krmiljenje in scada nadzor ČrpaliŠČa Škajne jame – … · krmiljenje in scada nadzor...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Peter Zdolšek

KRMILJENJE IN SCADA NADZOR ČRPALIŠČA ŠKAJNE JAME – KONTI LIV

Diplomsko delo

Maribor, november 2008

Krmiljenje in scada nadzor črpališča Škajne jame – Kontiliv 2

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa


Študent: Peter Zdolšek Študijski program: visokošolski, Elektrotehnika Smer: Avtomatika

Mentor: red. prof. dr. Riko Šafarič Somentor: doc. dr. Nenad Muškinja

Maribor, november 2008


UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17

SKLEP


ZAHVALA

Zahvaljujem se red. prof. dr. Riku Šafariču in

somentorju doc. dr. Nenadu Muškinji za pomoč

in vodenje pri opravljanju diplomske naloge.

Velika zahvala gre podjetju ESOT d.o.o., ki mi je

omogočilo izdelavo diplomske naloge.

Posebna zahvala pa velja staršem, ki so mi

omogočili študij in me skozi to obdobje podpirali

ter spodbujali, ter ženi, ki mi je vedno v oporo.



Ključne besede: elektrotehnika, avtomatika, nadzorni sistem

UDK: 681.533.38 (043.2)

Povzetek

Diplomsko delo opisuje krmiljenje in nadzorni sistem črpališča škajne jame Konti liv.

Predstavlja tehnologijo črpanja vode ter Siemens Simatic strojno in programsko opremo.

Vsebuje opis krmilnega programa za krmiljenje črpalk ter opis izgleda nadzornega

sistema.


CONTROL AND SCADA SUPERVISION OF PUMPING STATION ŠKAJNE JAME – KONTI

LIV

Key words: electro techniques, automation, supervision system

UDK: 681.533.38 (043.2)

Abstract

This diploma work describes control and supervision of pumping station Škajne Jame

Kontiliv. It consists of representation of pumping technology for water and representation

of Siemens Simatic hardware and software. This work includes description of control

module for pumps as well as description of supervision program of the system.


KAZALO VSEBINE

1 UVOD 10

2 UPORABLJENA OPREMA 12

2.1 Opis elektro-strojne opreme 13

2.2 Sistem SCADA 20

3 PREDSTAVITEV ČRPALIŠČA 36

3.1 Opis stare izvedbe 36

3.2 Opis nove izvedbe 38

4 IZVEDBA PROGRAMA 45

4.1 Opis krmilnega programa 45

4.2 Opis nadzornega sistema 57

5 ZAKLJUČEK 68

6 VIRI, LITERATURA 70

7 PRILOGE 71


KAZALO SLIK

Poglavje 2 – Uporabljena oprema Slika 1: Poenostavljena tehnološka shema.......................................................................... 12 Slika 2: Meritev razdalje z ultrazvočnim merilnikom......................................................... 15 Slika 3: Elementi induktivnega merilnika pretoka .............................................................. 16 Slika 4: Hierarhija modela CIM .......................................................................................... 20 Slika 5: Splošna zgradba krmilnika..................................................................................... 22 Slika 6: Modularni sklop krmilnika..................................................................................... 22 Slika 7: Namestitev modulov na nosilec ............................................................................. 23 Slika 8: Centralna enota z CPE 315 ................................................................................... 24 Slika 9: Digitalni vhodni modul SM 321 z 32 vhodi........................................................... 25 Slika 10: Digitalni izhodni modul SM 322 z 32 izhodi....................................................... 25 Slika 11: Nadzorna plošča OP170B .................................................................................... 26 Slika 12: Linearna in strukturirana oblika programa........................................................... 33

Poglavje 3 – Predstavitev črpališča

Slika 13: statična karakteristika meritve nivoja vode.......................................................... 43 Slika 14: Statična karakteristika meritve pretoka................................................................ 44

Poglavje 4 – Izvedba programa Slika 15: Izvajanje OB1....................................................................................................... 47 Slika 16: Blokovna shema izvajanja FC8............................................................................ 48 Slika 17: FC8 mreža 1 – delovanje v primeru izpada meritve nivoja vode ........................ 49 Slika 18: FC8 mreža 2 – preklop prioritet glede na delovne ure črpalk.............................. 50 Slika 19: FC8 mreža 3 – preklop prioritet zaradi nevarnosti preliva .................................. 51 Slika 20: FC8 mreža 4 – ročni preklop prioritete na nadzornem sistemu ........................... 52 Slika 21: FC8 mreža 5 – zapis prioritete v podatkovni blok ............................................... 52 Slika 22: FC8 mreža 6 – ročni vklop črpalke za blato ........................................................ 53 Slika 23: FC8 mreža 7 – vklop črpalke 1 ............................................................................ 53 Slika 24: FC8 mreža 8 – izklop črpalke 1 ........................................................................... 54 Slika 25: FC8 mreža 9 – avtomatski vklop črpalke 2.......................................................... 55 Slika 26: FC8 mreža 10 – izklop črpalke 2 ......................................................................... 55 Slika 27: FC8 mreža 11 – vklop črpalke za blato................................................................ 56 Slika 28: FC8 mreža 12 – vpis stanja delovanja črpalk na izhode ...................................... 56 Slika 29: SCADA – okno z izpisom nepotrjenega alarma .................................................. 57 Slika 30: SCADA – naslovni prikaz.................................................................................... 58 Slika 31: SCADA – sistem .................................................................................................. 59 Slika 32: SCADA – avtomatsko upravljanje....................................................................... 60 Slika 33: SCADA – ročno upravljanje ................................................................................ 61 Slika 34: SCADA – nastavitve, meritve.............................................................................. 62 Slika 35: SCADA – trendi ................................................................................................... 63 Slika 36: SCADA – alarmi/stanja........................................................................................ 65 Slika 37: SCADA – servis ................................................................................................... 67


UPORABLJENE KRATICE

CIM – računalniško podprta proizvodnja (Computer Integrated Manufacturing)

CP – komunikacijski procesor (Communication Processor)

CPE – centralna procesna enota

FB – funkcijski blok (Function Block)

FBD – funkcijski diagram (Function Block Diagram)

FC – funkcija (Function)

FI – indikator pretoka

FM – funkcijski modul (Function Modul)

HMI – vmesni stoj-človek (Human-Machine Interface)

IM – povezovalni modul (Interface Modul)

LAD – lestenčni diagram (Ladder Diagram)

MES – sistem za odločanje o proizvodnji (Manufacturing Execution System)

MPI – večtočkovni vmesnik (Multi Point Interface)

MRP – sistem za upravljanje z materialom (material Requirements Planning)

OB – organizacijski blok (organisation Block)

OP – upravljalni prikazovalnik (Operation Panel)

OPC – podatkovni strežnik (Object Linking and Embedding)

PG, PC – Programirna naprava

PI – indikator tlaka

PTC – upor s pozitivnim temperaturnim koeficientom (Positive Temperature

Coefficient. Resistivity)

SCADA – nadzor, krmiljenje in zajemanje podatkov (Supervision, Control and Data

Acquisition)

SFC – posebna funkcija (Special Function)

SM – Signalni vhodno/izhodni modul

FS – pretočno stikalo

STL – lista ukazov (Statement List)

UPS – enota za neprekinjen napajanje (Uninterruptible power supply)


1 Uvod Za naročnika Petrol Energetika d.o.o., PE Štore, je potrebno obdelati tehnološko rešitev

prečrpavanja vode iz bazena 1 in bazena 2 pri škajni jami valjarne v podjetju Štore Steel

d.o.o. Na osnovi ogledov in seznanitve s problematiko je bilo ugotovljeno, da so obstoječe

črpalke s tlačno višino bistveno premajhne glede na pretok, ki bi ga naj zagotavljale v

delovni točki. Iz tega je moč sklepati, da delujejo v delovni točki pri manjšem pretoku, kar

pa glede na vse večje potrebe po hladilni vodi v proizvodnem procesu valjarne ne

zadostuje več. V podjetju so se odločili za popolno rekonstrukcijo črpališča, kar je bila tudi

tema tega diplomskega dela. Črpalke, ki so predmet rekonstrukcije, prečrpavajo vodo iz

bazena škajnih jam na čistilno napravo Bran Lube, kjer se voda prečisti in se preko črpalk

vodi nazaj v proizvodni proces.

Obstoječi črpalki sta dve, in sicer:

1. Črpalka, TIP 7CN3A

• Pretok Q= 111 l/s = 399,6 m3/h,

• Tlačna višina h = 15 mVs,

• Število vrtljajev n = 1475 min-1,

• Moč elektro motorja P = 22,7 kW in

• leto izdelave 1985 ter

2. Črpalka Litostroj, TIP 7CN3AS

• Pretok Q = 130 l/s = 468 m3/h,

• Tlačna višina h = 14,5 mVs,

• Število vrtljajev n = 1475 min-1,

• Moč elektro motorja P = 27,1 kW in

• leto izdelave 1985.

Skladno dogovoru z naročnikom je bil izdelan preračun cevne inštalacije DN250 in

DN300 pri pretoku Q = 600 m3/h, na osnovi katerega se določijo potrebni parametri za

izbiro dveh črpalk, za črpanje vode na čistilno napravo, delovne in rezervne.

Obstoječi črpalki Litostroj 7CN3AS in 7CN3A je potrebno nadomestiti z dvema

novima črpalkama, od katerih bi bili delovna in rezervna gnani s frekvenčnim regulatorjem

števila vrtljajev, in sicer na osnovi nivoja vode v rezervoarju. V ta namen je potrebno na

tlačnem cevovodu dimenzije DN300 vgraditi merilec pretoka. Podatki o pretoku se


prenašajo na krmilnik. S tem projektom se prav tako predvidi ustrezno nivojsko regulacijo

(meritev nivoja) hladilne vode in elektro-krmilni del. Nivojska regulacija je skupna za obe

črpalki.

To diplomsko delo v nadaljnjih petih poglavjih vsebuje opis potrebne opreme za

izvedbo rekonstrukcije, splošen opis nadzornega sistema SCADA (Supervision Control

And Data Aquisition) ter njen namen, kratek opis stare izvedbe črpališča in detajlen opis

novega sistema ter podroben opis nadzornega sistema SCADA, ki je bil zasnovan za

nadzor črpališča.

Opis vgrajene opreme vsebuje popis vgrajenih elementov za izvedbo rekonstrukcije.

Pri tem so našteti vsi elementi za izvedbo vodovodnih povezav, vsi zaporni elementi

(ventili in lopute), merilna oprema na cevovodih (manometri ipd.) ter tehnični podatki

izbranih črpalk.

Opis SCADA-sistema zajema tudi opis programiranja SCADA-sistema s programom

WinCC, ki je Siemensovo programsko orodje za izdelavo SCADA nadzornih sistemov. Ta

omogoča izdelavo podatkovnega strežnika, ki nam daje dostop do podatkov iz

industrijskega procesa ter s prenosom podatkov deluje kot most med industrijskim

sistemom in nadzornim sistemom. WinCC prav tako omogoča preprosto izdelavo

grafičnega okolja ter njegovo povezavo s podatkovnim strežnikom.

Opisa starega in novega sistema podajata nekaj tehničnih podatkov, ki so vzrok za

rekonstrukcijo in nekaj tehničnih podatkov novega sistema, ki odpravijo pomanjkljivosti

starega sistema.

