo je najnižja plast v industrijskih komunikacijah. V tem nivoju gre za komunikacijo med nadrejenim krmilnim sistemom (gospodar-master) in senzorji ter aktuatorji, ki so priključeni na podomrežje. Lastnosti omrežja v tem nivoju so hiter odzivni čas in majhno število podatkovnih bitov. Podatki, ki jih prenašamo v tem nivoju so kratki, saj gre le za prenos stanja binarnih senzorjev v procesno enoto in povratnih informacij nazaj na aktuator. V področnem nivoju gre običajno za komunikacijo med porazdeljenimi vhodno-izhodnimi enotami, merilnimi pretvorniki, operacijskimi paneli in regulatorji, ki komunicirajo z avtomatizacijskim sistemom v realnem času. Procesni podatki se prenašajo ciklično-prekinitveno, od vsake periferne enote k CPE. V celičnem nivoju komunicirajo PLC-krmilniki in industrijski računalniki. Od komunikacije na tem nivoju se zahteva prenos velikih podatkovnih paketov in veliko število kompleksnih funkcij. Istočasno pa mora nuditi enostavno integracijo v višje nivoje industrijske avtomatizacije in svetovni splet. V tem nivoju uporabljamo Ethernet omrežje. V »management« nivoju se izvajajo vodstvena opravila, ki vplivajo na celotno strukturo avtomatizacije. To vključuje shranjevanje procesnih podatkov, optimizacijo in procesiranje avtomatskih funkcij kot izhod pa tudi izdelavo poročila. Industrijski Ethernet V industriji se danes srečujemo z velikim povečanjem količine podatkov. Standardi, ki so bili razviti pred leti, ne zadovoljijo več potrebe po prepustnosti omrežja. Edini komunikacijski standard, ki je dosegel to prepustnost, povrhu vsega pa je še poceni in zanesljiv, je Ethernet. Industrijski Ethernet se v osnovi ne razlikuje od pisarniškega. Oba Etherneta sta med seboj povezljiva. Industrijski Ethernet ima samo dodane nekatere funkcije, ki v pisarniškem niso potrebne.


Naprave so skonstruirane tako, da so primerne za uporabo v industrijskem okolju, v katerem mrgoli elektromagnetnih motenj in velikih temperaturnih razlik. Osnovna funkcija, ki loči industrijski internet od pisarniškega, so redundantne povezave. Zaradi velike pomembnosti podatkov moramo imeti rezervo v primeru izpada linije. Pri industrijskem Ethernetu to rešimo s topologijo v obliki obroča. Za fizično povezavo Ethernet omrežja standardi opisujejo tipe kablov, določajo mrežno topologijo, največjo dolžino kabelskega segmenta in število uporabnikov, ki se jih lahko uporabi. Za povezovanje elementov v Ethernet omrežju, se uporablja različne vrste kablov; od koaksialnih kablov, paric, UTP, do kablov z optičnimi vlakni. V današnjem Ethernetu se najpogosteje uporablja oklopljena bakrena parica s 4 pari pletenic oziroma tako imenovani UTP kabel, ki omogoča hitrost prenosa do 100Mbit/s. Takšno vrsto kabla smo uporabili za povezavo tudi v našem projektu. Optični kabel pa omogoča prenose s hitrostjo do 10GBit/s.

Pri izvedbi projekta nadzora kotlovnice smo v industrijsko mrežo Ethernet vključili še krmilnik Siemens S7-300 z povezovalnim modulom SCALANCE X005, ter nadzorni računalnik imenovan PC Station 1, v katerega smo vgradili mrežno kartico 10/100 MBit/s PCI Ethernet, ki ima port RJ-45 UTP in deluje v operacijskih sistemih Windows 98/Me/NT/2000/XP/Linox.

GSM javljanje napak

GSM je globalni sistem z mnogimi prednostmi, med najpomembnejšimi sta terminalna in osebna prenosljivost. Vsak uporabnik se kjerkoli po svetu identificira s kartico SIM in lahko uporablja katerokoli omrežje GSM in pa katerikoli terminal GSM: Prav tako se lahko terminali uporabljajo kjerkoli s katerokoli kartico SIM. GSM je uvedel digitalno komunikacijo , kar je prineslo vrsto prednosti, predvsem veliko število storitev in povečano zaščito proti zlorabam. Pri GSM-u se za sprejem podatkov (DL - download) uporablja en frekvenčni pas za oddajo (UL - upload) pa drugi. Celice v GSM omrežju so različno velike, odvisno od števila uporabnikov na določenem območju. Če je celica večja, imajo antene večjo izhodno moč. Pri terminalih (telefonih) so izhodne moči precej velike, povprečno okoli 1 W. Mi smo za prenos SMS sporočil iz računalnika na mobilni telefon operaterja uporabili Siemensov terminal MC35i, ki zagotavlja visoko hitrost prenosa brezžične govorne in podatkovne komunikacije. Terminal je robustne izvedbe, z vgrajeno GPRS tehnologijo, ki omogoča stalno spletno povezavo, faks in SMS aplikacije. Napajamo ga lahko z napetostjo 12 ali 24 VDC, v terminal vgradimo SIM kartico ter priključimo anteno. Na računalnik ga priklopimo s povezovalnim kablom RS 232.

GPRS je nadgradnja GSM omrežja, saj omogoča višje hitrosti prenosa podatkov in je cenovno bistveno ugodnejši, ker obračunava samo količino podatkov, ki so bili preneseni, ne pa trajanje zveze. Odjemalec-uporabnik je dejansko trajno povezan v omrežje, vendar dokler ne prenaša podatkov, se mu nič ne zaračuna. GPRS je paketni prenos podatkov, ki spada v 2 generacijo mobilne tehnologije in omogoča uporabnikom hitrejšo in prijaznejšo uporabo storitev, kot so: pregledovanje e-pošte, internetnih strani, prenašanje podatkov, uporaba GPRS naprav (npr. mobilnega telefona).


