Č ESKÉ V YSOKÉ U ČENÍ T ECHNICKÉ
V
P RAZE
Fakulta Elektrotechnická
Bakalářská práce Řízení a vizualizace malé vodní elektrárny
Petr Bareš Vedoucí: Ing. Pavel Burget, Ph.D. Studijní program: Elektrotechnika a informatika, strukturovaný, bakalářský Obor: Výpočetní technika
Květen 2012
Poděkování Úvodem bych rád poděkoval Ing. Pavlu Burgetovi, Ph.D, za odborné vedení a umožnění vzniku této práce. Dále bych chtěl také poděkovat svým rodičům a všem blízkým za morální podporu a plné pochopení nejen při psaní této bakalářské práce, ale i po celou dobu mého studia.
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady uvedené v přiloženém seznamu. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona č.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). V Praze dne 25. května 2012 .........................................................................
Abstrakt Cílem této bakalářské práce je rozšíření automatizace MVE Andělská Hora. V první části je popsán návrh a realizace systému pro automatické udržování hladiny stavidlového jezu a jeho zapojení do stávající sítě PLC. Náplní druhé části práce je návrh a realizace dálkového dohledu a řízení elektrárny pomocí vizualizačního softwaru Reliance.
Abstract The subject of this bachelor thesis is improvement of automatization on small hydro power plant Andělská Hora. In the first part of thesis there is described design and realization of system for automatic water level control on weir and its connection into current PLC network. Second part of this thesis deals with design and realization of remote control and monitoring of power plant in visualization software Reliance
Obsah 1 Úvod ......................................................................................................................................11 2 Dokumentace současného řídicího systému.......................................................................12 2.1 Řízení Kaplanovy turbíny...............................................................................................12 2.2 Řízení Francisovy turbíny...............................................................................................12 2.3 Řízení stavidlového jezu ................................................................................................13 2.4 Dálkový dohled...............................................................................................................13 3 Návrh a realizace automatického ovládání jezu................................................................15 3.1 Požadavky na nový systém.............................................................................................15 3.2 Návrh ovládání stavidlového jezu ..................................................................................15 3.3 Program pro ovládání stavidel........................................................................................18 3.4 Přenos dat mezi jezem a PC ...........................................................................................21 4 Návrh a realizace dálkové vizualizace ovládání MVE......................................................25 4.1 Požadavky na systém vizualizace ..................................................................................25 4.2 Úvod do vizualizačních systémů ....................................................................................25 4.3 Vizualizační systém Reliance..........................................................................................26 4.3.1 Moduly systému Reliance........................................................................................27 4.3.2 Licence programu Reliance.....................................................................................29 0.1.4.4 Vizualizace MVE v programu Reliance....................................................................29 4.4.1 Spojení Vizualizačního prostředí s PLC .................................................................30 4.4.2 Vizualizační okna ....................................................................................................35 4.4.3 Okno Kaplanka .......................................................................................................36 4.4.4 Okno Franciska .......................................................................................................37 4.4.5 Okno jez...................................................................................................................38 4.4.6 Hlavní okno .............................................................................................................39
9
4.4.7 Okno lišta.................................................................................................................39 5 Další možná vylepšení automatizace MVE........................................................................40 6 Závěr.....................................................................................................................................41
10
1
Úvod
MVE Andělská Hora je průtočná derivační elektrárna vybudovaná na řece Lužická Nisa. Elektrárna využívá spád 9,7 m -12,5 m vytvořený mezi 21,885 a 19,212 říčním kilometrem. Tohoto spádu je dosaženo stavidlovým jezem a přivaděčem tvořeným podzemní raženou štolou délky 133 m vedenou napříč meandrem skalního ostrohu zříceniny hradu Hamrštejn a nadzemním ocelovým potrubím délky 120 m, které přivádí vodu do strojovny MVE. Odtud je voda vedena odpadním kanálem a po téměř 3 kilometrech se vrací do původního koryta řeky. [6] Při výstavbě byly na elektrárnu nainstalovány dvě kotlové Francisovy turbíny s hltností 1,08 m³/s na společné hřídeli s trojfázovým synchronním generátorem o výkonu 80 KW. V roce 1907 byl stav rozšířen o Francisovu kotlovou turbínu s hltností 1,8 m3/s osazenou synchronním generátorem o výkonu 160 KW. V roce 2001 prošla elektrárna modernizací, kdy za původní nejstarší turbíny, zrušené v sedmdesátých letech, byla instalována do původních prostor nová spirální pětilistá Kaplanova turbína, vyrobená firmou Sanborn Velké Meziříčí. Turbína je určena na spád 10-12 m s hltností 1,8 m³/s, spojená se synchronním generátorem o výkonu 200 KW. Návrh hydraulických poměrů byl zpracován na VUT Brno fakulta strojní, elektročásti pak dodala firma MVE Jihlava. [6] V roce 2006 prošla elektrárna modernizací a opravou výše zmiňované Francisovy turbíny z roku 1907. Byl převinut generátor a doplněno automatické řízení pomocí PLC. V současnosti jsou tedy na elektrárně v provozu dvě soustrojí, každé je řízeno vlastním PLC a mohou tedy pracovat zcela autonomně.
