MONITOROVACÍ SYSTÉM PRO ZPLYŇOVÁNÍ DŘEVNÍ ŠTĚPKY MONITORING SYSTÉM FOR GASIFICATION OF WOOD CHIPS

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION

MONITOROVACÍ SYSTÉM PRO ZPLYŇOVÁNÍ DŘEVNÍ ŠTĚPKY MONITORING SYSTÉM FOR GASIFICATION OF WOOD CHIPS

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS

AUTOR PRÁCE

RADIM VAŠKO

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERSOR

BRNO 2014

Ing. RADEK ŠTOHL, Ph.D.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav automatizace a měřicí techniky

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Automatizační a měřicí technika Student: Ročník:

Radim Vaško 3

ID: 146124 Akademický rok: 2013/2014

NÁZEV TÉMATU:

Monitorovací systém pro zplynování dřevní štěpky POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Cílem práce je vytvořit monitorovací systém kvality plynu při zplynování dřevní štěpky. Zadání lze shrnout do následujících bodů: 1. Zpracujte rešerši týkající se měření plynných látek technologií spektrometrie. 2. Navrhněte a popište vlastní řešení měřicího systému plynů. 3. Navrhněte, popište a realizujte příslušnou elektrovýzbroj. 4. Navrhněte, popište a realizujte aplikaci typu SCADA zajišťující měření plynných složek v bioplynu ve vývojovém prostředí "GEOVAP Reliance". 5. Ověřte a vyhodnoťte své řešení. DOPORUČENÁ LITERATURA: KOMÁREK, J. Atomová absorpční spektroskopie. Masarykova univerzita, Brno, 2000, 85 s. ISBN 80-210-2500-X. Dle vlastního literárního průzkumu a doporučení vedoucího práce. Termín zadání:

10.2.2014

Termín odevzdání:

26.5.2014

Vedoucí práce: Ing. Radek Štohl, Ph.D. Konzultanti bakalářské práce: Radek Sasyn

doc. Ing. Václav Jirsík, CSc. Předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

ABSTRAKT V práci se zabývám realizací měřicí aplikace kvality plynu. Vysvětluji technologický proces měření spektrometrických snímačů. Navrhuji automatizovanou měřicí soustavu. Navrhuji a vytvářím průmyslový rozvaděč s PLC. Vysvětluji algoritmus programu pro PLC AMiT AMiNi4DS. Popisuji vnitřní komunikaci systému. Mechanicky a elektricky sestavuji celé zapojení. Následně jej oživuji. Vytvářím projekt SCADA aplikace. Vysvětluji vlastnosti obecných SCADA systémů a konkrétního SCADA software Reliance 4.

KLÍČOVÁ SLOVA MĚŘENÍ PLYNU, MONITOROVACÍ SYSTÉM SPEKTROMETRIE, SCADA, RELIANCE 4

ABSTRACT In my work, I am developing measuring application for monitoring gas quality. I explain the technological process of measurement by spectrometric sensors. I design an industrial cabinet with PLC. I’m explaining algorithms of program for PLC AMiT AMiNi4DS. I describe inner communication of system. I assemble device mechanically and electrically. I am then setting the system ready for use. I create SCADA project for application. I describe the general characteristic of SCADA systems and specific SCADA software Reliance 4.

KEYWORDS GAS MEASURING, MONITORING SYSTEM SPECTROSCOPY, SCADA, RELIANCE 4

3

BIBLOGRAFICKÁ CITACE VAŠKO, R. Monitorovací systém pro zplynování dřevní štěpky. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2014. 56 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Radek Štohl, Ph.D.

4

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma „Monitorovací systém pro zplyňování dřevní štěpky“ jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení §11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.

V Brně ……………….

………………………………... (podpis autora)

5

OBSAH Úvod .............................................................................................................................................. 8 1

2

3

Popis technologie ................................................................................................................. 9 1.1

Vstupní palivo ............................................................................................................... 9

1.2

Příprava paliva .............................................................................................................. 9

1.3

Proces zplyňování ......................................................................................................... 9

1.4

Kogenerace.................................................................................................................... 9

1.5

Úprava technologického procesu ................................................................................ 10

Měření složení plynných látek............................................................................................ 11 2.1

Měřicí systém OMA-300 ............................................................................................ 11

2.2

Atomová spektrometrie ............................................................................................... 12

2.3

Fluorimetr NeoFox ...................................................................................................... 14

2.4

iSense 25% Oxygen Sampling Data Logger Controller - NEMA4............................. 15

2.5

Detektor vodíku........................................................................................................... 17

ZapojenÍ měřicí soustavy ................................................................................................... 20 3.1

4

Návrh průmyslového rozvaděče ......................................................................................... 24 4.1

5

6

7

Návrh rozvaděče.......................................................................................................... 24

Návrh zapojení komunikace ............................................................................................... 29 5.1

Schéma komunikace.................................................................................................... 29

5.2

Protokoly komunikace ................................................................................................ 29

5.3

Realizace komunikace ................................................................................................. 32

Program pro PLC AMiNi4DS ............................................................................................ 35 6.1

Programování řídicích systémů AMiT ........................................................................ 35

6.2

Vytváření obrazovek ................................................................................................... 36

6.3

Nahrání aplikace ......................................................................................................... 36

6.4

Ladění aplikace ........................................................................................................... 36

6.5

Tvorba vlastní aplikace ............................................................................................... 37

SCADA systémy ................................................................................................................ 40 7.1

8

Popis jednotlivých součástí ......................................................................................... 20

Bezpečnost proti útokům............................................................................................. 41

SCADA GEOVAP Reliance 4 ........................................................................................... 42 8.1

Reliance Design .......................................................................................................... 42

8.2

Runtime moduly .......................................................................................................... 42

8.3

Tencí klienti ................................................................................................................ 42

6

8.4 9

10

Základní součásti vlastnosti projektu .......................................................................... 42

Návrh SCADA systému ..................................................................................................... 47 9.1

Realizace obrazovek.................................................................................................... 47

9.2

Databáze ...................................................................................................................... 50

9.3

Stanice ......................................................................................................................... 50

9.4

Energická hodnota plynu............................................................................................. 51

9.5

CSV formát ................................................................................................................. 51

9.6

Čtení CSV souborů v Reliance 4 ................................................................................ 52

9.7

Instalace softwaru........................................................................................................ 52

Problémy s realizací ........................................................................................................... 53 10.1

Problém: Termíny realizace ........................................................................................ 53

10.2

Problém: Kyslíkové čidlo ............................................................................................ 53

10.3

Problém: Malý průtok měřicími kolonami. ................................................................. 53

11

Závěr................................................................................................................................... 54

12

Použité zdroje ..................................................................................................................... 55

7

ÚVOD Téma Monitorovací systém pro zplyňování dřevní štěpky jsem si vybral ve spolupráci s firmou GASCONTROL, společnost s r.o. Nejedná se o první projekt, který ve spolupráci s touto firmou realizuji. Rozhodl jsem se, že zahrnu svou pracovní činnost i do bakalářské práce, s čímž firma souhlasila. V roce 2012 firma GASCONTROL realizovala projekt výstavby elektrárny v Odrách. Areál elektrárny byl vybudován jako prototyp pro výzkum a odladění procesu. Elektrárna je zdrojem tepelné a elektrické energie založené na zplyňování dřevní štěpky. V první fázi se ze dřeva vyrábí plyn a v druhé fázi se spaluje motory a vytváří elektrickou energii. Zájmem firmy je zdokonalení výrobního procesu plynu. Optimalizace a stabilnější provoz si vyžaduje přesnější měření plynu. Firma zakoupila od Americké firmy APPLIED ANALYTICS průmyslové spektroskopické zařízení, které se má implementovat do technologie výroby. Mým úkolem je právě tato implementace ve formě návrhu a vytvoření řídícího automatu spravujícího zmíněný spektrometr a vytvoření SCADA aplikace pro operátory v řídícím centru výrobny.

8

1 POPIS TECHNOLOGIE Tato kapitola popisuje obecně strukturu procesu výroby dřevoplynu. Pro vytvoření SCADA aplikace je důležitá znalost procesu. Popis je konkrétní k elektrárně v Odrách, které se tento projekt týká. Při obecném srovnání s klasickou teplárnou spalující biomasu není úplně zřejmá výhoda zplyňování. Účinnost samotného spalování biomasy je mnohem efektivnější na výrobu tepla než zplyňování, avšak zplyňování s sebou nese jiné výhody. Při procesu zplyňování se ze dřeva uvolňuje plyn, který lze procesem kogenerace v motorgenerátorech spálit a vyrobit z něj elektrickou energii. Tu lze dodávat do elektrické sítě. Elektřinu lze prodat dráž než teplo, čímž je ekonomický zisk z takto zpracované biomasy vyšší.

1.1 Vstupní palivo Technologie je zaměřena na zpracování biomasy ze skupiny 2, tedy biomasu vhodnou pro anaerobní fermentaci a procesy termické přeměny. Využitelným vstupním palivem spadajícím do této kategorie je zbytková dřevní hmota z lesních dřevin. Vlhkost štěpky dodávané z lesů se může pohybovat mezi 40-60 procenty.

1.2 Příprava paliva Dovezené palivo, které je uskladněné v silech, není často vhodné pro okamžité zpracování. Proto procesu zplyňování předchází proces úpravy paliva. Palivo je magneticky zbaveno kovových nečistot. Poté nemagnetických nečistot těžších než je štěpka (například kamení). V dalším procesu je vytřízena na větší a menší kusy, přičemž větší kusy jsou rozemlety v drtiči. V poslední fázi je sušení štěpky pomocí spalin z elektrárny. Výstupem tohoto procesu je čistá štěpka jednotné velikosti a nízké vlhkosti.

1.3 Proces zplyňování Palivo je postupně dodáváno do generátoru a postupuje řadou chemicko-termických procesů. Přeměna dřeva na dřevní plyn a dřevěné uhlí je regulována teplotou a teplota je ovlivňována malým přísunem vzduchu do procesu. Plyn uvolňující se ze štěpky prochází filtrací prachových částic, odlučováním dehtu a zchlazováním.

1.4 Kogenerace Výstupní plyn je stlačen a dopraven do nádrží, kde se zhomogenizuje jeho výhřevnost. Plyn vstupuje za běžného provozu do kogeneračních jednotek. Kogenerační jednotky jsou zařízení vyrábějící společně teplo a elektrickou energii. V této aplikaci to jsou

9

plynové motory spalující vodík s elektrickým generátorem. Pokud však vlastnosti plynu nejsou stabilní, tak plyn nesmí vstoupit do motoru. Tato situace běžně nastává, například při spouštění zařízení. Doba stabilizace odpovídá zhruba 48 hodinám. Plyn je v takovém případě přiváděn do spalovací fléry.

1.5 Úprava technologického procesu V teplárně chybí automatizované zařízení pro kontrolu koncentrace látek obsažených v dřevoplynu. V případě posledního kroku technologické výroby, tedy kogenerace, není úplně zřejmé, kdy je plyn připraven pro vstup do motorů. Kvalita plynu je odhadována pomocí barvy plamene na spalovací fléře. Tento postup si však žádá zefektivnění. Na základě konkrétního měření koncentrací látek obsažených v dřevoplynu byly stanoveny požadavky pro měřicí systém. Těmi jsou měření vodíku, oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého a kyslíku v provozních rozsazích. Sloučenina

Koncentrace [%]

Dusík

45,4

Oxid uhelnatý

21,7

Vodík

18,8

Oxid uhličitý

10,9

Metan

1,9

Kyslík

0,8

Ostatní

0,5 Tabulka 1 – Měření dřevoplynu ze dne 22.8.2012

Z hlediska energie plynu je důležitý pouze vodík, který je spalován. Oxid uhelnatý je silně jedovatý plyn, který také prochází oxidačním procesem, avšak dodá menší množství energie. Oxid uhličitý nemá při spalování zásadní vliv. Úroveň metanu signalizuje množství dehtových látek v plynu. Z koncentrací těchto plynů lze zjistit vlastnosti procesu zplyňování. Úroveň kyslíku je v plynu za běžného provozu velmi nízká, ale je potřeba hlídat, aby nevznikla v plynu výbušná směs. Pro měření vodíku, oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého byl od firmy Applied Analytics, Inc. zakoupen měřicí systém OMA-300. Kyslíkové čidlo bylo potřeba dokoupit. Konkrétní úpravou je myšleno vytvoření průmyslového automatizovaného systému na základě předem daných měřicích zařízení. Dalšími požadavky jsou měření plynu z více odběrných míst a vytvoření SCADA systému pro zobrazování naměřených hodnot, archivování a grafickou vizualizaci.