Zaradi kompleksnosti GPRS sistema so naloge razdeljene na več protokolov, ki so vključeni v protokolne sklade. V GPRS sistemu sta definirani ravnini prenosa podatkov ter signalizacijski ravnini. Preko ravnine prenosa podatkov se izvaja prenos uporabniške informacije, vključno s postopki odkrivanja in odpravljanja napak, segmentacijo in stiskanje podatkovnih paketov, ter nadzora pretoka podatkov. V signalizacijski ravnini se izvajajo v standardizaciji t.i. višje nivojske funkcije nadzora nad dostopom do GPRS omrežja, nadzora mobilnosti GPRS mobilne postaje, paketnega usmerjanja in upravljanja s kapacitetami omrežja. V našem projektu smo uporabili GPRS signal za povezavo prenosnega računalnika preko GPRS kartice na internet. Preko IP naslova se lahko operater priklopi na nadzorni računalnik kotlovnice in daljinsko spremlja delovanje kotlovnice.


4 PROGRAMSKI DEL

Programiranje krmilnika poteka na ločeni napravi za programiranje. Večinoma je takšna naprava osebni računalnik s standardnim operacijskim sistemom (MS Windows, DOS) in ustreznim programskim paketom. Prenos programa iz naprave za programiranje v krmilnik se lahko izvede s prenosom programa v EPROM pomnilnik in kasnejšim vstavljanjem v krmilnik ali pa se program direktno prenese v pomnilnik krmilnika preko večtočkovnega vmesnika MPI (Multi Point Interface), ki omogoča priključitev do dvaintrideset naprav, kot so programirne naprave(PG, PC), nadzorne plošče (OP), krmilni sistemi S7-300, S7-400... Pri izvedbi projekta sem uporabil programsko orodje za programiranje in parametriranje vgrajenih naprav SIMATIC STEP 7. Orodje bom v grobem tudi opisal.

4.1 Opis SIMATIC STEP 7

Osnovna verzija programa STEP 7 je programska in konfiguracijska oprema za SIMATIC. Sestavlja ga več aplikacij, ki nas spremljajo od začetka ustvarjanja novega projekta, do njegovega zaključka. Uporabniku so na razpolago različna orodja za programiranje krmilnega sistema:

SIMATIC Manager je programsko orodje za programiranje Siemensovih krmilnikov serije SIMATIC S7. Orodje nam omogoča:

• tvorbo projekta, • konfiguriranje strojne opreme, • konfiguriranje omrežij,

• programiranje blokov in, • odkrivanje napak v programu.

To okolje je podobno Windows raziskovalcu. V zgornjem delu okna so padajoči meniji z raznimi funkcijami, nastavitvami in orodji. Nižje so nameščene opravilne vrstice z ikonami, ki so bližnjice do različnih funkcij in opravil.

Symbol Editor omogoča izdelavo prireditvene tabele, v kateri vsem dejanskim spremenljivkam priredimo simbolične vrednosti. Na ta način je izdelava uporabniškega programa enostavnejša. Prireditvena tabela je dostopna ostalim Windows programom.

Hardware Configuration omogoča konfiguriranje in parametriranje strojne opreme krmilnega sistema. Osnovni podatki vseh elementov strojne opreme so shranjeni v elektronskem katalogu. Konfiguriranje decentralizirane periferije se izvede enako kot konfiguriranje centralnih enot.

Communications configuration omogoča programiranje časovno ali dogodkovno krmiljenega prenosa podatkov preko MPI naslova.


Systemdiagnose nudi uporabniku pregled nad stanjem krmilnega sistema.

V krmilniku CPU 314, katerega smo uporabili pri projektu, se izvajata dva programa: sistemski program in uporabniški program. Sistemski program je tovarniško naložen v krmilniku in ga običajno ne spreminjamo. Uporabniški program pa napišemo sami glede na tehnološki proces, katerega krmilimo.

Naloge sistemskega programa so:

• preslikava stanja vhodov v pomnilniško področje in preslikava stanja pomnilniškega področja na izhode,

• klicanje uporabniškega programa, • zaznavanje prekinitev in klicanje prekinitvenih organizacijskih blokov,

• zaznavanje napak, ustrezno javljanje in ukrepanje, • upravljanje s krmilnikovim pomnilnikom,

• skrb za pravilno odvijanje uporabniškega programa ob zagonu krmilnika.

Naloge uporabniškega programa so:

• pravilna preslikava vhodnih signalov v izhodne signale, • pravilno reagiranje v primeru prekinitev,

• način reagiranja v primeru motenj med normalnim izvajanjem programa, • naloge, ki jih naj izvede krmilni sistem ob vklopu.

Elementi uporabniškega programa

Zaradi preglednosti uporabniškega programa ga ne pišemo v enem bloku, ampak uporabljamo za izdelavo programa strukturirano programiranje z več bloki. Glede na način njihovega izvajanja lahko grobo razdelimo bloke uporabniškega programa v štiri skupine:

• Osnovni organizacijski blok, ki ga pokliče sistemski program krmilnika v vsakem ciklu sistemskega programa, je blok OB1.

• Podprogramski bloki, ki jih kliče osnovni organizacijski blok ali pa podprogramski bloki so: FB-funkcijski blok, FC-funkcije, SFB-sistemske funkcije, SFC-sistemski funkcijski bloki.

• Posebni organizacijski bloki, ki se izvajajo v primeru prekinitev, po urniku in začasno prekinjajo izvajanje osnovnega organizacijskega in podprogramskih blokov (OB3).

• Podatkovni bloki, v katere se shranjujejo podatki in jih kličejo programski bloki (DB).

Organizacijski bloki (OB) so vmesniki med sistemskim programom in uporabniškim programom. Organizacijski bloki nam zelo poenostavijo izdelavo uporabniškega programa. Najpomembnejši je osnovni organizacijski blok (OB1), ki se izvaja enkrat v vsakem ciklu sistemskega programa. Uporabniški program v organizacijskem bloku se izvaja ciklično.


Funkcijske bloke (FB) programira uporabnik sam. Funkcijski blok je blok s spominom. Pri vsakem klicu funkcijskega bloka je potrebno imenovati ustrezen podatkovni blok. Parametri, ki se prenašajo v funkcijski blok in statične spremenljivke funkcijskega bloka se shranijo v ustrezen podatkovni blok (instance data block). Začasne spremenljivke se shranijo v lokalni sklad funkcijskega bloka. Parametri , ki se shranijo v ustrezen podatkovni blok so dostopni tudi po zaključku izvajanja funkcijskega bloka. Parametri, ki se shranjujejo v lokalni sklad pa po zaključku izvajanja funkcijskega bloka niso več dostopni. Funkcijski blok kličemo z ukazom: CALL FBx, DBx. Istemu funkcijskemu bloku lahko ob različnih klicih priredimo različne podatkovne bloke.