V zadnjem poglavju se to diplomsko delo osredotoči na SCADA sistem, ki je bil

izdelan za rekonstruirano črpališče. Opis vsebuje izgled nadzornega sistema in nekaj

primerov programske kode. Glavna tema diplomskega dela vsebuje specifične podatke iz

praktičnega dela diplomskega dela.

Rezultat tega diplomskega dela je uspešno zagnan rekonstruiran sistem Škajne Jame v

železarni Štore Steel d.o.o. Sistem je bil uspešno zagnan v juniju 2007 in od takrat deluje

brez težav.


2 Uporabljena oprema

Pri načrtovanju novega obrata ima izvajalec običajno veliko več možnosti za

manipuliranje s prostorom, rešitvami in sredstvi kot pri izvajanju rekonstrukcije. Takrat je

izvajalec pogosto omejen s prostorom in z možnostjo nadgradnje sistema. Velikokrat je

potrebno odstraniti stare strojne- in elektroinštalacije ter jih nadomestiti z novimi.

V našem primeru smo se srečali z rekonstrukcijo črpališča. V ta namen je potrebno

izdelati tehnološko rešitev in narisati tehnološko shemo (slika 1). Potrebno je odstraniti vso

vodovodno inštalacijo, saj obstoječa ne zagotavlja zadostnega pretoka vode. Zamenjati je

potrebno tudi obe črpalki, ki ne zagotavljata zadostnega pretoka v delovni točki. Vgraditi

je potrebno tudi vso merilno opremo, ki bo služila za zaščito črpalk, krmiljenje aktuatorjev

(ventilov) in regulacijo pretoka.

Slika 1: Poenostavljena tehnološka shema1

1, 2 – črpalka EV – elektro magnetni ventil

LI – meritev nivoja vode PI – meritev tlaka

FS – pretočno stikalo

1 Detajlna tehnološka shema v prilogi 1.


2.1 Opis elektro-strojne opreme

2.1.1 Strojna oprema Strojna oprema sestoji iz črpalk, cevovodov, ventilov, sesalne posode ter raztezne opreme.

Črpalke Izbrani tip črpalke ustreza pogojem delovanja v železarski industriji, v našem primeru

za prečrpavanje hladilne oziroma tehnološke vode iz škajne jame valjarne. Vodo iz

bazenov škajnih jam je potrebno prečrpavati do čistilne naprave, kjer se očisti in vodi nazaj

v tehnološki proces. za določanje parametrov črpalke se na osnovi zahteve po pretoku in

podatkov o cevovodih izdela izračun (priloga 2). Podatki za izbor tipa črpalke so:

• pretok tehnološke vode: Q = 600 m3/h,

• celotna potrebna dobavna višina črpalke: Hman = 36,5 mVs,

• geodetska sesalna višina črpalke: Hs = 4,5 m,

• geodetska tlačna višina črpalke: Ht = 10,5 m,

• zalitost črpalke: DA, preko samosesalne posode,

• medij: tehnološka voda iz škajnih jam (drobni oksidni delčki, drobni opilki, olje…),

• termična zaščita črpalke: DA in

• število črpalk: 2; delovna in rezervna.

Na osnovi zgoraj podanih parametrov je bila izbrana črpalka proizvajalca Vogel.

Tehnični podatki izbrane črpalke:

– proizvajalec VOGEL

– tip L 150-400 U3NN 9004

– pretok 600 m3/h

– tlačna višina 36,5 mVs

– sesalni priključek DN200 mm

– tlačni priključek DN150 mm

– moč elektromotorja 90 kW

– moč v delovni točki 77 kW

– izkoristek črpalke v del. točki 76,2 %

– električni podatki ~3/50Hz/

– teža črpalke 966 kg

– gabaritne mere (DxŠxV) 1.649 x 740 x 860 mm


Cevovodi Stare inštalacije se nadomestijo s sesalnim cevovodom DN300, vključno z novim

sesalnim košem DN300, tlačnim cevovodom dimenzije DN250 in vključno z novimi

armaturami DN250 (nepovratna loputa DN250, zaporna loputa s polžnim pogonom

DN250, mehasti gumikompenzator). Zamenjava se je izvedla s stališča zmanjšanja

lokalnih in linijskih izgub. Izbira ustrezne črpalke in cevovodov se določi z izračunom

(izračun se nahaja v prilogi).

2.1.2 Elektro oprema Elektro oprema sestoji iz merilnikov, pogonov in krmilne opreme.

Merilniki Merilniki pretvarjajo neelektrično veličino in jo pretvarjajo v električno. Pretvorjen

signal lahko uporabimo pri krmiljenju ali regulaciji za ustrezno delovanje procesa.

Merjenje nivoja v rezervoarju Za merjenje nivoja rezervoarja smo vgradili ultrazvočno sondo za merjenje nivoja z

analognim izhodom 4-20 mA. Meritev je namenjena regulaciji pretoka vode črpalk.

Ultrazvočna meritev uporablja za meritev razdalje oddajnik in sprejemnik zvoka [5].

Oddajnik zvoka generira zvok visoke frekvence (54 kHz), ki je neslišen za človeka in

živali ter sprejema povratni val zvoka. Za meritev razdalje se upošteva znana hitrost

potovanja zvoka in izmerjen čas od oddajanja zvoka do njegovega sprejema (slika 2).


Prednost ultrazvočne meritve je neobčutljivost na nesnage v mediju. V našem primeru

pričakujemo prisotnost škaj in maščob.

Slika 2: Meritev razdalje z ultrazvočnim merilnikom

1. Ultrazvočna sonda Siemens tip 7ML5221-1AA11

kom 2

2. Merilnik Nivoja Siemens Sitrans LU

kom 2

Detekcija nivojev v rezervoarju Za detekcijo minimalnega, maksimalnega in prelivnega nivoja v rezervoarju so

vgrajena tri plovna stikala. Namenjena so zaščiti pred prelivom, kot rezervna meritev ob

eventualni napaki na ultrazvočni sondi in za alarmiranje.

Za nezvezno meritev nivoja smo izbrali merilnike z vibracijskimi vilicami. Tipalo

deluje na principu zaznavanja spremembe frekvence vibracij vilic [3].

3. Merilnik Nivoja Endress Hauser FTL20 – vibracijsko, nivojsko mejno stikalo

kom 2

Indikatorji pretoka Vsaka od črpalk ima na tlačnem vodu vgrajen detektor pretoka z relejskim izhodom.

Služijo za zaščito črpalk pred suhim tekom.

4. Indikator pretoka Johnson Controls tip S61-SB-9100

kom 2


Merjenje pretoka Za meritev pretoka je vgrajen merilec pretoka z impulznim izhodom in analognim

izhodom 4-20 mA. Na podlagi tega dobimo podatke o trenutnem pretoku in skupni količini

prečrpane vode.

Za meritev pretoka je izbran induktivni merilnik pretoka, ki meri inducirano napetost

med elektrodama, ki je proporcionalna moči magnetnega polja, hitrostjo pretoka medija in

razdaljo med elektrodama (slika 3) [4]. Magnetno polje se ustvarja med dvema tuljavama,

nameščenima na cevi.

Slika 3: Elementi induktivnega merilnika pretoka

U = B × v × D

B – moč magnetnega polja [T]

v – hitrost pretoka medija [m/s]

D – razdalja med elektrodama (premer cevi) [m]

5. Merilnik pretoka – Trasmiter Siemens MAG 5000

kom 1

6. Merilnik pretoka – senzor Siemens MAG 5100W

kom 1


Meritve tlaka Vsaka od črpalk ima na sesalnem in na tlačnem vodu vgrajen merilnik tlaka, ki nam

omogoča spremljanje delovnega območja, v katerem se črpalka nahaja.

Izbrane tlačne sonde uporabljajo za merjenje tlaka kapacitivni keramični senzor. Sonde

so zgrajene iz zelo robustnega ohišja, ki ima izdelan na merilnem mestu poseben kanal, po

katerem se tlak prenaša do kapacitivnega senzorja.

7. Tlačna sonda (-1 do 1 bar) Endress & Houser tip PMC131-A11F1A3E

kom 2

8. Tlačna sonda (0 do 10 bar) Endress & Houser tip PMC131-A11F1A1S

kom 2

Pogoni

Črpalki 1 in 2 (90 kW) Črpalki 1 in 2 sta krmiljeni in ščiteni preko dveh frekvenčnih pretvornikov, ki

zagotavljajo pretokovno zaščito, zaščito proti preobremenitvi in proti pregretju motorja

(PTC). Z njuno pomočjo reguliramo hitrost (pretok) črpalke glede na meritev nivoja v

rezervoarju in nastavitev na panelu.

9. Črpalka v centrifugalni izvedbi skupaj s kontraprirobnico, vijačnim in tesnilnim materialom.

Proizvajalec: Vogel Tip: L 150-400 U3NN 9004 pretok vode: 600 m3/h skupna tlačna višina: 36,5 mVs elektromotor: 400 V/90 kW

kpl. 2

Črpalka blato (3 kW) Za potrebe vzdrževanja, čiščenja in servisa opreme v črpališču smo uporabili obstoječo

črpalko moči 3 kW.


Frekvenčni pretvornik (90 kW) Za potrebe regulacije pretoka črpalk se vgradita frekvenčna pretvornika, za vsako

črpalko eden. Poleg regulacije frekvenčni pretvornik zagotavlja pretokovno zaščito, zaščito

proti preobremenitvi in proti pregretju motorja (PTC).

Frekvenčni pretvornik komunicira s krmilnikom preko digitalnih izhodov in vhodov.

Na samem frekvenčnem pretvorniku se nahaja panel, ki omogoča nastavljanje

parametrov delovanja pretvornika, omogoča pa tudi prikaz merjenih vrednosti.

10. Frekvenčni pretvornik Telemecanique ATV61HD90N4; 90 kW

Kos 2

Klima omare (1650W) Klima omare (MV1) preprečuje pregretje omare. Vključujemo jo glede na indikacijo

temperature.

11. Klima za hlajenje omare Telemecanique CLL1650T

kpl. 2

Ventili

EV – zalivanje in odzračevanje črpalk 1 in 2 Ventili služijo za zalivanje črpalk 1 in 2. Zalivanje poteka v avtomatskem režimu glede

na detekcijo nivoja v sesalni posodi črpalke.

Za zalivanje in odzračevanje so uporabljeni normalno zaprti elektromagnetni ventili.

Elektromagnetni ventil sestavlja ventil in elektromagnetni aktuator. V aktuatorju je

nameščena vzmet, ki drži ventil v normalnem stanju (breznapetostnem stanju) ter tuljava,

ki prestavi položaj ventila. V našem primeru uporabimo normalno zaprte ventile.

Normalno zaprti ventil je v breznapetostnem stanju (tuljava ne obratuje) zaprt. V primeru,

ko na tuljavo dovedemo napetost, se ventil odpre.

12. ElektroMagnetni ventil NC, 220 V

Kos 4

Daljinska signalizacija Sistem ima izvedeno daljinsko signalizacijo za dve dislocirani signalni omarici,

napajani s 110 V brezprekinitvenim napajanjem in z 230 V napajanjem. Signaliziramo

nevarnost preliva, izpad krmilne napetosti in delovanje posamezne črpalke.

Krmilna oprema Za potrebe krmiljenja sistema je potrebno vgraditi krmilnik SIMATIC S7-315-2 DP/PN

ter ustrezne razširitvene vhodne in izhodne module.


