diplomska naloga 23.6.2010 popravljeno · 4.1 plc - programirljiv logi Čni krmilnik druŽine...

Jure Grebenc

TEMPERATURNI NADZOR IN PRIPRAVA

HLADILNE VODE GENERATORJA –

HE FORMIN

Diplomsko delo

Maribor, 2010

I

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa

TEMPERATURNI NADZOR IN PRIPRAVA HLADILNE VODE

GENERATORJA HE - FORMIN

Študent: Jure Grebenc

Študijski program: visokošolski, Elektrotehnika

Smer: Avtomatika

Mentor: izr. prof. dr. Nenad Muškinja

Somentor: izr. prof. dr. Boris Tovornik

Lektorica: Majda M. Lesjak, prof.

Maribor, junij 2010

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Nenadu

Muškinji, za strokovno pomoč in vodenje pri

izdelavi diplomskega dela. Hvala tudi

somentorju, izr. prof. dr. Borisu Tovorniku.

Velika zahvala gre podjetju DEM (Dravske

elektrarne Maribor) ter mentorju v omenjenem

podjetju, g. Danilu Klasincu.

Prav posebna zahvala pa velja staršem, ki so mi

omogočili študij in me skozi to obdobje

podpirali in spodbujali.

IV

TEMPERATURNI NADZOR IN PRIPRAVA HLADILNE VODE

GENERATORJA - HE FORMIN

Ključne besede: krmiljenje in regulacija, temperaturni nadzor, STEP7, PLC, PI-regulator UDK: 621.311.2:681.5 (043.2)

Povzetek:

Diplomsko delo opisuje krmiljenje in regulacijo sistema temperaturnega nadzora ter

predstavlja tehnologijo priprave hladilne vode generatorja hidroelektrarne Formin.

Predstavljena je vsa uporabljena strojna in programska oprema. Diploma vsebuje tudi

opis krmilnega programa ter natančen princip delovanja tristopenjskega PI-regulatorja,

ki preko mešalnega ventila zagotavlja želeno temperaturo statorskemu navitju.

V

TEMPERATURE SUPERVISION AND PREPARING OF COOLING

WATER OF GENERATOR AT HYDROELECTRIC POWER

STATION FORMIN

Key words: control and regulation, temperature supervision, STEP7, PLC, PI controller

UDK: 621.311.2:681.5(043.2)

Abstract

This diploma work describes the control and the regulation of a temperature supervision

system and the technology of preparing cooling water of the generator at the

hydroelectric power station Formin. All the hardware and the software that was used is

presented. This diploma work also contains a description of the control system and a

precise principal of the three-staged PI controller, which ensures the wanted

temperature of the stator winding with the help of a mixing valve.

VI

KAZALO VSEBINE

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

2 OPIS SISTEMA PRED POSODOBITVIJO ........................................................ 3

2.1 PRIPRAVA HLADILNE VODE GENERATORJA ........................................................ 3

2.2 TEMPERATURNI NADZOR ................................................................................... 4

3 OPIS SISTEMOV PO POSODOBITVI ............................................................. 11

3.1 PRIPRAVA HLADILNE VODE .............................................................................. 11

3.2 TEMPERATURNI NADZOR ................................................................................. 12

4 STROJNA OPREMA ........................................................................................... 13

4.1 PLC - PROGRAMIRLJIV LOGIČNI KRMILNIK DRUŽINE SIEMENS SIMATIC S7 13

4.2 SIMOCODE PRO ............................................................................................ 20

4.3 ZASLON, OBČUTLJIV NA DOTIK - TP SIMATIC 177B ...................................... 22

4.4 MERILNIK TLAKA – CERABAR T PMP 131....................................................... 23

4.5 SONDA PT 100................................................................................................. 24

5 PROGRAMSKA OPREMA ................................................................................ 25

5.1 STEP7 ............................................................................................................. 25

5.2 WINCC FLEXIBLE. ........................................................................................... 27

5.3 SIMOCODE ES .............................................................................................. 28

5.4 IBAPDA-S7-ANALYZER .................................................................................. 29

6 POGONI ................................................................................................................ 30

6.1 POGON FILTRA ................................................................................................. 30

6.2 POGON IZBIRNEGA VENTILA ............................................................................ 31

6.3 IZPIRALNA ČRPALKA ........................................................................................ 32

6.4 POGON IZPIRALNEGA VENTILA ......................................................................... 32

6.5 ELEKTROMAGNETNI VENTIL ............................................................................ 33

6.6 ELEKTROMOTORNI REGULACIJSKI VENTIL ....................................................... 34

7 REGULACIJA TEMPERATURE ...................................................................... 35

VII

7.1 IZVEDBA INDUSTRIJSKEGA REGULACIJSKEGA SISTEMA .................................... 37

7.2 PI-REGULATOR – SPLOŠNO .............................................................................. 38

7.3 PI-REGULATOR – FB59 "TCONT_S" .............................................................. 42

8 DOLOČITEV PARAMETROV PI-REGULATORJA PO ZIEGLER-

NICHOLSOVI METODI STOPNIČNEGA ODZIVA ............................................. 51

8.1 DOLOČITEV PARAMETROV TRIPOLOŽAJNEMU PI-REGULATORJU,

ZA REGULACIJO TEMPERATURE ....................................................................... 52

9 IZVEDBA PROGRAMA ..................................................................................... 55

9.1 OPIS IN DELOVANJE PROGRAMSKE LOGIKE: ..................................................... 58

10 ZAKLJUČEK ....................................................................................................... 67

11 VIRI IN LITERATURA ...................................................................................... 69

VIII

KAZALO SLIK

Slika 1: HE Formin ........................................................................................................... 1

Slika 2: Sklop omar za nadzor priprave hladilne vode pred prenovo ............................... 3

Slika 3: Filtrirni sistem za pripravo hladilne vode agregatov in turbinskih ležajev ......... 4

Slika 4: Omara temperaturnega nadzora pred prenovo .................................................... 5

Slika 5: Omara temperaturnega nadzora pred prenovo .................................................... 5

Slika 6: Toplotni menjalnik (hladilnik) – generatorski prostor ........................................ 6

Slika 7: Rele termične zaščite ........................................................................................... 8

Slika 8: Naprava za večkanalno merjenje temperature .................................................... 8

Slika 9: Merilni pretvornik ............................................................................................... 9

Slika 10: PI-regulator – FCD 15A .................................................................................. 10

Slika 11: Izhodni pulzi in princip regulacije regulatorja FCD 15A ............................... 10

Slika 12: Omara temperaturnega nadzora po prenovi .................................................... 12

Slika 13: Omara temperaturnega nadzora po prenovi .................................................... 12

Slika 14: Programirljiv logični krmilnik z vhodno-izhodnimi moduli ........................... 13

Slika 15: CPE 315-2DP .................................................................................................. 15

Slika 16: Analogni izhodni modul, tip: 6ES7332-5HF00-0AB0 ................................... 16

Slika 17: Analogni vhodni modul, tip: 6ES7331-7KF02-0AB0 .................................... 17

Slika 18: Digitalni vhodni modul, tip: 6ES7 321-7BH01-0AB0 ................................... 18

Slika 19: Digitalni izhodni modul, tip: 6ES7 322-1HH01-0AA0 .................................. 19

Slika 20: Razširitveni modul IM365 .............................................................................. 20

Slika 21: Konfiguracija SIMOCODE pro ...................................................................... 21

Slika 22: Modularni prikaz avtomatiziranega sistema ................................................... 22

Slika 23: TP SIMATIC 177B ......................................................................................... 23

Slika 24: Cerabar T PMP 131 ......................................................................................... 23

IX

Slika 25: STEP7 – hardverska konfiguracija .................................................................. 26

Slika 26: Simbolna tabela ............................................................................................... 26

Slika 27: Primer kreiranja zaslona v programu WinCC flexible .................................... 28

Slika 28: Program SIMOCODE ES ............................................................................... 29

Slika 29: Pogon filtra ...................................................................................................... 30

Slika 30: Pogon izbirnega ventila ................................................................................... 31

Slika 31:Izpiralna črpalka ............................................................................................... 32

Slika 32: Pogon izpiralnega ventila ................................................................................ 33

Slika 33: Elektromagnetni ventil .................................................................................... 33

Slika 34: Elektromotorni regulacijski ventil ................................................................... 34

Slika 35: Regulacijska zanka .......................................................................................... 36

Slika 36: Industrijski regulacijski sistem ........................................................................ 37

Slika 37: Blokovna shema PI-regulatorja ....................................................................... 38

Slika 38: Odziv PI-regulatorja na stopnično spremembo regulacijskega odstopanja .... 39

Slika 39: Statična karakteristika P-dela .......................................................................... 39

Slika 40: Statična karakteristika I-dela ........................................................................... 39

Slika 41: Karakteristika tripoložajnega regulatorja ........................................................ 40

Slika 42: Blokovna shema tripoložajnega regulatorja s povratno zvezo ........................ 41

Slika 43: Primer izvedbe preklopa med ročnim in avtomatskim načinom regulacije .... 42

Slika 44: PI-regulator FB59 "TCONT_S" v programu STEP 7 ..................................... 43

Slika 45: Podatkovni blok DB 59 – parametrični pogled ............................................... 43

Slika 46: Podatkovni blok DB 59 – klasični pogled ....................................................... 44

Slika 47: Blokovna shema uporabljenega tripoložajnega PI-regulatorja ....................... 45

Slika 48: Shema mrtvega pasu........................................................................................ 49

Slika 49: Primer odziva sistema na stopnico po Ziegler-Nicholsovi metodi ................. 51

X

Slika 50: Stopnični odziv in koeficienti ......................................................................... 52

Slika 51: Regulacija povprečne temperature generatorja in položaja ventila (Kp=-5,

Ti=1000 s) ............................................................................................................... 53

Slika 52: FC1-mreža 1 – zajem analogne vrednosti ....................................................... 59

Slika 53: FC1-mreža 2 – pretvorba iz vrednosti INTEGER v vrednost DOUBLE ........ 59

Slika 54: FC1-mreža 3 – pretvorba iz vrednosti DOUBLE INTEGER v realno vrednost

................................................................................................................................ 60

Slika 55: FC1-mreža 4 – kalibracija za prikaz v stopinjah Celzija ................................ 60

Slika 56: FC1-mreža 5 – okvara dajalca ......................................................................... 61

Slika 57: FC1-mreža 6 – prikaz OK-okna ...................................................................... 62

Slika 58: FC1-mreža 7 – prikaz temperature na panelu ................................................. 62

Slika 59: FC1-mreža 8 – preskaliranje ........................................................................... 63

Slika 60: FC1-mreža 9 – prenos na analogni izhod ........................................................ 63

Slika 61: OB35-mreža 2 – avtomatsko krmiljenje ventila ............................................. 65

Slika 62: OB35 mreža 3 – ročno krmiljenje ventila ....................................................... 66

XI

UPORABLJENE KRATICE IN TUJKE

PI-regulator – proporcionalno-integralni regulator

HE – hidroelektrarna

RTP – rele termične zaščite

SIMOCODE – Motor Management and Control Devices (prilagodljiv modularni sistem,

namenjen nadzorovanju, zaščiti in upravljanju motorjev)

PLC – Programmable Logic Control (programirljiv logični krmilnik)

MPI – Multi Point Interface (večtočkovni vmesnik)

PROFIBUS – Proces Field Bus (procesno vodilo)

DAC – digitalno-analogni pretvornik

CPE – centralnoprocesna enota

DB – data blok (podatkovni blok)

FC – function (funkcija)

OB – organization blok (organizacijski blok)

FB – funktion blok (funkcijski blok)

PV – procesna veličina

CYCLIC SEND DATA – ciklično poslani podatki

CYCLIC RECEIVE DATA – ciklično sprejeti podatki

DATA RECORD – podatkovni posnetek

HARDWARE – strojna oprema

PIN – priključki, priključna mesta modulov krmilnika

konektor BACKPLANE – hrbtni vmesnik

RACK – vodilo

SEND – pošlji

RECEIVE – sprejmi

XII

BASIC UNIT– osnovna enota

CURRENT MEASURING MODULE – modul za merjenje toka

OPERATOR PANEL OP – operativni zaslon

INTEGER – celoštevilčna vrednost števila

REAL – realno število

MERKER – pomnilno mesto

Stran 1

1 UVOD

Hidroelektarna Formin je sestavni del verige 8 elektrarn na reki Dravi. Zgrajena je bila leta

1978 in je zaradi naravnih danosti tako kot HE Zlatoličje zasnovana kot kanalska

elektrarna. Izkorišča 29 m padca med Ptujem in državno mejo s Hrvaško in pri moči 116

MW letno proizvede 548 milijonov kilovatnih ur električne energije.