Funkcije (FC) programira uporabnik sam. Funkcija je blok brez spomina. Začasne spremenljivke funkcije se shranijo v lokalni sklad in niso več dostopne po zaključku izvajanja funkcije. Funkcije kličemo CALL FCx. Če želimo trajno shraniti podatke v funkciji uporabimo deljene podatkovne bloke (shared data block).

Sistemski funkcijski bloki (SFB) so funkcijski bloki, ki so integrirani v krmilnikih STEP 7. So del operacijskega sistema in jih ne moremo nalagati kot del programa. Podobno kot FB so tudi SBF bloki s spominom. Ob klicu SFB je potrebno imenovati pripadajoče instance podatkovnega bloka. Krmilniki Step 7 uporabljajo funkcijske bloke za komunikacijo in izvedbo integriranih funkcij.

Sistemske funkcije (SFC) so funkcije, ki so integrirane v krmilnike STEP 7. So del operacijskega sistema in jih ne moremo nalagati kot del programa. Podobno kot FC so tudi SFC brez spomina. Krmilniki STEP 7 uporabljajo funkcije za preverjanje programa, prenašanje podatkov, upravljanje s prekinitvami, diagnostiko krmilnega sistema, naslavljanje modulov, upravljanje sporočil, komunikacijo podatkov, upravljanje s krmilnikovim spominom …

Deljeni podatkovni bloki (DB) v nasprotju s programskimi bloki ne vsebujejo STEP 7 ukazov. V podatkovne bloke shranjujemo podatke. Deljeni podatkovni bloki se uporabljajo za shranjevanje podatkov do katerih lahko dostopamo iz vseh ostalih programskih blokov.

Blokovne spremenljivke v uporabniškem programu vsebujejo ukaze in spremenljivke, ki jih deklariramo v STEP 7. Ločimo tri glavne tipe blokovnih spremenljivk:

• Parametre, ki jih prenašamo med programskimi bloki. S parametri prenašamo spremenljivke v klican programski blok in iz klicanega programskega bloka. S pomočjo parametrov je bistveno poenostavljena izdelava kompleksnejših krmilnih programov. V klicanih programskih blokih (funkcijah ali funkcijskih blokih) uporabimo formalne parametre, ki jih deklariramo v programskih blokih. V blokih iz katerih kličemo ustrezne funkcije ali funkcijske bloke pa uporabimo dejanske spremenljivke. Tako lahko uporabimo isti klican programski blok za izvajanje operacij na različnih vhodnih parametrih.

• Statične spremenljivke, ki se med izvajanjem funkcijskega bloka shranijo v instance podatkovni blok in jih preberemo ponovno s klicanjem funkcijskega bloka, kateremu je prirejen instance podatkovni blok.


• Začasne spremenljivke, ki so dostopne samo, dokler se programski blok izvaja in

niso več dostopne, ko je izvajanje programskega bloka zaključeno. Za začasne spremenljivke sistemski program rezervira del pomnilnika.

Izdelava uporabniškega programa

Programska oprema STEP 7 predstavlja povezavo med uporabnikom in krmilnikom. Za izdelavo uporabniškega programa obstaja več programskih jezikov. Izbira programskega jezika je odvisna od izkušenj programerja, narave krmilnega problema in razpoložljive opreme. Programski jeziki STEP 7 so:

• Nabor ukazov (STL – Statement list), primeren za uporabnike, ki so navajeni programirati v jezikih podobnih strojnemu jeziku.

• Kontaktni načrt (LAD – Ladder), primeren za uporabnike, ki so navajeni delati s stikalnimi načrti.

• Funkcijski načrt (FBD – Function Block Diagram), primeren za uporabnike, ki so navajeni delati z logičnimi bloki.

• SCL (Structured Control Language), primeren za uporabnike, ki imajo izkušnje s programskimi jeziki višjih stopenj (PASCAL,C, …).

• GRAPH za uporabnike, ki so predvsem poznavalci krmilnega problema in nimajo posebnih programerskih izkušenj na krmilnikih.

• CFC za uporabnike, ki so predvsem poznavalci krmilnega problema in nimajo posebnih programerskih izkušenj na krmilnikih.

Za naš projekt smo izbrali krmilnik CPU 314, krmilnik je tipa S7-300, zato je v projektu kreirana postaja SIMATIC 300 Station, ki vsebuje podatke postaje, strojno konfiguracijo projekta, vse programske elemente, aplikacije in vse podatke o komunikacijah.

4.2 Strojna konfiguracija

V strojno konfiguracijo je potrebno konfigurirati vso uporabljeno opremo in ji nastaviti parametre v odvisnosti od parametrov procesa. Aplikacija sistema ima strojno konfiguracijo na dveh letvah na vsako je možno postaviti osem vhodno-izhodnih modulov. Mesto 1 je vedno rezervirano za napajalnik, mesto 2 za krmilnik, mesto 3 za IM povezovalni modul, ki služi za povezavo med različnimi letvami. Za konfiguracijo odpremo področje Hardware, kjer se nam odpre orodje HW Config v njem izberemo ustrezne module, ki jih imamo vgrajene v krmilnik. Vsak modul ima naslov, s katerim se potem operira v programu v skladu s sintakso S7-300. S tem orodjem imamo dostop tudi do posameznih modulov in jim po potrebi spreminjamo določene parametre. Pomemben del je nastavitev parametrov centralne procesne enote, ki sicer deluje tudi brez dodatnih nastavitev, vendar v nekaterih primerih želimo opraviti določene nastavitve, ki niso standardno nastavljene. Te nastavitve so čas cikla, časovno proženi alarmi, urno proženi alarmi, nastavitve taktnih markerjev, nastavitev MPI naslova,…


Slika 17: Konfiguracija strojne opreme z orodjem HW Config

4.3 Programiranje krmilnika

Za programiranje krmilnika smo izbrali programski jezik CFC, ki smo ga razdelili na šest različnih sklopov programa:

AMEAS kjer so programirane funkcije analognih meritev, kot so meritve nivoja, temperature, tlaka, pretokov …

BMEAS kjer so programirane funkcije za vse binarne signale-digitalne vhode, kot so nivojska stikala - hidrostati, tlačna stikala - presostati, temperaturna stikala - termostati, izpadi motorskih zaščitnih stikal,…

MOTOR_01 kjer so programirane funkcije za vse motorje, kot so vklopi, izklopi v ročnem in avtomatskem načinu delovanja ter obdelava alarmov,…

REG_01 kjer so programirane funkcije za vse regulacije, kot so regulacija tlaka, regulacija temperature,…

VALVE_01 kjer so programirane funkcije za diskretne ventile, kot so odpiranje in zapiranje ventila, alarmiranje neodprtosti ventila v zahtevanem času.