13. Krmilnik Siemens CPU 315-2 PN/DP

Kos 1

14. Digitalni vhodni modul z 32 digitalnimi vhodi DI 32 x DC 24 V

Kos 1

15. Digitalni izhodni modul z 32 digitalnimi izhodi DO 32 x DC 24 V

Kos 1

16. Analogni vhodni modul z osmimi 13-bitnimi analognimi vhodi AI 8 x 13 bit

Kos 1

17. Analogni izhodni modul z dvema 12-bitnima analognima izhodoma AO 2 x 12 bit

Kos 1

18. Posluževalni panel Siemens Simatic OP170B Kos 1 19. Etherenet switch – RJ45 + BFOC Kos 1

Opisana elektro-strojna oprema predstavlja opremo, ki je potrebna za rekonstrukcijo

črpališča.

Za avtomatsko delovanje pa potrebujemo še krmilni del, ki ga opisuje naslednje

poglavje.


2.2 Sistem SCADA Kratica SCADA je prenesena iz angleškega jezika in v slovenščini pomeni »nadzor,

krmiljenje in zajemanje podatkov« [1]. SCADA je le del celovitega sistema. Celovit sistem

predstavljajo strojna oprema in programska orodja, povezana v celoto, ki jo predstavljamo

z modelom CIM (Computer Integrated Manufacturing ali računalniško podprta

proizvodnja). CIM model je razdeljen na štiri plasti, ki zajemajo nivo od vodenja celotne

proizvodnje vse do krmiljenja proizvodnega procesa (slika 4).

Slika 4: Hierarhija modela CIM

Krmiljenje je najnižji del celotnega CIM-modela in predstavlja kontrolo in nadzor vseh

mehanskih in električnih sklopov, ki predstavljajo proizvodno linijo. Krmiljenje izvajajo

krmilne enote (PLC-ji). Sledi SCADA, ki je namenjena nadzoru proizvodnih procesov.

Nadzoruje delovanje krmilnih enot in preko tega vpliva na proizvodni proces. Naloge

SCADA-sistemov so nadzor, spremljanje in vodenje proizvodnje. Nad SCADA je MES-

sistem. MES-sistemi upravljajo vse informacije iz poslovnega vidika proizvodnje. MES-

sistem sporoča procesna navodila za proizvodnjo, sekvenčne ukaze in recepte, ki so

potrebni za proizvodnjo. MES sprejema iz SCADA sistema informacije iz proizvodnje.

Najvišje v CIM-modelu se nahaja MRP-sistem, ki vodi odločanje o vseh funkcijah

proizvodnje glede na podatke iz poslovnega in industrijskega okolja. Naloga sistema MRP

je torej priprava podatkov o teku proizvodnje na osnovi vseh razpoložljivih podatkov.

Za izvedbo nadzornega sistema SCADA je bil izbran Siemens WinCC.


2.2.1 Procesni krmilniki V avtomatiziranem procesu predstavlja PLC (Programabilni Logični Krmilnik)

nekakšno srce krmilnega sistema. Z aplikacijskim programom PLC ciklično preverja stanje

sistema preko povratnih signalov vhodnih naprav. Na osnovi teh signalov program vrši

nadaljnje 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.

Zmogljivost avtomatiziranega sistema je v veliki meri odvisna od zmogljivosti PLC-ja.

Ta mora omogočati branje različnih signalov avtomatskih vhodnih naprav in ročno

vnesenih podatkov, istočasno pa mora omogočati določanje izhodov.

Vhodne naprave se razlikujejo po namembnosti, kot so gumbi, stikala, tipkovnice ipd.

PLC vpliva na proces preko izhodnih naprav. Te so motorji, releji, kontaktorji, zvočna

signalizacija, ventili in podobno. V procesu tako ločimo dva tipa izhodnih naprav. Prvi tip

so aktuatorji, ki neposredno vplivajo na proces (ventili, releji ...), drugi tip pa so

signalizatorji (luči, zvočni signali ...).

Strojna oprema serije Simatic S7 Glavni element serije PCS7 so centralni procesorji. Ti so lahko uporabljeni specifično

za zajemanje podatkov (serija M) ali za krmiljenje in zajemanje hkrati (serija S) [2]. Poleg

glavnega procesorja (S7-400) ponuja serija PCS7 tudi manjše procesne enote (S7-300 in

S7-200), ki se uporabljajo za krmiljenje manjših procesov. Za večje procese, ki zajemajo

veliko manjših procesov, uporabljamo več procesorjev, ki jih preko mreže povežemo med

seboj. Centralni procesorji nam omogočajo celoten pregled nad avtomatizacijo, iskanje

napak v njej, sinhronizacijo, napredne funkcijske bloke in možnost izdelave lastnih blokov.

Poleg integracije PCS7 ponuja tudi globalizacijo. Procesne enote lahko povežemo v

mrežo in preko mreže na strežnik. Strežniki nam omogočajo povezavo z operaterji in s tem

gradnjo SCADA, MRP ali MES sistema ali pa celo povezavo z globalno mrežo.

Krmilnik je sestavljen iz več različnih komponent (slika 5). Z izbiro ustreznih

komponent lahko sestavimo takšno strukturo krmilnika, ki avtomatizirani napravi najbolj

ustreza.


Slika 5: Splošna zgradba krmilnika

Osrednji del krmilnika je CPE – centralno procesna enota. Ta procesira z vhodnimi

vrednostmi po navodilih programa, ki se nahaja v pomnilniku in ga napiše programer s

pomočjo programirne naprave. Vhodne naprave beležijo vrednosti tipal in senzorjev,

priključenih na njih. Preko izhodnih naprav CPE ukazuje aktuatorjem, ki izvršujejo naloge,

za katere so namenjeni. Krmilniki lahko med seboj komunicirajo s pomočjo

komunikacijskega procesorja CP in ustrezne povezave.

Slika 6: Modularni sklop krmilnika


Modularni krmilniki so v današnjem času najpogostejša in najpriročnejša oblika (slika

6). Dopuščajo svobodno izbiro in prosto dodajanje posameznih modulov glede na potrebe

ter zahteve sistema, ki ga avtomatiziramo. Montaža, servisiranje in vzdrževanje so

preprosti, ker se moduli enostavno sestavljajo in razstavljajo.

Slika 7: Namestitev modulov na nosilec

Krmilnike vedno namestimo na za to prirejene nosilce, ki so različnih dolžin (slika 7).

Nosilci so v omari lahko nameščeni vodoravno ali navpično, odvisno od razporeditve in

prostora v krmilni omari. Kadar avtomatizacija zahteva veliko število vhodnih ter izhodnih

signalov in ni mogoče namestiti vseh signalnih modulov (SM) na en nosilec, je potrebno

dodatne nosilce namestiti vzporedno, in sicer največ tri.

Pri razširitvi krmilnika na več nosilcev je pomembno, da se CPE nahaja na nosilcu 0, ki

je osrednji, ostali pa so razširitveni in nosijo oznake 1, 2 ter 3. To je pomembno pri

programiranju, ker so ti naslovi rezervirani za posamezne nosilce. Na razširitvene nosilce

je potrebno poleg signalnih modulov namestiti še (IM) povezovalne module, preko katerih

enote med seboj komunicirajo in pošiljajo podatke.

Centralna enota z mikroprocesorjem CPE 315 CPE je glava krmilnika in jo izberemo glede na zahtevnost avtomatizacije. Procesorska

enota CPE 315 je srednje zmogljiv in zelo robusten izdelek v svojem razredu (slika 8).

Uporablja se v sistemih, ki zahtevajo hitro obdelavo podatkov in dobre reakcijske čase. S

kapaciteto lastnega delovnega pomnilnika je primeren za srednje zahtevne programske

aplikacije.


Slika 8: Centralna enota z CPE 315

Mikroprocesorski čas pri CPE 314 je odvisen od vrste operacije[5]:

− bitne operacije 0,1 μs,

− operacije z besedami 0,2 μs,

− aritmetične operacije s konstantami 2,0 μs in

− aritmetične operacije s spremenljivkami 3,0 μs.

Enota razpolaga s tremi pomnilniki:

− hitri nerazširljivi delovni pomnilnik: 256 KB zlogov,

− sistemski pomnilnik 128 KB in

− MMC (Micro Memory Card) pomnilniška kartica: 8 M zlogov.

Mikroprocesor procesira s pomočjo blokov glede na vrednosti števcev, časovnikov in

markerjev. Ti so omejeni s številom in velikostjo prostora, ki ga razpolaga centralna enota.

Centralna enota omogoča komunikacijo s programirno (PG) in posluževalno napravo (OP),

poveže pa se lahko v omrežje. Vse naprave uporabljajo MPI komunikacijski sistem.

Digitalni vhodni (SM 321) in izhodni (SM 322) modul Poleg dobre centralne enote mora krmilnik vsebovati vmesnike, s pomočjo katerih

procesor dobiva informacije o stanju v procesu in vmesnike, preko katerih dodeljuje

naloge procesu. Pri tem projektu so bili uporabljeni le digitalni signali, in sicer digitalni

vhodni in izhodni moduli.


Slika 9: Digitalni vhodni modul SM 321 z 32 vhodi

Modul ima 32 vhodov, ki v odvisnosti od velikosti napetosti vhodnega signala

postavijo logično enico ali ničlo (slika 9) [5]. Če je velikost napetosti signala med 15 in 30

VDC, pomeni to logično enico. Logična ničla pomeni signal med –3 in +5 VDC. Vhodni

tok za vsak signal ima vrednost 7 mA, vhodna zakasnitev pa od 1,2 do 4,8 ms. Maksimalna

vrednost mirovnega toka je 1,5 mA. Na čelni strani modula je za vsak vhod kontrolna

dioda, ki ob signalu na vhodu sveti. Napajalna napetost modula je 24 VDC.

Slika 10: Digitalni izhodni modul SM 322 z 32 izhodi


Napajalna napetost izhodnega modula (slika 10) je 24 VDC. Logična enica je

definirana z vrednostjo 5 mA izhodnega toka, logična ničla pa s tokom 0,5 mA. Na čelni

strani modula je za vsak izhod postavljena kontrolna dioda, ki ob logični enici na izhodu

sveti.

Nadzorna plošča SIMATIC HMI OP170B Nadzorne plošče imajo v avtomatizaciji zelo pomembno vlogo. Med procesom

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

z nadzornimi ploščami v proces vnašamo podatke in zahteve ter tako vplivamo na

izvajanje samega procesa.

OP170B (slika 11) je naprava za upravljanje manj zahtevnih avtomatiziranih procesov.

Sestavljena je iz grafičnega prikaza (1), funkcijskih tipk (2) ter sistemske tipke (3).

Slika 11: Nadzorna plošča OP170B

[5] Grafični prikazovalnik omogoča prikaz slike v štirih različnih odtenkih modre.

Ločljivost prikaza je 320 x 240 pik. Okoli ekrana se nahajajo funkcijske tipke F1 – F8 in

K1 – K10, tem lahko po želji določimo njihove funkcije. Tipke K1–K10 imajo vgrajene

zelene svetleče diode, ki jih lahko krmilimo. Pod funkcijskimi tipkami se nahajajo

sistemske tipke, teh je 35 (kot so številčnica, smerne tipke, Esc, Ack, Enter, Del in Shift).

Simatic S7 in OP170B lahko komunicirata na dva načina:

1

2

3


− MPI (Multi Point Interface) in

− Profibus – DP.