10

2 MĚŘENÍ SLOŽENÍ PLYNNÝCH LÁTEK Kapitola je zaměřena na popis snímačů plynných složek, které se mají stát součástí technologie. Zaměření na rozbor způsobu a technologie měření a popis vlastností. Probrány jsou také komunikační rozhraní, kterými snímač disponuje.

2.1 Měřicí systém OMA-300 Celá měřicí sestava je složena z řídícího počítače, třech spektrometrických snímačů MCP-200, chromatografického snímače vodíku a vzorkovací jednotky. Centrální řídící jednotkou zařízení je průmyslový počítač, vybaven HMI systémem s dotykovou obrazovkou. Software HMI byl vytvořen v softwaru National Instruments Labview. V zařízení je nahrán program, který periodicky spouští proces odebírání vzorku plynu a následné měření. Vzorkovací jednotka mimo jiné zajišťuje jednotný průtok plynu při konstantním tlaku. Periodicky je také spouštěn kalibrační proces nuly. Kalibrace nuly přivádí na snímače čistý dusík (z plynové láhve). Tento proces se provádí přibližně jednou týdně, aby byla dodržena přesnost měření. Kalibrace s použitím kalibračního plynu s měřenými složkami je nutná pouze při prvním spuštění.

Obrázek 1 - Měřicí systém OMA-300 Čtení dat z analyzátoru je možné prostřednictvím protokolu MODBUS TCP/IP, MODBUS RS-232 nebo 4-20 mA analogovými výstupy a výstupními reléovými kontakty.

11

2.2 Atomová spektrometrie Jedná se o měřící metodu využívající interakce záření s hmotou, tedy s molekulami měřeného vzorku. Využívá toho, že atomy dokážou absorbovat záření určité vlnové délky. Obecně pokud atom nějakou energii absorbuje nebo emituje ve formě fotonu, tak tato energie zajistí posun vlastního elektronu mezi energetickými hladinami pouze za podmínky, že množství energie fotonu odpovídá rozdílu energií mezi dvěma kvantovými stavy (energetickými hladinami). Tuto závislost lze popsat rovnicí Planckova vztahu:

E  E1  E 2 

h*c



(1)

E1 – energie na vyšším energickém stavu E2 – energie na nižším energickém stavu h – Planckova konstanta c – rychlost záření λ – vlnová délka Atom vybuzený metodou absorpce si energii ponechá přibližně 10^-9 až 10^-6 sekundy, poté se vrátí do původního stavu. Vrátit se může pomocí srážek s jinými atomy, tedy relaxaci, nebo emisí fotonů při fluorescenci. Záleží také, na jaké energické hladiny byl atom excitován. Emise fotonu není možná na všech hladinách. Nejčastěji však z energické hladiny S1 do původní S0.

Obrázek 2 - Energetické přechody atomu

2.2.1 Měření absorpce Absorbance značí míru zeslabení intenzity světla po průchodu měřicím prostředím. Lambert-Beerův zákon vyjadřuje lineární závislost mezi absorpcí a koncentrací analytu.

12

A  log

I0   d c I

(2)

A – Absorbance I0 – Intenzita světla budícího záření I – Intenzita po průchodu absorpčním prostředím ε – Absorpční koeficient; ε = (λ, T) d – Délka absorpčního prostředí c – koncentrace analytu

2.2.2 Absorpční spektrometr Snímač, kterým lze měřit absorbanci látek v závislosti na vlnové délce absorbovaného záření. Skládá se ze zdroje záření, běžně žárovky nebo výbojky. Záření prochází do absorpčního prostředí. V absorpčním prostředí musí záření interagovat s molekulami měřené látky. Neabsorbované záření prochází monochromátorem. Zde se rozkládá na spektrum pomocí reflexní mřížky, nebo optického hranolu. Detektor je sada fotocitlivých snímačů, jež převádí záření na elektrický signál. Příkladem mohou být fotonky, fotonásobiče nebo fotodiody.

ZDROJ

ABSORBČNÍ PROSTŘEDÍ

MONOCHROMÁTOR

DETEKTOR

Obrázek 3 - Blokové schéma absorpční spektrometrie

2.2.3 Vlastnosti snímače MCP-200 MCP-200 je snímač založený na absorpci infračerveného světa. Snímač využívá Jednotky Lambert-Beerova zákona, v tomto případě v izolované IR oblasti vlnové délky. Tento analyzátor se skládá z IR zdroje, filtrů, které izolují určité vlnové délky a nedisperzního infračerveného detektoru. Snímač je zkonstruován pouze pro měření jedné složky plynu. Specifický plyn, pro jehož měření je snímač určený má v určité části spektra absorpční maximum. Specifická vlnová délka záření, jež prochází skrz detekční komoru, koresponduje s vlnovou délkou maxima absorpce. Takže pokud není v měřeném plynu látka, která by měla v téže oblasti spektra také výchylku absorpčního koeficientu (což v tomto konkrétním případě u měřeného plynu neplatí), může snímač tímto způsobem zjistit absorpci měřené látky. Hodnota absorpce koreluje s hodnotou koncentrace. Měřicí soustava s řídící jednotkou OMA-300 obsahuje tři analyzátory tohoto typu pro měření CO2 v rozsahu 0-30%, obsah CO v rozsahu 0-30% a CH4 v rozsahu 0-60%. Analyzátory obsahují vlastní analogově-digitální úpravu měřené veličiny. S průmyslovým počítačem komunikují prostřednictvím MODBUS protokolu.

13

Obrázek 4 – Analyzátor MCP-200

2.3 Fluorimetr NeoFox Fluorimetr NeoFox je snímač, který dokáže měřit parciální tlak částic kyslíku na základě doby života fluorescence. Principiálně zářič vyzařuje modré, často ultrafialové excitační záření na Fluorescenční barvivo, které je v kontaktu s analytem. Barvivo na to reaguje emisním zářením, které se vrátí na detektor snímače. Mezi excitačním a emisním zářením vzniká fázový posun způsobený rozdílnou dobou života pohasínání fluorescence. Při kolizí atomů plynného kyslíku s fluorescenčním barvivem dochází k přenosu energie a rychlost pohasínání závisí na počtu kolizí. Dalšími faktory jsou teplota a tlak, které je potřeba udržovat konstantní, nebo je měřit.

Obrázek 5 - Reakce fluorescenčního barviva Sensorem je HIOXY sonda, na které je naneseno fluorescenční barvivo (v případě HIOXY Ruthenium). Na sondu je nanesena speciální ochrana na bázi silikonu, aby mohla být používána i v přítomnosti uhlovodíkových substancí.

Obrázek 6 - Fluorimetr NeoFox Sonda je propojena rozdvojeným optickým vláknem do snímače rozdělenou na excitační a detekční část. Jelikož se jedná především pro laboratorní zařízení, tak lze

14

fluorimetr ovládat přes USB rozhraní a dodávaný software, nebo prostřednictvím DLL knihoven. K ovládání patří zobrazování a nastavování měřicích parametrů nebo kalibrace zařízení. Dále obsahuje jeden analogový proudový výstup, na který lze nakonfigurovat pro jakoukoli měřenou veličinu (teplota, fázový posun, doba života, koncentrace kyslíku). Výrobce doporučuje jednou ročně překalibrovat zařízení. Sensor má udávanou přesnost 5%.

2.4 iSense 25% Oxygen Sampling Data Logger Controller NEMA4 V průběhu realizace došlo ke změně snímače (kapitola Problémy s realizací). Jedná se o kyslíkový snímač osazený keramickým zirkoniovým sensorem, který měří koncentraci kyslíku v plynu za pomocí chemického principu, který je obdobný jako princip Lambda sond využívaných u motorových vozidel.

2.4.1 Fyzikální princip Snímač využívá článku s elektrolytem z oxidu zirkoničitého. Aby snímač mohl fungovat, je potřeba článek zahřát na teplotu větší než 650 °C. Za této teploty rozdílný tlak kyslíku na obou elektrodách vytvoří anionty, které cestují skrz elektrolyt. Tento efekt je ještě podpořen dopovaným oxidem yttritým, který vytváří poruchy v krystalové mřížce, aby se anionty kyslíku rychleji šířit. Elektroda je nejčastěji ze zlata, stříbra, nebo platiny s porézními vlastnostmi. Na jedné straně je měřený plyn a na druhé referenční plyn se známým obsahem kyslíku. Nejčastěji se používá okolní vzduch.

VZDUCH

PROCESNÍ PLYN

Obrázek 7 - Fyzikální princip elektrochemického snímače kyslíku

15

Rozdíl koncentrací v krystalické mřížce oxidu zirkoničitého vytvoří napěťový potenciál mezi elektrodami. Závislost je logaritmickým poměrem parciálního tlaku kyslíku mezi referenčním a procesním plynem. Tyto vlastnosti popisuje Nernstova rovnice (viz. Rovnice Nernstova napětí (3). Tato logaritmická závislost má obrovskou výhodu v citlivosti při nízkých koncentracích. Čím je koncentrace kyslíku v procesním plynu menší, tím vyšší citlivost.

U  

c  k BT  ln  1  e0  c2 

(3)

kB- Boltzmannova konstanta (kB=1.38*10-23 J/K) T - Tepla v kelvinech e0 - Elementární náboj (e0=1.602*10-19 C) ci - Koncentrace Iontů mol/kg Naměřené napětí je poté digitalizováno a filtrováno proti šumu. Nakonec je tato hodnota kalibrována, aby výstupní závislost byla lineárně závislá na obsahu kyslíku od 0-25%.

Obrázek 8 - Snímač kyslíku CM-0185

2.4.2 Vlastnosti snímače Měření je velmi časově stabilní. Pravidelná kalibrace není za normálních okolností nutná. Zařízení má k dispozici dva druhy kalibrace. Doporučuje se však provádět pouze základní kalibraci nuly za pomocí kalibračního plynu s nulovým obsahem kyslíku (například čistý dusík), nebo kalibraci rozsahu čerstvým venkovním vzduchem a to zejména za okolností, pokud bylo se zařízením nějak mechaniky manipulováno. Zvyšující se přesnost závislá na nízkých koncentracích kyslíku je velmi výhodná pro účel instalovaného měřicího systému, protože ideální koncentrace kyslíku za normálního provozního stavu je 0%. Tím lze velmi přesně sledovat účinnost zplyňujících reaktorů. Tuto veličinu je potřeba hlídat, protože vysoké koncentrace kyslíku v plynu vytváří výbušnou směs.