WINCC kjer so programirane spremenljivke, ki se spremljajo v nadzornem sistemu, kot so prikaz delovanja črpalk, skalirane vrednosti meritev, alarmi.


Slika 18: Osnovno okno SIMATIC Manager

Sedaj bom opisal del programa za vodenje, nadzorovanje in alarmiranje motorjev. V osnovnem oknu SIMATIC Manager odpremo okno MOTOR_01, odpre se nam programsko orodje za pisanje programa. Na levi strani so knjižnice z možnimi programskimi bloki, ki so sistemski po osnovi v programskem paketu Siemens-a in vsi, ki so že uporabljeni v aplikaciji. V glavnem oknu so programski bloki za motorje, ki omogočajo popolno obdelavo vseh signalov, ki so uporabljeni za posamezen pogon.

Slika 19: Programsko orodje CFC

Vrstni red izvajanja programa določimo z vrstnim redom klicanja blokov iz glavnega organizacijskega bloka OB1. V glavnem bloku se začne obdelava programa iz njega sledijo klici podprogramov, ki so lahko funkcije FC, funkcijski bloki FB, podatkovnih bloki DB, sistemske funkcije SFB in sistemski funkcijski bloki SFB. Razen organizacijskega bloka OB1 obstajajo tudi drugi, vsak od njih pa opravlja posebno funkcijo, ki je predpisana v sistemu krmilnika in jo lahko najdemo v literaturi za programiranje s programskim jezikom STEP 7, ter navodilih za posamezne tipe centralnih procesnih enot. Pregled vseh uporabljenih blokov se nahaja v Simatic Manager-ju pod imenom »Blocks«, bloki so povezani med seboj v krmilnem programu.


Slika 20: Definiranje programskih blokov

Programski blok nap. za programiranje motorjev se kreira iz definiranega funkcijskega bloka »FB101«, ki je potreben podatkovni blok za vhodno-izhodne, vmesne in začasne spremenljivke. Parametri, ki se prenašajo v funkcijski blok in statične spremenljivke funkcijskega bloka se shranijo v ustrezen podatkovni blok. Parametri, ki se shranijo v podatkovni blok so dostopni tudi po zaključku izvajanja funkcijskega bloka. Na levi strani bloka »MOTOR_01/K1_P1« za vodenje in spremljanje delovanja napajalne črpalke Č1 na kotlu K1 programskega bloka so podani vsi vhodni in vhodno-izhodni podatki, na desni strani pa so označeni komentarji in določeni vsi izhodni podatki slika 21.

Slika 21: Programski blok MOTOR_01/K1_P1

Vhodno deklarirane podatke lahko programski blok samo bere, vhodno-izhodne bere in piše, izhodne pa samo piše. Funkcijo posamezne spremenljivke bloka opišemo v komentarju.

Na sliki 22 je prikazan del programa za zajemanje podatkov s tlačnih senzorjev, nastavitev spodnjih in zgornjih mej, krmiljenje izhodnih naprav, ter izpis komentarjev.


Slika 22: Prikaz konfiguracije tlačnih senzorjev

4.4 Konfiguracija mreže

Naprave smo med seboj povezali z Industrijskim Ethernetom. V Network konfiguraciji NetPro smo najprej definirali naprave, katere so bile uporabljene v projektu. Naprave smo povezali med seboj in jim dodelili naslove. Naslovi ne smejo biti enaki, ker naprave ne bi pravilno komunicirale med seboj. Naslov 2 smo dodelili krmilniku Simatic 300 Station, naslov 3 je bil dodeljen nadzornem računalniku Simatic PC Station (1). Možno je definirati parametre mrež, to so v našem primeru Industrijski Ethernet in MPI omrežje, katerega smo uporabili samo za programiranje krmilnika, da smo povezali krmilnik in programirni računalnik. Povezavo smo izvedli s povezovalnim kablom RS 232.

Slika 23: Prikaz industrijske mreže


4.5 Opis delovanja nadzornega sistema

Za programiranje v tekstovnem in grafičnem okolju prikazovalnikov proizvajalca Siemens se uporablja programski paket WinCC.

WinCC programski paket odlikujejo naslednje lastnosti:

• enaka programska oprema za vse prikazovalne naprave, • kratek uvajalni čas na MS Windows okolju ter sprotna pomoč, • enostavna ponovna uporaba delov projekta preko večjih odprtih projektov, • objektno orientirana hranitev podatkov, • večjezična podpora.

Projektiranje s pomočjo programskega paketa WinCC pomeni ustvariti slike in sporočila ter jih povezati s programom v krmilniku, s čimer lahko vizualiziramo poteke procesov, lahko pa tudi vplivamo na same programe v krmilniku. Naloge, ki jih moramo pri projektiranju najprej izvršiti so:

• razdelitev prikaza,

• določitev krmilja izbira protokola komunikacije s krmilnikom, • določitev komunikacijskih področij v krmilniku, • določitev objektov.

Najprej moramo nastaviti globalne funkcijske tipke, ki imajo enak pomen skozi celi projekt, ter razvrstitev posameznih vrst oken na zaslonu. Razvrstitev zaslona je sestavljena iz vseh izbranih oken in osnovnega polja. Kot okna so tu mišljena:

• trajno okno, ki se prikaže na vsaki sliki, se lahko uporablja npr. za naslov naprave ali globalne vrednosti naprave;

• indikator sporočila, ki nas opozori o prisotnosti sporočila oziroma napake; • dinamična pozicija, ki preprečuje prekrivanje trenutno aktivnega področja obdelave

imena mesta, kjer se trenutno nahaja kurzor; • sporočila napak in procesna sporočila, katera imajo možnost ob aktiviranju,

nastopiti v novi sliki oziroma z odprtjem svojega okna ali pa se prikažejo na okna z vrstico prisotnega sporočila.