2.2.2 SCADA Nadzor proizvodnih procesov je naloga SCADA-sistema. SCADA-sistemi nadzorujejo

delovanje krmilnih enot in preko tega nadzora vplivajo na proizvodni proces. Naloge

SCADA-sistemov so nadzor, spremljanje in vodenje proizvodnje. SCADA-sistemi

omogočajo veliko odprtost sistema, saj se lahko podatki zajemajo iz različnih virov,

ustrezno obdelajo in nato koristijo kot navodila za izvedbo proizvodnega procesa. Sodobni

SCADA sistemi imajo možnost povezave z raznovrstno programsko opremo. Te povezave

omogočijo 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.

Elementi 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 sistemu zajema sistem SCADA ter nadzorne

plošče panel. Za prikaz sistema SCADA sistem 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 priključka 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 iskanje napak v samem procesu. Prav iz tega razloga ima ES najvišji nivo

dostopa, medtem ko ima 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 o proizvodnji posredno

preko strežnikov, ki so povezani v industrijsko mrežo.

Nadzorne plošče se uporabljajo neposredno v proizvodnji. Navadno so nameščene v

bližini mesta procesa, ki ga krmilimo. Nadzorne plošče so povezane neposredno na


krmilnik in imajo neposreden dostop do podatkov o procesu. Tako lahko z nadzornimi

ploščami tudi neposredno vplivamo na proces.

Nadzorne plošče ali paneli so zelo raznoliki. Razlikujejo se po ekranu, tipkovnici,

procesni enoti, priključkih in funkciji. Ekrani so osrednji del panela. Lahko so barvni ali

črno-beli, lahko pa celo uporabimo ekran, občutljiv na dotik. Tipkovnice na panelih so

prilagojene velikosti in zmogljivosti panela; od preprostih tipk ob ekranu in številčnic vse

do tipkovnic z ASCII-naborom. Pomembno je tudi dobro izbrati procesno enoto. Procesne

enote najbolj preprostih panelov so namenjene grafičnemu prikazu in branju iz spomina in

vhoda. Procesne enote bolj zahtevnih panelov pa imajo tudi funkcijo pretvorbe signalov

(taki paneli imajo prigrajene vhode) ali celo zmožnost uporabe operacijskega sistema. Vsi

priključki na panelih so standardizirani. Navadno so na panelih nameščeni devetpinski

priključki za RS232 ali RS485-povezavo, najdemo pa tudi ProfiBus priključke, mrežne

priključke in podobno.

2.2.3 MES in MRP Sistemi MES predstavljajo most med proizvodnim okoljem in poslovnim svetom. To

povezavo dveh svetov so uvedli preko računalniških sistemov. V principu gre za

sodelovanje MES in SCADA-sistemov. SCADA-sistemi upravljajo vse informacije o

stanju proizvodnje, MES-sistemi pa vse informacije iz poslovnega vidika proizvodnje.

MES sistem sporoča procesna navodila za proizvodnjo, sekvenčne ukaze in najrazličnejše

recepte, ki so potrebni za proizvodnjo.

MRP je sistem, ki vodi odločanje o vseh funkcijah proizvodnje glede na podatke iz

poslovnega in industrijskega okolja [6]. Njegovi vlogi sta odločanje in vodenje celotnih

sistemov. MPR sistemi imajo nalogo priprave podatkov o teku proizvodnje. Na osnovi

vseh razpoložljivih podatkov tvorijo tako imenovane delovne naloge, ki se nato prenesejo

v MES sistem in dalje v proizvodnjo. Povratne informacije so povzetki stanj, ki služijo za

analizo celotnega procesa.

2.2.4 Industrijska omrežja Rast tehnologije v avtomatizaciji je povzročila, da tehnologija zdaj pokriva vsa

področja od procesa, nadzora proizvodnje do logistike podjetja. Komunikacije znotraj istih

nivojev so postale vse bolj direktne, kar pomeni, da komunikacijska partnerja komunicirata

brez posrednikov. Vse bolj pa postajajo direktne tudi komunikacije po hierarhični strukturi


navzgor. Industrijska omrežja v grobem razdelimo na štiri skupine oz. nivoje: 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

aciklično-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 ali

ProfiBus omrežja.

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.

Tipi povezav Vsako omrežje je zgrajeno iz povezav, ki povezujejo centrale, vozlišča, ojačevalnike in

podobno. Te povezave so med seboj lahko zelo različne, saj ima vsako omrežje svoje

lastnosti in posebnosti. Najpomembnejši lastnosti v omrežju sta hitrost komunikacije in

dolžina komunikacijskih vodnikov. Ta podatka zelo togo določata tip komunikacij. V

komunikacijah je namreč vedno potrebno zagotoviti komunikacijo, ki presega zahteve in

zagotavlja rezervo za nadgradnje v prihodnosti.

MPI MPI omrežje povezuje CPU-je s programirnimi napravami, od tod tudi ime: iz več mest

lahko dostopimo do CPU-ja. Možnost komunikacije preko MPI vmesnika nam omogoča

komunikacijo med večjimi procesnimi enotami in operacijskimi paneli hkrati. S tem lahko


komuniciramo med dvema procesnima enotama preko tabele “globalnih podatkov”, ki jih

procesna enota postreže na vodilo, bere pa jih tista enota, ki jih potrebuje. Hitrost prenosa

informacij v MPI omrežju je 187’5 kbaud.

Večtočkovni vmesniki (Multi-Point Interface) omogočajo priključitev do dvaintrideset

naprav, kot so: programirne naprave (PG, PC), nadzorne plošče (OP), krmilni sistemi S7-

300 ali S7-400 ...

Dolžina segmenta v MPI omrežju je omejena na največ 50 m; razdalja se upošteva od

prvega vozlišča do zadnjega v segmentu. Če potrebujemo daljšo povezavo moramo

uporabiti RS-485 repeator, saj je lahko med repeatorji dolžina kabla do 1000 m.

Profibus Koncept vodila je v skladu z ISO/OSI referenčnim modelom, od katerega so

uporabljene največ tri plasti:

− fizična plast (prva plast),

− povezovalna plast (druga plast) in

− aplikacijska past (sedma plast).

Poleg tega je definiran uporabniški vmesnik, ki skrbi za povezavo s povezovalno

plastjo.

ISO/OSI referenčni model definira sedemplastno strukturo, ki je razdeljena v dve

skupini. Plasti od ena do štiri vključujemo med omrežno orientirane plasti, ki skrbijo za

prenos podatkov iz ene v drugo lokacijo. Plasti pet do sedem pa so uporabniško orientirane

plasti, ki omogočajo uporabniku dostop do omrežja in njegovo uporabo. Komunikacija

med partnerjema se vrši tako, da določena plast komunicira le z enako plastjo pri drugem

komunikacijskem partnerju.

2.2.5 Programska oprema Simatic Krmilniki so naprave, ki nimajo nobene funkcije, dokler jim s programom ne povemo,

kako in kdaj naj se odzivajo. V programu so zajete naloge, ki jih programer s pomočjo

programa poda stroju, ta pa jih dosledno izvaja. Pri pisanju programov za krmilni sistem

Simatic S7 se uporabljata namenski programski orodji STEP 7 in WinCC Flexible. Orodje

STEP 7 se uporablja za pisanje krmilniških programov, WinCC Flexible pa za

programiranje nadzornih plošč.


Programsko orodje STEP 7 STEP 7 je programsko orodje Siemensovih krmilnikov serije 7 [2]. Programsko orodje

je možno namestiti na namenske PG (programirljive naprave), osebne računalnike ali

prenosne računalnike.

Paket STEP 7 nam omogoča:

− ustvarjanje in upravljanje s projekti,

− konfiguriranje in parametriranje strojne opreme,

− nastavitev komunikacijskih parametrov,

− kreiranje simbolnih list,

− pisanje programov,

− diagnostične funkcije in

− testiranje, zagon ter servis.

Zajeta orodja v programskem paketu STEP 7 so:

− Simatic upravitelj (Manager),

− simbolni urejevalnik (Symbol Editor),

− diagnostika strojne opreme (Hardware Diagnostic),

− programski jeziki LAD, STL, FBD,

− konfiguracija strojne opreme (Hardware Configuration) in

− konfiguracija omrežja (Communication Configuration).

Simatic upravitelj (Manager) je grafično okolje, ki omogoča upravljanje z

avtomatizacijskimi projekti in njegovimi podatki. Aktivirajo se lahko različna orodja,

uporabnik lahko bere in vpisuje v pomnilniško kartico ter vzpostavlja zvezo s sistemom za

avtomatizacijo.

S simbolnim urejevalnikom (Symbol Editor) se določijo imena simbolov, ki jih

uporabnik po želji komentira. Ustvari se jasen pregled nad krmilnimi vhodi in izhodi,

markerji, časovniki, funkcijami itd. Uporabnost simbolne liste se izkaže ob programiranju,

kjer se operira le s kratkimi simboli.

Diagnostika strojne opreme (Hardware Diagnostic) omogoča pregled stanja krmilnika

in ostale strojne opreme. Vsebuje informacije o prisotnih modulih, ki pa so odvisne od

vrste modula. V splošnem se izpišejo:

− osnovne informacije modula in status (naročniška številka, oznaka …),


− napake modula in

− prikaz sporočil iz diagnostičnega vmesnega pomnilnika.

Za centralno procesno enoto (CPE) se izpišejo naslednji podatki:

− vzroki in napake uporabniškega programa pri procesiranju,

− prikaz trajanja ciklov,

− MPI komunikacijske zmožnosti in

− prikaz podatkov o spominu (število števcev, časovnikov, markerjev, blokov ter

vhodov in izhodov).

Programski jezik je način pisanja programa. STEP 7 razpolaga s tremi oblikami pisanja

programov. Izbira se lahko med lestvičnim diagramom, naborom ukazov in funkcijsko

blokovnim diagramom.

− Statement List (STL) je program, napisan v tekstovni obliki kot nabor ukazov,

vključuje pa tudi nekatere visokonivojske rešitve.

− Ladder Logic (LAD) je grafičen način programiranja in je podoben

kontaktnemu načrtu.

− Function Bloc Diagram (FBD) je grafična oblika programskega jezika, ki

uporablja logične bloke Boolove algebre. Kompleksne funkcije so predstavljene

z logičnimi bloki.

Za delovanje napisanega programa si PLC prevede program napisan v jeziku LAD ali

FBD v STL, zato lahko uporabljamo v enem programu vse tri programske jezike.

Pri konfiguraciji strojne opreme se določijo osnovne lastnosti komponent, ki so zajete v

projektu in so sestavni del krmilnega sistema. Konfiguriranje modulov se izvaja za vsak

modul posebej.

Navadno se konfigurirajo naslednje komponente:

− nosilec modulov (Rack),

− centralno procesna enota (CPE),

− komunikacijski procesor (CP),

− vhodni in izhodni moduli (SM) in

− funkcijski modul (FM).

S konfiguracijo omrežja se postavijo omrežni komunikacijski parametri.


Programiranje v STEP 7 Glavna značilnost programskega orodja STEP 7 je strukturirano programiranje (slika

12) [1]. Ta oblika je zelo priporočljiva za začetnike, ker je program razdeljen na več

manjših sklopov, imenovanih bloki. Programiranje v tej obliki ponuja večjo preglednost,

enostavnejše popravljanje in razumevanje programa. Posamezne funkcije se lahko shranijo

v knjižnico in se jih lahko ponovno uporabi. Linearno programiranje se razlikuje od

strukturiranega po tem, da je program zapisan kot celota. Če se v programu kaj popravi, se

mora popraviti cel program. Za začetnike je ta oblika manj primerna.

