STEROWANIE PROCESEM WYTWARZANIA PARY PRZEGRZANEJ

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 60
Politechniki Wrocławskiej
Nr 60
Studia i Materiały
Nr 27
2007
automatyzacja pomiarów, LabVIEW, wizualizacja ,
Krzysztof PODLEJSKI* , Jarosław RAK*
STEROWANIE PROCESEM WYTWARZANIA PARY
PRZEGRZANEJ – STANOWISKO DYDAKTYCZNE W LabVIEW
Wysoka efektywność procesu dydaktycznego zależy od stosowanych form kształcenia studentów.
Z doświadczeń dydaktycznych wynika, że jedną z najbardziej skutecznych metod są zajęcia
projektowo-laboratoryjne, które mogą być prowadzone tradycyjnie lub metodą e-learning. W artykule
przedstawiono stanowisko dydaktyczne do przeprowadzania doświadczeń z zakresu sterowania
procesami technologicznymi. Zaprezentowano przykład z energetyki dotyczący procesu wytwarzania
pary w elektrowni kondensacyjnej. Sprawność tego procesu zależy od efektywności procedur
pomiarów, wartości określonych wielkości i reakcji systemu pomiarowo-kontrolnego na zadany
algorytm sterowania. Wykonano stanowisko laboratoryjne wykorzystując środowisko LabVIEW i
makietę fizyczną symulującą piec, silniki napędu taśmociągu, filtr spalin, działanie młyna kulowego,
zawory pary przegrzanej i przenośnik popiołu.
1. WPROWADZENIE I CEL DYDAKTYCZNY
Pomiary w zautomatyzowanych procesach sterowania, kontroli, wytwarzania,
nadzoru, diagnostyki niosą informacje o aktualnym stanie procesu, jego zgodności z
przyjętym algorytmem działania, prognozowania sprawności kolejnych etapów,
bieżących i prognozowanych stanach alarmowych, konieczności przejęcia nadzoru i
podejmowania decyzji przez operatora. Systemy pomiarowe umożliwiają kontrolowanie
obiektów przemysłowych takich jak elektrownie, oczyszczalnie ścieków, kotłownie,
fabryki samochodów, fabryki produktów spożywczych i farmaceutycznych oraz
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected]
produkcji w tych obiektach. Szczególną rolę zajmują obiekty użyteczności publicznej
takie jak multikina, teatry, opery, banki, hipermarkety, hale sportowe, szpitale, sale
widowiskowe i kongresowe, obiekty dydaktyczne. Systemy pomiarowe dostarczają
danych do sterowania oświetleniem, klimatyzacją, wentylacją. zabezpieczeniem
przeciwpożarowym, ewakuacją, zużyciem energii, wody, gazu. Gwarantują możliwość
wizualizacji procesu produkcyjnego, stanów kontrolowanego obiektu, prognozowania
tendencji zmian, analizowanie danych i ich archiwizowanie, sporządzanie raportów.
Istnieje wiele standardów przemysłowych systemów pomiarowo-kontrolnych [2,4,5,6]
każdy ma swoje zalety i ograniczenia wynikające z dedykowanego obszaru zastosowań i
opracowanego protokołu komunikacyjnego oraz implementowanych warstw modelu
ISO/OSI [4,5]. Także wymiana danych pomiędzy nimi ma ograniczony charakter.
Podejmowane są próby ujednolicenia standardów przemysłowych systemów kontrolnopomiarowych [1,2,5] ale stale obserwuje się również proces opracowywania
odpowiednich aplikacji dla konkretnych potrzeb [12].
Jednak, bez względu na przyjęte rozwiązanie przemysłowego systemu kontrolnopomiarowego, można go odnosić do modelu ISO/OSI lub znanego z literatury
metrologicznej modelu systemu pomiarowego [1,7]. System pomiarowy złożony jest z
następujących jednostek funkcjonalnych: grupy czujników, przetworników
pomiarowych, układów kondycjonujących, przetworników analogowo-cyfrowych,
urządzeń do wizualizacji, komputera z oprogramowaniem, urządzeń wykonawczych,
zasilaczy i w zastosowaniach przemysłowych stanowi część systemu pomiarowo
kontrolnego.