11
2
Dokumentace současného řídicího systému
2.1
Řízení Kaplanovy turbíny
Kaplanova turbína je řízena pomocí PLC DirectLOGIC 250 firmy Koyo. Toto PLC bylo dodáno společně s elektroinstalací v roce 2001 firmou MVE Jihlava. Firma zároveň vytvořila pro PLC program, který kompletně řídí turbínu. Program umožňuje automaticky regulovat otevření oběžných a rozváděcích lopat a tím hltnost a výkon turbíny na základě aktuální hladiny vody na jezu. Dokáže turbínu automaticky odpojit od sítě, stejně tak ji i opět přifázovat. PLC tedy dokáže bez přítomnosti obsluhy zcela automaticky provozovat Kaplanovu turbínu.
2.2
Řízení Francisovy turbíny
V roce 2006 byla Francisova turbína z roku 1907 modernizována. Kromě převinutí generátoru z vysokého na nízké napětí byla dodána nová hydraulická jednotka, systém buzení rotoru generátoru, nová elektroinstalace a PLC Direct LOGIC 250. Tím byl umožněn oproti předchozímu ručnímu provozu za nutné přítomnosti obsluhy zcela automatický provoz jako u Kaplanovy turbíny. PLC obou turbín byla zároveň propojena sítí Ethernet, což umožnilo spolupráci jednotlivých turbín. Spolupráce je realizována tak, že primárně je v provozu modernější Kaplanova turbína, která má vyšší účinnost - při spotřebě stejného množství vody dodá do rozvodné sítě větší výkon. Přičemž program PLC Francisovy turbíny neustále kontroluje její stav. Pokud Kaplanova turbína např. z důvodu náhlé poruchy není schopna provozu, Francisova turbína ji okamžitě zastoupí. Zároveň pokud je Kaplanova turbína již maximálně otevřena a je stále vysoká hladina vody na jezu, připojí se i Francisova turbína ve speciálním režimu souběhu a začne dodávat elektřinu do rozvodné sítě. Každé z PLC je rovněž vybaveno operátorským panelem, pomocí něhož má obsluha možnost měnit provozní parametry běhu turbín.
12
2.3
Řízení stavidlového jezu
V minulosti byl stavidlový jez ovládán pouze ručně. Stavidla byla zvedána manuálním otáčením kliky. Toto řešení bylo značně namáhavé, a jelikož podle manipulačního řádu povodí Labe musí být hladina jezu udržována minimálně 10 cm pod a maximálně 20 cm nad úrovní vrchní hrany zavřených stavidel, musela být na elektrárně neustále přítomna obsluha, která stavidla v případě náhlého zvýšení průtoku vody korytem řeky okamžitě zvedla. V roce 2001 byla jednotlivá stavidla opatřena elektrickými motory, jež umožnily obsluze méně náročnou a rychlejší manipulaci. Zároveň bylo jedno ze stavidel vybaveno indukčním snímačem otáček a hřídele motoru a připojeno k PLC Direct LOGIC 05. Do tohoto PLC byl vytvořen nový jednoduchý program, který na základě překročení minimální či maximální povolené hladiny pohyboval se stavidlem. Přestože toto řešení značně zjednodušilo obsluze práci tím, že automaticky reguluje hladinu vody ve stanovených mezích, je značně nedostačující. Při vyšším průtoku je často třeba zdvihnout více stavidel a obsluha se tedy musí fyzicky dostavit na jez a regulovat zbývající stavidla. PLC na jezu, který je vzdálen cca 0,5 km od budovy elektrárny, zároveň není nijak datově spojeno s ostatními PLC či PC. Obsluha tedy nemá možnost vzdáleně zjistit aktuální úroveň zvednutí stavidla, či zda nedošlo k poruše a PLC hladinu vůbec nereguluje.
2.4
Dálkový dohled
Před realizováním této práce byl dálkový dohled řešen pomocí osobního počítače připojeného do ethernetové sítě, která byla vytvořena dříve mezi PLC obou turbín za účelem umožnění jejich spolupráce. Na takto připojeném PC je spuštěn DirectSOFT32 Data Server, umožňující komunikaci s PLC firmy DirectLogic a poskytující data z těchto PLC dalším aplikacím prostřednictvím DDE protokolu. Podrobnější popis programu DirectSOFT32 Data Server a DDE protokolu se nachází v kapitole 4.4.1. Dále je na PC spuštěn program Microsoft Access, ve kterém jsou pomocí skriptu ukládány do tabulky v pravidelných časových intervalech základní provozní údaje z PLC, řídící Kaplanovu a Francisovu turbínu. 13
Na tomto počítači je současně spuštěn FTP server a je připojen k internetu. Obsluha má tedy možnost z jakéhokoli počítače s přístupen k internetu stahovat tabulku se základními údaji o provozu MVE. Toto řešení je ovšem velmi těžkopádné, neboť každé prohlížení dat znamená opětovné stahování celé databáze. Dalším a zároveň tím nejzávažnějším nedostatkem tohoto řešení je absence takto vzdáleně měnit provozní parametry a zasahovat do běhu programů na PLC.