Jedro programa WinCC so njegovi urejevalniki. Za vsako opravilo je na voljo urejevalnik. V tem urejevalniku so slike, procesna sporočila, sporočila napak, spremenljivke in grafični objekti.

Po zagonu ikone na namizju se nam odpre osnovno okno programa.


Slika 24: Osnovno okno programa WinCC

Če želimo odpreti novi projekt, kliknemo na ikono označeno z .Glede na zahtevo projekta si izberemo način delovanja. V našem primeru smo izbrali Single-User Project slika 25. Vpisali smo ime projekta in ga potrdili s tipko Create, tako smo ustvarili nov projekt.

Slika 25: Izbira novega projekta

Po končanju kreiranja novega projekta nadaljujemo z izbiro imena računalnika. V vrstici Computer vpišemo ime računalnika, vpisali smo LATITUDE-520 po tipu je to Server. Pri tej nastavitvi moramo biti zelo pozorni, saj v nasprotnem primeru aplikacija ne bi delovala pravilno.

Slika 26: Izbira imena računalnika


Delo nadaljujemo z izbiro pravilnega protokola »Tag Manegment« preko katerega komunicirata nadzorni računalnik in krmilnik slika 27. Protokol se imenuje SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE.

Slika 27: Izbira protokola SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE

V datoteki S7$Program(1) slika 28 se nahajajo vse spremenljivke, katere se prenašajo na krmilnik in nazaj. Vsaka spremenljivka ima definiran svoj naslov. Glede na obliko podatka pa delimo spremenljivke v našem primeru na:

• Binary Tag – te spremenljivke uporabljamo za prenos binarnih števil (0,1),

• Flouting-point number 32-bit IEEE 754 – te spremenljivke uporabljamo za prenos realnih števil.

Slika 28: Pregled datoteke spremenljivk S7$Program(1)

Po končanju vnosa vseh spremenljivk, nadaljujemo z grafičnim vmesnikom, kateri je prikazan uporabniku. V mapi »Graphics Designer« se nahajajo vse slike, katere se uporabljajo za grafični prikaz. Delimo jih na glavne prikazane mape in pod mape, katerim predhodno označimo pot npr. podatki o zgodovini, podatki za parametriranje regulatorjev, razne tabele,alarmi…


Slika 29: Mapa s slikami »Graphics Designer«

V orodni vrstici imamo like, ki jih želimo uporabljati. Simbole, ki jih uporabljamo lahko rišemo ali jih uvozimo iz dodatnih knjižnic. Pri sestavljanju simbolov moramo biti pozorni na pravilni vrstni red likov, najvišje postavljeni lik bo najprej prikazan in tako naprej do zadnjega. Simbol črpalka je definiran na ta način, da ima narisane kroge, ki se med seboj popolno prekrivajo skupaj s smerjo pretoka fluida. Vsak krog ima svojo barvo in tako označuje funkcijo delovanja. Po tej filozofiji so sestavljeni vsi simboli na prikazovalniku.

Črpalka ima nastavljena naslednja tri stanja:

Delovanje - krog je obarvan zeleno.

Mirovanje - krog je obarvan sivo.

Napaka - krog je obarvan rdeče.

Slika 30: Sestavljanje in prikaz simbola za črpalko


S pomočjo miške označimo simbol npr. črpalka in izberemo vrstico »Properties«. Odpre se nam okno, v katerem vnesemo spremenljivke, katere pripadajo simbolu (delovanje, mirovanje, napaka). Tako deklariramo vse simbole s spremenljivkami.

Slika 31: Deklariranje spremenljivk k simbolom

Delo nadaljujemo z oblikovanjem alarmov. Alarme delimo glede na stopnjo kritičnosti:

• Alarm visok, • Alarm nizek.

Komentarje dodajamo v oknu Alarm Logging, kjer v vrstici »Dogodek« na želeno lokacijo vpišemo komentar slika 32 oznaka 1. Vrstica »Message Tag« nam omogoča vnos prave spremenljivke alarma oznaka 2. Izberemo alarm, ki nam ustreza po naslovu in opisu, ter mu določimo stopnjo kritičnosti.

Slika 32: Nastavitve alarmov in sporočil alarmov


4.6 GSM javljalnik napak

Za alarmiranje operaterja o napakah v kotlovnici smo uporabili pošiljanje SMS sporočil, ki smo jih nastavili po prioriteti, saj vseh alarmov ne rabimo pošiljati preko sporočil. Signali za alarmiranje se pobirajo iz Win CC programa s pomočjo OPC Protocol Server-ja, ki deluje v programu GSM Control Configuration Klinkman Avtomation. Pri nastavitvah podatkov definiramo server, s katerega prenesemo podatek v našem primeru OPCServer.WinCC. Določimo ime spremenjivke na poziciji »ItemID«, ki je ime spremenljivke v SCADA-i v našem primeru S7$Program(1)/BMEAS/BM, tako imamo označen digitalni signal za napako črpalke 1 na kotlu 2, definiramo še tip podatka v našem primeru Type-Discrete. Nato definiramo še uporabnika »Item« na katerega pošiljamo GSM signal, definiramo tudi tip prenosa. V našem primeru smo izbrali SMS sporočilo.

Slika 33: Nastavitev javljalnika GSM


5 OPIS OPRAVLJANJA KOTLOVNICE

5.1 Vklop kotlovnice

Za vklop električnega napajanja preklopimo glavno stikalo na glavni električni omari v položaj 1. Tako omogočimo napajanje celotni močnostni veji 400 VAC (gorilnika, črpalke, ventilatorji…) in 230 VAC (impulzne črpalke, del krmiljenja, razsvetljava…), ter krmilni veji 24 VDC (krmilnik, krmiljenje…). V kotlovnici imamo vgrajena dva parna kotla z oznako K1 in K2, ki imata vgrajen vsak svoj posluževalni panel. V nadaljevanju bom opisal posluževanje kotla K2, razlika med K1 in K2 je le v tem, da ima K1 še dodatno krmilno omaro za gorilnik, ki je montirana ob gorilniku.

