Návrh řízení a dálková správa výměníkové stanice tepla

Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra informačních technologií a elektronického obchodování

Návrh řízení a dálková správa výměníkové stanice tepla Bakalářská práce

Autor:

Petr Kolín, DiS. Informační technologie, Manaţer projektů

Vedoucí práce:

Praha

Ing. Václav Kubart

Srpen, 2009

Prohlášení: Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a s pouţitím uvedené literatury.

V Prachaticích dne 1.7.2009

Petr Kolín, DiS.

Na tomto místě bych rád poděkoval panu Ing. Václavu Kubartovi. Za odborné vedení mé bakalářské práce a za ochotu spolupracovat při jejím zpracování. Rovněţ bych rád chtěl poděkovat firmě Tepelné hospodářství Prachatice s.r.o. za poskytnutí

námětu

práce

s moţností

uskutečnění

a

odborné

konzultace.

Anotace Hlavním cílem této bakalářské práce bylo navrhnout systém pro řízení a dálkovou správu výměníkové stanice ve správě Tepelného hospodářství Prachatice s.r.o. Úvodní část seznamuje čtenáře s pojmy v teplárenství a systémy řízení. Následující část analyzuje současný stav a definuje požadavky na nový systém. Závěrečná část řeší návrh řídícího systému a jeho hodnocení. Annotation The main objective of the bachelor thesis is to propose and design a system for management and remote administration of junction exchange station in the administration of Tepelné hospodářství Prachatice s.r.o. Introduction of the thesis reviews definitions of the terms used in the heating industry and heat control management systems. The following section analyzes the contemporary trends in the heating industry and defines the requirements for the new system. The final part of the thesis addresses the heat control management system and its evaluation.

Obsah ÚVOD .............................................................................................................................. 7 1 TEPLÁRENSTVÍ ...................................................................................................... 8 1.1 SEZNÁMENÍ S PODNIKEM TEPELNÉ HOSPODÁŘSTVÍ PRACHATICE S.R.O. .................. 8 1.2 CENTRALIZOVANÉ ZÁSOBOVÁNÍ TEPLEM ..................................................................... 9 1.3 VÝMĚNÍKOVÁ STANICE ................................................................................................ 11

2 ŘÍDÍCÍ TECHNIKA A KOMUNIKAČNÍ SYSTÉMY ....................................... 12 2.1 CENTRÁLNÍ ŘÍZENÍ ....................................................................................................... 12 2.2 KOMUNIKAČNÍ SYSTÉMY.............................................................................................. 14

3 REGULACE ............................................................................................................. 16 3.1 ÚVODNÍ SLOVO K REGULACI ........................................................................................ 16 3.2 REGULÁTOR .................................................................................................................. 16 3.3 REGULOVANÁ SOUSTAVA ............................................................................................. 18 3.4 SOUČÁSTI REGULAČNÍCH OBVODŮ .............................................................................. 18 3.4.1 Akční člen ............................................................................................................... 19 3.4.2 Snímače ................................................................................................................... 19 3.4.3 Snímače neelektrických veličin ............................................................................... 21

4 ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVU .................................................................... 22 4.1 POPIS VÝMĚNÍKOVÉ STANICE ...................................................................................... 22 4.2 POPIS SOUČASNÉHO STAVU ŘÍZENÍ .............................................................................. 22

5 DEFINOVÁNÍ POŢADAVKŮ NA NOVÝ SYSTÉM ŘÍZENÍ ........................... 23 5.1 SLOVO ÚVODEM ............................................................................................................ 23 5.2 POŢADAVKY NA PROVOZ VÝMĚNÍKOVÉ STANICE....................................................... 24 5.3 POŢADAVKY NA ŘÍDÍCÍ SYSTÉM ................................................................................... 24 5.4 POŢADAVKY NA PROGRAMOVÉ VYBAVENÍ ................................................................. 25 5.5 POŢADAVKY NA DÁLKOVÝ PŘENOS ............................................................................. 26

6 NÁVRH SYSTÉMU ŘÍZENÍ ................................................................................. 27 6.1 SLOVO ÚVODEM ............................................................................................................ 27 6.2 NÁVRH PROVOZU VÝMĚNÍKOVÉ STANICE ................................................................... 27 6.3 NÁVRH ŘÍDÍCÍHO SYSTÉM ............................................................................................ 29 6.3.1 Úvodem o společnosti Domat Control System s.r.o................................................ 29 6.3.2 Procesní stanice Mini PLC IPLC200 ..................................................................... 30 6.3.3 Kompaktní vstupně – výstupní I/O modul MCIO .................................................... 32

5

6.4 NÁVRH PROGRAMOVÉ VYBAVENÍ ................................................................................ 34 6.4.1 Úvodem ................................................................................................................... 34 6.4.2 Vývojové prostředí SoftPLC ................................................................................... 35 6.4.3 Vizualizační systém RcWare Vision ........................................................................ 36 6.4.4 OPC server ............................................................................................................. 37 6.5 DÁLKOVÝ PŘENOS ........................................................................................................ 38 6.5.1 Úvodem ................................................................................................................... 38 6.5.2 WiFi v pásmu 5 GHz ............................................................................................... 39