14
3
Návrh a realizace automatického ovládání jezu
3.1
Požadavky na nový systém
Jak již bylo zdokumentováno v kapitole 2.3, současná automatická regulace hladiny vody na jezu pomocí stavidel je značně nedostačující. PLC DirectLOGIC 05 ovládá pouze jedno ze tří stavidel, což při náhlém zvýšení průtoku vody v korytě řeky, kdy je nutné otevřít i všechny tři stavidla, nepostačuje a musí rychle zasahovat obsluha. Od nového programu je požadováno, aby automaticky pohyboval se všemi třemi stavidly a udržoval tak hladinu jezu. Zároveň je nutné, aby byl program schopný detekovat poruchy jednotlivých stavidel a dokázal na ně adekvátně reagovat. Dalším požadavkem je realizovat obousměrný přenos dat mezi jezem a přibližně 0,5 km vzdálené budovy elektrárny. Pomocí tohoto spojení budou z jezu přenášeny informace o aktuálním zdvižení jednotlivých stavidel a poruchách. Zároveň bude umožněno z jezu přinášet povely pro vypnutí a zapnutí turbín. Opačným směrem bude přenášen povel pro automatické otevírání a zavírání stavidel a v případě ručního režimu obsluhou zadané hodnoty, o které mají být posunuty jednotlivá stavidla.
3.2
Návrh ovládání stavidlového jezu
Pro splnění požadavku manipulace se všemi třemi stavidly musela být i zbývající dvě stavidla doplněna o indukční snímače počítající otáčky hřídele pohybující se stavidly. Zároveň byl touto sondou změřen počet otáček od úplného zavření po maximální otevření každého stavidla a tím dány limity, ve kterých může program s jednotlivými stavidly manipulovat. Rovněž byly doplněny stykače, které umožňují spínání motorů jednotlivých stavidel výstupy PLC. Pro detekování poruchy byla před motor každého stavidla připojena proudová ochrana dávající PLC signál při přetížení motoru. Tato situace nastává, pokud je stavidlo zablokováno, což je velmi častá závada. Dochází k ní tím, že zvýšená hladina vody v řece unáší nejrůznější předměty a ty se poté často vzpříčí v prostoru stavidel.
15
Obr. 1: PLC DirectLOGIC 05
Jelikož je zvýšen požadavek na počet vstupů a výstupů, musí být PLC DirectLOGIC 05, disponující pouze 8 vstupy a 6 výstupy, nahrazeno. K tomuto účelu bylo použito PLC DirectLOGIC 06, které krátkou dobu před modernizací v roce 2006 řídilo Francisovu turbínu. Toto PLC disponuje v základu 20 vstupy a 16 výstupy, přičemž tento počet je možné navýšit přídavnými moduly až na 100 binárních vstupů/výstupů.
16
Obr. 2 PLC DirectLOGIC 06
PLC, které doposud řídilo stavidlo jezu, je využito při předávání dat mezi jezem a budovou elektrárny popsaném v kapitole.
17
3.3
Program pro ovládání stavidel
Obr. 3 Ukázka programování v Softwaru DirectSOFT
Základní funkcí programu ovládajícího stavidla je automatické zavírání a otevírání jednotlivých stavidel při změně hladiny vody na jezu, která překročí nastavené meze. Kontrola hladiny se provádí jednou za 4 minuty a v případě překročení nastavené minimální či maximální úrovně program zvedne stavidlo o 30 otáček hřídele. Tyto hodnoty dodané 18
obsluhou vznikly z dlouhodobé zkušenosti provozu původního programu a zaručují, že nedojde otevíráním a zavíráním stavidel k rozkolísání hladiny jezu. Pokud je tedy při kontrole vyhodnoceno, že je třeba otevřít stavidlo, program postupuje následovně: Zkontroluje, zda stavidlo číslo 3 ještě není zcela otevřeno a nevyskytla se u něj dříve chyba při otevírání. Pokud je tato podmínka splněna, otevře stavidlo o 30 otáček hřídele. V opačném případě provede stejný test s druhým stavidlem. Pokud je druhé stavidlo také maximálně otevřené či se u něj vyskytla chyba, testuje se stejným způsobem první stavidlo. Aby mohlo být určeno, zda lze stavidlo ještě zavírat či otevírat a zároveň, aby obsluha měla i vzdáleně možnost zjistit, kde se stavidla nachází, je u každého veden čítač počtu otáček, které odpovídají zvednutí daného stavidla. Analogicky se zvedáním stavidel se postupuje i při jejich postupném zavírání. Pouze pořadí je opačné. První se tedy testuje, zda je stavidlo číslo 1 zcela zavřené či dříve nenastala porucha. Pokud nejsou tyto podmínky splněny, stavidlo je zavřeno o 30 otáček, v opačném případě se kontroluje druhé, případně třetí stavidlo.