Posluževalni panel ima naslednjo opremo:

• regulator obtežbe,

• tipkala za posluževanje, • signalne lučke, • stikala za izbiro delovanja napajalnih črpalk, • stikala za izbiro režima delovanja gorilnika, • stikalo za vklop krmilja, • obratovalne ure.

Kotlovnico vklopimo na posluževalnem panelu slika 34 na sledeči način.

Slika 34: Posluževalni panel kotla 2


1. VKLOP KRMILJA IN VARNOSTNE VERIGE

Na panelu vklopimo stikalo »BLOKADA KRMILJA« na položaj 1, preko tipke »KRMILJE « vklopimo krmilno napetost, nato s tipko »VARNOSTNA VERIGA « vklopimo varnostno verigo, katera kontrolira delovanje vseh varnostnih elementov na kotlu ( nivo vode, tlak v kotlu…). V tipkah se ob normalnem delovanju vklopita zeleni kontrolni lučki. Izklop lahko izvedemo s tipko »IZKLOP KRMILJA «

2. IZBIRA DELOVANJA NAPAJALNIH ČRPALK

S stikalom lahko izberemo delovanje »1-ČRPALKA.1 « ali »2-ČRPALKA.2 « Izberemo način delovanja napajalne črpalke, katera ima možnost izbire »1-AVTOMATSKO DELOVANJE « v tem primeru je črpalka krmiljena preko nivojskih sond v kotlu ali »2-ROČNO

DELOVANJE « tedaj operater kontrolira nivo vode preko pokazateljev vode montiranih na kotlu.

3. IZBIRA DELOVANJA GORILNIKA

S stikalom za izbiro delovanja gorilnika lahko izberemo:

• 1 – AVTOMATSKO DELOVANJE,

• 2 – MALA MOČ, • 3 – IZKLOP GORILNIKA, • 4 – VELIKA MOČ.

Pri zagonu kotla iz hladnega stanja izberemo režim »2-MALA MO Č«, saj moramo pazit, da kotla ne pregrevamo na hitro, saj lahko povzročimo poškodbe kotla. Obtežbo lahko nastavljamo ročno na regulatorju, želeno vrednost tlaka in temperature za hladen zagon nastavimo po navodilih proizvajalca parnega kotla. Pri doseženem tlaku 2 bara in pravilnem nivoju vode v kotlu lahko preklopimo gorilnik na položaj »1-AVTOMATSKO

DELOVANJE « . Na regulatorju obtežbe nastavimo tlak 8 barov saj je to naš delovni tlak. Regulator ima vse ostale vrednosti že nastavljene glede na gorilnik katerega regulira. Na tlačni strani kotla je nameščeno tlačno stikalo s katerim določamo območje avtomatskega režima delovanja obtežbe kotla.

5.2 Vklop črpalk

Na glavni omari slika 35 imamo zmontirano glavno stikalo za vklop in izklop napajanja celotne kotlovnice, gobico za izklop v sili, časovni uri za 8 in 24-urno potrditev, tipko za reset ure, signalno lučko za alarm ure, ter stikala s položaji 1-0-2, ti položaji predstavljajo:

• 1-AVTOMATSKO DELOVANJE, • 0-IZKLOPLJENO,

• 2-ROČNO DELOVANJE.


Slika 35: Stikala na glavni električni omari

Stikala na glavni omari omogočajo naslednje vklope ter izklope:

1. VKLOP CENTRALNEGA GRETJA

S stikalom vklopimo delovanje centralnega ogrevanja, v avtomatskem načinu delovanja deluje ogrevanje preko regulatorja temperaturne, ki krmili parni ventil s pnevmatskim pogonom ta pa preko izmenjevalca para-voda segreva vodo za centralno kurjavo . Želeno temperaturo nastavimo na regulatorju zmontiranem na steno pri ventilu. V ročnem načinu delovanja se parni ventil odpre na 100%, pretok pare pa lahko nastavimo z zapornim ventilom montiranim pred regulacijskim ventilom.

2. VKLOP ČRPALKA KLIMAT

S stikalom v avtomatskem načinu vklopimo delovanje obtočne črpalke preko krmilja klimata in črpalka deluje samo, ko je potreba po gretju. V ročnem načinu delovanja je črpalka vedno vklopljena.

3. VKLOP CIRKULACIJA BOJLER

S stikalom v avtomatskem načinu vklopimo delovanje obtočne črpalke, ki deluje tedaj ko je regulator za ogrevanje vode vklopljen. V ročnem načinu delovanja je črpalka vedno vklopljena.

4. VKLOP ČRPALKA BOJLER

S stikalom v avtomatskem načinu vklopimo delovanje obtočne črpalke, ki kroži vodo skozi toplotni izmenjevalec para-voda. Črpalka deluje tedaj, ko je regulator za ogrevanje vode vklopljen. V ročnem načinu delovanja je črpalka vedno vklopljena.


5. VKLOP VENTILA NAPAJALNI REZERVOAR

S stikalom v avtomatskem načinu deluje polnjenje napajalnega rezervoarja preko nivojskih sond, montiranih v napajalnem rezervoarju. Sonde posredno vklapljajo elektromagnetni ventil za dotok mehke vode v rezervoar. V ročnem načinu je ventil zmeraj odprt, višino vode kontroliramo preko pokazatelja nivoja montiranega na rezervoarju.

6. VKLOP ČRPALKA UPRAVA

S stikalom vklopimo delovanje obtočne črpalke za centralno ogrevanje upravne stavbe. V avtomatskem načinu deluje črpalka preko frekvenčnega pretvornika montiranega na črpalki. Na črpalki lahko izberemo 1-mali pretok, 2-regulirano obratovanje, ki je odvisno od hidravličnega tlaka in 3-veliki pretok ta preklop je možen s pomočjo stikala na regulatorju. V ročnem načinu deluje črpalka z maksimalnimi obrati.