Slika 12: Linearna in strukturirana oblika programa

Organizacijski blok (OB) nadzira celotni program. V njem je zapisana struktura in

zaporedje izvajanja programa. Je vezni člen med procesom in uporabniškim programom.

Lastnosti:

− uporabnikov dostop do operacijskega sistema,

− prioriteta po stopnjah in

− dodatne startne informacije v lokalnem skladu.

Funkcijski blok (FB) razpolaga s prirejenim podatkovnim blokom, v katerem se poleg

vhodnih in izhodnih parametrov shranjujejo tudi statistični podatki. Funkcijski bloki

zadržijo že obdelane podatke skozi več ciklov.

Funkcije (FC) so bloki, ki vsebujejo dele celotnega programa. Nimajo prirejenih

podatkovnih blokov, ampak ob pozivu uporabijo trenutne vhodne vrednosti. Vrednost

svoje funkcije postavijo po vsakem pozivu.


Podatkovni bloki (DB) so shramba lokalnih in globalnih podatkov. V njih se zbirajo

podatki, ki jih nato uporabljajo drugi bloki; navadno so prirejeni funkcijskim blokom ali pa

celotnemu projektu.

Nekatere funkcije, ki jih sistem uporablja, so integrirane v CPE, od koder se jih lahko

tudi kliče. Imenujemo jih sistemske funkcije (SFC) in sistemski funkcijski bloki (SFB).

Nadzirajo predvsem komunikacijske funkcije, delovanje ure, sistemskih števcev in

podobno. Sistemske funkcije lahko uporabnik aktivira brez pomnilnika, sistemski

funkcijski blok pa s pomočjo pomnilnika. Sistemski podatkovni blok (SDB) je blok s

podatki za konfiguracijo sistema in dodatnimi parametri. Sistem se nahaja v centralno

procesni enoti (CPE). Značilnost sistemskih blokov je, da imajo v vseh sistemih enaka

imena in številke, tako da lahko programe prenašamo na različne CPE-je.

Zgradba vseh blokov je enaka in ima naslednjo obliko:

− glava bloka,

− telo bloka in

− zgoščen zapis presečnega mesta bloka.

Glava bloka vsebuje naslednje podatke:

− kodo za sinhronizacijo,

− uporabniški ali standardni funkcijski blok,

− programski jezik (tip bloka),

− številko bloka,

− dolžino bloka v zlogih,

− gesla,

− stopnjo zaščite programa,

− žig s časom in datumom,

− število lokalnih podatkov in

− verzijo.

Telo bloka sestoji iz deklaracije in strojne kode programa. Pri podatkovnih blokih je

telo sestavljeno iz podatkov. En del določa povezovalna mesta in vse spremenljivke, ki

nastopajo v programu bloka, drugi pa strojno kodo programa.


Zgoščen zapis presečnega bloka vsebuje vse definicije iz dela deklaracij za vhode,

izhode in prehodne parametre ter podatke o lokalnih in začasnih spremenljivkah bloka. Pri

podatkovnih blokih so tu zapisani formati spremenljivk.

Zveza za vse uporabniške in sistemske bloke, ki naj se ciklično izvajajo, je

organizacijski blok OB1, ki ima prioritetni razred 1. Organizacijske bloke OB kliče

izključno operacijski sistem, ob točno določenih dogodkih in napakah, katerim so prirejeni.

Kje in kdaj se bodo obdelali, je odvisno od samega bloka. Organizacijski bloki lahko

vsebujejo normalen program, kot so funkcije ali funkcijski bloki, tudi z deklaracijo

parametrov. Bloki z enako prioriteto se ne prekinjajo, temveč se v celoti izvedejo drug za

drugim. Ob vsakem klicu organizacijskega bloka OB s strani operacijskega sistema se v

lokalni register zapišejo sistemske informacije. Register je dolg 20 zlogov in je uporabniku

na voljo takoj po začetku obdelave organizacijskega bloka. Dostop do zagonskih

informacij je možen v programu preko simboličnih oznak iz deklaracijskega bloka.

Obdelava programa v nekem organizacijskem bloku se začne, ko je končana obdelava

programa v organizacijskem bloku z višjo prioriteto. Prioritete so določene s številkami, in

sicer 1 – najnižja ter 28 – najvišja. Simatic S7 pozna osem prioritetnih razredov. Istočasno

so realizirane zahteve za prekinitev cikličnega programa v šestih razredih. Na primer, ko je

aktiviran OB100 (nov start) s prioriteto 27, ga ne more prekiniti OB1 s prioriteto 1. Bloki

OB80 do OB87 so namenjeni asinhronim napakam in imajo prioriteto 28. OB100 (nov

start) je prekinjen le v primeru, ko je prišlo do napake pri zagonu sistema.

V poglavju dva je bila opisana vsa potrebna oprema za izvedbo rekonstrukcije, katere

tehnologijo opisuje naslednje poglavje.


3 Predstavitev črpališča Opis črpališča zajema opis tehnologije stare in nove izvedbe črpališča.

3.1 Opis stare izvedbe Opis stare izvedbe vsebuje nekatere podatke, ki so pomembni za razvoj tehnološke rešitve.

3.1.1 Strojni del V jeklarni podjetja Štore Steel d.o.o. se pri proizvodnji jekla za hlajenje naprav na liniji

konti liva uporablja tehnološka hladilna voda.

Segreta in z delci škaje onesnažena voda priteče iz konti naprav v ciklon in naprej po

cevi DN 400 v škajno jamo širine 1 m, dolžine 5 m in globine 4,5 m. Od tu se s črpalko

prečrpa po cevi DN 300, ki se kmalu za tem zoži na DN 250 in pred vstopom v reaktor

nazaj razširi v DN 300.

V sami škajni jami se nahajata dve horizontalni črpalki proizvajalca Litostroj, letnik

1985, kapacitete vsaka po 468 m3/h, H = 14,5 m in moči 27,1 kW. Vsaka od črpalk

zagotavlja max. potrebe po prečrpavanju vode iz škajne jame v reaktor. Črpalki delujeta

izmenično (mesečna izmenjava), tako da so obratovalne ure obeh približno enake.

Zalivanje črpalk je izvedeno z dvema sesalnima posodama, ki se polnita po zaustavitvi

črpalk iz tlačnega cevovoda.

Ker se škajna jama (plato črpalk) nahaja približno 2,5 m pod nivojem naprav, od

katerih doteka voda v ciklon in naprej v škajno jamo, je ta pred zalitjem varovana z

mehansko zaporo. Zaprtje dotoka vode v škajno jamo je izvedeno avtomatsko (mehansko)

po prekoračitvi nastavljenega max. nivoja vode v škajni jami.

3.1.2 Elektro del

Krmiljenje sistema Krmiljenje črpališča se vrši z relejsko tehniko. V omari so vgrajeni krmilni releji, ki so

povezani v krmilni tokokrog. Vezava zagotavlja medsebojno odvisnost med napravami ter

pravilen zagon črpalk. Poleg relejev so v omari vgrajeni kontaktorji ter časovni releji za

vklop črpalk.

Na vratih elektro omare so nameščena krmilna stikala, signalne lučke, merilni

instrumenti ter glavno stikalo za vklop sistema. Krmilna stikala služijo za upravljanje s

sistemom (vklop in izklop naprav). Signalne lučke in merilni instrumenti omogočajo

operaterju nadzor nad sistemom ter zagotavljajo pomembne informacije o delovanju


sistema. Glavno stikalo služi za vklop in izklop napajanja elektro omare. Z glavnim

stikalom torej izklopimo ali vklopimo sistem.

Regulacija delovanja Komandna omara za nadzor in upravljanje črpalk se napaja izven škajne jame v nivoju

terena. Regulacija črpalk je izvedena z nivojskim stikalom za vklop in izklop črpalke glede

na višino vode v sami jami.

Avtomatizacija sistema Obstoječ sistem nima izvedene avtomatizacije. Za ustrezno delovanje sistema mora biti

vedno prisoten operater.

Sistem ima izvedeno daljinsko signalizacijo delovanja na oddaljeno nadzorno mesto,

kjer ima operater izvedeno signalizacijo z lučkami. V primeru okvare ali potrebe po

spremembi v obratovanju je potrebno sistem upravljati neposredno na krmilni omari.


3.2 Opis nove izvedbe Na osnovi potreb in zahtev sistema se je izdelala tehnološka shema (slika 1). V tej so se

predvidela merilna oprema, zaporni elementi ter ostala oprema, potrebna za delovanje.

V rekonstruiranem črpališču škajnih jam se nahajata dve črpalki, in sicer dve novi

proizvajalca Vogel.

Glavna – delovna črpalka je črpalka z manj delovnimi urami gnana s frekvenčnim

pretvornikom z regulacijo števila vrtljajev proizvajalca Telemecanique, ki je vgrajen v

novi elektro-krmilni omari. Črpalka pri maksimalni frekvenci vrtenja in v znani delovni

točki črpa Q = 600 m3/h tehnološke vode na čistilno napravo. Frekvenca vrtenja glavne

črpalke je odvisna od nivoja vode v bazenu, za kar je vgrajena zvezna meritev nivoja vode

v bazenu z izhodom 4 – 20 mA v elektro omaro.

V primeru izpada glavne delovne črpalke gre v pogon rezervna črpalka, ki je prav tako

frekvenčno vodena. Vklop in izklop te črpalke je izveden na osnovi zvezne meritve.

Črpalki se pri normalnem delovanju izmenjujeta v delovanju na osnovi števila

obratovalnih ur (črpalki imata približno enako število obratovalnih ur).

Za posluževanje obeh črpalk, ki sta predmet te rekonstrukcije in prikaz vseh

parametrov (delovanje črpalk, prikaz nivoja vode, prikaz alarmov, pretok vode, prikaz

zgodovine delovanja, ročno, avtomatsko delovanje) in morebitno potrebno enostavno

prenastavljanje, je v elektro-krmilno omaro vgrajen krmilnik Siemens Simatic, ki omogoča

nadzor nad delovanjem in upravljanjem sistema.

3.2.1 Strojni del opreme V črpališču se odstrani obstoječi del cevovoda DN250 in DN200 na sesalni in tlačni

strani vsake črpalke 1 in 2, vključno z vgrajenimi armaturami DN200 (nepovratni ventil

DN200, zasun DN200, sesalni koš DN250), nadomesti se s sesalnim cevovodom DN300,

vključno z novim sesalnim košem DN300 ter tlačnim cevovodom dimenzije DN250 in z

novimi armaturami DN250 (nepovratna loputa DN250, zaporna loputa s polžnim pogonom

DN250, mehasti gumi kompenzator).

Prav tako je potrebno z večjo sesalno cevjo povečati volumen v samosesalni posodi.

Samosesalno posodo je potrebno zamenjati s posodo volumna 1,1 m3.


3.2.2 Delovanje sistema črpališča škajne jame konti liv

Režim delovanja Sistem deluje v treh režimih delovanja, v avtomatskem, ročnem in servisnem režimu.

V avtomatskem režimu (izbor na panelu) deluje sistem glede na nastavitve sistema.

Aktivne so vse integrirane zaščite.