16

Zařízení je zkonstruováno v plastové krabičce s krytím IP-65, což vyhovuje instalaci v prašném prostředí. Další vlastností zařízení je automatické ukládání hodnot do paměti. Velikost by měla vystačit po celou životnost zařízení. Přístup k těmto datům je možný se speciálním softwarem a připojením snímače USB kabelem s počítačem. Tuto možnost z důvodu absence aplikačního rozhraní pro propojení se SCADA systémem nijak ve svém projektu nevyužívám. Chyba opakovaného měření ±0.02% z měřené hodnoty Přesnost ±2% z rozsahu Napájení 20-24V= Spotřeba elektrické energie 600mA při 24V= Životnost Více než 15 let Zahřívací doba Méně jak 15 minut Výstupy RS485 (modbus), 4-20mA lineárně Pumpa Maximální tlak 1atm Cyklus měření Každé 2 sekundy Tabulka 2 - Vlastnosti kyslíkového snímače iSence

2.5 Detektor vodíku Využívá kombinace chromatografu a detektoru tepelné vodivosti. Chromatograf dokáže oddělit vodík od zbytku plynu, který v přesně definovaném zpoždění od nástřiku vzorku vchází do detektoru a vytvoří vzhledem ke svojí koncentraci v čase měřitelnou špičku. Výška špičky v průběhu je úměrná koncentraci vodíku v plynu. Vstup vzorku

Regulátor tlaku

Regulátor průtoku

Odfuk

Separační kolona

Nosný Plyn N2

TDC Detektor

Regulátor průtoku

Obrázek 9 - Blokové zapojení chromatografického detektoru vodíku

17

2.5.1 Chromatograf Chromatografické snímače využívají principu dělení plynu na jednotlivé složky. Dělení je způsobené rozdělováním látek mezi stacionární fázi a mobilní fázi. V plynové chromatografii je mobilní fází nosný plyn (je v pohybu). Stacionární fáze je látka, která dokáže na sebe poutat molekuly jednotlivých látek plynu (nepohybuje se). K rozdělování dochází v separační koloně, což může být kapilární trubice známé délky naplněná stacionární fází. Měření probíhá způsobem: 1. Měřený plyn je v malém množství vstříknut do nosného plynu. U nosného plynu je důležitý stabilní průtok. 2. Společně proudí separační kolonou, kde jsou jednotlivé látky měřeného plynu poutány ke stacionární fázi. Každá látka různě difunduje do stacionární fáze a je tedy poutána jinou silou. Pevněji poutané molekuly se pohybují pomaleji, než slaběji poutané. 3. Proudící nosný plyn do kolon postupně vymývá jednotlivé látky v pořadí za sebou korelující s rychlostí jejich pohybu v separační koloně. 4. Výstup z kolon se přivádí na detektor, který měří obsažené látky v plynu v jednotlivých časech.

Obrázek 10 – Vzorkovací jednotka a chromatografický snímač vodíku (součást OMA-300)

18

2.5.2 Detektor měření tepelné vodivosti. Měření na základě rozdílné tepelné vodivosti dvou plynů. Principiálně dva proudící plyny stejného průtoku jinak ochlazují čtyři vyhřívané rezistory umístěné separátně ve dvou částech detektoru. Složení plynů ovlivňuje jejich tepelnou vodivost. Čím vyšší má plyn tepelnou vodivost, tím více se teplota vlákna sníží a tím klesne jeho odpor. Pro vyhodnocení malé změny odporu rezistoru se využívá zapojení Wheatstonova můstku. Pokud se jedná o separátní látku v nosném plynu, tak je jeho koncentrace přímo úměrná rozdílu odporu. VSTUP VZORKU A NOSNÉHO PLYNU

VSTUP ČISTÉHO NOSNÉHO PLYNU

ZESILOVAČ DETEKTOR

+ UN -

VÝSTUP VZORKU A NOSNÉHO PLYNU

VÝSTUP ČISTÉHO NOSNÉHO PLYNU

Obrázek 11 - Principiální schéma detektoru tepelné vodivosti

19

3 ZAPOJENÍ MĚŘICÍ SOUSTAVY Kapitola se zabývá realizací mechanického zapojení snímačů a jejich vzájemnému propojení. Soustava obstarává přepínání vzorků a zajišťuje potřebnou kvalitu plynu pro všechny snímače. Montáž jednotlivých komponent jsem zajistil na kovový panel o rozměrech 800x800x5 mm.

3.1 Popis jednotlivých součástí

Obrázek 12 - Mechanické schéma měřicí soustavy

3.1.1 Vzorky V technologii dřevoplynové elektrárny již byly vyvedeny z potrubí odbočky pro odběr vzorků. Na všech odbočkách je napojen kulový kohout, umožňující odstavení v případě montáže. Na ventil je napojena přechodka na teflonovou hadici, kterou je plyn veden po areálu až k měřicímu systému.

20

3.1.2 Elektromagnetické solenoidy Vstupy jsou napojeny na solenoidové ventily (4ks), které umožňují výběr vzorků. Solenoidový ventil je typu STASTO 21A2KV55-Y. Bez napájení je uzavřen. Třícestný ventil využívaný pro přepínání vstupního vzorku mezi procesním plynem a kalibračním čistým dusíkem. Vybraný ventil je typově STASTO 31A3AV15-Y. Cívky obou typů ventilů jsou spínány 24V ss. a jmenovitým příkonem 9,5W.

3.1.3 Filtr s aktivním uhlím Aktivní uhlí je pórovitá látka vyráběná z organických produktů procesem karbonizace a aktivace. Látky se usazují v pórovitých stěnách materiálu. Filtr dokáže adsorbovat široké spektrum nečistot. Jeho účelem je odstranění dehtových látek, které by se mohly usazovat na vnitřních stěnách celé měřicí soustavy. Vzhledem ke svému objemu slouží filtr i jako plynová vyrovnávací nádrž vyrovnávající tlakové rázy při spuštění a vypnutí kompresoru. Proto jsem jej v realizaci zařadil v pořadí až za něj.

Obrázek 13 - Filtr s aktivním uhlím

3.1.4 Prachový filtr Filtr STASTO série Gold SF. Filtruje prachové částice do velikosti 0,01 mikronů s účinností 99.999 %. Filtrace probíhá na principu odstředivé síly. Filtr chrání před usazováním nečistot v měřicím systému.

Obrázek 14 - Prachový filtr STASTO série Gold SF

21

3.1.5 Kompresor Vlastní produkt elektrické pumpy vyráběné firmou GASCONTROL. Pracuje na jmenovitém stejnosměrném napětí 24 V ss. s jmenovitým odběrem proudu 0.3 A. Zařízení je namontováno v pevném závěru a splňuje krytí IP 66. Pumpa je schopná vytvořit tlak o velikosti 1 Bar.

3.1.6 Průtokoměr Typ KDG-2228 pro měřicí rozsah od 10-100 l/h. Slouží pouze jako vizuální kontrola průtoku do spektrometrických snímačů. Spektrometry vyžadují provozní průtok 2 NCFH, což je přibližně 56 l/h. Snímač vybaven plovákem ve tvaru kuličky a jehlovým ventilem. Ten nevyužívám, protože je průtok regulován až průtokoměrem ve vzorkovací jednotce analyzátorů.

Obrázek 15 - Plovákový snímač průtoku KDG-2228

3.1.7 Vstup stlačeného vzduchu Stlačený vzduch je použit pro pneumatické ventily instalované v chromatografickém snímači. Ventily vyžadují tlak okolo 300 kPa. Napojení jsem zajistil na dostupný kompresor v areálu elektrárny, jehož tlak se pohyboval mezi 400-500 kPa. Namontoval jsem na odbočku z kompresoru regulátor a provedl jsem napojení na snímač.

3.1.8 Láhev se stlačeným dusíkem Dusík je potřebný pro měření chromatografického snímače a auto-kalibraci nuly spektrometrů. Láhev bude potřeba jednou za půl roku vyměnit. Plnící tlak láhve je 200 Bar. Tento tlak snižuji regulátorem na 100 kPa.

3.1.9 Odfuk Po výstupu ze snímačů je plyn veden společnou hadicí do venkovního odfuku. Před odvodem jsem napojil manometr, aby se dalo ověřit, zda odfuk není ucpaný. Pokud není na manometru žádný tlak, tak plyn bez problému odchází.

22

Obrázek 16 - Realizace zapojení měřicí soustavy

Obrázek 17 - Realizace zapojení řídící jednotky OMA-300 a chromatografické vzorkovací jednotky.

23

4 NÁVRH PRŮMYSLOVÉHO ROZVADĚČE Kapitola pojednává o návrhu rozvaděčové skříně, ve které je umístěna řídící elektronika. V kapitole je také nastíněna činnost programu řídícího automatu, od kterého se budou odvíjet všechny vlastnosti SCADA systému.

4.1 Návrh rozvaděče Pro napájení řídícího automatu a ovládání elektro ventilů jsem navrhl a vyrobil rozvaděčovou skříň. Veškeré prvky jsou montovány na lišty DIN-35.

Obrázek 18 - Schéma 1 zapojení průmyslového rozvaděče

24

Obrázek 19 - Schéma 2 zapojení průmyslového rozvaděče

25

4.1.1 Krabice Rozměrově jsem vybral vhodný rozvaděč typu Rozvaděč WS, 400x300x210. Konstrukce rozvaděče je plechová. Rozvaděč obsahuje montážní desku a splňuje stupeň krytí IP66.

4.1.2 Zdroj Z1 Zdroj jsem vybral typ BKE JS-55-240 s výstupním napětím stabilizovaných 24 V a výstupním výkonem 55 W. Napájecí napětí zdroje je od 180-260 V. Vstup je chráněn vnitřní 2A pojistkou. Jedná se o spínaný zdroj s účinností 80%. Zdroj se stará o napájení řídícího automatu a kyslíkového čidla a otevírání solenoidových ventilů. Potřebný výkon zdroje jsem vypočítal z katalogových hodnot odběrů jednotlivých součástí. Součást Vstupní proud [mA] PLC napájení 200 Solenoid 400 Kyslíkové čidlo 600 Rezerva 500 Suma 1700 Tabulka 3 - Tabulka odhadu nominálního zátěžového proudu zdroje Za předpokladu, že jednotlivé součásti mohou odebírat výkon max. 40 W, jsem z katalogu vybral zdroj, který splňoval tento požadavek.

4.1.3 WAGO svorky Svorkovnice jsem umístil pro účel napojení vstupně-výstupní kabelů do rozvaděče a pro rozvod napájení a zemí do jednotlivých součástí. Pro jednoduchou manipulaci jsem vybral pružinové WAGO svorky série 870.

Obrázek 20 - WAGO svorky série 870

26

4.1.4 Relé K1-K4 Dvojité spínací relé se jmenovitým napětím cívky 24 V ss. a proudem 17 mA. Maximálním proud kontaktů je 8 A. Druhý přepínací kontakt relé je nevyužitý. Typ jsem vybral SHRACK RT424024 s paticí YRT78626 z firemních skladových zásob.

4.1.5 Pojistky Pojistky jsou proudově dimenzované o 30%-50% víc než je maximální proud jednotlivých součástek. Uloženy jsou v patici RSP 4-LED na DIN liště se šroubovacími konektory vyráběnou Elektro Bečov. Součástí patice je signalizační LED dioda, která indikuje spálenou pojistku. Značka F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7

Typ Popis F315mA Napájení PLC F500mA Výstupy PLC F630mA Solenoid 1 F630mA Solenoid 2 F630mA Solenoid 3 F630mA Solenoid 4 F1A Kyslíkové čidlo Tabulka 4 - Popis pojistek rozvaděče

4.1.6 Jistič FA Vstupní síťové napájení je jištěno jističem. Vybral jsem typ OEZ 1P 2A char.B. Vybral jsem nejmenší jistič řady OEZ Minia. Charakteristika B je dostatečná, protože zátěž nezpůsobuje téměř žádné proudové rázy.

4.1.7 Kabely Přívodní kabel silové vedu CYKY-J 3x1,5. Jednotlivé součásti v rozvaděči jsem propojil kabelem BRAD HARRISON 3Gx0,5. Jedná se o měděné lanko s PVC izolací. Pro komunikaci RS485 jsem vybral kabel typu BELDEN 3105A. Jedná se o kroucený stíněný pár s impedancí 120 Ohm. Stínění jsem využil jako zemní vodič.