7. VKLOP ČRPALKA KLAVNICA

S stikalom vklopimo delovanje obtočne črpalke za centralno ogrevanje objekta klavnica. V avtomatskem načinu deluje črpalka preko frekvenčnega pretvornika montiranega na črpalki. Na črpalki lahko izberemo 1-mali pretok, 2-regulirano obratovanje, ki je odvisno od hidravličnega tlaka in 3-veliki pretok ta preklop je možen s pomočjo stikala na regulatorju. V ročnem načinu deluje črpalka z maksimalnimi obrati.

8. IZBIRA DELOVANJA ČRPALKE ZA HIDROFOR

Za izbiro delovanja črpalk za hidrofor imamo vgrajeno stikalo s ključem v položaju »1« deluje črpalka avtomatsko preko frekvenčnega pretvornika v odvisnosti od tlaka. V avtomatskem načinu lahko s pomočjo nadzornega računalnika nastavimo željen tlak v hidroforju, nastavimo lahko tudi preklopni čas črpalk, to je čas ko črpalki zamenjata vlogo delujoča in pripravljena. Pripravljena črpalka gre v delovanje tudi če pride delujoča v alarm. V ročnem načinu vklopimo stikalo na položaj »2« črpalka deluje preko nivojskega stikala, ki preko kontaktorja vklaplja črpalko.

9. RESETIRANJE URE

Kotlovnica deluje z omejenim 24-urnim nadzorom, zato imamo vgrajeno časovno uro, ki jo operater kotlovnice resetira ob prihodih v kotlovnico. Alarm se sproži če tipke ne pritisnemo v 24-urah, na omari se prižge rdeča luč. Resetiranje tipke se shranjuje v nadzornem računalniku. S stikalom na ključ lahko izberemo 8 ali 24 urno potrditev ure.

10. IZKLOP V SILI

Za primere v katerih je potrebno zaradi nevarnosti ali katerega koli vzroka (za človeka ali naprave) na hitro izklopiti kotlovnico imamo na glavni električni omari vgrajeno rdečo gobico »IZKOP V SILI «, katero v takšnih primerih uporabimo. Pri vhodu v prostore kotlovnice imamo vgrajeno še požarno tipko »IZKOP V SILI «, ki ima isto vlogo.


Za izklop v sili velja:

• ima najvišjo prioriteto,

• ni odvisen od režima delovanja, • dokler je aktiviran ni možno ponovno zagnati kotlovnice, • po odpravi napake lahko naprave zopet zaženemo.

Za izklop v sili ni pomembno katera tipka za izklop je bila uporabljena, saj imata obe isto funkcijo. Vezani sta zaporedno ena za drugo, tako omogočimo pravilno delovanje tudi pri prekinitvi vodnika saj imata sklenjen delovni kontakt, kateri omogoča preko tuljave vklop glavnega stikala.

5.3 Nadzor delovanja na računalniku

Na osnovnem oknu, ki se prikaže na monitorju, pri zagonu programa Win CC (Siemensova SCADA) imamo predstavljeno celotno postrojenje parne kotlovnice. Preko osnovnega okna lahko pridemo v vsa ostala okna, ki so opisana v nadaljevanju. Z vseh podoken pa lahko pridemo nazaj v osnovno okno, če z miško kliknemo na okno »Kotlovnica kotli«.

Slika 36: Osnovno okno nadzornega sistema


1. Kumulative

V tem oknu lahko spremljamo skupno porabo vode, ki preteče skozi mehčalni filter v enem ciklu. Količino vode v zadnjem ciklu lahko postavimo na vrednost nič s tipko RESET. S tem sistemom imamo pregled kdaj je potrebno regenerirati filtre.

Slika 37: Okno komulative

2. Alarmne meje

V tem oknu lahko vidimo vse nastavljene alarme meje za tlake, temperature in pretoke. Operater s svojim geslom ne more spremeniti nastavljenih mej, ampak jih lahko samo pogleda. Alarmne meje se lahko spremeni z gesli višjih nivojev.

Slika 38: Okno alarmne meje

3. Regulacija

V tem oknu lahko spremljamo delovanje hidroforja, nastavljamo lahko želeni tlak v hidroforju, konstanto K in čas TI za frekvenčni pretvornik, ki regulira delovanje črpalke, ter interval preklopa med črpalkama P1 in P2.


Slika 39: Okno hidrofor

4. Kaluženje

V tem oknu lahko nastavimo interval odpiranja kalužnega ventila na kotlu in čas odprtosti ventila.

Slika 40: Okno kaluženje

5. Oznake

S klikom na to okno se nam prikažejo poleg trenutnih vrednosti tlakov, temperatur in pretokov še oznake senzorjev označene z vijoličastim poljem slika 36.

6. Grafi

S klikom na oznako grafi » « se nam prikaže celotna zgodovina delovanja kotlovnice. Grafi označeni s črko P nam predstavljajo grafe tlakov, s črko T imamo označene grafe temperatur, ter s črko K grafe kontrole potrditve ure.


Slika 41: Grafi temperatur

7. Alarmi

V sistemu imamo nastavljenih 22 alarmov. Alarmi se izpišejo na vrhu osnovnega okna, hkrati pa se rdeče obarvajo vse naprave, ki so v alarmu. Preko GSM modula dobi operater tudi sporočilo o alarmu na mobilni telefon. Sporočila dobiva toliko časa dokler s povratnim sporočilom ne potrdi prejema sporočila. Alarm je prikazan tako dolgo dokler ni odpravljena napaka, ter potrjen alarm na osnovnem oknu.