V ročnem režimu (izbor na panelu) deluje sistem glede na akcije, ki jih izvaja

posluževalec na panelu oz. nadzornem sistemu. Aktivne so vse integrirane zaščite.

V servisnem režimu lahko posluževalec preko stikal na vratah omare izključi

posamezno črpalko oz. jo postavi v pogon. V tem primeru je aktivna le nadtokovna zaščita

posameznega pogona.

Črpalke Črpalke so regulirane na osnovi zvezne meritve nivoja v rezervoarju. Ko nivo preseže

nastavljeno vrednost, se vklopi črpalka z manj delovnimi urami. Hitrost vrtljajev je

regulirana na osnovi nivoja v rezervoarju in nastavitve želene vrednosti nivoja. Ko nivo

pade pod nastavljeno vrednost, se črpalka izklopi.

V primeru izpada delovne črpalke se samodejno vključi rezervna črpalka. Prav tako se

samodejno vključi rezervna črpalka, če pride do nevarnosti preliva rezervoarja.

Nastavita se tudi vrednosti zaščita pred suhim tekom in nevarnost preliva rezervoarja.

V primeru izpada zvezne meritve nivoja deluje sistem preko plovnih stikal. Delovna

črpalka se vključi, ko nivo vode preseže maksimalni nivo, in se izključi, ko pade pod

minimalni nivo. Če nivo vode preseže nivo, ki detektira nevarnost preliva, se vključi

rezervna črpalka.

Zaradi omejene moči, ki je na razpolago, je onemogočeno hkratno delovanje obeh

črpalk.

Zalivanje črpalk Na osnovi detekcije nivoja vode v samosesalni posodi se uredi avtomatsko zalivanje

dveh novih črpalk. Polnjenje in odzračevanje se izvaja na priključku samosesalne posode

preko dveh normalno zaprtih elektromagnetnih ventilov. Faza avtomatskega zalivanje se

vrši po zaustavitvi črpalk Vogel. Predvidi se možnost ročnega zalivanja posode mimo

elektromagnetnega ventila. Za odzračevanje se vgradi dodaten elektromagnetni ventil

(NC).


3.2.3 Krmiljenje, napajanje, upravljanje

Elektro omara V elektro omari so vgrajene vse napajalne in krmilne naprave. Na vratih omare sta

vgrajena glavno stikalo ter posluževalna oprema.

Posamezni tokokrogi so ščiteni z varovalkami, instalacijskimi odklopniki in

motorskimi zaščitnimi stikali. Izvedena je sekundarna prenapetostna zaščita.

Napajanje krmiljenja in signalizacije je izvedeno z brezprekinitvenim napajanjem, kar

omogoča nemoteno delovanje ob preklopu napajanj. Prav tako je izvedeno ustrezno

alarmiranje ob izpadih.

Glede na toplotne izgube v omari je izvedena ustrezna klimatizacija omare, kar prav

tako povečuje varnost delovanja sistema.

Krmiljenje Krmiljenje je izvedeno s krmilnikom SIMATIC S7-315-2 DP/PN in ustreznimi

razširitvenimi vhodno izhodnimi karticami. Krmilnik komunicira s panelom preko MPI

komunikacije, z nadzornim sistemom pa preko Ethernet komunikacije, preko

komunikacijskega vmesnika, ki omogoča optično povezavo.

Krmilnik sestavljajo modularne enote, vsaka od njih ima svojo funkcijo. Za potrebe

našega sistema potrebujemo:

− centralno enoto S7-315 2DP/PN,

− digitalni vhodni modul z 32 digitalnimi 24 V vhodi enosmerne napetosti,

− digitalni izhodni modul z 32 digitalnimi 24 V izhodi enosmerne napetosti,

− analogni vhodni modul z osmimi 13-bitnimi nastavljivimi analognimi vhodi

(omogočajo 0 – 10 V, 0 – 20 mA, 4 – 20 mA ter uporovne vhode),

− analogni izhodni modul z dvema 12-bitnima analognima izhodoma. Modul

omogoča izbiro izhoda med 0 – 10 V in 1 – 20 mA.

Panel Na omari je vgrajen Simatic prikazovalnik OP170B, preko katerega je možno

spremljati delovanje sistema in upravljanje s sistemom. Prav tako je moč spreminjati

nastavitve sistema. Mogoče je spremljati alarme in stanja sistema, stanje in trende meritev

v skladu z zahtevami projektnih pogojev. Posamezne akcije na panelu so zaščitene z

ustreznimi nivoji dostopa (vpis gesla).


Nadzorni sistem V nadzornem prostoru čistilne naprave »Braun-Lube« je preko nadzornega sistema

WinCC moč nadzorovati delovanje sistema, parametrov sistema. Omogočen je vklop in

izklop sistema in vseh naprav v ročnem ter avtomatskem režimu. Izvedeno je alarmiranje

in prikaz stanj sistema. Preko prikazov trendov in arhivov je omogočena optimizacija

sistema.

Alarmiranje Za sistem je izvedeno popolno alarmiranje preko posluževalnega panela in nadzornega

sistema za vsa stanja, ki za sistem niso normalna (izpadi zaščit, napake na pogonih in

napravah, napake meritev, komunikacij in krmilnih elementov, stanja meritev izven

predpisanih vrednosti …). Prav tako je povsod izveden pregled stanj posameznih naprav v

sistemu.

Signalizacija Signalizacija za sistem je izvedena na omari, kjer so signalne lučke in zvočna

signalizacija. V nadzornem prostoru čistilne naprave »Braun-Lube« je izvedena

signalizacija delovanja posamezne črpalke in nevarnosti preliva rezervoarja.

3.2.4 Varnost v delovanju

Brezprekinitveno napajanje Brezprekinitveno napajanje krmiljenja in signalizacije v posamezni omari omogoča

ustrezne akcije krmiljenja in alarmiranja ob izpadih napetosti in preklopih med viri

napajanja.

Brezprekinitveno napajanje računalnika nadzornih sistemov omogoča nadzor tudi ob

eventualnem izpadu omrežne napetosti.

Varnost v delovanju črpalk Vsak črpalni sklop ima poleg delovnih še rezervno črpalko. V normalnem režimu

deluje delovna črpalka (s prioriteto), ob njeni napaki pa se vključi rezervna. Prioriteta

črpalk se menjuje ob vklopu črpalk ali ročno na panelu. Na ta način zagotavljamo približno

enake delovne ure črpalk in preprečujemo napako zaradi predolgega zastoja črpalke.

Zaradi omejene moči, ki je na razpolago, je onemogočeno hkratno delovanje obeh

črpalk.


Varnost v meritvi nivoja Poleg zvezne meritve nivoja vode imamo detekcijo ključnih nivojev s plovnimi stikali,

kar nam omogoča delovanje ob izpadu zvezne meritve nivoja.

3.2.5 Nadzorni sistem Nadzorni sistem deluje na osebnem računalniku s konfiguracijo:

− procesor 2,8 GHz,

− pomnilnik 1024 MB Ram,

− trdi disk 160 GB,

− LAN 10/100/1000,

− DVD RW +/- enota (za arhiviranje podatkov),

− 19'' barvni monitor in

− operacijski sistem Windows XP.

Na tem računalniku se instalira platforma Siemens WINCC Flexible in OPC server

istega proizvajalca.

Računalnik nadzornega sistema se napaja preko lastnega brezprekinitvenega napajanja

UPS.

V nadzornem prostoru čistilne naprave »Braun-Lube« je izveden nadzorni sistem

sistema, ki omogoča nadzor delovanja sistema, parametrov sistema. Omogočen je vklop in

izklop sistema in vseh naprav v ročnem in avtomatskem režimu. Izvedeno je alarmiranje in

prikaz stanj sistema. Posamezni sklopi sistema so prikazani podrobno na ločenih prikazih.

Ločeni so prikazi za upravljanje sistema in pregled njegovega delovanja, stanj in trendov

posameznih meritev. Prikazane so vse merjene vrednosti in njihovi trendi. Meritve se

periodično arhivirajo, prav tako se arhivirajo vse spremembe nastavitev.

3.2.6 Meritve neelektričnih veličin

Meritev nivoja vode v bazenu Za merjenje nivoja vode v rezervoarju se vgradi senzor za zvezno meritev nivoja.

Zaradi prisotnosti olj in nečistoč v vodi se uporabi ultrazvočna sonda z analognim izhodom

4 – 20 mA. Na osnovi te meritve krmilimo črpalke in reguliramo delovno črpalko.

Ultrazvočna sonda ima linearno statično karakteristiko (slika 13).


Slika 13: statična karakteristika meritve nivoja vode.

Za detekcijo minimalnega, maksimalnega in prelivnega nivoja v rezervoarju se

vgradijo še tri plovna stikala.

Zaščita proti suhemu teku Za zaščito proti suhemu teku črpalk se na tlačni strani vsake črpalke vgradijo detektorji

pretoka (Flow-switch). V primeru, da je izpolnjen pogoj ''ni pretoka'', flow-switch pošlje

signal v elektro omaro in posamezna črpalka se izklopi. Vklopi se rezervna črpalka.

Meritev tlaka Vgradijo se manometri za meritev vseh potrebnih tlakov na samosesalnih posodah, na

sesalni strani črpalk ter na tlačni strani, pred in za zaporno loputo.

Na obeh črpalkah, se na tlačni in sesalni strani vgradijo merilci tlaka proizvajalca

Endress+Hauser za daljinsko odčitavanje.


Meritev pretoka vode Smiselno je izvesti tudi meritev pretoka vode na cevovodu DN300, kar nam omogoča

pregled nad količino prečrpane vode za potrebe tehnološkega procesa, možna pa je tudi

mesečna točna kontrola nad količino vode. V ta namen se predvidi elektromagnetni

merilec pretoka vode z izhodom 4 – 20 mA. Merilnik ima linearno karakteristiko meritve

pretoka (slika 14).

Slika 14: Statična karakteristika meritve pretoka


4 Izvedba programa Da postane krmilnik uporaben, potrebuje krmilni program, in da krmilni program dobi

funkcijo krmiljenega procesa, potrebujemo sistem za upravljanje. V našem primeru smo za

upravljanje s sistemom izdelali SCADA nadzorni sistem.

4.1 Opis krmilnega programa Za lažji pregled programa je najprej potrebno razumeti namen blokov:

Oznaka Ime bloka Jezik pisanja

Namen

OB1 Glavni program LAD Je glavni program za pisanje krmilnih navodil za proces.

OB80 Napaka časa cikla STL Služi za odkrivanje napak v izvajanju cikla celotnega programa.

OB100 Ponovni zagon LAD Omogoča iskanje napake v primeru izpada krmilnika.

OB121 Napaka programa LAD Uporablja se za iskanje napak v programu.

OB122 Napaka modulov LAD Koristi za odkrivanje napak v komunikaciji med moduli.

FC1 Delovanje LAD Služi za preverjanje pogojev za delovanje podsistemov.

FC8 Črpalka LAD Služi za preverjanje pogojev za delovanje črpalk ter aktivira digitalne izhode za delovanje črpalk.

FC9 Ventili LAD Služi za preverjanje pogojev za delovanje črpalk ter aktivira digitalne izhode za delovanje črpalk.

FC20 Ura panela LAD Pisanje stanja ure krmilnika na uro panela.

FC26 EQU byte LAD Blok se uporablja za prepisovanje vrednosti v drugačen format.

FC31 Pogon LAD Blok za pripravljanje dodatnih pogojev za delovanje pogonov.