Samotné zvedání je v programu realizováno tak, že se přičte k proměnné obsahující novou požadovanou hodnotu zvednutí stavidla daných 30 otáček, nebo maximální hodnota otevření v případě, že původní hodnota +30 je již nad maximální hodnotou. Program poté sepne výstup spínající stykač motoru daného stavidla a přičítá impulzy od indukčního snímače, umístěného na hřídeli motoru, k proměnné skutečného zvednutí stavidla. Toto provádí až do chvíle, kdy nastane rovnost požadovaného a skutečného zvednutí. Pokud tato rovnost nenastane v daném časovém limitu, nebo je motor přetížen, je zvedání přerušeno a nastaven příznak chyby stavidla ve směru zvedání. Zcela analogicky se v programu provádí zavírání jednotlivých stavidel. Toto řešení je zároveň vhodné pro následně implementované vzdálené řízení, kdy obsluha pouze zadá požadované hodnoty otevření jednotlivých stavidel do vizualizačního okna a program na tyto hodnoty stavidla automaticky umístí. 19
Kromě ovládání stavidel obsahuje program několik dalších funkcí. Např. pomocí časovačů spouští v pravidelných intervalech automatické shrabování nečistot na česlích. V následujících tabulkách jsou sepsány všechny binární vstupy a výstupy, které program využívá.
Název výstupu
Funkce
Y0
Signalizace poruchy stavidel
Y1
Zavírej stavidlo 3
Y2
Otvírej stavidlo 3
Y3
Zavírej stavidlo 2
Y4
Otvírej stavidlo 2
Y5
Signalizace poruchy hrabače
Y6
Otvírej stavidlo 1
Y7
Sepni motor hrabače
Tabulka 1: Výstupy PLC řízení jezu
20
Název vstupu
Funkce
X0
Tlačítko nulování chyb
X1
Tlačítko nulování pamětí polohy stavidel
X3
Povel ke zvedání stavidel od havarijního plováku
X4
Sonda otáček stavidla 3
X5
Sonda otáček stavidla 2
X6
Sonda otáček stavidla 1
X7
Indikace zda fungují všechny 3 fáze
X10
Ruční režim
X11
Ruční režim – zavírání stavidla
X12
Ruční režim – otvírání stavidla
X13
Přetížení motoru stavidla 3
X14
Přetížení motoru stavidla 2
X15
Přetížení motoru stavidla 1
X16
Přetížení motoru hrabače
X17
Nulování chyby hrabače
X20
Tlačítko vyplutí turbín
X21
Tlačítko povolení startu turbín
Tabulka 2: Vstupy PLC řízení jezu
3.4
Přenos dat mezi jezem a PC
Cílem této práce je umožnění dálkového dohledu a řízení MVE a je tedy nutné přenést do PC data z programu ovládajícího stavidlový jez. Jelikož na jezu dochází v důsledku bouřek k častým poškozením elektronických zařízení následkem přepětí způsobeného bleskem a zároveň je spojení jezu s cca 0,5 km vzdálenou budovou elektrárny realizováno nadzemním vedením, není vhodné PLC ovládající jez přímo připojit k ethernetové síti vytvořené mezi PC a PLC řídící turbíny.
21
K tomuto spojení je použito PLC DirectLOGIC 05, původně sloužící pro ovládání stavidla. Toto PLC je nově umístěno do budovy elektrárny a připojeno do stávající ethernetové sítě mezi PC a PLC turbín. Zároveň je propojeno linkou RS-232 s PLC řídící jez. Linka je realizována pomocí dvojice vodičů, které jsou na obou koncích před vstupem do PLC opatřeny optickými oddělovači JetCon 2101i, chránící PLC před poškozením způsobeným přepětím a zároveň prodlužují dosah linky. Programově se přenos provádí tím způsobem, že jedno zařízení slouží jako MASTER a ostatní jako SLAVE. Zařízení sloužící jako MASTER je jediné, které může iniciovat přenos dat po lince. V tomto případě je MASTER zařízení PLC DL 05 umístěné v budově elektrárny. To pomocí speciálních programových instrukcí přenáší data.