V Forminu je zgrajena klasična strojnica visoke izvedbe z mostnima žerjavoma. Agregata

sta vertikalna s Kaplanovo turbino. Mrežna transformatorja sta nameščena levo in desno ob

strojnici. Odvodni kanal je dolg 8,5 km, trapezne oblike in globoko vkopan v teren. Ob

strojnici je na desnem bregu zgrajeno 110-kilovatno stikališče za vključitev elektrarne v

elektroenergetski sistem Slovenije in za povezavo z elektroenergetskim sistemom Hrvaške.

Slika 1: HE Formin

Stran 2

Tabela 1: Tehnični podatki turbine HE Formin

PROIZVAJALEC LITOSTROJ LJUBLJANA TURBINA ŠT. P35600-1 TIP TURBINE K 5 - 5,76/5,60 LETO IZDELAVE 1977 MOČ NA GREDI P=60 MW PADEC H=28,5 m PRETOK Q=225 m3/s VRTILNA HITROST n=2,0831 1/s POBEŽNA HITROST nP=5,1661 1/s

Elektrarna je v obratovanju že 30 let, zato je bilo potrebno zaradi iztrošenosti ter otežene

nabave nadomestnih delov zamenjati sklope krmiljenja in avtomatike sistema priprave

hladilne vode in temperaturnega nadzora. Funkcionalnost priprave hladilne vode in

temperaturnega nadzora je navzven ostala enaka tudi po obnovi.

Naslednja poglavja tega diplomskega dela tako prinašajo: predstavitev starega sistema,

opis potrebne opreme za posodobitev, opis posodobitve, opis nove izvedbe, opis

programske logike, načina regulacije ter natančen opis uporabljenega regulatorja.

Stran 3

2 OPIS SISTEMA PRED POSODOBITVIJO

2.1 Priprava hladilne vode generatorja

Slika 2: Sklop omar za nadzor priprave hladilne vode pred prenovo

Voda za hlajenje generatorjev se zajema na vtoku elektrarne. Cevovod nato vodi do

generatorske etaže, kjer je nameščen postroj priprave hladilne vode, in zatem do agregatov.

Postroj je sestavljen iz dveh funkcionalno identičnih delov, od katerih obratuje samo eden,

drugi je rezerva. Izbira obratujočega sistema je določena s prioriteto. Glavni del sistema je

filter s sitastim bobnom na motorni pogon, na katerem se nabirajo nečistoče.

V primeru zamašenosti filtra se aktivira sistem za izpiranje filtra, ki je sestavljen iz

izpiralne črpalke, ki pod tlakom izpere delce z bobna. Sistem za izpiranje vsebuje še

preklopne ventile, ki se aktivirajo ob začetku izpiranja ter tako omogočijo prehod vode iz

Stran 4

izpiralne črpalke do filtra. Vsak od sistemov ima svoj izbirni ventil, ki odpira dovod vode

iz vtoka skozi filter.

Slika 3: Filtrirni sistem za pripravo hladilne vode agregatov in turbinskih ležajev

2.2 Temperaturni nadzor

Generator se nahaja v generatorskem prostoru. Med obratovanjem v navitju in magnetnem

jedru nastajajo izgube, zaradi katerih prihaja do segrevanja. Tako proizvedena toplota

deloma prehaja iz generatorskega prostora preko zidov in pokrova. Ker prehajanje ni

zadostno, je potrebno med obratovanjem generator prisilno hladiti.

Stran 5

Slika 4: Omara temperaturnega nadzora pred

prenovo

Slika 5: Omara temperaturnega nadzora pred

prenovo

Za ta namen je pod rotorjem generatorja v statorskem prostoru prirejen posebni

ventilacijski prostor, na rotor pa so nameščene ventilacijske lopatice, ki vsrkavajo ohlajen

zrak iz zaprtega generatorskega prostora preko rotorskega in statorskega navitja ter ga

ohlajajo. Tako segret zrak pa izstopa preko toplotnih izmenjevalcev, skozi katere teče

rečna voda, ki se zajema na vtoku, odnaša toplotno energijo ter se izlije nazaj v rečno vodo

na iztoku. Tako ohlajen zrak pa nadaljuje pot nazaj v generatorski prostor.

Stran 6

Slika 6: Toplotni menjalnik (hladilnik) – generatorski prostor

Ob zaustavitvi generatorja ni več prisilnega pretoka zraka, zato hlajenje ni več tako

učinkovito, kljub temu pa je smiselno tudi v tem primeru vzdrževati temperaturo

generatorskega prostora v normalnih mejah.

Da bi preprečili kondenzacijo vlage v navitju generatorja, je potrebno stalno zagotavljati,

da je temperatura generatorskega navitja višja od temperature okolice. Med obratovanjem

je običajno tako, če pa agregat dolgo ne obratuje, lahko pride do omenjenih težav. Pojav

kondenzacije lahko preprečimo z gretjem generatorskega prostora. V ta namen so v

generatorskem prostoru vgrajeni grelci, ki jih lahko sistem po potrebi vklaplja. Izgube v

generatorskem prostoru so odvisne od moči agregata. Z njenim spreminjanjem bi prihajalo

do spreminjanja temperature navitja. Da bi povečali življenjsko dobo navitja, je zaželeno,

da so toplotne spremembe čim počasnejše, to pa zahteva, da količina hladilnega medija

sledi dejanskim izgubam. Da bi omogočili spreminjanje količine hladilne vode, je v odprt

(pretočni) hladilni sistem vgrajen zvezno nastavljivi elektromotorno krmiljeni mešalni

ventil. Če je ventil zaprt, voda, ki je gnana zaradi potencialne višinske razlike, ne kroži

skozi toplotni izmenjevalec, z odpiranjem ventila pa skozenj preusmerjamo vedno večjo

količino vode.

Stran 7

Osnovna regulirana veličina je temperatura generatorja, ki pa zaradi velikih mas in

toplotnih kapacitet povzroča velike časovne konstante sistema. Glede na dostopne podatke

iz procesa smo se odločili, da bomo regulacijo izvajali glede na temperaturo statorskega

navitja. Ta veličina je dokaj blizu cilju regulacij, poleg tega pa pričakujemo zmerno hitre

časovne vplive. Izboru v prid govori tudi dejstvo, da to temperaturo merimo z devetimi

senzorji, s čimer zmanjšamo možnost izpada meritev in posledično nezmožnost regulacije.

Regulacija je bila do sedaj izvedena s klasičnim PI-regulatorjem, katerega parametri so se

nastavili na zagonskem preizkusu v skladu z navodili Ziegler-Nicholsove metode.

Sistem nadzora temperature v generatorskem prostoru je opremljen s senzorji temperature

glavnega generatorja, osnega generatorja, temperature spodnjega vodilnega, zgornjega

vodilnega ter nosilnega ležaja, izstopnega in vstopnega generatorskega zraka. Prav tako

sistem meri temperaturo vstopne in izstopne hladilne vode. Na temperaturo v

generatorskem prostoru lahko vplivamo s krmiljenjem regulacijskega ventila hladilne vode

in grelcev generatorskega prostora.

Namen avtomatizacije sklopa je zagotoviti avtonomen nadzor nad temperaturami naprav v

generatorskem prostoru s ciljem preprečevati škodljive posledice pregrevanja ali

kondenzacije in ohranjanja dolge življenjske dobe z regulacijo temperature statorskega

navitja.

Opis opreme temperaturnega nadzora

V statorskem navitju se nahajata dva paketa z devetimi sondami PT100, ki so namenjene

temperaturnemu nadzoru in temperaturni zaščiti generatorja. Sprememba temperature

statorja povzroči spremembo upornosti sonde PT100.

En paket sond je povezan z RELEJI TERMIČNE ZAŠČITE, ki prožijo ob povišanju

temperature hitro zaporo rotorja, drugi paket pa preko merilnih pretvornikov z NAPRAVO

ZA VEČKANALNO MERJENJE, ki služi za prikaz temperatur statorskega navitja. Ta

paket sond je povezan tudi s PI-regulatorjem, ki drži temperaturo na želeni vrednosti (60

°C).

RELE TERMIČNE ZAŠČITE

Rele termične zaščite (RTP) se je uporabljal za termično zaščito in za prikaz trenutne

vrednosti na analognem prikazovalniku. Rele omogoča delovanje na dveh medsebojno

Stran 8

neodvisnih temperaturah, od 70 °C do 130 °C. Merilni vhod je prilagojen direktni

priključitvi uporovnega merilnika temperature PT100, izhod je tokovni v območju 0–10

mA. Na sprednji plošči je analogni prikazovalni inštrument (0–150 °C), potenciometri za

nastavitev nivoja delovanja releja, svetlobna signalizacija za visoko temperaturo (°C>) in

svetlobna signalizacija za previsoko temperaturo (°C>>).

Slika 7: Rele termične zaščite

NAPRAVA ZA VEČKANALNO MERJENJE TEMPERATURE MXI 303 S-a

Naprava za večkanalno merjenje temperature je bila vgrajena za prikaz merjenih vrednosti

na 32 merilnih mestih. Na napravo so se priključile sonde direktno s trižično vezavo.

Slika 8: Naprava za večkanalno merjenje temperature

POMOŽNA ENOTA

Pomožna enota se nahaja v sestavi naprave za večkanalno temperaturno zaščito. V sistemu

toplotne zaščite se je uporabljala za pridobivanje podatkov o srednji vrednosti temperature.

Vhod v enoto je bil tokovni signal 0–10 mA, pripeljan je bil iz merilnega pretvornika,

izhod je bil napetostni (0–1V) in je služil kot vhodna vrednost regulatorja, vendar je bilo

potrebno dodati napetostno-tokovni pretvornik.

Stran 9

SKLOP MERILNIH PRETVORNIKOV

Uporovni merilni pretvornik pretvarja merilni signal, ki se zajema s sondo PT100, v

standardni izhodni tokovni signal 0–10 mA. Vsako merilno mesto ima pripadajoči merilni

pretvornik, katerega vhod je prilagojen priključitvi uporovnega merilnika temperature

PT100 v trižičnem ali dvožičnem načinu priključitve.

Slika 9: Merilni pretvornik

TRITOČKOVNI SERVOREGULATOR FCD-15A

Tripoložajni stopenjski regulator, ki je bil uporabljen v regulacijskem sistemu, ima tri

preklopna stanja:

- gibanje navzdol,

- gibanje navzgor,

- mirovanje.

Ko se pojavi pogrešek (e) na vhodu (0–20 mA), regulator da na svojem izhodu -Umax ali

+Umax odvisno od predznaka pogreška.

Ker je bil v našem primeru na regulator priključen pogon in nanj pritrjen ventil, ki se je

gibal s hitrostjo (v), je bil opažen premik (u) kot regulacijska veličina. V tem primeru se

signal u (hod ventila) obnaša kot izhod pri zveznem PI-regulatorju. Kadar se pojavi

pogrešek, da regulator prvi daljši pulz, ki mu pravimo P-pulz, temu sledijo krajši I-pulzi.