4.1.8 Průchodky Do rozvaděče jsem vyvrtal 10 děr pro průchodky typu PG9. Počítal jsem s rezervou 1-2 průchodky, které v případném nevyužití budou zaslepeny.

27

4.1.9 Řídící automat Při výběru automatu bylo potřeba odhadnout jaké vstupy a výstupy bude obsluhovat a jaké jsou softwarové nároky. Mezi požadavky patří přepínání mezi elektromagnetickými ventily podle požadavků obsluhy. V automatickém režimu přepínání mezi ventily automaticky v definované časové době. Otevřený ventil značí místo ze kterého se odebírá měřený vzorek. Řídící automat po změně odběrného místa čeká na dokončení měřicího cyklu snímače OMA-300 a ověřuje platnost. Periodicky komunikuje s měřicím zařízením OMA-300 na protokolu MODBUS. Konkrétně vyčítá aktuální hodnoty koncentrací plynných látek a stavové proměnné zařízení. Zároveň obsluhuje komunikaci s analyzátorem kyslíku. Řídicí automat vyhovující těmto požadavkům jsem vybral od české firmy „AMiT, spol. s r.o.“ typ AMiNi-4DS. Alternativu jsem v tomto případě nehledal, protože výběr byl založen hlavně na praktických zkušenostech. Tento model je vybaven 8 číslicovými výstupy, 8 číslicovými vstupy, 8 analogovými vstupy, 8 analogovými výstupy, komunikační linkou RS485, RS232, Ethernet a grafickým displejem 122 × 32 bodů. Tím jsou hardwarové požadavky splněny s rezervou. Krytí IP 20 vyhovuje, protože automat bude umístěn v rozvaděči ve vnitřním prostředí.

Obrázek 21 - Řídící automat AMiT AMiNi4DS

28

5 NÁVRH ZAPOJENÍ KOMUNIKACE Kapitola pojednává o návrhu komunikace mezi jednotlivými bloky navrženého systému s popisem použitých technologií. Popisuji také reálné nastavení důležitých parametrů.

5.1 Schéma komunikace

Analyzátor MCP-200 CO

RS232 MODBUS

Chromatograf H2

Analyzátor MCP-200 CO2

Analyzátor MCP-200 CH4

RS232 MODBUS

RS232 MODBUS

RS232 MODBUS

Měřící systém OMA300

RS485 MODBUS

Analyzátor kyslíku

4-20mA

Řídící automat AMiNi-4DS

Db-Net/ETH

Relé 24V Ovládání solenoidových ventilů (přepínání vstupu)

Reliance 4 SCADA

Obrázek 22 - Blokové schéma zapojení aplikace Šedě jsou znázorněny části, jejíž implementace je již vyřešena (jsou součástí měřicího systému OMA-300).

5.2 Protokoly komunikace Komunikace mezi Měřicím systémem OMA-300 a řídícím automatem jsem vybral prostřednictvím protokolu MODBUS na lince RS-485. Alternativou mohla být komunikace pomocí analogových proudových smyček 4-20 mA, kterými měřicí zařízení také disponuje, ale tento přístup zbytečně vyžadoval nadměrné množství kabeláže. Komunikace MODBUS TCP/IP jsem vyřadil, protože řídící automat AMiNi4DS jej nepodporuje. Naopak komunikaci mezi řídícím automatem a SCADA

29

systémem je zprostředkovávám protokolem DB-Net/IP. Mezi výhody takového zapojení patří například univerzálnost, protože přes jedno hardwarové připojení lze řídící automat plně servisovat, ladit, nahrávat program a vyčítat data. Navíc využitím protokolu DB-Net využiji již zakoupené licence komunikačního driveru pro SCADA systém.

5.2.1 Protokol DB-Net Jedná se o multimaster-multislave protokol vytvořený pouze pro produkty firmy AMiT. Řízení sběrnice obstarává struktura token-ring. Token je řídící rámec předávaný mezi stanicemi v kruhu. Stanice, která token přijme, se stane masterem sběrnice. Následně může vysílat požadavky dalším stanicím. Po vyslání požadavku je očekávaná odpověď v definovaném čase (závislém na komunikační rychlosti). Přenášený rámec se skládá ze znaku začátku rámce, adresy příjemce, adresy odesílatele, řídícího znaku (definuje stav přenosu, stav odpovědi a stav stanice), délky parketu (u dlouhých rámců pro přenos dat), dat, kontrolního součtu a znaku konce rámce. Adresace stanice je možná pouze v rozsahu 0-31. Hierarchie sítě DB-Net definuje na dva typy zařízení: Aktivní a pasivní. Pasivní stanice nemohou na rozdíl od aktivních se stát masterem na sběrnici. Pasivní stanice tedy nereagují na tokeny a pouze odpovídají na požadavky jim adresované. Aktivní stanice si ukládají tabulku o všech připojených stanicích tzv. „Lifelist“. Při výměně dat lze přistupovat k libovolné proměnné nebo matici, pokud známe její WID (identifikátor proměnné). WID je maximálně pěticiferné číslo, které je zpravidla ve formátu „AAxxxx“, přičemž „A“ značí adresu stanice a „x“ číslo proměnné.

5.2.2 DB-Net/IP Jedná se o modifikaci protokolu DB-Net, při kterém lze u transportní části obálky paketu využít UDP nebo TCP protokol. Vlastní algoritmus komunikace je definován v aplikační vrstvě protokolu. Protokol zachovává všechny vlastnosti samotného protokolu DB-Net. Pro bezpečnost komunikace je možné zavést šifrované požadavky, přičemž je nutné znát heslo příjemce.

5.2.3 Komunikační driver AMiT Driver je knihovna, kterou používá SCADA systém Reliance s řídicími systémy AMiT. Podporuje připojení přes COM port, modemem, Ethernetem, nebo kartou DOKOPO. Driver obsluhuje ActiveX knihovnu „AtouchX“ poskytovanou zdarma firmou AmiT. Při startu SCADA aplikace program Reliance 4 Driver Server načítá všechny drivery použité v projektu. Driver zprostředkovává zápis a čtení proměnných a matic. Matice jsou po přenosu převedena na vektorové pole, protože Reliance 4 neumí pracovat s vícerozměrnými poli.

30

5.2.4 MODBUS Protokol vyl vytvořen firmou MODICON v roce 1979. Hardwarově lze implementovat na fyzické lince RS-232, RS-485, RS-422 i Ethernetu. Na sběrnici funguje pouze jedno zařízení jako „master“, ostatní jsou „slave“. Jedná se o nejuniverzálnější protokol pro jednoduchý přenos dat. Master představuje klienta a slave server. Díky velké podpoře je nejpoužívanější pro datovou výměnu mezi zařízeními odlišných výrobců. Holá komunikace probíhá v jednoduchých rámcích zvaných PDU (protocol data unit). Rámec se dělí na funkční a datovou část. 5.2.4.1

Formát rámce

Celé zprávy jsou složeny z 4bitových hexadecimálních znaků. Mezery mezi vysíláními nesmí být delší než 1,5 znaku. Jméno

Délka (bitů)

Popis

Start

28

Začátek rámce

Adresa

8

Adresa cílové stanice

Funkce

8

Funkce

Data

n*8

Odesílaná data

CRC

16

Kontrolní součet

Stop

28

Ukončení rámce Tabulka 5 - Formát rámce protokolu MODBUS

Jiným typem je ASCII formát. Zpráva je složena z ASCII znaků. Mezery mezi vysíláními můžou být do 1 s, tedy delší než u režimu RTU. V průmyslu není tak často rozšířený, jako formát RTU. Výhoda je lepší čitelnost ve výpisu dat. 5.2.4.2

Kódy pro přenos dat

Základní funkce pro přenos dat uvedené v tabulce jsou ze strany výrobců z většiny podporovány. Specifikace MODBUS však definuje i další kódy zápis s maskováním, čtení FIFO fronty, nebo čtení diagnostiky. Funkční kód Přístup Registr 01 Čti Diskrétní vstup 05 Zapiš jeden Cívka 15 Zapiš více Cívka 02 Čti více Diskrétní vstup 04 Čti Vstupní registr 03 Čti Uchovávací registr 06 Zapiš jeden Uchovávací registr 16 Zapiš více Uchovávací registr Tabulka 6 - Tabulka základních funkcí protokolu MODBUS

31

5.2.4.3

Adresace

Protokol definuje až 255 adres. Nultá adresa slouží k broadcast komunikaci. To znamená, že master může poslat vybrané příkazy všem stanicím na sběrnici. Čtení není v broadcast komunikaci podporováno, protože zařízení nemohou odeslat odpověď najednou. Většina slave zařízení je tedy nastavena na adresy od 1 do 247. Adresy od 258 do 255 jsou v rezervě pro speciální aplikace. 5.2.4.4

Datové typy

Označení

Datový typ

Popis

Adresace

Diskrétní vstup

1 bit

Čtení

10000-19999

Cívka

1 bit

Čtení a zápis

0-9999

Vstupní registr

16 bitů

Čtení

30000-39999

Uchovávací registr 16 bitů Čtení a zápis 40000-49999 Tabulka 7 - Tabulka adres datových typů protokolu MODBUS

5.3 Realizace komunikace Popisuje reálné nastavení jednotlivých komunikačních protokolů.

5.3.1 Mezi AMiNi-4DS a SCADA Pro fyzické propojení využívám ethernetovou síť, která se v areálu elektrárny nachází. Řídicí systém má nastavenou statickou IP adresu a je propojen STP CAT5 kabelem (stíněná dvojlinka kategorie 5) na nejbližší switch. V mé aplikaci využiji pouze dvě adresy v síti DB-Net. Pro komunikační driver vizualizace a pro řídicí systém. SCADA systém je aplikací, která je vždy masterem. Řídící automat jsem v protokolu DB-Net nastavil jako stanici pasivní.

5.3.2 Mezi AMiNi-4DS a měřicím systémem OMA-300 Měřicí systém je průmyslový počítač, na kterém je spuštěna měřicí LabView aplikace. Ta je schopná na sériovém portu vytvořit MODBUS klienta. Avšak průmyslový počítač žádné volné sériové porty neměl, proto jsem zajistil převodník z USB na RS232. Pro komunikaci na MODBUS protokolu jsem zvolil RS485, pro původní plán spojit komunikaci společně s analyzátorem kyslíku. Do měřicího systému OMA-300 jsem namontoval převodník z RS232 na RS485 (AMiT DM-232TO485) a kabeláž k PLC mám vedenou pouze stíněnou dvojlinkou. Rychlostní parametry jsem zvolil 9600 Baudů bez parity. Protože bylo malé množství dat, mohl jsem nastavit pomalejší rychlost. Ta zajistí vyšší spolehlivost a odolnost proti rušení. Parita v případě protokolu MODBUS nemá smysl, protože protokol obsahuje vlastní ochranu kontrolního CRC součtu.