Wiele spośród wymienionych jednostek funkcjonalnych zawierają komputerowe
karty pomiarowe, które wraz z komputerem i oprogramowaniem tworzą wirtualny przyrząd pomiarowy [1,2,3,7,9]. Przyrząd taki może być częścią systemu pomiarowokontrolnego.
Cele dydaktycznym tytułowej pracy to:
- poznanie możliwości opracowania przyrządu wirtualnego w środowisku LabVIEW,
- poznanie właściwości metrologicznych kart pomiarowych i cyfrowego
przetwarzania sygnałów,
- poznanie zasad funkcjonowania systemu pomiarowo-kontrolnego i automatyzacji
procesu przemysłowego,
- zwrócenie uwagi na ergonomiczne zasady wizualizacji danych pomiarowych,
- nauczenie podstaw analizy danych pomiarowych.
Wybrano symulację fragmentu procesu produkcji pary przegrzanej wykorzystywanej
w turbogeneratorach do produkcji energii elektrycznej. Kierowano się takimi
czynnikami jak: proces ma zastosowanie rzeczywiste i
jest
kontrolowany przez
nowoczesny system pomiarowy, znajomość zagadnienia wynikająca z odbytej praktyki,
możliwość sterowania ręcznego i automatycznego, możliwość zmiany parametrów
procesu, łatwe wprowadzanie procesu w stany alarmowe, możliwość przedstawienia
zagadnień systemu rozproszonego, stosunkowo prosta zmiana typu czujników
temperatury, przejrzystość wizualizacji, szerokie możliwości przetwarzania wyników
pomiarów oraz tworzenia własnych algorytmów sterowania piecem, rozwijanie
programu i makiety przez wprowadzenie czujników innych wielkości.
2. KONSTRUKCJA STANOWISKA POMIAROWEGO
Oprogramowanie utworzono w środowisku LabVIEW współpracującym z kartą
pomiarową NI M6221. Produkcja pary przegrzanej symulowana jest za pomocą specjalnej makiety zawierającej układy: pieca, silniki napędu taśmociągów z paliwem,
młyn kulowy, filtr spalin z wentylatorem, taśmociąg z popiołem, zawór pary przegrzanej oraz czujniki temperatury (rys.1). Elementy makiety załączane są w momentach
określonych programem co jest sygnalizowane diodami LED.
Rys. 1. Stanowisko dydaktyczne
Fig. 1.The Didactic stand
Makieta, widoczna w prawej dolnej części rysunku symuluje układ taśmociągów
dostarczających paliwo do młyna kulowego oraz układ piec-kocioł wytwarzający
parę. Piec jest połączony z filtrem odprowadzającym spaliny do komina.
Symulatorem pieca jest żarówka halogenowa, której jasność świecenia ( i mierzonej
temperatury) jest regulowana sygnałem PWM, sterującym kluczem tranzystorowym
poprzez układy transoptorów. Odpowiednie wyjście analogowe karty pomiarowej
wykorzystano do sterowania prędkością obrotową silników napędu taśmociągów i
filtra spalin. Makieta wizualizuje obroty silników. Działanie elementów makiety
zapewnia zasilacz zewnętrzny Ogólna wizualizacja procesu widoczna jest na płycie
czołowej makiety . Ten sam obraz widoczny jest na ekranie komputera jako panel
główny (rys.2) z dodatkowymi opcjami. Efektywność działania procesu zapewnia
karta pomiarowa ze złączem SCSI.
Rys. 2. Panel główny procesu
Fig. 1. The main window of the process
Program umożliwia pracę w trybie automatycznym lub w trybie ręcznym. Oba
tryby wymagają opracowania odpowiedniego algorytmu sterowania procesem.