To se ponavlja, dokler ni dosežena želena vrednost.

Stran 10

Slika 10: PI-regulator – FCD 15A

Slika 11: Izhodni pulzi in princip regulacije

regulatorja FCD 15A

Stran 11

3 OPIS SISTEMOV PO POSODOBITVI

3.1 Priprava hladilne vode

Celoten sklop krmilnih omar, prikazan na sliki 2, je bil zamenjan. Krmiljenje priprave

hladilne vode sedaj pokriva krmilnik Siemens serije S7-300. Motorja za pogon bobnov ter

motorja izpiralnih črpalk sta s krmilnikom povezana preko naprave SIMOCODE 3UF7.

Elektromotorni ventil, izbirna ventila ter ventila za splakovanje filtrov so krmiljeni

neposredno iz krmilnika preko digitalnih izhodov krmilnika. Za prikaz alarmov ter

informacij o stanju sistema je na voljo zaslon na dotik. Vse aktuatorje in pogone je možno

tudi ročno krmiliti s pomočjo tipk, vgrajenih na vratih omare s paneli naprav SIMOCODE,

za krmiljenje ventilov pa se uporabljajo klasične tipke ali zaslon na dotik. Za potrebe

meritev tlakov pred filtroma in za njima so nameščeni tlačni dajalci z analognim izhodom

4–20 mA, ki so prav tako povezani z analognimi vhodi krmilnika.

Opis postopka priprave hladilne vode

Z ukazom ˝vklop priprave hladilne vode˝ se vključi pogon filtra tistega sistema, ki je

izbran po prioriteti. Istočasno se prične odpirati izbirni ventil prioritetnega sistema, ki

ostane odprt, dokler je sistem v obratovanju.

V primeru zamašitve filtra, ko diferenca tlakov pred filtrom in za njim preseže nastavljeno

vrednost, se vklopi izpiranje filtra. Odpre se elektromotorni ventil na cevovodu

splakovalne vode in ostane odprt, dokler ne poteče nastavljen čas časovnega releja. Če je

po tem času tlak diferenčnega manometra še vedno nad nastavljeno vrednostjo, se ventil ne

zapre in ostane odprt tako dolgo, dokler tlak ne pade pod nastavljeno vrednost.

Ob ukazu ˝izklop priprave hladilne vode˝ se pogon filtra ustavi, izbirni ventil gre na

zapiranje in ko je zaprt, se izključi pogon filtra. V primeru neuspešnega izpiranja ali ob

okvari na delujočem prioritetnem sistemu hladilni sistem samodejno preklopi na drugi

sistem in nato izključi sistem, kjer je bila zaznana okvara.

Stran 12

3.2 Temperaturni nadzor

Krmiljenje celotnega sklopa temperaturnega nadzornega sistema pokriva krmilnik

Siemens, serije S7-300, z razširitveno enoto IM365. Merilne sonde so ostale prvotne, saj so

nameščene v statorskem navitju in so nedostopne. PI-regulator je sedaj izveden kar s

pomočjo PLC-ja z blokom SFC59, ki nadomesti regulator in preko digitalne izhodne

kartice daje pulz tripoložajnemu regulacijskemu ventilu, ki se odpre oz. zapre. Merilnih

pretvornikov ne potrebujemo, saj sonde PT100 priključimo direktno na analogne vhodne

module.

Za prikaz alarmov ter informacij o stanju in za samo poseganje v sistem je na voljo zaslon,

občutljiv na dotik. Preko tipk, vgrajenih na vrata krmilne omare, lahko v ročnem delovanju

prav tako krmilimo položaj ventila.

Slika 12: Omara temperaturnega nadzora po

prenovi

Slika 13: Omara temperaturnega nadzora po

prenovi

Stran 13

4 STROJNA OPREMA

4.1 PLC - Programirljiv logični krmilnik družine SIEMENS SIMATIC

S7

Programirljivi logični krmilniki so v sodobnih avtomatiziranih procesih najpogosteje

uporabljeni za logična in sekvenčna vodenja. PLC je digitalno delujoča elektronska

naprava, ki na podlagi ukazov, shranjenih v svojem pomnilniku, izvaja logične sekvenčne,

časovne in aritmetične operacije ter s tem vodi različne naprave in procese preko digitalnih

in analognih vhodov in izhodov.

Slika 14: Programirljiv logični krmilnik z vhodno-izhodnimi moduli

NAPAJALNI MODUL

CENTRALNO-PROCESNA

ENOTA

ANALOGNI VHODNI MODUL

DIGITALNI VHODNI MODULI

DIGITALNI IZHODNI MODULI

Stran 14

PLC-ji so dejansko mikroračunalniki, posebej prirejeni za delovanje v industrijskem

okolju. Ločimo modularno in kompaktno grajene krmilnike.

PLC sestavljajo: napajalnik, centralnoprocesna enota, pomnilnik, vhodni, izhodni in

posebni funkcijski moduli.

Enostavnejši PLC-ji imajo le digitalne vhode in izhode, kompleksnejši pa tudi analogne.

Vhodno-izhodni moduli so proti procesu galvansko ločeni z optičnimi ločilniki. Vhodni

signali se filtrirajo, s čimer zmanjšamo vpliv motenj, zlasti nezaželenih dodatnih

preklopov. Serijska komunikacija se vrši preko komunikacijskih vmesnikov MPI,

PROFIBUS, ETHERNET.

PLC-ji so v bistvu nadomestilo relejske logike, kjer so se operacije izvrševale paralelno,

pri PLC-ju pa se izvajajo zaporedno. Da bi dosegli navzven enako funkcionalno delovanje,

je izvajanje programa v PLC-ju ciklično.

Programski ciklus je razdeljen na tri dele: branje vhodov (vhodna slika), izvajanje

programa ter pisanje na izhode (izhodna slika).

Centralnoprocesna enota CPE 315-2DP (tip: 315-2AG10-0AB0)

Centralnoprocesna enota (CPE) je osrednji del krmilnika, ki obdeluje (procesira) podatke

ter nadzoruje in upravlja ostale enote. Izbere se glede na zahtevo avtomatiziranega sistema.

Obstaja več tipov, ki se med seboj razlikujejo po velikosti delovnega pomnilnika, številu

digitalnih vhodov in izhodov, času obdelave binarnih inštrukcij in številu števcev. CPE

lahko navzven komunicira, prenaša rezultate in podatke preko dveh RS485-serijskih

komunikacijskih vmesnikov (MPI, PROFIBUS). Prenos se vrši preko parice oklepljenega

kabla.

Stran 15

Slika 15: CPE 315-2DP

Tabela 2: Tehnični podatki centralnoprocesne enote

TIP 6ES7315-2AG10-0AB0

TEHNIČNE KARAKTERISTIKE

Napajalna napetost 24 V (20,4 V do 28,8 V)

Tok 0,8 A

POMNILNIK

RAM – integrirani 128 KB

Delovni pomnilnik MMC kartica (max 8MB)

MIKROPROCESORSKI ČAS

Bitne operacije Min. 0,1µs

Besedne inštrukcije Min. 0,2µs

Aritmetična števila s fiksno vejico Min. 2µs

Aritmetična števila s plavajočo vejico Min. 3µs

KONFIGURACIJA

Število blokov (max), (DB, FB, FC, OB) 1024

Število števcev 256

Real-time clock Da (HW ura)

STROJNA OPREMA

Vodilo Največ 4

Št. modulov na vodilu Največ 8

KOMUNIKACIJA – 1. VMESNIK

Komunikacijski vmesnik RS 485

MPI Da

Hitrost prenosa 187,5 kbit/s

KOMUNIKACIJA – 2. VMESNIK

Komunikacijski vmesnik RS 485

PROFIBUS DP Da

Hitrost prenosa do 12 Mbps

Stran 16

Analogni izhodni modul (tip: 6ES7332-5HF00-0AB0)

Analogni izhodni modul ima 40 pinov, preko katerih se vrši posredovanje analognih

vrednosti (napetost, tok). Vsebuje osem 12-bitnih izhodov (kanalov), na katerih se izvede

želen način priključitve (dvožična, štirižična vezava). Izhodi so prilagojeni standardnim

vrednostim, npr. tokovni (0–20 mA, 4–20 mA, ±20 mA), napetostni (1–5 V, 0–10 V, ±

10 V). Za posredovanje temperaturnih vrednosti sistemu SCADA se je za temperaturni

nadzor uporabljala dvožična vezava s standardnim tokovnim območjem (4–20 mA).

1 – DAC (konverter)

2 – Notranji izvor napetosti

3 – Ozemljitev

4 – Konektor BACKPLANE

Slika 16: Analogni izhodni modul, tip: 6ES7332-5HF00-0AB0

Analogni vhodni modul (tip: 6ES7331-1KF02-0AB0)

Analogni vhodni modul ima 40 pinov, preko katerih se vrši merjenje analognih vrednosti

(napetost, tok, upornost, temperatura), katero vrednost bomo merili, pa določimo s pravilno

rotacijo posebnega mostiča, ki se nahaja na levi strani modula. Analogni modul vsebuje

osem 12-bitnih vhodov (kanalov), na katerih se izvede želen način priključitve (dvožična,

trižična, štirižična vezava), odvisno od želene točnosti meritve. Vhodi so prilagojeni

standardnim vrednostim, npr. tokovni (0–20 mA, 4–20 mA, ±20 mA), napetostni (± 50

mV, 500 mV, ± 1 V, ± 5 V, 1–5 V, 0–10 V, ± 10 V). Za merjenje temperature

(temperaturni nadzor) in merjenje tlaka (priprava hladilne vode), se je uporabljala trižična

vezava (4–20 mA).

Stran 17

1 – Dvožična vezava

2,3 – Trižična vezava

4 – Štirižična vezava

5 – Notranje napajanje

6 – +5V napajanje BACKPLANE


8 – Multiplekser

9 – Analogno-digitalni pretvornik

10 – Tokovni generator

Slika 17: Analogni vhodni modul, tip: 6ES7 331-7KF02-0AB0

Digitalni vhodni modul (tip: 6ES7 321-7BH01-0AB0 )

Digitalni vhodni modul je namenjen pridobivanju informacij o procesu (končna lega

ventila, izbran sistem, izpad avtomatov ), modul ima 16 vhodov, katerih aktivno stanje

(˝1˝) predstavlja vklopljena kontrolna LED-dioda na čelni ploskvi. Logično enico (˝1˝)

predstavlja signal velikosti 13V–30V, 7 mA, logično ničlo (˝0˝) pa signal med -30 V in + 5

V.

Stran 18

1 – Številka kanala

2 – Status OK – zelena LED

Status NAPAKA – rdeča LED


4 – Detektor prekinjene žice (sonda)

Slika 18: Digitalni vhodni modul, tip: 6ES7 321-7BH01-0AB0

Stran 19

Digitalni izhodni modul (tip: 6ES7 322-1HH01-0AA0)

Digitalni izhodni modul je namenjen prikazu ter nadaljnjemu posredovanju informacij o

procesu (končna lega ventila, izbran sistem, izpad avtomatov). Modul ima 16 vhodov,

katerih aktivno stanje (˝1˝) predstavlja vklopljena kontrolna LED-dioda na čelni ploskvi.

Izhodi modula so relejski in jih lahko uporabljamo za proženje tuljavic kontaktorjev in s

tem vklop aktuatorjev. Dovoljena vrednost toka na releju je 2 A.