Obr. 4 Ukázka instrukce pro přenos dat
22
Na obrázku 4 je ukázána posloupnost instrukcí nutná pro přenos dat mezi PLC. Nejprve ověříme kontaktem SP116 zda linka není obsazená, poté každou vteřinu provádíme samotný přenos. Ten se skládá z těchto čtyř kroků. Na zásobník se uloží číslo portu a adresa zařízení SLAVE, poté počet bytu které chceme přenášet. Dále na zásobník uložíme počáteční adresu od které se budou zapisovat přenesená data. Nakonec provedeme samotnou instrukci pro přenos. RX pro čtení se vzdáleného PLC, nebo WX pro zápis.[5]
V následujících tabulkách jsou uvedeny všechny přenášené proměnné. Proměnná
Význam
V2030
Požadovaná poloha stavidlo 3
V2031
Požadovaná poloha stavidlo 2
V2032
Požadovaná poloha stavidlo 1
V2033
Aktuální poloha stavidlo 3
V2034
Aktuální poloha stavidlo 2
V2035
Aktuální poloha stavidlo 1
V2036
Interval shrabování
V2037
Čas shrabování
C100
Povel pro vypnutí turbín
C101
Povel pro povolení startu turbín
C102
Porucha hrabače
C103
Porucha zavírání stavidla 3
C104
Porucha otvírání stavidla 3
C105
Porucha zavírání stavidla 2
C106
Porucha otvírání stavidla 2
C107
Porucha otvírání stavidla 3
C110
Ruční režim
C111
Chybí fáze
Tabulka 3: Proměnné přenášené z PLC ovládání jezu
23
Prom v 05
Prom v 06
Význam
V2000
V2030
Požadovaná poloha stavidlo 3
V2001
V2031
Požadovaná poloha stavidlo 2
V2002
V2032
Požadovaná poloha stavidlo 1
V2006
V2036
Interval shrabování
V2007
V2037
Čas shrabování
C0
C0
Zavírej stavidla
C2
C2
Otvírej stavidla
Tabulka 4: proměnné přenášené do PLC ovládání jezu
24
4
Návrh a realizace dálkové vizualizace ovládání MVE
4.1
Požadavky na systém vizualizace
Jak již bylo popsáno v kapitole 2.4, současný systém dohledu nad MVE je značně nedostačující. Od nového systému je požadována schopnost vzdáleně prostřednictvím internetu zobrazovat hodnoty proměnných v reálném čase či s minimálním zpožděním. Zároveň je nutné rozšířit množství přenášených proměnných tak, aby obsluha získala ucelenější přehled o stavu elektrárny. V novém systému tedy budou přenášeny kromě informace o výkonu jednotlivých turbín také například aktuální teploty jednotlivých ložisek v turbínách, teploty vinutí generátorů informace o poruchách, či hodnoty aktuálního otevření stavidel z nového programu ovládání jezu. Dalším a tím nejdůležitějším požadavkem, který byl zároveň hlavní motivací k vytvoření této práce, je možnost vzdáleně měnit hodnoty proměnných v jednotlivých PLC a upravovat tak chod elektrárny. Výpis výše uvedených požadavků je téměř přesným popisem funkcí vizualizačních systémů, které také budou pro řešení vizualizace a dálkového řízení MVE využity a o kterých pojednávají následující kapitoly.
4.2
Úvod do vizualizačních systémů
Vizualizační systémy, známé pod zkratkou SCADA/HMI (Supervisory Control and Data Acquisition/Human Machine Interface), jsou výkonné nástroje, umožňující vytvářet programy pro řízení, obsluhu, dlouhodobé sledování, dokumentování a monitorování strojů, PLC, regulátorů, ale i celých provozoven, či rozsáhlých technologických procesů čítajících stovky řídicích prvků, měřících a monitorovacích zařízení či PC, které bývají mezi sebou propojeny mnoha úrovněmi sítí. Díky těmto systémům má dispečer k dispozici informace o okamžitém stavu strojů, přístrojů, regulátorů, PLC, příp. i celého technologického procesu, který je 25
přehledně zachycen pomocí objektů, schematicky znázorňujících reálné prvky celého procesu. [3] Informace o stavu jednotlivých technologických prvků mohou být dále vyjádřeny např. grafem, z čehož má dispečer možnost vidět a posuzovat předchozí vývoj monitorovaného prvku, dále pak tabulkou, kterou je možné ukládat do databáze nebo zobrazovat různé chybové stavy prostřednictvím alarmů. [3] V současnosti se s těmito systémy setkáváme prakticky v každém průmyslovém odvětví. V minulosti byly tyto SCADA/HMI nasazovány výhradně ve velkých energetických, chemických, dopravních, či zpracovatelských komplexech. Nyní však nalézají uplatnění i v malých provozech, např. při vytápění či řízení budovy. Hlavní výhodou vizualizačních systémů je, že obsluha nemusí být fyzicky přítomna u dané technologie, ale může být vzdálena i stovky kilometrů. Například v případě systému Reliance pak stačí mít pouze připojení k internetu a znalost odpovídajících přístupových práv a pomocí webového klienta monitorovat a řídit danou technologii. [3]
4.3
Vizualizační systém Reliance
Reliance je SCADA/HMI systém určený pro monitorování a ovládání průmyslových technologií. Data jsou získávána přímo z řídicího systému, archivována do databází a prezentována v grafické formě pomocí vizualizačních oken, tabulek a grafů koncovým uživatelům. K vizualizaci lze snadno přistupovat jak z vnitřní podnikové sítě, tak pomocí PC připojeného k internetu či z mobilního zařízení, např. PDA. Všechny tyto přístupy je možné zabezpečit přístupovými právy – oprávnění uživatelé pak mohou podle typu jejich oprávnění pomocí systému Reliance monitorovat či přímo nastavovat parametry procesů. [1] Reliance je český produkt firmy Geovap. Je ovšem používán po celém světě k vizualizaci a řízení technologických procesů nejrůznějších oborů, přičemž mezi nejznámější z nich patří např. plynárenství, vytápění a klimatizace komplexů budov, řízení uhelných a vodních 26
elektráren, čističek odpadních vod, sladovny a pivovary, dopravní zabezpečovací systémy a jiné.[1]
4.3.1 Moduly systému Reliance
Obr. 5: Příklad nasazení jednotlivých modulů[4]
Systém Reliance zahrnuje dvě základní verze – vývojová verze Reliance 4 Design pro vytváření a úpravu vizualizačních projektů, runtime verze Reliance 4 View, Reliance 4 Control a Reliance 4 Control Server, a tencí klienti Reliance 4 Web Client a Reliance 4 Mobile Client. 27
Reliance 4 Design je vývojové prostředí, které je určeno pro tvorbu a úpravu vizualizačních projektů. Je k dispozici ve dvou verzích – Desktop a Enterprise: •
Desktop verze je určena k vytváření aplikací, které jsou určeny pouze pro jeden počítač, na který může být připojeno libovolné množství zařízení, např. PLC, měřících stanic nebo jiných vstupně/výstupních zařízení, ale neumožňuje tvorbu síťových aplikací ani aplikací určených pro tenké klienty.