FC40 Regulacija nivoja LAD V bloku se izvede primerjava želenih vrednosti z izmerjenimi.

FC53 Analogna meritev LAD V bloku se vrši branje stanja analognih vhodov ter njihovo prepisovanje v podatkovni blok.

FC65 Števec ur LAD V bloku se za prekol delovne črpalke

FC97 Avtomatska ponastavitev alarmov

LAD Izklop neaktivnih alarmov.

FC99 Alarmi LAD Vklop alarmov za pogone, ki so v okvari.


FC105 Skaliranje – ojačanje STL Blok se uporablja za ojačanje merjenih analognih vrednosti.

FC106 Skaliranje – šibenje STL Blok se uporablja za šibenje merjenih analognih vrednosti.

FB4 Ura LAD Blok za prepisovanje stanja ure krmilnika.

FB22 Števec vode LAD Spominski blok za shranjevanje podatkov o meritvi pretoka.

DB4 Urnik LAD Spominski blok za shranjevanje podatkov o urniku.

DB20 Ura - panel LAD Spominski blok za shranjevanje podatkov o uri za upravljalni panel.

DB22 Števec vode LAD Spominski blok za shranjevanje podatkov o merjenju pretoka vode.

DB31 Naprave LAD Spominski blok za shranjevanje podatkov o vklopu naprav.

DB40 Nivo LAD Spominski blok za shranjevanje podatkov o nivoju vode v rezervoarju.

DB53 Analogni vhodi LAD Spominski blok za shranjevanje podatkov o analogni meritvi.

DB65 Števec ure LAD Spominski blok za shranjevanje podatkov o stanju delovnih ur.

DB97 Avtomatski reset LAD Spominski blok za shranjevanje podatkov o avtomatskem resetu.

DB99 Alarm LAD Blok je uporabljen za shranjevanje stanj alarmov.

SFC1 Branje ure STL Je del Simatic paketa in omogoča branje sistemske ure. V našem programu prepisujemo stanje ure v podatkovni blok. Podatkovni blok nato uporabljamo na nadzornem sistemu SCADA za sinhronizacijo s procesorjem.


Bloki so povezani med seboj v krmilnem programu. Vrstni red izvajanja programa

določimo z vrstnim redom klicanja blokov iz glavnega bloka OB1 (slika 15).

Slika 15: Izvajanje OB1


Vsaka od funkcij nosi posebno nalogo. Med izvajanjem naloge funkcija bere potrebne

podatke iz spominskega registra in prepisuje obdelane podatke v podatkovne bloke.

Podatki, ki jih obdelujemo, so ali merjene vrednosti digitalnih in analognih vhodov ali

ukazi nadzornega sistema ali stanje ure ali kaj drugega. Zaradi obsežnosti programov bo v

tem poglavju podrobno opisan blok FC8.

Blok FC8 je funkcija, napisana za krmiljenje črpalk črpališča Škajne jame Konti liv.

Glavna naloga našega sistema je prečrpavanje vode iz bazena na čistilno napravo, zato je

to osrednji blok našega programa.

Potek izvajanja funkcije je prikazan na spodnji blokovni shemi (slika 16). Shema

predstavlja pregled nad izvajanjem posameznih nalog v sami funkciji, ki jo kličemo iz

OB1. FC8 torej ni ciklična funkcija, ampak jo ob vsakem novem ciklu OB1 ponovno

kličemo in preverimo stanja spremenljivk.

Slika 16: Blokovna shema izvajanja FC8


Blok je pisan v jeziku LAD, ki programerju omogoča pisanje programa od leve proti

desni z uporabo logičnih vrat. Za boljši pregled je blok sestavljen iz več mrež, vsaka

izvede en del programa (manjšo nalogo). Za pisanje programa se uporabljajo logična vrata

in funkcije. Ti so vezani na podatkovne bloke preko simbolnih naslovov (priloga 3).

V mreži se preveri nivo vode v rezervoarju za primer izpada analogne meritve.

Slika 17: FC8 mreža 1 – delovanje v primeru izpada meritve nivoja vode


V prvem delu se preveri pogoje za delovanje (minimalni nivo, stanje črpalk). V drugem

delu se primerja število obratovalnih ur črpalk. Po potrebi se izvede preklop prioritet

črpalk.

Slika 18: FC8 mreža 2 – preklop prioritet glede na delovne ure črpalk


V primeru nevarnosti preliva je potrebno vklopiti črpalko, ki se nahaja v rezervoarju s

previsokim nivojem vode.

Slika 19: FC8 mreža 3 – preklop prioritet zaradi nevarnosti preliva


Ročni režim delovanja omogoča ročni preklop prioritete delovanja črpalk.

Slika 20: FC8 mreža 4 – ročni preklop prioritete na nadzornem sistemu

Glede na prej nastavljen parameter za prioriteto se nastavijo prioritete za vsako črpalko

posebej. Stanji prioritet črpalk sta si nasprotni.

Slika 21: FC8 mreža 5 – zapis prioritete v podatkovni blok


Ročni režim delovanja omogoča ročni vklop črpalke za blato.

Slika 22: FC8 mreža 6 – ročni vklop črpalke za blato

Za vklop črpalke 1 program najprej preveri, ali je naprava na voljo. V primeru da je, je

izvedeno ločeno preverjanje pogojev za delovanje v ročnem ali avtomatskem režimu

delovanja. V ročnem režimu se preverja stanje signala za ročni vklop, medtem ko se v

avtomatskem režimu delovanja preverja pogoje, ki definirajo vklop črpalke (nivo vode v

rezervoarju, stanje prioritet, delovanje črpalke 2 ipd.).

Slika 23: FC8 mreža 7 – vklop črpalke 1


Izklop naprave ima v programu prioriteto. Zato se stanje za izklop kasneje vpiše v

podatkovni blok in tako prepiše podatek o vklopu črpalke.

Program preverja več pogojev za izklop črpalke 1. Poleg pogojev za delovanje v

avtomatskem ali ročnem režimu delovanja program ponovno preveri, ali deluje črpalka 2.

Istočasno delovanje črpalk je izključeno.

Slika 24: FC8 mreža 8 – izklop črpalke 1


Program za vklop črpalke 2 je skoraj enak programu za vklop črpalke 1, razlikujeta se v

prioriteti, ki sta si nasprotni.

Slika 25: FC8 mreža 9 – avtomatski vklop črpalke 2

Prav tako kot vklop se tudi izklop črpalke 2 ne razlikuje dosti od izklopa črpalke 1.

Slika 26: FC8 mreža 10 – izklop črpalke 2


Za vklop črpalke blato se preverja, ali je črpalka na voljo za vklop ter stanje signala za

ročni vklop črpalke (črpalko je možno vklopiti le ročno na elektro omari).

Slika 27: FC8 mreža 11 – vklop črpalke za blato

V zadnji fazi programa se na izhod krmilnika prepiše stanje za vklop posameznega

programa. To se ne izvaja med samim preverjanjem, ker bi to lahko povzročilo nepotrebno

vklapljanje pogonov pred preverjanjem pogojev za izklop.

Slika 28: FC8 mreža 12 – vpis stanja delovanja črpalk na izhode


4.2 Opis nadzornega sistema Nadzorni sistem omogoča operaterju enostavno upravljanje s sistemom preko

grafičnega vmesnika. Okolje nadzornega sistema mora biti narejeno preprosto ter

pregledno, hkrati pa mora zagotavljati kvaliteten pregled nad trenutnim dogajanjem v

procesu ter pregled nad dogajanjem že preteklega časa obratovanja.

4.2.1 Alarmiranje V primeru ko se v sistemu pojavi nov alarm, se nam pokaže utripajoči znak in se odpre

okno z izpisom nepotrjenega alarma:

Znak za alarm – kadar je na panelu viden ta znak, je v sistemu prisoten alarm.

Utripajoč znak pomeni, da alarm ni potrjen.

Številka pomeni število prisotnih alarmov.

Ko odpremo okno z alarmi se prikažejo trenutni alarmi (slika 29). Okno omogoča

pregled prisotnih alarmov ter njihovo potrditev. Po potrditvi znak ne utripa več.

Slika 29: SCADA – okno z izpisom nepotrjenega alarma


4.2.2 Naslovni prikaz Vsako okno prikaza je sestavljeno iz dveh delov. Zgoraj se nahaja fiksno okno, ki se ne

razlikuje med prikazi. Pod fiksnim oknom se nahaja spremenljivo okno.

V fiksnem oknu se nahajajo osnovne bližnjice do drugih zaslonov, čas in datum na

krmilniku, prikaz trenutnega stanja sistema, trenutnega nivoja vode v rezervoarju in tipka

za reset alarmov sistema.

Na naslovnem prikazu (slika 30) imamo osnovne podatke o dobavitelju opreme,

kontaktne številke in naslov. Na oknu se nahaja tudi tipka za izhod iz nadzornega sistema.

Slika 30: SCADA – naslovni prikaz


4.2.3 Sistem Na prikazu se nahaja poenostavljena tehnološka shema (slika 31). Ob vsaki napravi se

nahaja prikaz stanja. Prikaz omogoča preverjanje stanj z grafičnim in numeričnim

prikazom.

Na prikazu se nahaja grafični in numerični prikaz nivoja v rezervoarju (LI1) ter prikaz

stanja plovnih stikal (min, max, preliv). Prikazano je delovanje, stanje alarmov in blokade

črpalk 1 in 2. Za sesalni posodi črpalk 1 in 2 je prikazano stanje ventilov (EV) in

detektorja nivoja (LS) v posodi ter stanje alarma in blokade sistema za zalivanje črpalk.

Prikazan je tlak (PI) na sesalni in tlačni strani črpalk 1 in 2 ter prikaz stanja detektorja

pretoka (FS). Prikazana je meritev pretoka (FI) s prikazom trenutnega pretoka in količine

prečrpane vode.

Slika 31: SCADA – sistem


4.2.4 Upravljanje Prikaz upravljanja prikazuje stanja posamezne črpalke in njenih pripadajočih delov

(slika 32).

Za črpalki 1 in 2 je prikazano delovanje, stanja alarmov, blokade, prioritete ter število

delovnih ur črpalk. Prikazano je stanje ventilov (EV), detektorjev nivoja (LS) v sesalni

posodi ter stanje alarma in blokade sistema za zalivanje črpalk. Prikazan je tlak (PI) na

sesalni in tlačni strani črpalke ter stanje detektorjev pretoka (FS).

Poleg prikaza stanj se na prikazu nahajajo tipke za preklop režima delovanja (ročno ali

avtomatsko) ter preklop prioritete črpalk. Prioriteta črpalke določa, katera črpalka se

vklopi ob zagonu sistema.

Slika 32: SCADA – avtomatsko upravljanje


V ročnem režimu je mogoče posamezno črpalko ali sistem za zalivanje črpalke

upravljati ročno ali ga postaviti v blokado. Naprave v blokadi ni možno vklopiti. Ob

preklopu iz avtomatskega v ročni režim delovanja se prikažejo gumbi za blokado

in gumbi za vklop naprav (slika 33).

Slika 33: SCADA – ročno upravljanje


4.2.5 Nastavitve, meritve V oknih za nastavitve in meritve se nahajajo vnosna polja za spremembo parametrov

delovanja sistema (slika 34).

Na levi strani okna se nahajajo polja za nastavitev parametrov meritve nivoja.