32

Obrázek 23 - Převodník DM-232TO485

Adresa 40002 40001 40003 40000 00513

Proměnná I I I I Bit Tabulka 8 MODBUS

Přístup Popis R Co R Ch4 R H2 R Co2 R Alarm (true=on) mapa měřicího systému OMA-300

Koeficient x100 x100 x100 x100

5.3.3 Komunikace mezi řídícím automatem AMiNi4DS a iSense Data Logger Controller Mým původním záměrem bylo spojit zařízení s řídicím automatem a měřicím systémem OMA-300, pomocí MODBUS protokolu na lince RS485. Přičemž bych přidělil oběma zařízením rozdílné adresy a pomocí stíněného datového kabelu se jmenovitou impedancí 120  a zakončovacími odpory bych propojil tato tři zařízení. Zařízení jsem tedy s tímto předpokladem vzájemně propojil. Problémy nastaly v nastaveních komunikační rychlosti. iSence dokáže sériově komunikovat pouze rychlostí 115200 Bd a řídící automat AMiNi4DS zvládne maximálně 57600 Bd. Nastavení komunikační rychlosti iSence se mi nepovedlo změnit. V původním záměru jsem měl vyčítání dat zahrnující koncentraci měřeného plynu, informace o chybách a statusu zařízení a také jsem chtěl vzdáleně ovládat kalibraci přístroje. Dokumentace k zařízení byla v tomto nekompletní (chyběla MODBUS mapa a nebylo popsáno nastavení komunikace) a po konzultaci s výrobcem jsem se dozvěděl, že je dokumentace zatím ve vývoji a nabídli mi pouze prozatímní řešení a to pouze jeden příkaz pro vyčítání aktuální koncentrace. V takové situaci pro mě MODBUS nepřinášel žádné výhody, spíše problémy. Tak jsem obě zařízení spojil pomocí proudové smyčky 4-20 mA. Analogové vstupy řídícího automatu AMiNi4DS jsou multifunkční. Lze je libovolně nakonfigurovat pro rozsahy 0-5 V, 0-10 V, 0-20 mA, nebo pro čidla Ni1000, Pt100.

33

Konfigurace se provádí pomocí jumperů. V případě proudové smyčky se pomocí jumperu spojí obvod přes přesný rezistor 249R se zemí. Tím se zajistí nízká impedance ve smyčce a proud generovaný snímačem je detekován jako podíl měřeného napětí a hodnoty připojeného rezistoru 249R. Program jsem nastavil, aby při poklesu proudu pod 3 mA řídicí systém generoval sdružený alarm reprezentující poruchu analyzátoru kyslíku.

JMP

Obrázek 24 - Nastavení analogového vstupu

34

6 PROGRAM PRO PLC AMINI4DS Firma AMiT nabízí zdarma pro své automaty vývojové prostředí DetStudio. Tento software je z velké části moderní grafickou nadstavbou staršího vývojového dosového programu PSP3.

Obrázek 25 - Vývojové prostředí DetStudio

6.1 Programování řídicích systémů AMiT Procesy lze programovat ve třech jazycích: 

Proces ST (strukturovaný text). Programovací jazyk vyšší úrovně. Syntaxe je obdobná jako v jazyce C nebo Pascal.



Proces LA (logický automat). Struktura je podobná s normovaným jazykem IL (Instruction List). Zápis příkazů je podobný assembleru a stejně také jako v asembleru, může být kód velmi nepřehledný a obtížně se v něm hledá struktura. Avšak obsahuje vlastnosti vyšších programovacích jazyků (if, for, while…). Přesněji se jedná o textovou podobu grafických reléových schémat s výhodou přesného určení posloupnosti příkazů.



Proces RS (reléové schémata). Grafický programovací jazyk. Obsahuje vlastnosti normovaných jazyků LD (Ladder diagram) a FBD (Function Block Diagram).

Tyto jazyky se nedrží striktních pravidel normy pro programovací jazyky řídicích systémů IEC 61 131. Proto nejsou programy vytvořené pro tento řídicí systém přenositelné.

35

6.2 Vytváření obrazovek Vykreslování grafiky v řídicím systému je umístěno v procesu Idle. Vykresluje se pouze tehdy, pokud není aktivní žádný jiný proces. Obrazovky je možné vytvářet v grafickém editoru. Pomocí něj lze grafické prvky pomocí systému Drag-n-Drop velmi jednoduše vložit na virtuální obrazovku automatu a takto postupně vytvářet všechny obrazovky aplikace. Prvky se liší podle vybraného typu řídícího automatu nebo podle grafického terminálu, se kterým komunikuje. Obecně jsou grafické prvky obdobné jako v počítačových aplikacích (labely, textboxy, progressbary, timery, menu, apod.) Grafický editor obrazovek je doplněn vlastním skriptovacím jazykem podobným VBScriptu. Tento jazyk zajišťuje větší interaktivitu na obrazovkách a postrádané funkce grafických prvků si můžeme doprogramovat sami. Jazyk obsahuje i speciální funkce, kterých nelze přímo v programování procesů dosáhnout (např. správa přihlášení uživatelů, resetování aplikace, změna jazyka nebo podsvícení displeje).

6.3 Nahrání aplikace Vývojové prostředí vytváří strukturu programu v XML formátu. Pokud jej chceme nahrát do řídícího automatu, musíme jej přeložit překladačem do struktury binárních dat. Tuto aplikaci poté můžeme nahrát do řídicího systému za podmínky, že řídicí systém má již nahraný operační systém NOS. Operační systém je nejnižší úrovní v programové části řídicího systému. Zajišťuje správné fungování na vyšších vrstvách, včetně časování a provádění operací z aplikací, přístupu k V/V a komunikaci po síti DB-Net. Aplikaci lze do stanice nahrát přes jakýkoli volný interface podporující protokol DB-Net.

6.4 Ladění aplikace Ladění aplikace vyžaduje aktivní komunikaci na protokolu Db-Net mezi PLC a počítačem. Existují dva způsoby ladění aplikace: 

Inspektor

Aplikace si periodicky vysílá požadavky na hodnoty proměnných, které si přejeme sledovat. Jejich hodnoty se přehledně zobrazují v tabulce. 

Watch režim

Použitelný pouze pro procesy vytvořené v RS jazyku. Při spuštěném watch režimu se cesty mezi jednotlivými prvky probarví podle logické úrovně a současně se zobrazují hodnoty všech proměnných a bitů v procesu.

36

6.5 Tvorba vlastní aplikace Účelem řídícího automatu v měřicím systému je zajistit ovládání vstupů pro přepínání vzorků plynu. Zajistit, aby data ze všech snímačů byla jednotně přenesena do SCADA systému. Aplikace má také zajistit jednoduché ovládání a přehled snímaných hodnot přímo z procesu prostřednictvím obrazovky. Pro všechny tyto požadavky jsem si program rozdělil na dílčí části a pro jednotlivé části jsem vytvořil separátní procesy. Jednotlivé části, které spolu přímo nesouvisí, rozděluji na více procesů. Zlepšuje to přehlednost programu. V blokovém schématu procesů je rozkresleno, na které periferie mají procesy vliv. Zdrojové kódy programu jsou součástí přílohy E na CD. Většina periodických procesů má nastavenou periodu opakování 100 mS. Proces MODBUS má periodu 500 mS.

Proces INIT Koncentrace CO Koncentrace CO2 Koncentrace CH4 Koncentrace H2

PROCES NORMAL4 MODBUS

NOS Komunikace Db-Net

Proměnné pro SCADA systém

Alarm OMA-300

AIN0 4-20mA iSence O2

PROCES NORMAL3 Vstupy

Proces NORMAL5 Alarmy

DO.0 Ventil 1

PROCES NORMAL2 Ovládání

Proces NORMAL1 Nastavení

DO.1 Ventil 2 DO.2 Ventil 3 DO.3 Ventil 4 DO.5 Pumpa

Manuální vstup Režim

Proces IDLE Obrazovky

Alarmy

Čas_automatu

Obrázek 26 - Blokové schéma procesů

37

6.5.1 Proces INIT Deklaruje všechny vzdálené proměnné, které má PLC vyžadovat prostřednictvím protokolu MODBUS po měřicí stanici OMA-300. Jedná se tedy pouze o inicializaci MODBUS mastera.

6.5.2 Proces Normal1 – Nastavení V procesu jsem zavedl 3 režimy, ve kterých může přepínání elektro-ventilů měnit vstupní vzorky plynu. 

Vypnuto



Manuální



Automatický

Program zjistí z nastavení, který z režimů je aktivní, a podle toho ovládá elektro-ventily. V režimu vypnuto nemůže být aktivní žádný elektro-ventil. V manuálním režimu je aktivní pouze ten elektro-ventil, který je vybrán. V automatickém režimu se ventily postupně přepínají s časovým odstupem. Ovládání ventilů pomocí SCADA systému je řešeno sérii bitů, kde každý bit reprezentuje elektro-ventil, který manuálně ovládá. Bity po aktivaci přepnou režim do manuálního a změní aktivní ventil. Poté se bit vynuluje. Přepnutí do automatického režimu je řešeno obdobně ovládacím bitem, který spustí automatický režim od ventilu, který byl naposledy sepnutý. Naměřená data získána z každého odběrného místa je potřeba jednotlivě archivovat ve SCADA systému. Abych nemusel přiřazení naměřených hodnot k odběrným místům řešit ve skriptech SCADA systému, implementoval jsem tuto funkci do PLC.

6.5.3 Proces NORMAL2 - Ovládání Tento proces fyzicky ovládá elektro-ventily. Každý ventil má zpoždění náběžné hrany, aby nemohlo nastat sepnutí dvou ventilů zároveň. Sepnutí ventilů může nastat v situaci, kdy zařízení nedetekuje sdružený alarm a režim není ve stavu „Vypnuto“. Po zapnutí ventilu se spustí časovač, který po dopočítání signalizuje platnost naměřených dat. Jedná se pouze o informační signalizaci pro obsluhu. Signalizace reprezentuje zpoždění způsobené pomalým šířením plynu do měřicích kolon snímače. Jeho dobu zpoždění jsem zjistil experimentálně, kdy jsem po přepnutí ventilu sledoval, za jak dlouho se na snímačích ustálí hodnota. Pro spektrometrické snímače je tato hodnota konstantní, protože měří kontinuálně, ale pro chromatografický snímač vodíku je delší, protože měří jednou za 2 minuty. Z měřicího zařízení OMA-300 nemohu, ani po konzultaci s výrobcem dostat žádná jiná data, než aktuální hodnoty koncentrací a jednu signalizaci sdružené poruchy. Proto, abych mohl ukládat do historických tabulek

38

platná data a mohl přesně určit hodnotu vodíku, je potřeba na aktuální hodnotu počkat nejen po dobu dopravy plynu ke snímačům, ale navíc i po dobu jednoho měřicího cyklu vodíkového snímače.

6.5.4 Proces NORMAL5 - Alarmy V aplikaci mohu detekovat pouze dva alarmy. Sdružený alarm z měřicího systému OMA-300. Druhý alarm je z měřicího snímače kyslíku (analogová hodnota < 3 mA). Tento alarm může nastat při poruše, přepálené pojistce, nebo vypnutém zařízení iSence O2 analyzer. Každý vzniklý alarm je s nástupnou hranou zapsán do provozního deníku.

6.5.5 Proces Normal3 – IO Proces se stará o obsluhu analogového vstupu 4-20 mA. Modul čtení dat z AD převodníku obsahuje i dvoubodovou kalibraci pro změnu rozsahu veličiny.

6.5.6 Proces Normal4 – MODBUS Obsahuje řídící modul pro časování odesílaných požadavků prostřednictvím MODBUS protokolu. Dále definuje inicializační parametry pro master komunikaci, tedy parametry sériové linky a čekací doby mezi požadavky.

6.5.7 Obrazovky Jelikož je program velmi jednoduchý tak jsem vytvořil pouze tři obrazovky (nepočítaje menu). Základní obrazovka zobrazuje všechny důležité údaje o koncentracích jednotlivých plynů a zároveň poskytuje přepínání mezi režimy a mezi ventily.

Přepínání režimů

Přepínání ventilů

Obrázek 27 - Hlavní obrazovka řídícího automatu Druhá obrazovka slouží pro zobrazení alarmů, která pouze slovně vypisuje aktivní alarmy. Třetí obrazovka je servisní. Zobrazuje stavové informace o MODBUS komunikaci a lze na ni měnit datum a čas.