1 – Številka kanala

2 – Status OK – zelena LED

Status NAPAKA – rdeča LED


Slika 19: Digitalni izhodni modul, tip: 6ES7 322-1HH01-0AA0

Razširitveni modul IM365 (tip: 365-0BA01-0AA0)

IM365 je razširitveni modul, ki se uporablja, kadar želimo v konfiguraciji uporabiti več kot

8 modulov. Ker nam hardverska konfiguracija tega ne omogoča, se doda razširitvena enota

za dodatne module (max 8). Razširitveno enoto IM365 sestavljata 2 modula (SEND,

RECEIVE), ki sta trajno povezana s kablom dolžine 1m. Modul SEND moramo namestiti

v konfiguraciji za napajalnik in CPE v prvem vodilu (centralnem RACK-u), modul

RECEIVE pa kot prvi modul v drugem vodilu (oddaljenem RACK-u). Drugemu vodilu ni

Stran 20

potrebno dodajati dodatnega napajalnika, saj se napajanje prenese kar preko trajnega

povezovalnega kabla.

Slika 20: Razširitveni modul IM365

4.2 SIMOCODE pro

SIMOCODE pro (SIRIUS Motor Management and Control Devices) je prilagodljiv

modularni sistem, namenjen nadzorovanju, zaščiti in upravljanju motorjev. Naprava se

neposredno in enostavno povezuje v višji raven avtomatizacije (CPU-krmilnik) preko

vmesnika PROFIBUS DP. Podatki se berejo in prenašajo v krmilnik oz. iz njega ciklično

(CYCLIC SEND, RECEIVE DATA) ali pa se preberejo preko podatkovnih posnetkov

(DATA RECORD) in funkcije SFC 59. Naprava zajema vse zahteve funkcionalnosti, od

napajanja do krmiljenja in nadzora tokokroga motorja.

Moduli konfiguracije direktnega zagona motorja so:

- osnovna centralna enota (BASIC UNIT – 3UF70.0-1A.00-0);

- merilnik toka (CURRENT MEASURING MODULE – 3UF711.-1.A00-0);

- kontaktor;

- nadzorni zaslon (OPERATOR PANEL).

Stran 21

Osnovna centralna enota vsebuje 3 relejne monostabilne izhode, ki so normalno odprti, ter

4 digitalne vhode, ki se prožijo s 24 V enosmerne napetosti. Modulu BASIC UNIT je

poleg kontaktorja, ki je namenjen vklopu in izklopu motorja, dodan še merilni modul toka.

Modul toka omogoča merjenje toka (do 820 A), napetosti (do 690 V), moči ter cos φ

posameznih faz. Vendar je merjenje pogojeno s tem, da so napajalni kabli speljani skozi

odprtine modula.

Slika 21: Konfiguracija SIMOCODE pro

Posluževalni zaslon se uporablja za nadzor motorja ali za lokalno krmiljenje. Namešča se v

vrata omare. Tako je SIMOCODE (motor) mogoče neposredno upravljati iz omare

START-STOP preko 4 tipk, katerih funkcija se določi v parametrizaciji. V posluževalni

zaslon so vgrajene tudi 4 kontrolne LED-diode, katerih vklop oz. izklop se na željo

porabnika določi v parametrizaciji. Posluževalni zaslon omogoča neposredno branje

diagnostičnih vrednosti (tok, napetost, cos φ, operativne ure, število vklopov, napake).

Parametrizacija oz. programiranje modula BASIC UNIT se izvaja v računalniškem

programu SIMOCODE-ES, parametri se prenašajo preko vodila PROFIBUS v osnovno

centralno enoto.

Na sliki 22 je prikazan primer hierarhičnega avtomatiziranega sistema. Vidimo, da so

končni izvršni elementi (motorji) na najnižji stopnji avtomatizacije, temu sledijo naprave

SIMOCODE, ki predstavljajo neke vrste stikala in zaščito motorjem. Pogoj za vklop in

izklop naprava SIMOCODE pridobi iz programirljivega logičnega krmilnika, ki je glavni

Stran 22

krmilni element in vsebuje programsko logiko avtomatiziranega sistema. Na vrhu

piramidne lestvice pa se nahaja nadzorni računalnik, ki ima vpogled v vsak element

posebej in lahko nanj tudi vpliva. Na nadzornem računalniku se običajno nahaja SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition), ki je program za nadzor in kontrolo

avtomatiziranega sistema. Isti princip avtomatizacije smo uporabili tudi mi za pripravo

hladilne vode in temperaturnega nadzora.

Slika 22: Modularni prikaz avtomatiziranega sistema

4.3 Zaslon, občutljiv na dotik - TP SIMATIC 177B

Zasloni, občutljivi na dotik, imajo v avtomatiki zelo pomembno vlogo. Med procesom

omogočajo nadziranje obratovalnih razmer, procesnih vrednosti in napak. Poleg tega lahko

z zaslonom, občutljivim na dotik, v proces vnašamo podatke in zahteve ter tako vplivamo

direktno na izvajanje procesa.

TP177B je naprava za upravljanje zahtevnih avtomatiziranih procesov.

Kontrolni sistem

Nadzorni sistem

Krmilni sistem

SIMOCODE-PRO Motor

Vodilni računalnik

PLC-SIMATIC

Izvršni sistem

Stran 23

Slika 23: TP SIMATIC 177B

Sestavlja jo 5,7-palični, 256-barvni grafični zaslon, ki je občutljiv na dotik. Ločljivost

prikaza je 320 x 240 pik. Na zaslonu je tudi reža za vstavljanje multimedijskih kartic in

USB-ključa.

Simatic STEP7 in TP177B lahko komunicirata na več načinov. Na voljo so jima naslednji

komunikacijski vmesniki:

- MPI,

- PROFIBUS,

- ETHERNET.

Programiranje oz. parametriranje zaslona se izvaja v računalniškem programu WinCC.

4.4 Merilnik tlaka – Cerabar T PMP 131

Slika 24: Cerabar T PMP 131

Stran 24

Za ugotavljanje zamašenosti filtra za pripravo hladilne vode se uporablja merilec tlaka

proizvajalca Endress + Hauser, tip Cerabar T PMP 131, z merilnim območjem 0 do 4

barov, katerega izhod je proporcionalen standardiziranemu tokovnemu izhodu 4 do 20 mA.

Merilnik deluje na principu deformacije kovinske zaslonke, ki povzroči spremembo

upornosti merilnega mostiča, ta pa proporcionalno spremembo toka na izhodu (4 do 20

mA).

4.5 Sonda PT 100

Uporovni termometri so senzorji, ki izkoriščajo spremembo upornosti materiala zaradi

spremembe temperature. Največkrat uporabljen material je platina, ki jo odlikujejo dobre

lastnosti, kot so ponovljivost, linearnost in natančnost. Uporablja se skoraj na vseh

področjih meritev temperature v območju od - 200 do 850 °C. Po evropskem standardu se

na našem tržišču uporabljajo platinasti upori PT 100, sprememba njihove upornosti znaša

0,392 Ω/°C in po standardu znaša 100 Ω pri 0 °C. Pri meritvah, kjer želimo imeti zelo

natančne rezultate, moramo upoštevati tudi upornost priključnih žic. Zato se v industrijski

praksi uporablja trižična priključitev, za natančne aplikacije pa štirižična vezava.

Stran 25

5 PROGRAMSKA OPREMA

Programiranje uporabniškega programa poteka na oddaljenem računalniku. Običajno je to

prenosni ali namizni računalnik z operacijskim sistemom (npr. WIN XP). Prenos programa

iz računalnika v krmilnik, zaslon, SIMOCODE poteka direktno preko vodila PROFIBUS

DP, MPI ali PROFINET.

5.1 STEP7

Programski jezik STEP7 je produkt firme SIEMENS, namenjen programiranju krmilnikov

družine S7. Program se namešča na namenske programirljive naprave (PG), osebne

računalnike ali prenosne računalnike.

Program STEP7 nam omogoča: planiranje, projektiranje, konfiguriranje, parametriranje

strojne opreme in komunikacije ter ustvarjanje, dokumentiranje, testiranje, zaganjanje,

servisiranje in arhiviranje uporabniškega programa. Program lahko pišemo linearno ali

strukturno. Pri linearnem programiranju je program napisan v enem bloku, pri strukturnem

programiranju pa v obliki programskih blokov, kar je bolje pri kompleksnih procesih. Pri

pisanju programa so nam na voljo trije programski jeziki:

-STATEMENT LIST je tekstovni način programiranja. Programiranje poteka iz nabora

ukazov, prirejenem za STEP7.

-LADDER LOGIC je grafični način pisanja programa in izvira iz programiranja kontaktnih

in relejskih logičnih vezij.

-FUNCTION BLOK je grafični način pisanja programa, programska logika je sestavljena

iz logičnih blokov Boolove algebre.

Pogoj za uspešno izvajanje programa na krmilniku PLC je strojna (hardverska)

konfiguracija modulov, ki jo napravimo v programu STEP 7, kjer definiramo tip krmilnika,

s katerim želimo delati, ter tip in mesta namestitve vhodnih in izhodnih modulov. Vhodnim

Stran 26

in izhodnim modulom določimo tudi naslovne lokacije, preko katerih krmilnik pošilja in

bere podatke iz okolice.

Slika 25: STEP7 – hardverska konfiguracija

Za lažje in hitrejše programiranje imamo na voljo simbolno tabelo, ki si jo programer po

lastni želji uredi. V njej se lahko definirajo vsi vhodni in izhodni naslovi, tudi s komentarji.

Vsakemu pomnilnemu mestu (MERKERJU) se lahko pripiše naslov ter opis. To nam

program naredi veliko bolj pregleden in razumen.

Slika 26: Simbolna tabela

Stran 27

Uporabniški program je razvejan v tako imenovanih blokih, ki so med seboj logično

povezani v neko celoto:

ORGANIZACIJSKI BLOK (OB): Predstavlja glavni program, saj je v njem določen vrstni

red izvajanja programov (klici funkcij). Obdeluje se ciklično. Je nekakšen vmesnik med

operacijskim sistemom krmilnika in uporabniškim programom.

FUNKCIJE (FC): Predstavljajo bloke brez pomnilnika, začasne spremenljivke se shranijo

v lokalni sklad in niso več dostopne po zaključku izvajanja funkcije. Funkcije so

namenjene programiranju nalog, ki se večkrat ponovijo v programu. Potrebno jih je klicati

iz glavnega organizacijskega bloka.

FUNKCIJSKI BLOKI (FB): Predstavljajo bloke s pomnilnikom. Pri vsakem klicu

funkcijskega bloka določimo ustrezni podatkovni blok, kamor se prenašajo statične

spremenljivke. Parametri, ki se shranijo v ustrezen podatkovni blok, so dostopni tudi po

zaključku izvajanja bloka.

PODATKOVNI BLOKI (DB): So namenjeni shranjevanju podatkov (števil, besedil).

Podatki se vstavljajo med programiranjem ali med izvajanjem programa. Bloki niso

vključeni v ciklično obdelavo, ampak se odpirajo na poziv.

5.2 WinCC flexible.

WinCC flexible je namenjen programiranju grafičnih prikazovalnikov družine SIEMENS.

Programska oprema je skladna z vsemi tipi prikazovalnikov. Pred začetkom projektiranja

izberemo tip grafičnega zaslona, ki ga bomo uporabili (TP 177B), in tip komunikacijskega

protokola (PROFIBUS, MPI, PROFINET).

Snovanje grafičnega zaslona pomeni glede na procesni sistem ustvariti slike, zaznamke

(TAGE) uporabljenih spremenljivk , alarmna in procesna sporočila. Ob souporabi WinCC

in STEP 7 je pametno WinCC integrirati v program STEP7, saj imamo s tem celoten

projekt združen in lahko beremo spremenljivke direktno iz simbolne tabele, vendar

moramo funkcijo integracije izbrati že pri sami inštalaciji programa. Jedro programa

WinCC flexible so njegovi urejevalniki. Bogato založena je tudi knjižnica simbolov.