Określenia temperatury pieca (zadawanie mocy grzania ), sposobu włączania
transportu paliwa do pieca zależnego od zapełnienia leja, sterowania młynem
kulowym i silnikiem filtra spalin, sposobu reakcji na spadek temperatury zależnego od
analizy danych pomiarowych (oceny właściwości parametrów dynamicznych
czujników temperatury).
3. WYBRANE ELEMENTY PROGRAMU
Schemat blokowy (rys.3) przedstawia automatyczne działania pieca zrealizowane
według algorytmu uwzględniającego rejestrację wyników pomiarów temperatury, na
podstawie których załączany lub wyłączny jest taśmociąg popiołu, młyn kulowy, filtr
OBSŁUGA SYGNAŁU PWM
AUTOMATYKA PIECA
OBSŁUGA KOMUNIKATÓW
CZUJNIKÓW I LEJA
REJESTRACJA DANYCH I
WYŚWIETLANIE
WYKRESÓW
OBSŁUGA ZAPISU
DANYCH DO PLIKU
OBSŁUGA IMPORTU DO
ARKUSZA
OBLICZENIA
STATYSTYCZNE
Rys. 3. Schemat blokowy programu
Fig. 3. Block diagram of the program
spalin, zawór pary przegrzanej, kontrolowane zapełnienie leja, włączane
sygnalizacje alarmowe przy zdefiniowanych zakresach temperatur. Program zawiera
także procedury rejestracji danych pomiarowych, np. wykresy czasowe zmian
temperatury, obliczania wartości średnich , odchylenia standardowego, eksportu
danych do arkusza kalkulacyjnego, rejestrację wartości ekstremalnych. Dostępna jest
wizualizacja w postaci wykresów obrazujących tendencje zachowania się procesu w
postaci wykresów obrazujących tendencje zachowania się procesu w zależności od
przyjętego algorytmu sterownia.
Pętla generowania sygnału PWM jest przeznaczona do sterowania mocą grzania
pieca w zakresie od 0,001% do 99,99% generuje sygnały na wyjściu układu czasowolicznikowego karty pomiarowej sterujące mocą żarówki
Przedstawiony na Rys. 4 diagram wykorzystany jest do sterowania silnikami.
Rozruch silnika sterowany jest wartością zadanego napięcia zależną od czasu
rozruchu zdefiniowanego programowo. Po czasie rozruchu silnik sterowany jest
wartością napięcia proporcjonalną do ustawionej mocy grzania.
Rys. 4. Sterowanie silnikami
Fig. 4. Program control of the motors
Diagram „formowanie raportu” (rys.5) zapewnia zapisywanie danych pobieranych
z czujników w określonych odstępach czasu. Dane te są zapisywane z określoną
precyzją. i ułożone w zdefiniowane komunikaty (także konwertowane na tekst)
możliwe do wyeksportowania do innych programów z rozszerzeniem txt lub doc.
Rys. 5. Diagram formownia raportu
Fig. 6. Diagram of the formation report
Program obliczeń statystycznych ( obliczenia wartości średniej, maksymalnej i
minimalnej, odchylenia standardowego i wariancji) zrealizowany jest identycznie dla
sterowania automatycznego (PID) i ręcznego (rys.6). W obu przypadkach celem jest
analiza skuteczności regulacji temperatury, to znaczy realizowanie algorytmu zmiany
zadawanych wartości i utrzymywanie tych wartości w określonych przedziałach
czasu. Wyniki regulacji prezentowane są na odpowiednich wykresach obrazujących
wyliczane parametry w funkcji czasu. Wyniki te mogą być zapisane do utworzonych
plików lub eksportowane do wybranych arkuszy. Rejestracja wyników odbywa się za
pomocą węzłów właściwych (Property Node) oraz zmiennych lokalnych.
Zastosowanie w tym przypadku rejestracji przez przesuwanie danych (Shift
nie w tym przypadku rejestracji przez przesuwanie danych (Shift register)jest
nieskuteczne ze względu na problemy z kasowaniem danych w tablicy.