•
Verze Enterprise, která obsahuje všechny funkce verze Desktop, je určena pro vývoj síťových aplikací (libovolné množství nahlížecích a ovládacích vzájemně propojených počítačů v síti, ovšem na každém musí být nainstalována příslušná licence vývojového a runtime prostředí Reliance). Enterprise verze také umožňuje export vizualizace pro webové klienty a klienty určené pro mobilní zařízení. [1]
Runtime moduly •
Reliance View je program, který umožňuje zobrazení vizualizačních obrazovek s aktuálními daty, zobrazení a potvrzení alarmů, tabulek a grafů. Reliance View ale neumožňuje ovládání vizualizovaného procesu. Je určena pouze pro nahlížecí pracoviště.
•
Reliance 4 Control umožňuje kromě všech funkcí Reliance View i ovládání vizualizovaného technologického procesu.
•
Reliance 4 Server představuje datový server pro ostatní runtime moduly, webové klienty a klienty určené pro mobilní zařízení. Běží jako služba Windows, je možná výměna dat s aplikacemi třetích stran a obsahuje zabudovaný webový server. Na rozdíl od předchozích dvou runtime modulů tento modul neumožňuje zobrazování ani ovládání procesu.
•
Reliance 4 Control Server je program, který spojuje všechny funkce modulů Reliance 4 Control a Reliance 4 Server. Je určen pouze pro pracoviště s dostatečně výkonným počítačem, protože musí být schopen zajišťovat vykonávání dispečerských požadavků i obsluhu klientských runtime modulů a tenkých klientů. V případě rozsáhlých aplikací je vhodné vymezit pro obsluhu klientů samostatný server.
•
Reliance 4 Web Client je software pro spuštění a vizualizaci u vzdálených uživatelů prostřednictvím sítě Internet. Je nezávislý na operačním systému i na webovém 28
prohlížeči. Jako datový server využívá Reliance 4 Control Server nebo Reliance 4 Server. Umožňuje např. zobrazení vizualizačních obrazovek, alarmů, ovládání technologického procesu a zobrazení historických dat. •
Reliance 4 Mobile Client je software pro spuštění vizualizace na mobilních zařízeních, jako jsou PDA atd. Má stejné funkce jako Reliance 4 Web Client. [1]
4.3.2 Licence programu Reliance
Pro plnou funkci jednotlivých modulů Reliance je vyžadována licence., která je uložena v tzv. Licenčním klíči. Tento klíč je dodáván v 5 variantách: •
HW klíč je zařízení obsahující licenční informace. Připojuje se k USB portu počítače. Tento typ klíče je přenosný mezi počítači.
•
SW klíč je soubor s licenční informací a informací o počítači, pro který je určen. Z tohoto důvodu ho nelze přenášet mezi počítači.
Pokud je některý z modulů spuštěn na PC bez licenčního klíče, chová se jako tzv. Trial verze, která je omezená na 25 datových bodů. Datový bod je hlavním faktorem ovlivňující cenu za licenci pro vývojové prostředí a runtime moduly. Počet datových bodů je závislý na počtu a typu proměnných v projektu. [1]
Pro tuto práci byly pořízeny licence Reliance Design Enterprise , Reliance 4 Control Server a Reliance 4 Control. Každá z těchto licencí na 200 datových bodů.
4.4
Vizualizace MVE v programu Reliance
Na obrázku Obr. 6 je znázorněno použití jednotlivých modulů pro vizualizaci MVE. Pomocí modulu Reliance Design Enterprise je celý projekt navrhován. Díky verzi Enterprise je umožněno vytvářet sítové aplikace a exportovat projekt pro tenké klienty.
29
Samotný provoz vizualizačního systému je realizován pomocí runtime modulu Reliance Control Server, který je spuštěn na PC v budově elektrárny. Tento modul je připojen k jednotlivým PLC, ze kterých získává data. Tato data jsou dále poskytována modulu Reliance Control umístěného v kanceláři vzdálené přes 100 km od budovy elektrárny a webovým klientům.
Obr. 6 Struktura projektu vizualizace
4.4.1 Spojení Vizualizačního prostředí s PLC Spojení programu Reliance s jednotlivými PLC se vytváří ve správci stanic. Správce stanic je nástroj, s jehož pomocí definujeme stanice, které mohou být dvou typů:
30
•
Virtuální stanice je typ, který obsahuje vnitřní proměnné uložené v paměti PC. Tyto proměnné existují pouze v rámci projektu.