39

7 SCADA SYSTÉMY Zkratka "supervisory control and data acquisition" ("dispečerské řízení a výměna dat"). Účelem SCADA software je řízení, monitorování a ovládání technologických procesů. Jeho uplatnění lze často najít na místech, kde je vyšší potřeba hlídat bezpečnost a správný chod zařízení. Uplatnění najde například v technologiích vodárenských, energetických, telekomunikačních, chemických nebo potravinářských. Pro tento účel bývají na místě např. továrny speciální operátorské prostory, ve kterých s využitím SCADA software operátoři kontrolují aktuální stavy zařízení. SCADA poté pomáhá analyzovat stav technologie, zjednodušuje ovládání, organizuje data, uvědomuje operátora o problémech a rozhoduje o jejich vážnosti. SCADA se skládá z jednoho nebo většího množství řídících automatů, řídícího serveru, terminálů a tenkých klientů. Na řídící automaty jsou připojeny snímače a akční členy. Server přímo komunikuje s PLC prostřednictvím komunikačních protokolů po kabelech, telefonní linkou nebo i bezdrátově. Centrální SCADA server obsahuje veškeré informace. Terminály jsou stanicemi pro zobrazení dat. Terminálem může být osobní počítač, který poskytuje informace, operátorům či technikům. Terminály komunikují se servery pomocí LAN nebo WAN sítí a vyměňují si s ním data. Tenký klient je pro vzdálenou, avšak omezenou správu aplikace, ale může poskytovat stejné informace jako operátorský terminál. SCADA OPERÁTOR

SCADA KLIENT

PODNIKOVÝ SERVER TENKÝ KLIENT

INTERNET

ETHERNET TENKÝ KLIENT

PLC SCADA DATOVÝ SERVER

Obrázek 28 - Příklad zapojení SCADA systému

40

7.1 Bezpečnost proti útokům Člověk vytvářející jakoukoli průmyslovou aplikaci, ve které figuruje přenos dat jakýmkoli síťovým protokolem, by měl mít alespoň základní znalosti ochrany proti hackerským útokům a zabezpečení dat. Jelikož se tyto problémy se stále vyskytují stále častěji a stále s ničivějšími následky, tak je potřeba stejnou měrou se jimi zabývat. Příkladem může být počítačový virus Stuxnet, který byl objeven v roce 2010. Tento virus se šíří mezi počítači, dokud nenarazí na software WinCC, SCADA systém společnosti Siemens. Virus mohl měnit SCADA projekt, odposlouchávat komunikace a dokonce se dostat až do PLC. Zaměřen byl konkrétně na frekvenční měniče, u kterých často měnil jejich nastavení. Těmto útokům lze čelit například za splnění těchto podmínek: Firewall na vstupu do korporátní sítě. Proxy servery s šifrovanými přenosy dat, pro přenos dat přes internet. Aktualizované operační systémy počítačů v sítí. Nepoužívat neověřené aplikace s možnými bezpečnostními mezerami. Oddělit síť, na které funguje SCADA aplikace od korporátní sítě, firewallem. Aktualizovat software SCADA systému. Používat antivirový software na zařízení se SCADA systémem. Zabezpečit SCADA aplikace rozdělením práv uživatelů.

41

8 SCADA GEOVAP RELIANCE 4 Reliance 4 patří mezi produkty softwarové firmy GEOVAP, spol. s r.o. Systém je rozdělen na dva moduly. Prvním je vývoj SCADA systému ve vývojovém prostředí Reliance Design a druhým software pro runtime provoz v programu. Reliance View, Reliance Control, Reliance Server, Reliance Control Server.

8.1 Reliance Design Vývojové prostředí je dodáváno v plné verzi Enterprise a odlehčené Desktop. Rozdíl je v absenci síťových aplikací a tenkých klientů u verze Desktop.

8.2 Runtime moduly Runtime modul zajišťuje běh SCADA aplikace. Komunikuje se stanicemi, zobrazuje obrazovky, grafy, zpracovává alarmy, archivuje data, zpracovává skripty apod. Runtime modulů existuje více druhů. Rozdělují se na Reliance View, který je určen pouze pro nahlížení na vizualizační obrazovky a nedovoluje cokoli měnit. Reliance Control je určený pro řídící centra, umožňující ovládání technologického procesu. Reliance Server je pouze datovým serverem, vyčítající data ze stanic, nebo jiných serverů bez možnosti zobrazit obrazovky. Reliance Control Server, což je kombinace modulu Reliance Control a Reliance Server.

8.3 Tencí klienti Aplikace postavené na univerzálních platformách určené pro vzdálenou správu SCADA systému. Tencí klienti získávají data prostřednictvím internetu z datových serverů. Mezi ně patří Java aplikace Reliance Web Client, HTML5 aplikace Reliance Smart Client, nebo Reliance Mobile Client určený pro operační systém Windows CE.

8.4 Základní součásti vlastnosti projektu V popisu jsou shrnuty pouze základní vlastnosti. Snahou bylo vyložit pouze nejdůležitější informace pro vytvoření představy o základních možnostech SCADA systému Reliance 4.

8.4.1 Stanice Stanice představuje zařízení, které obsahuje především proměnné, alarmy a události. Stanice se rozdělují na fyzické a virtuální. Fyzickou stanicí může být myšleno jakékoli PLC nebo reálné zařízení se kterým se komunikuje. Na každém počítači je virtuální

42

stanice s názvem „System“. Slouží pouze pro virtuální proměnné a nelze ji sdílet s ostatními stanicemi. 8.4.1.1

Proměnné

Proměnné jsou rozděleny na fyzické a virtuální. Fyzická proměnná v paměti počítače je kopií dat uložených ve fyzické stanici. Jejich hodnota se periodicky synchronizuje. Naopak virtuální proměnné slouží čistě pro vnitřní použití v projektu a jsou uloženy pouze v paměti počítače. Každý typ fyzické stanice má sadu podporovaných datových typů podle využívaného komunikačního protokolu. Mezi základní parametry proměnných patří nastavení mezí, automatické korekce při čtení a zápisu, nebo sdílení pomocí DDE serveru a OPC serveru. 8.4.1.2

Alarmy a události

Smyslem alarmu nebo událostí je upozornit operátora na krizové situace nebo důležité stavy. Spustit se mohou změnou hodnoty proměnné. Alarmy s možnosti kvitací jsou zobrazeny mezi aktivními alarmy až do doby kvitace oprávněným uživatelem.

8.4.2 Komunikace a získávání dat 8.4.2.1

Komunikační drivery

Komunikační driver je ovladač potřebný pro hardwarovou komunikaci mezi SCADA systémem a průmyslovým zařízením (např. řídícím automatem). Řídící drivery jsou DLL knihovny obsluhované runtime modulem. SCADA systém se chová na síťi jako master. Čte ze stanic data a zasílá jim požadavky. 8.4.2.2

Pomocí souborů

Funkce skriptovacího jazyka VBScript mohou číst a zapisovat do textových souborů. V takovém případě je potřeba znát formát uložených dat v souboru. CSV formátování je přímo implementováno funkcemi. 8.4.2.3

OPC protokol

Využitím OPC serverové aplikace stany lze vyčítat data z řídících automatů. OPC server komunikuje s OPC klientem v projektu pomocí vlastního protokolu, který zajišťuje výměnu dat. 8.4.2.4

DDE klient/server (Dynamic Data Exchange)

Knihovna vytvářející sdílenou paměť mezi aplikacemi pro výměnu dat. V tomto případě lze jednoduše vytvořit serverovou aplikaci ve formě SCADA (klient), APLIKACE (server). Reliance 4 umožňuje funkce DDE serveru i klienta pro sdílení vlastních dat mezi aplikacemi.

43

8.4.2.5

COM/DCOM (Common Object Model/ Distributed Common Object Model)

Protokol pro výměnu dat vyvinutý firmou Microsoft. Využití má při předávání dat mezi aplikacemi, nebo počítači na společné síťi. 8.4.2.6

SQL databáze

Připojení k databázi SQL serveru. Tímto způsobem lze číst i zapisovat do tabulek nejen data ale i historii alarmů a událostí. 8.4.2.7

Webovým rozhraním

Zabudovaný webový server runtime aplikace Reliance 4 Control Server vytvoří webovou stránku pro prezentaci dat. Tímto způsobem lze komunikovat i přes internet.

8.4.3 Obrazovky Obrazovky slouží pro přehledné zobrazení aktuálního dění systému. Součástí obrazovek jsou komponenty. Základními typy jsou: display pro zobrazení hodnot proměnných, tlačítko pro změnu obrazovky a změnu proměnné, statický text, text mění se s hodnotou proměnné, obrázek, animace, šablona, menu, rozbalovací nabídka, rádiové tlačítko, zatrhávací tlačítko, posuvník, zadávací pole a zápisník.

8.4.4 Datové struktury a šablony Datové struktury jsou vzorem seskupení proměnných do celků a fungují obdobně jako u vyšších programovacích jazyků (například C). Položky datových struktur mohou být proměnné nebo opět datové struktury bez omezení na počet vnoření. Šablona okna je druh vnořeného panelu na obrazovce, který lze napojit na existující datové struktury. Při vytvoření okna šablony se automaticky vytvoří vazby mezi jednotlivými instancemi datových struktur, a to může vést k úspoře času při návrhu SCADA systému s větším množstvím podobných obrazovek.

8.4.5 Receptury Receptury představují soubor konkrétní skupiny proměnných s konkrétními hodnotami, které můžeme ze stanice vyčítat a ukládat na disk, nebo tato data z disku nahrávat do stanice. Užitečným příkladem pro užití receptur je nastavení výrobní linky pro určitý typ výrobku.

8.4.6 Datové tabulky Slouží k ukládání aktuálních hodnot proměnných v čase. Existují tři způsoby ukládání záznamů do datových tabulek. Periodickým vzorkováním proměnné, vzorkování řízené proměnnou, nebo vzorkování řízené skriptem. Prostřednictvím skriptu lze i data v tabulce měnit, mazat apod. Data mohou být uložena v jednom ze tří formátů.

44

Datovým uložištěm může být soubor dBASE (*.dbs), Paradox (*.db) nebo SQL databáze.

8.4.7 Tabulkové sestavy Tabulkové sestavy zobrazování dat z datových tabulek v grafické podobě tabulky. Lze u ních definovat velké množství grafických parametrů. Těmi jsou mřížka, zarovnání, titulky, záhlaví, formát a jiné. Tabulkovou sestavu lze i tisknout, nebo exportovat.

8.4.8 Grafy a plovoucí grafy Grafy umožňují grafické zobrazení dat z datových tabulek v nastavených rozsazích. Zobrazení grafů je možné i odděleně do obrazovek v prohlížeči grafů. Plovoucí grafy se nevážou na datové tabulky. Vzorkování proměnných si řídí sami a lze je zobrazit pouze v okně obrazovek.

8.4.9 Uživatelské sestavy Speciální typ šablony, ve kterém jsou v předdefinovaném formátu zobrazeny aktuální hodnoty proměnných. Uživatelské sestavy se používají pro zobrazení a tisk aktuálních hodnot. Tuto speciální šablonu je možné vytvořit pomocí programu FastReport, která je součástí Reliance Design. Použitelné jsou také šablony v html nebo txt formátu. Na místa, kde mají být zobrazeny hodnoty proměnných je potřeba vložit definovaný textový „tag“ za který bude vizualizace dosazovat hodnoty.

8.4.10 Akce Různými událostmi, jako například stisknutím klávesové zkratky nebo kliknutím na tlačítko různými způsoby, lze vykonat určitý typ akce. Akcí může být například přepnutí jazyku programu, přihlášení uživatele, zobrazení grafu, zobrazení tabulkové sestavy, zobrazení alarmů a událostí, aktivace oken, tisk, spouštění skriptů, spuštění aplikace a jiné.