Projektiranje poteka po načinu 'povleci in spusti'.

Stran 28

Slika 27: Primer kreiranja zaslona v programu WinCC flexible

5.3 SIMOCODE ES

SIMOCODE ES je osrednja programska oprema za zagon, delovanje in diagnostiko

modulov SIMOCODE pro. Omogoča nam sprotno (tudi med obratovanjem) spreminjanje

parametrov, s čimer lahko preprečimo nepotrebne izpade sistema. Nadzor, zaščita in

ožičenje so preprosto izvedljivi, kar s tako imenovanim grafičnim načinom 'povleci –

spusti' ali v nasprotnem primeru s tabelaričnim načinom. Ob nejasnosti je zelo uporabna

bogato založena knjižnica pomoči.

V primeru uporabe programa SIMOCODE ES in SIEMENSOVIH krmilnikov v

avtomatizacijskem sistemu je pametno uporabiti razpoložljivo funkcijo integracije

programa SIMOCODE ES v STEP 7, katerega prednost je ta, da lahko parametriziramo in

nalagamo sistemske podatke kar iz hardverske konfiguracije STEP7 v SIMOCODE in v

centralnoprocesno enoto krmilnika istočasno in s tem imamo združen avtomatizacijski

projekt v celoti.

Stran 29

Slika 28: Program SIMOCODE ES

5.4 IbaPDA-S7-Analyzer

Računalniški program ibaPDA-S7-Analyzer je bil zasnovan zlasti za pomoč pri

avtomatizaciji sistemov, ki uporabljajo programirljive logične krmilnike. Omogoča

merjenje, nadzor in arhiviranje signalov, dobljenih s PLC-jem. Morebitne napake na

sistemu se tako lažje ugotovijo in odpravijo. Program omogoča merjenje in analiziranje do

64 signalov različnih tipov (I, Q, M, PI), ibaPDA-S7-Analyzer ustvari podatkovne datoteke

(*. dat), ki so 100-odstotno združljive s standardnim orodjem iba-Analyzer, ki omogoča

širok razpon analiziranja funkcij vzporedno (ažurno) ali pozneje. Glede na strojno in

programsko opremo so na voljo različna dostopna mesta za zbiranje in analizo podatkov iz

krmilnikov SIMATIC S7: TCP/IP, MPI in PROFIBUS DP.

Stran 30

6 POGONI

6.1 Pogon filtra

Pogon filtra je krmiljen in zaščiten preko naprave SIMCODE pro v avtomatskem in

ročnem režimu. SIMOCODE zagotavlja pretokovno zaščito, zaščito proti preobremenitvi

in zaščito proti prepogostim vklopom.

Slika 29: Pogon filtra

Tabela 3: Tehnični podatki motorja pogona

Proizvajalec: Motorenfabrik OBERMOSER Bruchsal Tip: SA85D90S4 Napetost: 220 V (vezava trikot), 380 V (vezava zvezda) Tok: 4,8 A (vezava trikot), 2,8 A (vezava zvezda) Frekvenca: 50 Hz Moč: 1,1 kW Cos φ: 0,78 Vrtilna hitrost: 1400/9 1/min

Stran 31

6.2 Pogon izbirnega ventila

Pogon izbirnega ventila je krmiljen in zaščiten preko naprave SIMCODE pro v

avtomatskem in ročnem režimu. SIMOCODE zagotavlja pretokovno zaščito, zaščito proti

preobremenitvi in zaščito proti prepogostim vklopom.

Slika 30: Pogon izbirnega ventila

Tabela 4: Tehnični podatki pogona motorja

Proizvajalec: AUMA Tip: MD 56-2/45 Napetost: 220 V (vezava trikot), 380 V (vezava zvezda) Tok: 1,6 A (vezava trikot), 0,9 A (vezava zvezda) Frekvenca: 50 Hz Cos φ: 0,60 Vrtilna hitrost 2800 1/min

Stran 32

6.3 Izpiralna črpalka

Izpiralna črpalka je krmiljena in zaščitena preko naprave SIMCODE pro v avtomatskem in

ročnem režimu. SIMOCODE zagotavlja pretokovno zaščito, zaščito proti preobremenitvi

in zaščito proti prepogostim vklopom.

Slika 31:Izpiralna črpalka

Tabela 5: Tehnični podatki izpiralne črpalke

Proizvajalec: ELEKTROKOVINA Tip: T 132 SA 2 Napetost: 380 V (vezava trikot) Tok: 11 A (vezava trikot) Frekvenca: 50 Hz Moč: 5,5 kW Cos φ: 0,89 Vrtilna hitrost 2900 1/min

6.4 Pogon izpiralnega ventila

Pogon izpiralnega ventila je krmiljen in zaščiten preko naprave SIMCODE pro v

avtomatskem in ročnem režimu. SIMOCODE zagotavlja pretokovno zaščito, zaščito proti

preobremenitvi in zaščito proti prepogostim vklopom.

Stran 33

Slika 32: Pogon izpiralnega ventila

Tabela 6: Tehnični podatki izpiralnega ventila

Proizvajalec: AUMA Tip: D56-2/45 Napetost: 220 V (vezava trikot), 380 V (vezava zvezda) Tok: 1,4V (vezava trikot), 0,8 V (vezava zvezda) Frekvenca: 50 Hz Moč: 5,5 kW Cos φ: 0,53 Vrtilna hitrost 2800 1/min

6.5 Elektromagnetni ventil

Elektromagnetni ventil sestavljata ventil in elektromagnetni aktuator. Ventil je v

normalnem stanju zaprt. V primeru vklopa pogona filtra se istočasno pripelje napetost (230

V) na tuljavo elektromagneta, ta odpre ventil in s tem omogoči odvod nečistoč v drenažni

kanal.

Slika 33: Elektromagnetni ventil

Stran 34

6.6 Elektromotorni regulacijski ventil

Tripoložajni motorski ventil serije MV5410 je namenjen dušenju, mešanju ter distribuciji

tekočin in plinastih medijev.

Tabela 7: Tehnični podatki regulacijskega ventila

Proizvajalec: GSW stahl-armaturen Tip: MV5410 Napetost: 380 V (vezava zvezda) Tok: 0,8 V (vezava zvezda) Frekvenca: 50 Hz Nominalna dolžina (NW): 200 mm Ventil poganja trifazni izmenični motor z majhno porabo. Diskasta zavora preko robustnih

zobčenikov žene vijačno vreteno, ki se vrti in s tem povzroči premik premične matice.

Premična matica je preko sklopke in ventilskega vretena pritrjena na ventilski stožec. Ko

ventil doseže svojo končno pozicijo in premaga silo vzmeti sklopke, reduktorsko vodilo

sproži končno stikalo. Z ročico onemogočimo premik vretena z motorjem in pozicioniramo

ventil z ročnim krmilom. Za zaščito motorja je v navitje nameščen termostat. Rele

termostata omogoča priklop enofaznega bremena karakteristik 1 A, 230 V, 50 Hz. Na

ventilskem pogonu se nahaja potenciometer, ki je namenjen prikazu oz. določanju

natančne pozicije ventila (odprtost), nameščena so tudi končna stikala (odprtost ventila:

0 %, 20 %, 25 %, 100 %), ki so namenjena zaznavanju končnih leg.

Slika 34: Elektromotorni regulacijski ventil

Stran 35

7 REGULACIJA TEMPERATURE

Spreminjanje količine hladilne vode v toplotnem menjalniku dosežemo z zvezno

nastavljivim elektromotorno krmiljenim mešalnim ventilom.

Osnovna regulirana veličina je temperatura generatorja, ki pa zaradi velikih mas in

toplotnih kapacitet sistema povzroča velike časovne zakasnitve in počasne odzive sistema.

Glede na dostopne podatke iz procesa smo se odločili, da bomo regulacijo izvajali glede na

temperaturo statorskega navitja. Ta veličina je najbolj primerna za izvedbo regulacije, saj

najhitreje reagira na spremembo odprtja mešalnega ventila. To temperaturo merimo z

devetimi senzorji, s čimer zmanjšamo možnost izpada meritev in posledično nezmožnost

regulacije. Regulacija se izvaja s PI-regulatorjem, ki je v bistvu funkcijski blok v krmilniku

PLC, kar je bila za nas zelo dobrodošla in primerna izbira. PI-regulator poleg tega ne

zavzame nobenega prostora v omari in ne potrebuje napajanja ali kakršnega koli merilnega

pretvornika.

Namen avtomatizacije sklopa je zagotoviti avtonomen nadzor nad temperaturami naprav v

generatorskem prostoru, s ciljem preprečiti škodljive posledice pregrevanja ali

kondenzacije ter skokovitih sprememb temperature statorskega navitja.

SPLOŠNO O REGULACIJAH

Regulacija je proces, pri katerem regulirano veličino z neprestanim merjenjem,

primerjanjem in s povratnim delovanjem stalno nastavljamo in ohranjamo na želeni

vrednosti. Prednosti, ki jih dosežemo s povratno zanko, so hitrejše prilagajanje regulirane

veličine spremembam želene (referenčne) vrednosti ter zmanjšan vpliv motenj (okolica,

proces).

Stran 36

Slika 35: Regulacijska zanka

xž(t) – želena (referenčna) veličina

e(t) – regulacijsko odstopanje (pogrešek)

x(t) – regulirana veličina (procesna veličina)

y(t) – krmilna veličina

z(t) – motnja

e(t)= xž(t) - x(t)

Blokovna shema (slika 35) prikazuje osnovni način regulacijske zanke. Regulirana veličina

je v našem primeru temperatura statorskega navitja, ki jo želimo držati na neki predpisani

temperaturi xž (t). Zato primerjamo merjeno vrednost temperature x(t) z želeno vrednostjo

xž(t). Če obstaja odstopanje (pogrešek) e(t), to je razlika med želeno in dejansko

vrednostjo, le-to deluje preko regulatorja na novo nastavitev vhodne krmilne veličine y(t),

tako da se napaka izniči.

Stran 37

7.1 Izvedba industrijskega regulacijskega sistema

Slika 36: Industrijski regulacijski sistem

Celotni regulacijski sistem tvorijo merilni sistem, regulator in izvršni sistem.

MERILNI SISTEM sestavljajo:

- Tipalo, ki je namenjeno tipanju in zajemanju regulirane veličine na merilnem mestu. V

našem primeru so to bile sonde PT100.

- Merilni pretvornik, ki je namenjen pretvorbi signala tipala v standardni, normirani

signal (4–20 mA).

- Ojačevalnik, ki je namenjen ojačenju merilnega signala in filtriranju motenj.

IZVRŠNI SISTEM sestavljata:

- Aktuator, ki je krmilni del končnega izvršnega člena (rele, kontaktor, motor). Pri nas sta

to bila izhodna releja na digitalnem izhodnem modulu.

- Končni izvršni člen, ki je neposredni krmilni element za nastavljanje regulirne veličine

(ventil, loputa, motor). Pri nas je to nalogo prevzel motorski pogon mešalnega ventila.

REGULATOR je inteligentni del regulacijskega sistema. Sestavljajo ga primerjalni člen,

regulacijski algoritem in dajalnik želene vrednosti. Mi smo uporabili PI-regulator – FB59

"TCONT_S".

Stran 38

7.2 PI-regulator – splošno

Slika 37: Blokovna shema PI-regulatorja

PI-regulator je kombinacija proporcionalnega in integralnega. P-regulator deluje (ne

zakasnjeno) proporcionalno, učinkuje trenutno, vendar ima pogrešek v ustaljenem stanju.

I-regulator sledi želeni vrednosti zaradi končne hitrosti relativno počasi, vendar popolnoma

izniči regulacijsko odstopanje e(t).