•
Fyzická stanice obsahuje proměnné, které jsou přímo vázány na proměnné v PLC. Stanice je tedy z hlediska vizualizačního projektu určitý soubor proměnných.
Pro tento projekt budeme potřebovat 3 fyzické stanice, odpovídající jednotlivým PLC. Jelikož Reliance neobsahuje ovladač pro PLC DirectLOGIC, není možné spojit vizualizační program přímo s PLC. Pro spojení použijeme jako prostředníka program DirectSOFT32 Data Server. Tento program umožňuje komunikaci se všemi programovatelnými automaty DirestLOGIC a zároveň slouží jako DDE server. Tím je umožněno jakékoli aplikaci běžící na stejném PC fungovat jako DDE klient a získávat data z PLC pomocí DDE protokolu. [2] V programu Reliance následně vytvoříme stanice typu DDE a nastavíme v položce různé textový identifikátor DDE serveru, který představuje název exe souboru DDE serveru bez cesty
a
přípony.
Například
pokud
je
DDE
serverem
program
"C:\Program
Files\MyDDEServer\MyDDEServer.exe", hodnota parametru bude "MyDDEServer". Poté již můžeme u stanic vytvářet jednotlivé proměnné. Na následujících obrázcích jsou znázorněny jednotlivé stanice s vytvořenými proměnnými, které jsou napojeny na odpovídající místa v PLC. Tyto proměnné jsou následně připojeny ke grafickým komponentám a použity pro vizualizaci. Na obrázcích jsou také vidět základní možnosti nastavení proměnných.
31
Obr. 7 Proměnné z PLC Kaplanovy turbíny použité k vizualizaci
32
Obr. 8 Proměnné z PLC Francisovy turbíny použité k vizualizaci
33
Obr. 9 Proměnné z PLC komunikujícího s PLC jezu použité k vizualizaci
34
4.4.2 Vizualizační okna Vizualizační okno je určeno pro umístění komponent z Palety komponent. Komponenty jsou grafické objekty, které se používají jako ovládací a zobrazovací prvky při tvorbě vizualizace. Okno s těmito prvky se stává nástrojem koncového uživatele vizualizace pro monitorování či řízení technologických procesů. U okna je nutné definovat typ, který může být – buď Normální, Dialogové nebo Lišta (Horní, Dolní, Levá, Pravá): •
Normální okna jsou zpravidla maximalizovaná v rámci okna runtime modulu a zobrazují sledovaný technologický proces.
•
Dialogová okna mají vždy zobrazen titulkový pruh, mají pevnou velikost a je možné s nimi pohybovat. Dialogové okno se může zobrazovat ve výhradním režimu. V tom případě není vloženo do okna runtime modulu (je samostatné).
•
Okno typu lišta nemá zobrazen titulkový pruh, je umístěno u zvoleného okraje okna runtime modulu a nelze měnit jeho polohu nebo rozměry. Parametr Velikost definuje šířku lišty tak, jak bude zobrazena v runtime modulu. Velikost je možné změnit pomocí položky Parametry okna na záložce Poloha. Lišty se nejčastěji používají pro vytvoření panelu s tlačítky. [4]
Pro tento projekt byla vytvořena 4 normální okna a jedno okno typu lišta, které umožňuje přepínání mezi okny.
35
4.4.3 Okno Kaplanka
Obr. 10: Vizualizační okno Kaplanka
4.4.4 Okno Franciska
36
Obr. 11: Vizualizační okno Franciska
37
4.4.5 Okno jez
Obr. 12: Vizualizační okno Jez
38
4.4.6 Hlavní okno
Obr. 13: Hlavní vizualizační okno
4.4.7 Okno lišta
Obr. 14: Vizualizační okno typu lišta
39
5
Další možná vylepšení automatizace MVE
Zdokonalení ovládání jezu a umožnění dálkového dohledu a řízení MVE již velmi usnadnilo obsluze práci. Ovšem stále je zde prostor pro další vylepšení a optimalizace, které by zvýšily výkon elektrárny, snížily počet poruch a nutných servisních výjezdů. Zde jsou v bodech uvedeny některé z problémů: •
V programu řízení by bylo vhodné zlepšit systém shrabování nečistot z česlí, např. na základě sledování aktuálního výkonu upravovat interval shrabování a tím zvýšit životnost oběžných řetězů, které jsou opotřebovávané zbytečně častým shrabováním. Zároveň by tímto opatřením byl snížen počet výpadků z důvodu nahromadění shrabků na česlích a následného snížení objemu vody, který skrz ně k turbínám protéká.
•
Mnoho možností k optimalizaci se nachází též ve stávajících programech, které ovládají jednotlivé turbíny. Tyto programy jsou univerzální verzí vytvořenou pro velkou skupinu turbín. Při instalaci byly upraveny pro tuto konkrétní realizaci. Ovšem univerzálnost mnoha řešení omezuje plné využití potenciálu turbín, které tyto programy ovládají.