8.4.11 Skripty Skripty jsou bloky kódu se syntaxí jazyka VBScript. Skripty jsou velice užitečnou součástí SCADA systému. Můžeme jimi zpracovávat matematické operace, konvertovat data, zpracovávat cyklické algoritmy, nebo spouštět událostí založené na logických podmínkách. Použitím skriptů ve většině případů můžeme dosáhnout stejného výsledku jako u akcí. Skripty se mohou spouštět periodicky na základě logické podmínky nebo voláním z jiných skriptů. Skripty fungují na více vláknech. Pro spuštění více skriptů najednou, lze skripty rozdělit na podprocesy. Nastavení priority slouží ovlivnění pořadí spuštění více skriptů, pokud jsou na stejném vlákně spuštěny v jeden okamžik.

45

8.4.12 Správce textů Jedná se o seznam, do kterého se automaticky vkládají všechny texty napsané v projektu. Správce zjednodušuje jejich překlad, pro vícejazyčné aplikace. Jednoduché jsou také změny stejného textu použitého v projektu na více místech.

8.4.13 Správce obrázků Na vizualizačních obrazovkách je možné zobrazovat obrázky ve formátu PNG, BMP, JPEG a vektorové ve formátu WMF, EMF. Obrázky je potřeba nejprve naimportovat do správce, který je překopíruje do souborové struktury projektu. Správce dovoluje přehledné zobrazení obrázků v miniaturách a jejich organizaci do složek.

8.4.14 Správce uživatelů Každému uživateli lze přiřadit oprávnění a přístupová práva, se kterým může aplikaci ovládat. Uživatel při přihlášení potřebuje jméno a heslo nebo hardwarový klíč. U většiny prvků na obrazovce je možné stanovit omezení, které znepřístupní část vlastnosti daného grafického prvku, pokud uživatel nemá správné oprávnění. Omezením může být například zákaz stisknutí tlačítka nebo zákaz nastavování mezí u proměnné na displeji. Omezení mohou působit i na prostředí operačního systému příkladem schováním nabídky start, zakázáním minimalizace, zákazem ukončení runtime modulu. Každé přihlášení uživatele je monitorováno.

8.4.15 Správce projektu Slouží k nastavení hierarchie a složení projektu. Vazby se nastavují mezi dispečinky, počítači a komunikacemi se stanicemi. Dispečink představuje soubor počítačů v jedné lokalitě, které mají stejné vlastnosti. Počítač je v tomto případě zařízení, na kterém bude možné spustit runtime modul. Počítače jsou zjednodušeně rozděleny na klienty a servery. Data v paměti datového serveru (např. proměnné stanic) lze po sítí sdílet s klientským runtime modulem. Klient si tato data ze serveru periodicky vyžaduje. Pokud na klientském modulu dojde k zápisu dat, tak jsou nejprve zaslány do datového serveru, který může tato data odeslat do fyzické stanice. Síťové protokoly jsou postaveny na TCP/IP protokolu. 8.4.15.1

Redundance serveru

Pro každý datový server v projektu je možné přidat server záložní. Za normálního provozu jsou aktivní oba servery. Záložní server vyčítá data z hlavního serveru, aby v případě výpadku měl veškerá data, včetně poruch. Chová se pouze jako klient a nemůže komunikovat přímo s PLC. Pokud dojde k výpadku hlavního serveru, tak záložní plně převezme jeho úlohu. Po obnovení spojení nejprve předá všechna svoje data hlavnímu serveru získaná v jeho nečinnosti, poté mu předá řízení.

46

9 NÁVRH SCADA SYSTÉMU Tato kapitola se zabývá návrhem projektu prostřednictvím SCADA systému Reliance 4. Jsou zde popsány veškeré komponenty na obrazovce a dále je vysvětlena jejich funkčnost.

9.1 Realizace obrazovek Obrazovky jsou navrženy na monitor s rozlišením 1280x1024. Vytvořil jsem základní šablonu okna, která obsahuje levou lištu s nabídkou výběru obrazovky a rám okna. Tato šablona je vložena na pozadí všech obrazovek.

9.1.1 Obrazovka stavu Základní obrazovka, na které se zobrazují všechny důležité informace o zařízení. Komponenty jsou sestaveny takovým způsobem, aby v případě klasického provozu nebylo potřeba přepínat mezi obrazovkami a nebyla zobrazena žádná zbytečná data.

Obrázek 29 - Obrazovka stavu

47

Manuální režim

V manuálním režimu může obsluha vybrat jedno odběrné místo, dle aktuální potřeby. Stisknutím tlačítka „Manuál 1“, vizualizace zašle pokyn řídícímu automatu, aby otevřel ventil 1 a přepnul zařízení do manuálního režimu. Řídící automat tak může zajistit měření vzorku z daného místa. Ostatní tlačítka pro manuální ovládání fungují obdobně. V případě potřeby lze uzavřít všechna odběrná místa stiskem tlačítka „Uzavřít vše“. Automatický režim

Tento režim automaticky v časovém intervalu cyklicky přepíná mezi odběrními místy. Tento režim je užitečný ve chvíli, kdy obsluha nekontroluje stav plynu manuálně. Po přepnutí odběrného místa vizualizace zahlásí poruchu tehdy, pokud jsou hodnoty koncentrací mimo meze (meze se zadávají na servisní obrazovce). Meze ON/OFF

Tímto tlačítkem lze vypínat a zapínat hlídání mezí. Tato funkce může být užitečná ve chvíli, kdy se elektrárna spouští. V tuto chvíli reaktory dodávají plyn o nedostatečné kvalitě. Je tedy zbytečné sledovat meze. Stavová plocha

Na této ploše se zobrazují všechny aktuální hodnoty koncentrací měřených látek ve vzorku. Pokud dochází k přepínání odběrného místa, nebo k prodlevě po přepnutí způsobenou dopravním zpožděním mezí odběrným místem a snímačem, zobrazí se na u akutních hodnot upozornění: „Data nejsou platná“. Dále se zobrazují vypočítané hodnoty výhřevnosti a výkonu plynu pro aktuálně vybrané odběrné místo. Grafická plocha

Pro přehledné zobrazení vývoje měřených hodnot je na hlavní obrazovce zobrazen malý graf. Tento graf obsahuje stejná data jako graf aktuálních stavů.

9.1.2 Obrazovky Grafů Navrhovaná vizualizace obsahuje osm grafů. Čtyři grafy sestavené z dat koncentrací H2, CO, CO2 a O2 u daných odběrných míst. Každý z těchto čtyř grafů obsahuje vzorkované hodnoty měřeného plynu pro každé odběrné místo. Vzorkování proměnné probíhá periodicky s periodou vzorkování 2s. Pátý graf slouží pro zobrazení aktuálních stavů. Ukládá data ze snímačů periodicky, nehledě na to, zda právě probíhá přepínání odběrných míst. Sedmý a osmý graf zobrazuje hodnoty výhřevnosti a výkonu plynu, které jsou opět přiřazeny k odběrným místům.

48

9.1.3 Obrazovka Alarmů a upozornění Nové hlášení alarmů je zaznamenáno v dolní liště vizualizace a je viditelné na jakémkoli okně. Záznamy, které mohou ve vizualizaci nastat:      

Alarm nesoucí informaci, že daný plyn na daném odběrném místě je mimo meze Alarm poruchy měřicího zařízení OMA-300 Hlášení o přepnutí do manuálního režimu Hlášení o spuštění automatického režimu Hlášení o uzavření všech ventilů Hlášení o zapnutí a vypnutí mezí

Obrázek 30 - Obrazovka alarmů (plyny nemají nastaveny meze)

9.1.4 Obrazovka servisu Obrazovka, na kterou může mít přístup pouze servisní technik, nebo osoba s řídícími pravomocemi. U každého plynu lze nastavit a na každém odběrném místě minimální a maximální meze. Dalším nastavením je doba, po které se v automatickém režimu

49

přepíná mezi odběrnými místy a logovací tabulka, která mapuje probíhající komunikaci na sítí DB-Net.

Obrázek 31 - Obrazovka servisu

9.2 Databáze Zdrojem všech grafů využívaných v projektu jsou databázové tabulky. Data jsou uložena v souborech typu dBASE. Vzhledem k vysokému počtu záznamů jedné tabulky jsem nastavil denní rozdělování souborů databáze (při vzorkování čtyř proměnných periodou 2s =11520 záznamů denně). Každých 10 sekund je ukládám z RAM paměti na disk.

9.3 Stanice V projektu využívám dvě stanice. Fyzikou stanici představující PLC AMiT a virtuální stanici Systém. Stanice AMiT skrze komunikační knihovnu vyčítá data z PLC s periodou 1s. Ostatní vnitřní proměnné jsou uložené ve virtuální stanici Systém, například proměnné potřebné pro výpočet energie výhřevnosti plynu.

50

9.4 Energická hodnota plynu Do vizualizace jsem dle dodatečných požadavků ze strany zákazníka dodělával výpočet energické hodnoty plynu a jeho výhřevného výkonu. Ke správnému výpočtu rovnice potřebuji znát nejen koncentrace složek, ale i jejich teplotu, tlak a průtok (viz rovnice (5). Snímače teplot, tlaků a průtoků v mém systému nemám, avšak v průmyslovém procesu výroby plynu tyto snímače instalovány jsou. Tyto snímače jsou napojeny na vlastní řídicí systémy a jsou spravovány cizím SCADA systémem. Tyto systémy fungují na jiném počítači. Bylo tedy nutné, tato data přeposlat z cizího SCADA systému do mého, abych mohl rovnici vyřešit. Počítače jsou na stejné síti, proto jsem oslovil programátora, který tento systém instaloval s požadavkem, aby mi tato data poskytnul. Dohodl jsem se na sdílení CSV souboru naplněného mými požadovanými daty. Mým úkolem bylo naprogramovat SCADA systém tak, aby periodicky četl data z CSV souboru umístěného v síťové složce a vyčtenými hodnotami plnil své vnitřní proměnné k vypočítání energické hodnoty plynu. n

E   HHVi  ci [Gj]

(4)

i 0

HHVi - Spálené teplo [MJ/kg] c - Koncentrace [%] n - Složky plynu n

P   M i  ci  HHVi   i 0

P R  T  Qv

[ MW ]

(5)

P - Tlak plynu [Pa] T - Teplota plynu [K] E - Celková energie 1kg plynu Qv - Průtok [m3/s] Mi - Molární hmotnost plynu [kg/mol] R - Molární plynová konstanta, R = 8,314 J/(K.mol)

Plyn Vodík Oxid uhelnatý Metan

Výhřevnost (HHV) [MJ/kg] Molární hmotnost [kg/mol] 120 0,00202 10 0,02801 50 0,01604 Tabulka 9 - Tabulka vlastnosti plynů

9.5 CSV formát Jedná se o zápis textového souboru, který reprezentuje tabulku dat. Řádky souboru reprezentují řádky tabulky. Odděluje je tedy znak konce řádku. Jednotlivé sloupce jsou

51

odděleny dohodnutým znakem, který nejčastěji bývá čárka nebo středník. Tento formát je velmi univerzální a dobře čitelný i obyčejným textovým editorem.

9.6 Čtení CSV souborů v Reliance 4 Čtení či zápis do textových souborů je možný pomocí skriptovacího jazyka VBScript. Součástí jazyka VBScript jsou knihovny objektů, které lze v programu inicializovat a posléze jejich funkce využít. Pro čtení textového souboru využívám knihovnu „FileSystemObject“, zaměřenou na práci se soubory. Pomocí této knihovny a metody „OpenTextFile“ otevírám CSV soubor i na síťovém disku. Poté jsem vytvořil funkci, která čte řádek po řádku, dokud nenarazí na konec souboru. Každý řádek se pomocí funkce „Split“ se v místech speciálního znaku rozdělí na separátní řetězce, kterými se po přetypování plní proměnné v projektu.