6 SKLEP

V diplomski nalogi sem opisal postopek avtomatizacije parne kotlovnice po smernicah za 24-urni nadzor. Sodeloval sem pri izvedbi projekta od projektiranja, montaže ter preizkušanja. V poglavjih sem opisal sistem načrtovanja projekta, izbiro in vgrajevanje določene opreme ter povezavo le-te v krmilni in nadzorni sistem. Poudarek sem dal na opis vgrajenih naprav in delovanje le-teh v celotnem sistemu avtomatizacije. Pri izbiri krmilne in nadzorne opreme smo se odločili za opremo podjetja Siemens, saj podjetja skupine Panvita uporabljajo večinoma krmilno - regulacijsko opremo tega proizvajalca. Pri izvedbi projekta smo morali biti posebej pozorni, da smo vgradili dvojno ločeno varnostno zaščito za parne kotle ter varnostno verigo plinskih gorilnikov, ki morajo izklopiti v primeru prekoračitve nastavljenih mejnih vrednosti. Opravljanje kotlovnice je poleg popolnega avtomatskega načina z nadzornim sistemom in celotno zgodovino dogajanja, možno opravljati tudi ročno s stalno prisotnim operaterjem. Alarmiranje v primeru okvar poteka s pomočjo pošiljanja SMS sporočil na operaterjev prenosni telefon. Operater ima na daljavo možnost kontrole delovanja kurilnice preko internetne povezave. S pomočjo IP naslova in svojega gesla se lahko poveže na nadzorni računalnik, kjer ima omejene možnosti za spreminjanje določenih vrednosti. Daljinski pristop je namenjen samo kontroli delovanja naprav, ne pa tudi manipuliranju. Pri projektu sem se srečal tudi z osnovnim programskim orodjem Simatic Manager za programiranje krmilnikov. Pri nadzornem sistemu pa s programom Win CC za grafični in tekstovni prikaz delovanja naprav in alarmov. V sistemu javljanja napak preko SMS sporočil smo naprave priklopili na UPS napajanje, tako dobimo alarmno sporočilo tudi v primeru izpada električne energije. Za delovanje parnih kotlov je zelo pomembna preko filtrirnih naprav pripravljena mehka voda. Za kontrolo dovodne vode v napajalni rezervoar, smo vgradili napravo za merjenje trdote vode, ki v primeru nepravilnih rezultatov vzorčenja prepreči dovajanje vode v rezervoar ter javi alarm. Vsi alarmi se v nadzornem računalniku arhivirajo. Arhiviramo tudi tlake, temperature in pretoke, ki jih merimo na določenih točkah v kotlovnici, tako ustvarimo celotno zgodovino dogajanja na napravah. Med izvedbo projekta sem se naučil, kako se sistematično lotiti naloge posodobitve tehnološkega procesa. Vedno se pri zastavljenih ciljih pojavijo še druga vprašanja, ki bistveno ne vplivajo na delovanje posameznih naprav, vendar jih je dobro upoštevati. Cilj diplomske naloge je bil opisati postopke, ki so potrebni pri posodobitvah objektov. V začetni fazi smo pregledali dejansko stanje in pomanjkljivosti, ki jih je potrebno spremeniti, nato je sledilo načrtovanje nove opreme, izbira, vgrajevanje ter povezovanje opreme. Novo vgrajeno opremo sem v nalogi opisal ter prikazal tudi delovanje krmilne in nadzorne opreme. Diplomska naloga bo namenjena kot osnovno učno gradivo operaterjem parnih kotlov za razumevanje delovanja posameznih naprav, vodenja, alarmiranja ter spremljanja delovanja parne kotlovnice.


7 LITERATURA

[1] Pravilnik o tehničnih normativih za postavitev, nadzor ter varno in zanesljivo obratovanje kurjene in drugače ogrevane tlačne opreme Uradni list RS št. 26/05 in 118/06.

[2] Uradni prevod - Tehnični predpisi za parne kotle TRD 604, ki govorijo o parnih kotlih in napravah s parogeneratorji skupine IV brez stalnega nadzora. Sklicujoč se na 2. odstavek 6. Uredbe o parnih kotlih (DampfkV), ki ga je izdala Nemška komisija za parne kotle (DDA).

[3] Mag. Janez Sever, Priprava vode - seminarsko gradivo, Ljubljana 09/2003 [4] Siemensov katalog – Field Instruments for Proces Avtomation Catalog FI 01-2006 [5] www.automation.siemens.com [6] Siemens Programmable Logic Controllers S7-300 Module Data 02/2004 [7] www.sea.siemens.com/instrbu/docs/pdf/MAG_3100-5100W_Handbook.pdf [8] MAK CmC, Proporcionalna dozirna naprava tip Prodos 5, obratovalna navodila

Ljubljana 10/2006

[9] www.spiraxsarco.com

[10] Help v programu SIMATIC Manager

[11] Help v programu Win CC

[12] Jože Ritonja, Industrijska krmilja – Strojna in programska oprema krmilnikov S7-300, skripta, Maribor 03/1999

[13] Žarko Čučej, Komunikacije v sistemih daljinskega vodenja, FERI Maribor 1998


Življenjepis:

Ime in priimek: Dejan RAJTER

Rojen: 3.1.1973

Osnovna šola: Osnovna šola Benedikt

Srednja šola: Srednja elektrotehniška in računalniška šola Maribor

Fakulteta: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Univerze v Mariboru, visokošolski študijski program elektrotehnika, smer avtomatika.

Naslov študenta:

Dejan RAJTER

Kocbekova pot 14

2234 Benedikt

E-mail: [email protected]


UNIVERZA V MARIBORU

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko

IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJ E ZAKLJU ČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV AVTORJA

Ime in priimek avtorja: Dejan RAJTER Vpisna številka: 93341209 Študijski program: VS ŠP elektrotehnika Naslov zaključnega dela: Vodenje parne kotlovnice z omejenim nadzorom Mentor: izr. prof. dr. Boris TOVORNIK Podpisani Dejan RAJTER izjavljam, da sem za potrebe arhiviranja oddal elektronsko verzijo zaključnega dela v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru. Zaključno delo sem izdelal sam ob pomoči mentorja. V skladu s 1. odstavkom 21. člena Zakona o avtorskih pravicah in sorodnih pravicah (Ur. l. RS, št 16/2007) dovoljujem, da se zgoraj navedeno zaključno delo objavi na portalu Digitalne knjižnice Univerze v Mariboru.

Tiskana verzija zaključnega dela je istovetna elektronski verziji, ki sem jo oddal za objavo v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru. Podpisani izjavljam, da dovoljujem objavo osebnih podatkov, vezanih na zaključek študija (ime, priimek, leto rojstva, datum zagovora, naslov zaključnega dela) na spletnih straneh in publikacijah UM.

Podpis avtorja: ____________________

Documents

VODENJE PARNE KOTLOVNICE Z OMEJENIM NADZOROM · Dejan RAJTER VODENJE PARNE KOTLOVNICE Z OMEJENIM NADZOROM Diplomsko delo Maribor, marec 2009