•
Na základě měření průtoku nebo sbírání dat z vizualizačního systému optimalizovat souběh turbín. Aktuálně je souběh řešen tak, že pokud již Kaplanova turbína nemůže zvyšovat otevření a zároveň je dostatek vody, připojí se i Fancisova turbína. Ta najede na konstantní otevření nastavené obsluhou a Kaplanova turbína se automaticky reguluje podle hladiny vody na jezu. Toto řešení ovšem nezohledňuje křivku účinnosti jednotlivých turbín.
40
6
Závěr
Cílem této bakalářské práce bylo realizovat systém řízení jezu a dálkový dohled nad MVE. Tento cíl se
podařilo úspěšně splnit. Programy navrhované v této práci byly postupně
zkoušeny a nasazovány do provozu a nyní obsluha již několik měsíců monitoruje a řídí elektrárnu pomocí výše navrženého vizualizačního systému. Realizace této práce má mnoho pozitivních přínosů. Jelikož obsluha získává lepší přehled o stavu elektrárny, není nutné ji tak často navštěvovat. Navíc se díky včasné reakci, kterou umožňuje dálkové řízení přechází mnoha poruchám. Během několika měsíců kdy byl tento program nasazen došlo ke zvýšení výroby a usnadnění obsluhy.
41
Seznam obrázků Obr. 1: PLC DirectLOGIC 05..........................................................................................16 Obr. 2 PLC DirectLOGIC 06...........................................................................................17 Obr. 3 Ukázka programování v Softwaru DirectSOFT.................................................18 Obr. 4 Ukázka instrukce pro přenos dat ........................................................................22 Obr. 5: Příklad nasazení jednotlivých modulů[4]...........................................................27 Obr. 6 Struktura projektu vizualizace.............................................................................30 Obr. 7 Proměnné z PLC Kaplanovy turbíny použité k vizualizaci...............................32 Obr. 8 Proměnné z PLC Francisovy turbíny použité k vizualizaci..............................33 Obr. 9 Proměnné z PLC komunikujícího s PLC jezu použité k vizualizaci...............34 Obr. 10: Vizualizační okno Kaplanka..............................................................................36 Obr. 11: Vizualizační okno Franciska..............................................................................37 Obr. 12: Vizualizační okno Jez.........................................................................................38 Obr. 13: Hlavní vizualizační okno ...................................................................................39 Obr. 14: Vizualizační okno typu lišta...............................................................................39
42
Seznam tabulek Tabulka 1: Výstupy PLC řízení jezu................................................................................21 Tabulka 2: Vstupy PLC řízení jezu..................................................................................22 Tabulka 3: Proměnné přenášené z PLC ovládání jezu..................................................25 Tabulka 4: proměnné přenášené do PLC ovládání jezu ...............................................25
43
Seznam použitých zkratek MVE
Malá vodní elektrárna
PLC
Programmable Logic Controller - malý průmyslový počítač, používaný pro automatizaci a řízení technologických procesů
PC
Personal computer - osobní počítač
RS232
Standard, který se používá jako komunikační rozhraní PC a další elektroniky; umožňuje propojení a komunikaci dvou zařízení, jednotlivé bity jsou posílány postupně za sebou (proto nese označení sériový port, nebo sériová linka)
SCADA/HMI Supervisory Control and Data Acquisition/Human Machine Interface – softwarové prostředky, které umožňují řízení a sběr dat z technologických procesů prostřednictvím grafického rozhraní na PC FTP
File transfer protocol – protokol pro přenos souborů mezi počítači pomocí počítačové sítě
DDE
Dynamic Data Exchange je komunikační protokol, navržený firmou Microsoft, který dovoluje aplikacím v prostředí Windows vzájemně si posílat a přijímat data a instrukce. Využívá vztahu klient-server mezi dvěma komunikujícími aplikacemi. Serverová aplikace přijímá požadavky z jiných aplikací zajímající se o její data a poskytuje jim je.
44
Použité zdroje [1]
Webové stránky programu Reliance: [online], [cit.20.5.2012]. Dostupné z < http://www.reliance.cz/>
[2]
Nápověda k softwaru DSData Server
[3]
Gojda Š. Diplomová práce Vizualizace distribuovaného pracoviště se čtyřmi stanicemi v lab. 109
[4]
Nápověda k softwaru Reliance, samotný software firmy Geovap
[5]
DL05 Micro PLC User Manual Automationdirect.com 2000
[6]
Knap J. Manipulační řád pro energetické vodní dílo Andělská Hora 103
45
Příloha A Obsah CD Na přiloženém CD jsou kromě tohoto dokumentu i vlastní programy. Popis jednotlivých adresářů a některých souborů:
•
/programy – programy pro PLC a vizualizační projekt ◦ /MVE Reliance – adresář vizualizačního projektu ◦ /ovladani jezu – adresář projektu programu DirectSOFT obsahující program pro PLC DL 06 řídící stavidlový jez ◦ /prenos dat – adresář projekt programu DirectSOFT obsahující program pro PLC DL 05, který umožňuje komunikaci mezi PCL řídící stavidlový jez a PC
•
/text ◦ BP.pdf – tato bakalářská práce ve formátu PDF ▪ /src – zdrojový kód textu k bakalářské práce v LATEXu ▪
BP.odt – vlastní zdrojový kód v programu OpenOffice.org Writer
46