Rys. 6. Diagram obliczeń statystycznych
Fig. Diagram of the statistical calculating
Poza przedstawionymi diagramami program zawiera inne elementy: pętlę
sterowania całym procesem wytwarzania pary, tablicę sterująca blokiem zapisu
danych do portów wyjściowych, program regulacji automatycznej (PID) zadanej
temperatury sterujący grzaniem i chłodzeniem pieca, podprogramy włączania i
wyłączania przenośnika popiołu , młyna kulowego, napędu taśmociągu, otwierania i
zamykania zaworu pary przegrzanej, podprogram alarmowania i generowania
wykresów na podstawie danych archiwizowanych co określony odcinek czasu zależny
od właściwości dynamicznych zastosowanych czujników temperatury.
4. PODSUMOWANIE
Zrealizowanie założonych celów dydaktycznych wymagało przygotowania
odpowiedniego stanowiska obrazującego system pomiarowo-kontrolny. Wybrano
proces sterowania produkcją pary przegrzanej w elektrowni. Opracowano
przykładową instrukcję zawierającą zadania zawiązane z:
- sterowaniem procesu w trybie automatycznym i ręcznym, w którym decyzje
podejmuje operator (ze szczególnym uwzględnieniem komunikatów alarmowych).
Rejestrowane wyniki zależą od algorytmu dobieranego przez ćwiczących, związanego
z właściwościami dynamicznymi zastosowanych czujników,
- obserwacją cech dynamicznych pieca a także właściwości regulatora typu PID
poprzez zmianę jego parametrów,
- oceną wpływu parametrów różnych czujników temperatury na kontrolowany
proces,
- akwizycją i analizą wyników pomiaru temperatury,
- wpływem właściwości kart pomiarowych na realizację systemu pomiarowokontrolnego,
- możliwością wprowadzenia do systemu dodatkowych czujników wybranych
wielkości fizycznych,
- oceną ergonomicznych zasad projektowania systemów człowiek-maszyna.
LITERATURA
[1] CIEPŁOUCH J., Podstawy metrologii, Łódź, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 2005.
[2] LESIAK P.T., Inteligentna technika pomiarowa, Radom, Wydawnictwo Politechniki
Radomskiej, 2001.
[3] NAWROCKI W., Komputerowe systemy pomiarowe, Warszawa, WkiŁ, 2006.
[4] MICHTA E., Modele komunikacyjne sieciowego systemu pomiarowo-kontrolnego, Zielona
Góra, Wydawnictwo Politechniki Zielonogórskiej, 2000.
[5] PODLEJSKI K., BRUNICKI K., Zagadnienie komunikacji między sieciami
przemysłowymi, W: Zagadnienia maszyn, napędów i pomiarów elektrycznych, L. Antal
(red.), Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2005.
[6 ] PODLEJSKI K., KAŁWAK A., Wirtualny most do komunikacji międzysieciowej,
Zagadnienia maszyn, napędów i pomiarów elektrycznych, L. Antal (red.), Wrocław,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2006.
[7] TLAGA W., WINIECKI W., Systemy pomiarowe, W: Współczesna metrologia, J.
Borzykowski (kier.), Warszawa, WN-T, 2004, 436-490.
[8] TŁACZAŁA W., Środowisko LabVIEW w eksperymencie pomiarowym, Warszawa, WNT, 2002.
[9] ŚWISULSKI D., Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych
przyrządów pomiarowych, Warszawa, Agencja Wydawnicza PAK-u, 2005.
[10] WINIECKI W, NOWAK J., STANIK S., Graficzne zintegrowane środowiska
programowe do projektowania komputerowych systemów pomiarowo-kontrolnych,
Warszawa, Wydawnictwo MIKOM, 2001
[11] http://www.ni.com
[12] http://www.infoprod.com.pl
SUPERHEATED STEAM CONTROL – THE DIDACTIC STAND
The article presents possibilities of the utilization of the LabVIEW and DAQ Boards to the superheated steam control. The software for communication between the resistive transducer, or another, and
the client enabling the remote control of the process.