PI-regulator se opisuje s prenosno karakteristiko:

= [ +

]

u(t) = izhod regulatorja

Kp = ojačanje regulatorja

TI = integracijska časovna konstanta

e(t) = vhod regulatorja (regulacijsko odstopanje)

Stran 39

Slika 38: Odziv PI-regulatorja na stopnično spremembo regulacijskega odstopanja

Za PI-regulator ne moremo narisati skupne statične karakteristike, ker nanašamo na

ordinato pri P-regulatorju krmilno veličino, pri I-regulatorju pa njeno hitrost. Zato

narišemo njegov odziv na stopnično spremembo regulacijskega odstopanja in določimo

karakteristične parametre iz odziva. Na sliki 38 sta prikazana oba sestavna dela odziva na

stopnico. Vidimo, da deluje PI-regulator kot I-regulator, ki je začel delovati za čas TI prej.

Opazimo, da najprej deluje P-del regulatorja, nato pa še I-del regulatorja s svojo strmino.

Tako so lastnosti PI-regulatorja podane s parametroma Kp in integralnim časom TI. PI-

regulator združuje dobre dinamične lastnosti P-regulatorja in dobre statične lastnosti I-

regulatorja.

Slika 39: Statična karakteristika P-dela Slika 40: Statična karakteristika I-dela

= [ + 1

]

Stran 40

Tripoložajni PI-regulator

Je stikalni element s tremi preklopnimi stanji, od katerih je srednje stanje mirovno. Ostali

stanji zavzema regulator pri pozitivnem oz. negativnem pogrešku. V primeru regulacije

temperature, ki jo opisujem v diplomski nalogi, krmilimo temperaturo z mešalnim

ventilom preko motornega pogona z dvema izhodnima relejema. Izhodna stanja pomenijo:

PODROČJE I: Motor se vrti v desno (ventil zapiranje).

PODROČJE 0: Motor miruje.

PODROČJE II: Motor se vrti v levo (ventil odpiranje).

Slika 41: Karakteristika tripoložajnega regulatorja

Področje 0, v katerem regulator ne reagira, imenujemo tudi mrtva cona. Določitev tega

območja in histerezne širine moramo obravnavati s karakterističnimi vrednostmi procesa.

Ker pa tripoložajni regulator vsebuje še povratno zvezo, ki skrbi za regulacijo temperature

posredno preko motorja (ventila), ima približno ponašanje zveznega PI-regulatorja. Preko

dveh izhodnih relejev vklapljamo s konstantnimi izhodnimi napetostnimi pulzi motor, ki se

posledično vrti v eno in drugo smer oz. miruje. Tako izhodna releja z napetostnimi signali

integrirata (povečujeta oz. zmanjšujeta) položaj ventila, dokler ni dosežena želena

vrednost.

Stran 41

Slika 42: Blokovna shema tripoložajnega regulatorja s povratno zvezo

Na sliki 42 je prikazana blokovna shema tripoložajnega regulatorja s povratno zvezo.

Napetost, pri kateri pride do proženja izhodnega aktuatorja, je ±, napetost, ko se izklopi,

pa je ± − ∆. Mrtva cona (območje neobčutljivosti), ko se regulator ne odzove na

vzbujanje, leži med +, in −. Povratna zveza vklaplja ojačevalnik istočasno z

motorjem. Signal na vhodu povratne zveze torej ni proporcionalen pogrešku, ampak je

konstanten (). Na izhodu povratne zveze imamo signal:

Pri naraščanju: = 1 −

!"#

Pri padanju: % = 1 − & !'(#

Če je na vhodu regulatorja pogrešek e večji od , se vklopi %)=. Napetost povratne

zveze narašča s časovno konstanto in zaradi negativnega predznaka v primerjalniku

zmanjšuje pogrešek. Po času vhodna napetost ) = − pade na vrednost − ∆,

ko ojačevalnik izklopi. Napetost povratne zveze pada, nato s časovno konstanto %, )

narašča, dokler pri * ojačevalnik zopet vklopi. To se nato ponavlja. Trajanje preklopnih

pulzov in odmorov med njimi je odvisno od časovne konstante in %, od meje

odzivnosti in širine histereze.

Stran 42

7.3 PI-regulator – FB59 "TCONT_S"

Je programski funkcijski blok, namenjen regulaciji temperaturnih procesov. Na proces

vplivamo direktno preko aktuatorjev, ki sta v bistvu kar izhodna releja digitalne izhodne

kartice krmilnika in sta povezana z motornim pogonom mešalnega ventila. Vhodne

podatke regulator dobiva preko vhodnih analognih in digitalnih modulov krmilnika.

FB59 »TCONT_S« deluje brez povratne informacije o položaju mešalnega ventila.

Območje delovanja je določeno s končnimi legami ventila.

Parameter integratorja (TI) in domneven položaj aktuatorja je kalkuliran v integratorju PI-

regulatorja in se primerja, z namenom ugotovitve preostalih še dovoljenih P-pulzov.

Število še dovoljenih pulzov se prenese na tristopenjski element (THREE_ST) in na

generator PULSE (PULSEOUT), ki oblikuje izhodni pulz. Pulzi so omejeni s končno lego

aktuatorja in ga nikoli ne presežejo.

Z vhodom LMNS_ON na regulatorju lahko izbiramo med ročnim ali avtomatskim

načinom regulacije. V ročnem režimu sta P-člen in I-člen postavljena na 0. Ob uporabi

vhodov LMNUP in LMNDN vplivamo na izhodna krmilna releja. V primeru, da želimo

ventil dvigniti oz. pritegniti rele za odpiranje mešalnega ventila, moramo postaviti na

vhodu LMNUP logično 1, na LMNDN pa mora biti logična 0. Logični enici na obeh

vhodih za ročno krmiljenje sta prepovedani, sicer pa je bil program za krmiljenje napisan

tako, da to niti ni izvedljivo.

Slika 43: Primer izvedbe preklopa med ročnim in avtomatskim načinom regulacije

Ob priklopu v avtomatski način delovanja se v regulatorju pritegnejo kontakti (povezava se

sklene). V primeru odstopanja željene vrednosti od procesne vrednosti se na izhodnih

sponkah pojavi stopnični pulz oz. skupina pulzov, ki odpravijo pogrešek sistema.

Stran 43

PI-regulator v programu STEP7

Slika 44: PI-regulator FB59 "TCONT_S" v programu STEP 7

Uporabljen regulator ni kompaktni modul, ampak funkcijski blok v programu STEP7. Če

ga želimo uporabljati, ga moramo najprej vključiti v projekt, parametrizirati ter naložiti v

krmilnik. V programu STEP7 ga kličemo z ukazom STL (CALL FB59, DB 59) v glavnem

organizacijskem bloku OB1 ali v organizacijskem bloku OB35 (blok, kjer po želji

nastavimo čas izvajanja cikla). Po klicu se ponudi element (blokovni vmesnik) z vhodnimi

in izhodnimi stanji (slika 44), ki predstavlja tripoložajni regulator. Sedaj je naša naloga, da

na vhodne in izhodne priključke dovedemo signale, ki jih potrebuje regulator pri svojem

izvajanju. Priključki regulatorja zahtevajo različne tipe signalov (BOOL, REAL, INT),

zato moramo biti na to pozorni.

Slika 45: Podatkovni blok DB 59 – parametrični pogled

Stran 44

Slika 46: Podatkovni blok DB 59 – klasični pogled

Prav tako se poleg funkcijskega bloka regulatorja tvori nanj nanašajoč podatkovni blok

(slika 45 in slika 46), v katerem so definirani vsi priključni parametri, ki jih lahko med

samim procesom v monitoring načinu tudi spremljamo. V podatkovni blok DB59 sami

vpišemo parametre regulatorja, ki so:

- proporcionalno ojačanje,

- integralno ojačanje,

- čas izhodnega pulza,

- čas zaviralnega pulza,

- čas trajanja hoda ventila (spodnja, zgornja lega).

Stran 45

Blokovna shema regulatorja

Slika 47: Blokovna shema uporabljenega tripoložajnega PI-regulatorja

Prenos parametrov – uporabniški vmesnik

FB-klic vmesnika

Prenos parametrov – uporabniški vmesnik, FB-klic vmesnika

Stran 46

OPIS PARAMETROV REGULATORJA:

VHODNI SIGNALI:

CYCLE (SAMPLE TIME OF STEP CONTROLLER[s]) – vhod, kjer vpišemo čas

vzorčenja regulatorja [(REAL), (DB-lokacija 0)].

Pri nastavljanju časa vzorčenja regulatorja moramo upoštevati, da le-ta ne presega 10 %

vrednosti integralnega časa regulatorja.

SP_INT (INTERNAL SETPOINT) – vhod za želeno vrednost [(REAL), (DB-lokacija

4)].

ŽELENA VELIČINA (SP) se vpisuje na vhodu SP_INT kot plavajoča (floating-point) ali

kot procentna vrednost. Želena in procesna (regulirana) vrednost se uporabljata za

definiranje pogreška, zato morata biti enakega formata.

PV_IN (PROCES VARIABLE IN) – vhod procesne vrednosti [(REAL), (DB-lokacija

8)].

PV_PER (PROCESS VARIABLE PERIPHERY) – vhod procesne vrednosti [(INT),

(DB-lokacija 12)]

DISV (DISTURBANCE VARIABLE) – vhod, za definiranje dodatne motnje sistema

[(REAL), (DB-lokacija 14)]

LMNR_HS (HIGH LIMIT SIGNAL OF REPEATED MANIPULATED VALUE) –

vhod za zaznavanje zgornje mejne vrednosti končnega izvršnega člena. Ko je signal

sprožen, je izhodu onemogočeno nadaljnje odpiranje [(BOOL), (DB-lokacija 18.0)].

LMNR_LS (LOW LIMIT SIGNAL OF REPEATED MANIPULATED VALUE) –

vhod za zaznavanje spodnje mejne vrednosti končnega izvršnega člena. Ko je signal

sprožen, je izhodu onemogočeno nadaljnje zapiranje [(BOOL), (DB-lokacija 18.1)].

LMNS_ON (MANIPULATED SIGNALS ON) – vhod za aktiviranje ročnega načina

procesiranja regulatorja [(BOOL), (DB-lokacija 18.2)].

Stran 47

LMNUP (MANIPULATED SIGNALS UP) – vhod za proženje izhoda v ročnem režimu

QLMNUP. V primeru, da je regulator v ročnem režimu in je na vhodu prisotna logična 1,

se aktuator giblje v smeri odpiranja [(BOOL), (DB-lokacija 18.3)].

LMNDN (MANIPULATED SIGNALS DOWN) – vhod za proženje izhoda v ročnem

režimu QLMNDN. V primeru, da je regulator v ročnem režimu in je na vhodu prisotna

logična 1, se aktuator giblje v smeri zapiranja [(BOOL), (DB-lokacija 18.4)].

IZHODNI SIGNALI:

QLMNUP (MANIPULATED SIGNAL UP) – izhod za proženje aktuatorja. Če je signal

aktiven, bo prišlo do odpiranja ventila (izhodni rele se pritegne) [(BOOL), (DB-lokacija

20.0)].

QLMNDN (MANIPULATED SIGNAL DOWN) – izhod za proženje aktuatorja. Če je

signal aktiven, bo prišlo do zapiranja ventila (izhodni rele se pritegne) [(BOOL), (DB-

lokacija 20.1)].

PV (PROCES VARIABLE) – izhod efektivne procesne veličine [(REAL), (DB-lokacija

22)].

ER (ERROR SIGNAL) – izhod efektivnega pogreška [(REAL), (DB-lokacija 26)].

COM_RST (COMPLETE RESTART) – vhod za resetiranje ter inicializacijo regulatorja

[(BOOL), (DB-lokacija 30.0)].