Odčitamo lahko trenutno vrednost nivoja vode v rezervoarju, hkrati pa lahko spremenimo

parametre za delovanje naprav, ki so odvisne od nivoja vode.

Na desni strani okna se nahajajo parametri meritve. Možno je odčitati trenutne

vrednosti meritev tlaka črpalk 1 in 2 na sesalni in tlačni strani, pretok vode ter količino

pretečene vode in preveriti število delovnih ur za posamezne števce. Hkrati pa je možno

nekatere števce nastaviti na začetne vrednosti (npr. količina pretečene vode).

Slika 34: SCADA – nastavitve, meritve


4.2.6 Trendi V oknu so prikazani trendi različnih meritev in arhivov (slika 35). Na vrhu okna se

nahaja polje za izbiro trenda, kjer izberemo meritve, ki jih želimo opazovati.

Meritev se grafično prikazuje v polju za časovno odvisni graf. V spodnjem delu je

opisan »tag« (povezava na podatkovno bazo), na katerega se meritev nanaša in njegova

vrednost na mestu opazovanja .

S tipkami za pregled trendov

( ) lahko povečamo ali pomanjšamo

območje opazovanja, premikamo mesto trenutno opazovane vrednosti in se premikamo po

časovni osi.

Slika 35: SCADA – trendi


Možna je izbira prikaza trendov naslednjih meritev in arhivov:

− nivo rezervoar meritev nivoja rezervoar,

− pretok meritev pretoka – tlačni cevovod,

tlak na sesalni strani črpalke, − tlak črpalka 1

tlak na tlačni strani črpalke,

tlak na sesalni strani črpalke, − tlak črpalka 2

tlak na tlačni strani črpalke.


4.2.7 Alarmi in stanja Za operaterja so obvestila o alarmih in stanjih zelo pomembna informacija. Iz tovrstnih

sporočil lahko ocenimo, ali sistem ustrezno deluje, ali se kje skriva napaka, kaj je vzrok za

morebitno napako ipd.

Na prikazu je možno izbirati med pregledom zgodovine in tekočih alarmov in stanj

(slika 36). Okno nam tudi omogoča odpreti ločeno okno, ki prikazuje samo alarme ali

samo trende za boljši pregled.

Slika 36: SCADA – alarmi/stanja


4.2.8 Servis Okno »servis« (slika 37) je namenjeno serviserju in programerju sistema. Omogoča

pregled nad nastavitvami sistema, stanji vhodov in izhodov, uro krmilnika, načinom

delovanja ter gesli za dostop do nadzornega sistema.

Okno nam omogoča nastavitev parametrov za ustrezno delovanje sistema. Nastavitve

so razdeljene v več področij:

• servisne nastavitve, kjer lahko nastavimo podatke o naslednjem servisu ipd.,

• stanja digitalnih in analognih vhodov in izhodov prikazujejo dejanska stanja na

vhodno izhodnih modulih,

• nastavitev ure in datuma omogoča vnos datuma in ure za njun vpis na krmilnik,

• način delovanja omogoča preklop delovanja z ali brez povezave na krmilnik za

simuliranje,

• področje z gesli pa omogoča vnos gesel za različne nivoje dostopa do nadzornega

sistema.


Slika 37: SCADA – servis


5 ZAKLJUČEK Danes, ko tehnologija podira mnoge ovire in ko trg zahteva, da se podjetje razvija, ni

trajna nobena rešitev. Podjetja se morajo neprestano razvijati in povečevati svoji

produktivnost in kvaliteto, hkrati pa morajo ostati konkurenčna.

Za naročnika Petrol Energetika d.o.o., PE Štore, je bilo potrebno izdelati tehnološko

rešitev za povečanje kapacitete prečrpavanja vode. Za ustrezno izvedbo in doseganje

zahtevanih parametrov je bilo potrebno izbrati ustrezno opremo. Prav tako smo morali

upoštevati vrsto medija in upoštevati prisotnost umazanije v mediju.

To diplomsko delo v petih poglavjih vsebuje opis uporabljene opreme za izvedbo

rekonstrukcije, splošen opis nadzornega sistema SCADA ter njegov namen, kratek opis

stare izvedbe črpališča in detajlen opis novega sistema ter podroben opis nadzornega

sistema SCADA, ki je bil zasnovan za nadzor črpališča.

Diplomsko delo zajema podroben opis vgrajene opreme za izvedbo rekonstrukcije. Pri

tem je našteta vsa strojna oprema, merilna oprema na cevovodih ter tehnični podatki

izbranih črpalk. Opisana je tudi tehnologija sistemov SCADA, kaj SCADA predstavlja ter

kaj ponuja.

Opisa starega in novega sistema podajata nekaj tehničnih podatkov, ki so vzrok za

rekonstrukcijo, ter tehničnih podatkov novega sistema, ki odpravijo pomanjkljivosti

starega sistema.

V zadnjem poglavju se diplomsko delo osredotoči na sam SCADA-sistem, ki je bil

izdelan za rekonstruirano črpališče. Opis vsebuje izgled nadzornega sistema in nekaj

primerov programske kode. Glavna tema diplomskega dela vsebuje specifične podatke iz

samega praktičnega dela diplomskega dela.

Za izvedbo sistema, od projektiranja do izvedbe, se je sestavila ekipa projektantov.

Dodeljena mi je bila naloga programiranja krmilnega programa in SCADA nadzornega

sistema. Z upoštevanjem, da je bil to moj prvi projekt programiranja s Simatic

programskim paketom, so mi dodelili tudi mentorja, ki me je vodil skozi projekt ter mi

svetoval pri programiranju. Moja naloga je bila napisati program za krmiljenje črpališča in

hkrati v program vključiti vse potrebne bloke za komunikacijo z ostalimi sistemi, ki se

nahajajo v železarni Štore Steel. Prav tako sem moral nastaviti vse potrebne parametre za

delovanje komunikacije med krmilnikom in oddaljenim SCADA nadzornim sistemom.


Poleg krmilnega programa sem v sodelovanju s sodelavcem izdelal nadzorni sistem

SCADA za črpališče.

Posebno vlogo pri izvedbi ima zagon sistema. Z njim se preveri ustreznost izbrane

rešitve in delovanja sistema. Zagon sistema je tudi oprijemljiva povezava med teorijo in

prakso, saj dejansko preverimo, ali je teorija, ki smo se jo oklepali med projektiranjem in

pripravljanjem sistema, ustrezna. Naš sistem je bil uspešno zagnan brez posebnosti. Za

uspešen zagon je prav gotovo zaslužen preizkus delovanja naprav v delavnici in preizkus

krmilnika s simulacijo.

Poseben napredek iz stare izvedbe na novo sta vsekakor avtomatizacija in daljinski

nadzor sistema. Za razliko od stare izvedbe, kjer se je krmiljenje izvajalo le lokalno, nova

izvedba ponuja bdenje nad sistemom iz dislocirane nadzorne sobe, kjer se nahajajo tudi

drugi sistemi, ki jih nadzorujejo. Sistem prav tako ponuja večjo odprtost za razširitve in

možnost povezave sistema na višji nivo avtomatizacije, kot na primer sistem MES.

Poseben poudarek pri razvoju našega sistema smo dali na komunikacijo in možnosti

razširitve. V ta namen smo izvedli optično povezavo med krmilnikom in nadzornim

sistemom, s tem smo tudi omogočili preprosto povezavo morebitnih novih krmilnih

sistemov v železarni. Kot prednost sistema štejem tudi izbiro krmilnika, ki ponuja še dosti

prostega pomnilnika in procesne moči za nadgradnjo črpališča.

Naloga projektanta pa ni le, da izdela delujoč sistem, ampak tudi, da vidi tudi slabosti

sistema in možnosti izboljšav. Kot slabosti sistema bi označil tehniko pisanja programa in

pomanjkanje uporabe FB. A to je povsem pričakovano, saj se tehnika programiranja z

izkušnjami izpopolnjuje.

Z razvojem proizvodnje v železarni Štore Steel se za izdelani sistem predvideva tudi

nadaljnji razvoj sistema. Ena izmed smeri razvoja je povezovanje več sistemov v celoto.

Povezava bo približala naš sistem k sistemu MES in ponudila operaterju nadzornega

sistema SCADA možnost pregleda nad večjim delom proizvodnje. Naslednja možnost za

razvoj sistema je nadgradnja s komunikacijskim modulom za mobilno komunikacijo. Ob

uporabi SIM-kartice modul omogoča daljinsko komunikacijo na krmilni sistem. S tem

serviserju omogoči pregled stanja na krmilniku in hkrati oceno stanja v primeru okvare.


6 VIRI, LITERATURA

[1] Priročnik za delo s sistemom Simatic, Simatic PCS7 – System Course Part 1 & 2,

Siemens AG, Avgust 2000,

[2] Simatic tečaj ST-7 PRO1 1. in 2. del, Informacije in trening, izdaja S 3.2, Simens

AG, junij 1998,

[3] Endress hauser domača stran:

http://www.ie.endress.com/ ,

[4] OMEGA tehnična stran za elektromagnetne merilnike:

http://www.omega.com/prodinfo/magmeter.html ,

[5] Siemens internetni katalog:

https://mall.automation.siemens.com/ww/guest/ ,

[6] Wikipedia, prosta internetna enciklopedija:

http://en.wikipedia.org/wiki/Material_requirements_planning .


7 PRILOGE 1. Tehnološka shema črpališča,

2. Izračun za cevovod in črpalki,

3. Tabela simbolnih naslovov uporabljenih v bloku FC8.

4. Izjava o istovetnosti tiskane in elektronske verzije zaključnega dela in objavi

osebnih podatkov avtorja

5. Zgoščenka z diplomskim delom ter programom za krmilnik v pdf-formatu.


Življenjepis

Ime in priimek: Peter Zdolšek

E-mail: [email protected]

Rojen: 8. 8. 1982 v Celju

Osnovna šola: 4. osnovna šola Celje

Srednja šola: Srednja in poklicna elektro in kemijska šola Celje,

program Elektrotehnik energetik

Fakulteta: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Maribor,

program Elektrotehnika – Avtomatika


Priloga 4

UNIVERZA V MARIBORU

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko (ime fakultete)

IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN

OBJAVI OSEBNIH PODATKOV AVTORJA

Ime in priimek avtorja (avtorice): Peter Zdolšek

Vpisna številka: 93491313

Študijski program: elektrotehnika - avtomatika

Naslov zaključnega dela: Krmiljenje in SCADA nadzor črpališča Škajne Jame –

Konti liv

Mentor: red. prof. dr. Riko Šafarič

Somentor: doc. dr. Nenad Muškinja

Podpisani-a Peter Zdolšek izjavljam, da sem za potrebe arhiviranja oddal-a elektronsko verzijo zaključnega dela v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru. Zaključno delo sem izdelal-a sam-a ob pomoči mentorja. V skladu s 1. odstavkom 21. člena Zakona o avtorskih 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-a za objavo v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru. Podpisani-a izjavljam, da dovoljujem objavo osebnih podatkov, vezanih na zaključek študija (ime, priimek, leto in kraj rojstva, datum zagovora, naslov zaključnega dela) na spletnih straneh in v publikacijah UM. Kraj in datum: Podpis avtorja (avtorice):

Celje, 10.11.2008 Peter Zdolšek

krmiljenje in scada nadzor ČrpaliŠČa Škajne jame – … · krmiljenje in scada nadzor...

Documents