9.7 Instalace softwaru Pro provoz finální verze aplikace byl zařízen v řídícím středisku počítač. Počítač disponuje operační systémem Windows 7 a SCADA software Reliance 4. Pro ten musela být současně zakoupená licence Reliance 4 Control Server 200 datových bodů. Datové body se odvíjejí od počtu proměnných v projektu a tím udávají cenu licence. Počítač je chráněn proti výpadků sítě vlastní UPS.

52

10 PROBLÉMY S REALIZACÍ Tato kapitola byla psána jako poslední a vystihuje problémy spojené s realizací, jejich současné řešení a poslední práci na zařazení v době odevzdání této práce.

10.1 Problém: Termíny realizace Smluvně bylo ujednáno, že oživení zařízení musí provádět servisní technik firmy Applied Analytics z U.S.A. Teprve s jeho přítomností bylo možné začít celé zařízení zapojovat. Dříve to nebylo možné, neboť až s jeho příjezdem byla předána dokumentace, ze které bych mohl určit jakým způsobem provést zapojení potrubí k měřicímu snímači. Datum realizace bylo nakonec dohodnuto na duben. Na oživení a kalibraci snímačů jsme společně pracovali týden, avšak plné oživení zařízení se před jeho odjezdem nepovedlo. Na vině byla drobná chyba ve firmwaru spektrometrických snímačů. Bylo tedy nutné počkat, než firma zašle opravenou verzi. Byl jsem proškolen, abych byl schopen zařízení oživit. Datum finálního oživení se posunulo až do poloviny května. V současné době jsou snímače schopny měření bez problémů.

10.2 Problém: Kyslíkové čidlo Instalované kyslíkové čidlo bylo pro tento proces technologicky nevhodné. Výběr čidla byl konzultován s odborníky, kteří jej nedopatřením firmě doporučili. Že je čidlo nevhodné jsem zjistil až ze zkušebního měření, kdy čidlo ukazovalo hodnotu nad rámec rozsahu. Kyslíkové čidlo na bázi zirkoniové destičky se nehodí pro měření kyslíku v redukčních plynech, které ovlivňují měření. Tyto problémy jsou v současné době v diskuzi a jejich vyřešení již nestihnu v této práce zaznamenat. Na jeho místo bude nainstalováno čidlo fungující na jiném principu.

10.3 Problém: Malý průtok měřicími kolonami. Malý průtok plynu spektrometrem způsoboval problémy s měřením. Průtok plynu jsem v systému mohl regulovat škrtícími ventily, avšak ani po úplném otevření těchto ventilů nebyl průtok stále dostatečný. Zásadní vliv na to měl tlak plynu na odběrných místech, který se pohyboval okolo 15 kPa. Abych zajistil vyšší průtok, musel jsem zajistit nasávání vzorků s vyšším tlakem. Zařadil jsem za filtry malý kompresor, který ovládám pomocí PWM modulace. Kompresor mi zajištuje vyšší průtok, který je pro chod spektrometrů dostatečný. Další úprava, která měření podstatně zlepšila, byla změna zapojení trubek k měřicím kolonám. Původně jsme kolony zapojili paralelně. To způsobovalo, že průtok nebyl dělen rovnoměrně. Úprava spočívala v přepojení kolon sériovým způsobem (z výstupu plynu jedné kolony na vstup plynu jiné kolony).

53

11 ZÁVĚR Cílem práce bylo vytvořit návrh monitorovacího systému pro konkrétní průmyslovou aplikaci. Projekt jsem dostal na starost od samotného návrhu až po realizaci. Nejvíce jsem při tvorbě tohoto systému těžil z vlastních zkušeností. Od nich se odvíjela volba typ SCADA systému řídícího automatu, který ve své aplikaci využívám. Nejprve jsem si prostudoval vlastnosti a možnosti připojení zadaných snímačů, ze kterých jsem měl automatizovaný systém sestavit. Navrhl jsem řídící automat jako prostředníka mezi snímači a počítačem. Pro tento automat jsem navrhl rozvaděč, do kterého jsem jej plánoval instalovat. K průmyslovému rozvaděči jsem vytvořil návrhové schéma a obstaral veškeré komponenty potřebné pro realizaci. Navrhl jsem zapojení části pro úpravu plynu a přepínání vzorků. Montáž panelu spolu s rozvaděčem jsem provedl v podnikové dílně a na místo montáže jsme odvezli hotový panel s rozvaděčem, na který stačilo pouze napojit vstup a výstup plynového vedení a přivést do rozvaděče napájecí a komunikační kabely. Co se týče instalace zařízení v Odrách, tak místo montáže, odběru vzorku a trasu kabeláže, jsem řešil s provozním vedoucím elektrárny. Okolo března 2014 bylo možné pouze zařízení pověsit na zeď a udělat pouze přípravné práce pro napojení kabeláže pro komunikaci a odběr vzorků. Nainstaloval jsem SCADA aplikaci na počítač v řídícím středisku a ověřil komunikaci mezi počítačem a řídícím automatem. Dále se v práci nemohlo pokračovat, protože nebyly oživeny spektrometry. Tuto práci zajistil technik z firmy Applied Analytics. Přístroje jsme mezi sebou propojili nerezovými trubičkami. Po celkovém oživení měřicího systému jsem ladil drobné chyby SCADA systému. Monitorovací systém se mi nakonec podařilo oživit a veškerá komunikace funguje. V oblasti monitorovacího systému se mi podařilo vytvořit řešení, se kterým byla firma spokojená a kterým jsem dosáhl úspěšného cíle. Do budoucna mě čeká vyřešení výměny kyslíkového čidla. Dále plánuji zaškolení obsluhy, aby na zařízení prováděli pravidelný servis a pravidelnou vizuální kontrolu. Servisním úkonem může být například výměna dusíkové láhve. Pokud se tato výměna neprovede správně a neodpojí se při ní termoelektrický snímač průtoku, může se přehřát a tím se zničit. Dalším úkonem, který může zákazník řešit svými prostředky, bude čištění prachového filtru. Tyto záležitosti bude potřeba sepsat do manuálu, společně se zásadami provozu a řešením případných chyb, které mohou nastat.

54

12 POUŽITÉ ZDROJE [1]

AMiNi 4DS: Kompaktní řídicí systém s displejem. In: [online]. AMiT, spol. s r.o., 2012 [cit. 2014-01-05]. Dostupné z: http://www.amit.cz/docs/cz/amini/amini4ds_d_cz_101.pdf

[2]

AP0008 APLIKAČNÍ POZNÁMKA Komunikace v síti MODBUS [online]. AMiT, spol. s r.o., 2013 [cit. 2014-01-05]. Dostupné z: http://www.amit.cz/support/cz/aplikacni_poznamky/ap0008_cz_04.pdf

[3]

APPLIED ANALYTICS. MicroSpec™ MCP-200 Infrared Analyzer. Revised 18 June 2013. Dostupné z: http://www.a-a-inc.com/documents/AA_DS003A_MCP200.pdf

[4]

Česká republika. Vyhláška, kterou se mění vyhláška 482/2005 Sb., o stanovení druhů, způsobů využití a parametrů biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy. In: 5/2007 Sb. Dostupné z: http://www.mzp.cz/www/platnalegislativa.nsf/d79c09c54250df0dc1256e8900296 e32/3E4077E27F2D7A41C125726B003B36CB/$file/OL-VYH5_07-070122.doc

[5]

iSence Oxygen Sampling Data Logger [online]. CO2Meter.com, 2013 [cit. 201405-25]. Dostupné z: http://co2meters.com/Documentation/Manuals/Manual-CM0185-Oxygen-Logger-NEMA.pdf

[6]

JOEL LANGILL. SCADAhacker [online]. P.O. Box 7725 Appleton, WI 549127079 U.S.A., 2010, December 17, 2013 [cit. 2014-01-05]. Dostupné z: http://scadahacker.com/

[7]

KOMÁREK, Josef. Atomová absorpční spektrometrie. 1. vyd. Brno: Masarykova univerzita, 2000, 85 s. ISBN 80-210-2500-X.

[8]

Měření koncentrace kyslíku v organických rozpouštědlech. LAO PRŮMYSLOVÉ SYSTÉMY S.R.O. [online]. [cit. 2014-01-05]. Dostupné z: http://www.lao.cz/aplikace-79/opticke-kyslikove-senzory-a-mereni-ph137/mereni-koncentrace-kysliku-v-organickych-rozpoustedlech-139

[9]

Modbus. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2014-01-05]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Modbus

[10] NATIONAL COMMUNICATIONS SYSTEM. Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) Systems [online]. P.O. Box 4052 Arlington, VA 222044052, 2004[cit. 2014-01-05]. NCS TIB 04-1. Dostupné z: http://www.scadahacker.com/library/Documents/SCADA_Basics/SCADA%20Ba sics%20-%20NCS%20TIB%2004-1.pdf [11] Ocean Optics Sensors [online]. 2012 [cit. 2014-01-05]. Dostupné z: http://www.oceanopticssensors.com

55

[12] Operating principle and construction of zirconium dioxide oxygen sensors of the XYA series. FIRST SENSOR. [online]. [cit. 2014-05-25]. Dostupné z: http://www.sensortechnics.com/cms/upload/appnotes/AN_XYA-O2_E_11154.pdf [13] Oxygen measurement with an zirconium oxide sensor. CRYSTEC TECHNOLOGY TRADING GMBH. [online]. [cit. 2014-05-25]. Dostupné z: https://www.crystec.com/staoxye.htm [14] Průtokoměry a spínače pro velmi malé průtoky. CRYSTEC TECHNOLOGY TRADING GMBH. [online]. [cit. 2014-05-25]. Dostupné z: http://www.koboldmessring.com/fileadmin/koboldfiles/pdf/cz/s1cz_kdf-kdg.pdf [15] Reliance 4: Vývojové prostředí. GEOVAP, spol. s r.o. [online]. Čechovo nábřeží 1790, Pardubice, Česká republika, 2013 [cit. 2014-01-05]. Dostupné z: http://www.reliance.cz/files-todownload/documentation/reliance4/Design_CSY.pdf [16] SCHRACK TECHNIK. Schrack Technik [online]. 2014. vyd. [cit. 2014-05-25]. Dostupné z: http://www.schrack.cz/ [17] Table G-2, Reactions: Heating Values of Common Fuels. SAN DIEGO STATE UNIVERSITY. [online]. 5500 Campanile Drive San Diego, CA 92182 [cit. 201405-25]. Dostupné z: http://thermo.sdsu.edu/testhome/Test/solve/basics/tables/tablesComb/hhv.html [18] ZIMČÍK, Tomáš. Elektrochemické senzory pro měření složení směsí plynů [online]. Zlín, 2008-05-21 [cit. 2014-05-25]. Dostupné z: http://dspace.k.utb.cz/bitstream/handle/10563/7555/zim%C4%8D%C3%ADk_20 08_dp.pdf?sequence=1. Diplomová práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně. Fakulta aplikované informatiky. Vedoucí práce Hruška, František.

56

PŘÍLOHY A.

Schéma rozvaděče, list 1 ...................................................................................................... 2

B.

Schéma rozvaděče, list 2 ...................................................................................................... 3

C.

Montážní schéma rozvaděče ................................................................................................ 4

D.

Mechanické schéma zapojení ............................................................................................... 5

E.

Seznam příloh na CD ........................................................................................................... 6

1

A.

SCHÉMA ROZVADĚČE, LIST 1

2

B.

SCHÉMA ROZVADĚČE, LIST 2

3

C.

MONTÁŽNÍ SCHÉMA ROZVADĚČE

1,2,3 Koncové díly WAGO svorek.

4

D.

MECHANICKÉ SCHÉMA ZAPOJENÍ

5

E.

SEZNAM PŘÍLOH NA CD



Program pro PLC AMiNi4DS



Projekt SCADA systému



Schéma rozvaděče - list1, list2



Montážní schéma rozvaděče



Mechanické schéma zapojení

6