S prisotnostjo kratkega pulza na vhodu COM_RST se aktivira inicializacijska rutina. Vsa

stanja bloka se postavijo na svoje inicializacijske vrednosti. Če želimo izvajati

inicializacijo ob vsakem ponovnem zagonu CPU-ja, moramo v bloku OB100 izvesti klic

PI-regulatorja (FB59 "TCONT_S") in setiranja vhoda COM_RST s kratkim pulzom.

NOTRANJI SIGNALI:

PV_FAC (PROCES VARIABLE FACTOR) – vhod za korekcijo – množenje procesne

veličine [(REAL), (DB-lokacija 32)].

Stran 48

Za preprečevanje prenihaja lahko zmanjšujemo P-faktor za regulacijo želene vrednosti

(PFAC_SP). V primeru uporabe PFAC_SP lahko izbiramo med vrednostma 0.0 ali 1.0 in s

tem določimo učinek parametra na regulacijsko veličino.

PFAC_SP Vrednost vhodne procesne veličine 1.0 P-faktor ima poln učinek ob spremembi

želene vrednosti. 0.0 P-faktor nima učinka ob spremembi želene

vrednosti.

Normalizacija procesne vrednosti PV_NORM (PF_FAC, PV_OFFS)

Funkcija PV_NORM vključuje kalkulacijo izhoda CRP_IN glede na pravilo:

Izhod PV_NORM = izhod CRP_IN*PV_FAC+PV_OFFS

To se lahko uporabi:

za korekcijo procesne vrednosti kot procesni faktor PV_FAC ali kot offset procesne

vrednosti PV_OFFS.

Normalizacija temperature v procente:

Uporabimo jo, kadar želimo vpisati želeno vrednost v procentih in moramo predhodno

pretvoriti merjeno vrednost temperature v procente.

Normalizacija procentov v temperaturo:

Uporabimo jo, kadar želimo vpisati želeno vrednost temperature v stopinjah in moramo

predhodno pretvoriti merjeno vrednost (tok/napetost) v temperaturo.

Kalkulacija parametrov:

PV_FAC = območje PV_NORM/območje CRP_IN

PV_OFFS = LL(PV_NORM)-PV_FAC*LL(CRP_IN); kjer LL predstavlja spodnjo mejo

V osnovi so nastavljene vrednosti PV_FAC = 1.0 in PF_OFFS = 0.0. Normalizacija je

izključena. Efektivna vrednost je procesna vrednost na PV-izhodu.

PFAC_SP (PROPORTIONAL FACTOR FOR SETPOINT CHANGES [0..1]) – vhod

za definiranje proporcionalnega ojačenja [(REAL), (DB-lokacija 44)].

Stran 49

PV_OFFS (PROCESS VARIABLE OFFSET) – vhod za korekcijo – prištevanje

območja procesne veličine, nastavljanje offseta [(REAL), (DB-lokacija 36)].

DEADB_W (DEAD BAND WIDTH) – vhod za definiranje širine mrtvega pasu [(REAL),

(DB-lokacija 40)].

Mrtvi pas se uporablja za preprečevanje nenehnega nihanja pri kvantizaciji. S

spreminjanejm vrednosti na vhodu nastavljamo širino mrtvega pasu. Če je

DEADB_W=0.0, je mrtvi pas izključen.

Slika 48: Shema mrtvega pasu

GAIN (PROPORTIONAL GAIN) – vhod proporcionalnega ojačenja [(REAL), (DB-

lokacija 48)].

TI (RESET TIME [s]) – vhod za definiranje integralne vrednosti regulatorja [(REAL),

(DB-lokacija 52)].

MTR_TM (MOTOR ACTUATING TIME) – vhod, kjer definiramo čas, ki ga potrebuje

ventil za prehod od začetne do končne regulacijske vrednosti [(REAL), (DB-lokacija 56)].

PULSE_TM (MINIMUM PULSE TIME [s]) – vhod, kjer definiramo dolžino izhodnega

pulza [(REAL), (DB-lokacija 60)].

BREAK_TM (MINIMUM BREAK TIME [s]) – vhod kjer definiramo dolžino

zavornega pulza [(REAL), (DB-lokacija 64)].

PER_MODE (PERIPHERY MODE)

Funkcija CRP_IN pretvori periferno vrednost PV_PER v plavajočo (floating-point), v

odvisnosti od položaja stikala PER_MODE [0,1,2] [(INT), (DB-lokacija 68].

PER_MODE Izhod CRP_IN Analogni vhod – tip Enota 0 PV_PER*0.1 PT100/NI100 – standard °C 1 PV_PER*0.01 PT100/NI100 – climate °C 2 PV_PER*100/27648 Napetost/tok %

Stran 50

PVPER_ON (PROCESS VARIABLE PERIPHERY ON)

Procesna veličina se lahko bere v periferni (I/O) (signal na TRUE) ali v plavajoči (float-

point) vrednosti (signal na FALSE), odvisno od logičnega stanja signala PVPER_ON

[(BOOL), (DB-lokacija 70.0].

PVPER_ON Vrednost vhodne procesne veličine TRUE Procesna veličina se zajema preko analognega

perifirnega vhoda (I/O-PIWxxx) PV_PER. FALSE Procesna veličina se zajema kot plavajoča vrednost

na vhodu PV_IN.

Stran 51

8 DOLOČITEV PARAMETROV PI-REGULATORJA PO ZIEGLER-

NICHOLSOVI METODI STOPNIČNEGA ODZIVA

Metodo za določevanje parametrov PID-regulatorja sta leta 1942 razvila Ziegler in

Nichols, zato jo imenujemo kar po avtorjih. Danes je ta metoda že standardizirana kot

metoda za izračun parametrov P-, PI- in PID-regulatorjev. Za izračun parametrov je

potrebno posneti stopnični odziv regulacijskega sistema, ko regulator ni vključen v

regulacijski proces. Tabele, po katerih se izračunajo parametri sistema, izhajajo iz

eksperimentalnih preizkusov, tako da obstaja verjetnost, da sistem ne bo zagotovil stabilno

delovanje. V tem primeru mora projektant na podlagi nadaljnjih posnetih odzivov

spremeniti (povečati, zmanjšati) parametre regulatorja ali uporabiti katero drugo metodo

določevanja parametrov.

Za izračun parametrov regulatorja je potrebno iz stopničnega odziva odčitati dve časovni

konstanti in ojačenje. Primer prikazuje slika 49. Iz slike vidimo, da narišemo tangento.

Kjer tangenta seka absicno os in do začetka vzpenjanja odziva, je mrtvi čas. Čas vzpona pa

je čas od točke na abcisni osi do presečišč tangente ter vrednosti, kjer se sistem izravna.

Parametri regulatorja se izračunajo po tabeli 8.

Koeficienti so: - L – čas zakasnitve,

-T – čas vzpona,

-K – ojačenje.

Slika 49: Primer odziva sistema na stopnico po Ziegler-Nicholsovi metodi

Tangenta

Stran 52

Tabela 8: Izračun parametrov regulatorja po Ziegler-Nicholsovi metodi

Kp +, = -.-,

+/ = -/-.

P ∙ 1

∞ 0

PI 0.9 ∙ 1

10.3

0

PID 1.2 ∙ 1

2 ∙ 1 0.5 ∙ 1

8.1 DOLOČITEV PARAMETROV TRIPOLOŽAJNEMU PI-

REGULATORJU, ZA REGULACIJO TEMPERATURE

Slika 50: Stopnični odziv in koeficienti

= ∆89[%]∆;9[%] = <=.>°@

AB°@C∙%% = 0.88

= 0.9 D∙E = 0.9 FG

.HH∙I =3.89

T=740 s L=190 s

∆JK=6.2°C

Stran 53

% = E.L = I

.L = 633,3 s

Čas zakasnitve (L), čas vzpona (T) in ojačenje (K) smo s pomočjo tangente določili iz

grafa na sliki 50. S pomočjo teh vrednosti ter po tabeli 8 smo izračunali parametre PI-

regulatorja in jih vstavili v regulator. Iz odziva regulatorja je bilo opaziti, da ima sistem

prevelik prenihaj. Nakar smo ročno modificirali parametre in po nekaj poskusih prišli do

ugotovitev, da sistem najbolje deluje pri naslednjih parametrih: Kp=-5, Ti=1000 s (slika

51). Odzive smo spremljali in jih arhivirali s programskim paketom IbaPDA-S7-Analyzer.

Slika 51: Regulacija povprečne temperature generatorja in položaja ventila (Kp=-5,

Ti=1000 s)

Slika 51 prikazuje regulacijo povprečne temperature. Iz poteka grafa razberemo, da je

prišlo do zagona generatorja ob 8.30, ko se je ventil odprl na 20 %, nakar se je temperatura

povečevala proti želeni vrednosti (60 °C) in jo ob 14.50 dosegla, zaradi česar je prišlo do

ponovnega odpiranja ventila. Okoli 14.15 se je pojavila zahteva po večji moči generatorja

in s tem je prišlo do strmega naraščanja temperature ter posledično do dodatnega odpiranja

krmilnega ventila. Temperatura se je povzpela vse do 65 °C, ventil pa se je odprl do 65 %.

Stran 54

Sledila je zahteva po zmanjšanju moči generatorja in povprečna temperatura se je

zniževala. Ob 15.45 je prišlo do izklopa, ob 16.25 pa do ponovnega vklopa generatorja,

vendar je bila takrat moč generatorja nekoliko manjša, zaradi česar se generator ni

pregreval, odprtost ventila pa je nihala med 17 in 27 %.

Stran 55

9 IZVEDBA PROGRAMA

Programirljiv logični krmilnik je brez logično napisanega programa neuporaben. Zato

mora programer napisati in naložiti program, ki daje krmilniku funkcijo delovanja.

Program smo pisali s pomočjo SIEMENSOVEGA programskega paketa STEP7.

Opis krmilnega programa

Tabela 9: Bloki STEP7 programa

OZNAKA SIMBOLIČNO IME JEZIK PISANJA

KOMENTAR

OB1 STL Glavni program – izvaja se ciklično.

OB35 CYC_INT5 FBD Glavni program–izvaja se ciklično, čas cikla se po želji določi.

OB82 I/O_FLT1 FBD Zagon ob okvari modula.

OB85 OBNL_FLT FBD Zagon ob manjkajočem bloku.

OB86 RACK_FLT FBD Zagon ob napaki na vodilu.

OB87 COMN_FLT FBD Zagon ob napaki komunikacije.

OB100 COMPLETE_RESTART STL Ponovni zagon krmilnika (izpad U).

OB122 MOD_ERR FBD Uporablja se za odkrivanje napak modulov.

FB59 TCON_S STL PI-tripoložajni regulator.

FC1 FC_TEMP_NAV_STAT_GG1 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.














Stran 56


FC16 FC_TEMP_NAV_STAT_OG16 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.



FC19 FC_TEMP_TOPL_ZRAK_GEN19 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.

FC20 FC_TEMP_TOPL_ZRAK_GEN20 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.

FC21 FC_TEMP_HLAD_VODA_DOVO21 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.

FC22 FC_TEMP_HLAD_VODA_ODVO22 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.

FC23 FC_TEMP_SP_VOD_LEZ23 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.






FC29 FC_TEMP_NOS_LEZ29 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.




FC33 FC_POVPR_TEMP STL Blok za ugotavljanje povp. temp.

FC34 FC_ALARMI FBD Blok za proženje alarmov.

FC35 FC_SIGNALIZACIJA FBD Blok za proženje signalnih lučk.

FC40 FC_AVT_KRM_VENT FBD Blok za avtomatsko krmiljenje ventila.

FC41 FC_POLOZAJ_VENTILA FBD Blok za ugotavljanje položaja ventila.

FC50 FC_DATUM_IN_CAS STL Blok za branje datuma in časa.

FC105 SCALE STL Funkcija za skaliranje.

FC106 UNSCALE STL Funkcija za preskaliranje.

DB1 DB_TEMP_NAV_STAT_GG1 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.












Stran 57




DB16 DB_TEMP_NAV_STAT_OG16 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.



DB19 DB_TEMP_TOPL_ZRAK_GEN19 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.

DB20 DB_TEMP_TOPL_ZRAK_GEN20 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.

DB21 DB_TEMP_HLAD_VODA_DOVO21 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.

DB22 DB_TEMP_HLAD_VODA_ODVO22 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.

DB23 DB_TEMP_SP_VOD_LEZ23 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.






DB29 DB_TEMP_NOS_LEZ29 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.




DB33 DB_POVPR_TEMP DB Shranjeni podatki povprečne temp.

DB34 DB_ALARMI DB Shranjeni podatki alarmov.

DB35 DB_SIGNALIZACIJA DB Shranjeni podatki signalizacije.

DB40 DB_AVT_KRM_VENT DB Shranjeni podatki avt. krm. ventila.

DB41 DB_POLOZAJ_VENTILA DB Shranjeni podatki o položaju ventila.

DB50 DB_DATUM_IN_CAS DB Shranjeni podatki (čas, datum).

DB59 DB_TCONT_S DB Shranjeni podatki PI-regulatorja.

DB60 DB_ROCNO DB Shranjeni podatki PI-regulatorja.

DB61 DB_START_STOP DB Shranjeni podatki PI-regulatorja.

DB100 DB_PANEL DB Shranjeni podatki prikazovalnika.

Stran 58

9.1 Opis in delovanje programske logike:

OB1 in OB35 se izvajata ciklično. Njuna naloga je, da izvršujeta klice funkcij. V OB1 se

vrši klic funkcije POLOŽAJ VENTILA, v OB35 pa klic funkcij za merjenje temperature v

posameznih delih statorja in klic funkcij ALARMI, SIGNALIZACIJA in AVTOMATSKO

KRMILJENJE VENTILA. Vsaka klicana funkcija se izvede glede na njeno programsko

logiko ter pošilja podatke v njej prirejen DB.

Zaradi obširnega in ponavljajočega programa bo opisan in predstavljen le del uporabljenih

blokov.

Kot se da razbrati že iz naslova diplomske naloge, je glavna naloga programa pridobitev

vrednosti temperature na različnih mestih generatorskega navitja ter izračun njene

povprečne vrednosti. To se izvaja v funkcijskih blokih FC1 do FC32, ki so med seboj zelo

podobni. Razlika je le v vhodnih naslovih ter izhodnih lokacijah. Vhodi v funkcijo so brani

direktno iz analogne kartice PLC-ja in se po obdelavi shranjujejo v njej prirejen DB in se

posredujejo naprej preko vodila PROFIBUS na zaslon, občutljiv na dotik.

Zajem temperature – funkcijski blok FC1

Blok za zajem temperature je napisan v načinu LADDER. Za boljšo preglednost je

program razdeljen na mreže (network), ki si sledijo po zaporedju od zgoraj navzdol.

Vhodne vrednosti blokov se zajemajo iz simbolne tabele, ki predstavlja bazo vseh vhodno-

izhodnih podatkov.

Stran 59

Slika 52: FC1-mreža 1 – zajem analogne vrednosti

Blok na sliki 52 prebere vhodni celoštevilčni podatek iz analognega vhoda in ga shrani v

njemu prirejen DB.

Slika 53: FC1-mreža 2 – pretvorba iz vrednosti INTEGER v vrednost DOUBLE

INTEGER

Stran 60

Blok na sliki 53 poskrbi za pretvorbo iz vrednosti INTEGER (celoštevilčna vrednost) v

vrednost DOUBLE INTEGER.

Slika 54: FC1-mreža 3 – pretvorba iz vrednosti DOUBLE INTEGER v realno vrednost

Blok na sliki 54 poskrbi za pretvorbo iz vrednosti DOUBLE INTEGER v REALNO

vrednost.

Slika 55: FC1-mreža 4 – kalibracija za prikaz v stopinjah Celzija

Blok na sliki 55 pretvori realno vrednost v inženirsko vrednost (stopinje Celzija). Izhod

dajalca (PT100) je naravnan tako, da moramo, če želimo dobiti vrednost v stopinjah

Celzija, nastaviti 10-kratno slabljenje, kar pomeni, da moramo merjeno vrednost pomnožiti

z 0.1.

Stran 61

Slika 56: FC1-mreža 5 – okvara dajalca

Na sliki 56 je predstavljena logika ugotavljanja brezhibnega delovanja dajalca temperature.

Ker uporabljena sonda PT100 omogoča merjenje temperature od 0 °C do 150 °C, njeno

brezhibnost preizkusimo z dvema primerjalnima blokoma, ki preverjata ali je njeno

delovanje znotraj predpostavljenih vrednost(-10°C–150 °C) in v primeru prekoračitve

prožita signal okvara dajalca.

Stran 62

Slika 57: FC1-mreža 6 – prikaz OK-okna

Na sliki 57 je predstavljena logika za prikaz OK-okna na panelu. V primeru, da ni okvare

dajalca, se blok izvaja, sicer je neaktiven.

Slika 58: FC1-mreža 7 – prikaz temperature na panelu

Blok na sliki 58 poskrbi za prenos vrednosti temperature v stopinjah Celzija v njej prirejen

naslov v DB-ju ter posledično na prikazovalnik.

Stran 63

Slika 59: FC1-mreža 8 – preskaliranje

Blok na sliki 59 poskrbi za preskaliranje iz REALNE vredosti v vrednost INTEGER. To se

mora izvesti, ker se podatek o temperaturi preku turbinskega krmilnika posreduje sistemu

SCADA. Izhodne vrednosti fukcije UNSCALE so med 0 (0 °C) in 27648 (300 °C) .

Slika 60: FC1-mreža 9 – prenos na analogni izhod

Stran 64

Blok na sliki 60 poskrbi za prenos celoštevilčne vrednosti temperature v njej prirejen

naslov v DB-ju ter posledično na turbinski krmilnik.

Blok FC33

Merjenje povprečne temperature se izvaja v bloku FC33, ki prebere vrednosti temperature

ter na izhodu poda njihovo povprečno vrednost. Programska logika ugotavljanja povprečne

vrednosti prav tako upošteva, ali je katera sonda v okvari in jo v primeru okvare izloči iz

programskega algoritma povprečenja.

Regulacija tripoložajnega ventila – blok FB59

Funkcijski blok 59 se uporablja za krmiljenje aktuatorjev, ki so namenjeni regulaciji

temperature. Izhod je pozitiven ali negativen pulz. Pozitvna izhodna vrednost ventil odpira,

negativna izhodna vrednost ventil zapira. Parametre regulatorja vstavljamo v njemu

prirejenem DB-ju. Prav tako je potrebno v ta DB vnesti proporcionalno in integralno

ojačanje, dolžino izhodnega pulza ter želeno in trenutno vrednost regulirane veličine.

Način izvedbe prikazuje spodnja slika.

Stran 65

Slika 61: OB35-mreža 2 – avtomatsko krmiljenje ventila

Na sliki 61 je predstavljen blok tripoložajnega PI-regulatorja za avtomatsko regulacijo

mešalnega ventila.

Stran 66

Slika 62: OB35 mreža 3 – ročno krmiljenje ventila

Na sliki 62 je predstavljen blok tripoložajnega PI-regulatorja za ročno krmiljenje

mešalnega ventila.

Stran 67

10 ZAKLJUČEK

Avtomatizacija je izvedba procesa brez neposrednega človeškega vpliva. Seveda je

uporabnik (človek) vedno prisoten v ozadju in ima vse pod nadzorom, le da se od mesta

procesa vedno bolj oddaljuje. Na HE Formin so se odločili, da se 30 let stara oprema

sklopov temperaturnega nadzora in priprave hladilne vode zaradi iztrošenosti ter otežene

nabave nadomestnih delov zamenja. Funkcionalnost priprave hladilne vode in

temperaturnega nadzora je navzven ostala enaka tudi po obnovi. Do zamenjave je prišlo v

krmilni logiki, vendar so pogonski deli ostali nespremenjeni.

Diplomska naloga se navezuje na temperaturni nadzor navitja generatorja, opis in pripravo

hladilne vode, podroben opis regulacije mešalnega ventila, predstavitev tripoložajnega PI-

regulatorja in določitev parametrov regulatorja. Vanjo sem vključil tudi opise sestavnih

elementov pred posodobitvijo in po njej. Omejil pa sem se pri opisih delovanja mehanskih

delov (ventili, črpalke, filter, pogoni).

Projekt je bil realiziran v naslednjih fazah oz. postopkih: najprej je bilo potrebno izvesti in

potrditi idejni projekt, nakar je sledila priprava projekta za izvedbo, zatem pa še izdelava

programske opreme, namestitev ter testiranje. Po temeljitem preizkusu je bila strojna in

programska oprema dana v obratovanje.

Meni je bila dodeljena naloga, da iz funkcijske specifikacije napišem program v

programskem paketu STEP7. Ker je bil to moj prvi projekt v omenjenem programskem

jeziku, sem s pomočjo mentorja najprej podrobno spoznal program in se na preprostih

primerih naučil osnov načrtovanja programskih blokov. Nato sem prešel na dejanski

projekt, ki sem ga skupaj z napotki mentorja pripeljal do konca, tj. vse do realizacije na

objektu. Prav tako sem tudi načrtal program v WinCC za sprotno spremljanje delovanja

sistema preko zaslona, občutljivega na dotik.

Sedaj, ko je projekt zaključen in se v skladu z zahtevami izvaja na objektu ter v vseh

pogledih prekaša sistem pred posodobitvijo, lahko rečem, da je bil omenjen projekt zame

velik uspeh, saj sem skozi njegovo izvajanje potrdil in ponovil celotno znanje ki sem ga

Stran 68

pridobil pri šolanju na fakulteti, ter si tako pridobil veliko znanja, prakse ter novih

izkušenj, ki mi bodo koristile še v prihodnosti.

Stran 69

11 VIRI IN LITERATURA

[1] Peter Šega: Regulacija in sistemi, Ljubljana. 1988.

[2] Hans Berger: Automating with SIMATIC, Nemčija, 2006.

[3] Josef Weigmann: Decentralization with PROFIBUS DP/DPV1, Nemčija, 2003.

[4] SIEMENS, SIMATIC S7-300 Module data, Manual.

[5] SIEMENS, SIMOCODE pro, System Manual Edition 03/2007.

[6] ARHIV HE Formin.

[7]ihttp://www.automation.siemens.com/mcms/low-voltage/en/industrial-

controls/software-configuration/simocode-es/Pages/default.aspx

[8]ihttps://mall.automation.siemens.com/WW/guest/content.asp?mlfb=&aktTab=1&lang=e

n&nodeID=10020973

[9]ihttp://www.transcom.sk/sub/transcom.sk/images/pdfs/Cerabar_T_PMC_131_PMP_131

_PMP_135.pdf

[10]ihttp://www.automation.siemens.com/mcms/human-machine-interface/en/operator-

interfaces/touch-panel/series-170/simatic-tp-177b/Pages/Default.aspx

Stran 70

Življenjepis

Ime in priimek: Jure Grebenc

E-mail: [email protected]

Rojen: 14. 11. 1985, Slovenj Gradec

Osnovna šola: OŠ Radlje ob Dravi

Srednja šola: Srednja elektro-računalniška šola Maribor (SERŠ),

program: Elektrotehnik elektronik

Fakulteta: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Maribor,

program: Elektrotehnika, smer: Avtomatika

Stran 71

Stran 72

diplomska naloga 23.6.2010 popravljeno · 4.1 plc - programirljiv logi Čni krmilnik druŽine...

Documents