7 REALIZACE ŘÍDÍCÍHO SYSTÉMU ................................................................... 41 7.1 REALIZACE VE VÝVOJOVÉM PROSTŘEDÍ SOFTPLC ................................................... 41 7.1.1 Úvodem ................................................................................................................... 41 7.1.2 Základní popis funkcí programu SoftPLC .............................................................. 41 7.1.3 Zadání vstupních a výstupních hardwarových proměnných ................................... 44 7.1.4 Schémata ................................................................................................................. 45 7.1.5 Funkční bloky ......................................................................................................... 46 7.1.6 Kompilace ............................................................................................................... 48 7.1.7 Spouštění programu ................................................................................................ 49 7.1.8 Nastavení OPC serveru pro SoftPLC ..................................................................... 49 7.1.9 Test komunikace ..................................................................................................... 50 7.2 REALIZACE V RCWARE VISION ................................................................................... 51 7.2.1 Editor datových bodů.............................................................................................. 51 7.2.2 Grafická schémata .................................................................................................. 52 7.2.3 Historická data ....................................................................................................... 53 7.2.4 Alarmy .................................................................................................................... 53 7.2.5 Komunikace, topologie systému.............................................................................. 54 7.3 KONFIGURACE MINIPLC ............................................................................................. 54 7.3.1 Spuštění ................................................................................................................... 55

ZÁVĚR .......................................................................................................................... 56 SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY ........................................................................ 58 SEZNAM POUŢITÝCH OBRÁZKŮ......................................................................... 60 SEZNAM PŘÍLOH ...................................................................................................... 60

6

Úvod Cílem této bakalářské práce je ucelený popis problematiky řízení výměníkové stanice nově navrţeným řídícím systémem s moţností dálkové správy na centrálním dispečinku. Navrţení moderního a efektivního systému řízení, regulace a dálkové správy je bezesporu velkým přínosem pro firmu Tepelné hospodářství Prachatice s.r.o., která díky této modernizaci můţe lépe vyuţívat potenciál výměníkové stanice ke zlepšení dodávky tepelné energie koncovým uţivatelům. Nový systém řízení je navrţen za pouţití aplikace SoftPLC, programovatelného regulátoru MiniPLC IPLC200 a kombinovaných I/O obvodů MCIO od společnosti Domat Control System s.r.o. Cílem práce bylo nejen navrhnout komponenty, ale i zvolit vhodnou techniku k přenosu dat do dispečerského pracoviště a navrhnout dálkové řízení pro obsluhu centrálního dispečinku z počítače. Tento aspekt dálkového řízení je řešen s vyuţitím vizualizačního programového vybavení RcWare Vision.

7

1

Teplárenství

1.1 Seznámení s podnikem Tepelné hospodářství Prachatice s.r.o. Prachatická soustava centralizovaného zásobování teplem (CZT) vznikla v rámci bývalého OPBH v roce 1962, kdy byla zřízena horkovodní síť omezeného rozsahu s parametry 150/90oC. Soustava byla koncipována jako čtyřtrubková v souladu s potřebami města a vytápěna sousední společností Klima. Soustava se postupně rozšiřovala a v roce 1972 byla postavena vlastní parní olejová výtopna OPBH na Šibeničním vrchu (dnešní kotelna Tepelné hospodářství Prachatice s.r.o.). Prvotním médiem pro vytápění byla zvolena pára na poţadavek armády, která zde byla velkým odběratelem. S pokračujícím vývojem se stával problém znečištění ovzduší města stále tíţivějším, proto se logicky rozvíjely koncepční úvahy o dalším směřování soustavy a řešení problému zásobování města teplem. V roce 1984 byl do města zaveden svítiplyn a byl zamítnut záměr vybudovat vedle stávající kotelny nový velký tepelný zdroj na uhlí. Koncepční studie přinesla zásadní změny – doporučila propojení obou zdrojů soustavy – výtopny OPBH a sousední kotelny fy Klima a sníţení parametru horkovodní sítě na 130/70oC. Zcela zásadní význam mělo vyhodnocení srovnávací studie kvality ovzduší Prachatice vs Teplice. To přineslo velmi překvapivé výsledky. Dle údajů automatické měřící stanice /jedné z 11 v Jiţních Čechách /, Prachatice měly horší ovzduší neţ průmyslové oblasti Severních Čech. Zemní plyn, který byl ještě předtím do Prachatic zaveden, se proto rychle stal výhradním palivem. V prosinci 2004 je zaregistrována společnost Tepelné hospodářství Prachatice s.r.o, (dále jen TH PT), která však není právním nástupcem OPBH. Majoritním vlastníkem se stává město Prachatice. V současnosti jsou ve výtopně TH PT instalovány 2 horkovodní kotle o výkonu 2 x 7 MW a 2 parní kotle o výkonech 3 MW a 14 MW. Dnešní soustava CZT s rozvody v délce 15 km pracuje jako výhradně horkovodní a její součástí je 38 tlakově nezávislých výměníkových stanic, které zásobují cca 3000 bytů.

8

Provozní parametry primární sítě jsou řízeny v závislosti na tlakové diferenci a sekundární síť je provozována podle ekvitermní otopové křivky. Moţností CZT je paralelního provozu obou zdrojů, které dodávají teplo do sítě bez dělení na úseky zásobované jedním či druhým zdrojem. Hranice dodávky z paralelně pracujících zdrojů se nastavují automaticky podle výkonu oběhových čerpadel ve výtopně TH PT a Klima. Dodávka tepla z výtopny Klima resp. její oběhová čerpadla se ovládají z dispečinku ve výtopně TH PT řídícím systémem, jehoţ funkce a moţnosti jsou širší, neţ jen okamţité řízení dodávky tepla. Řídící systém dává rovněţ moţnosti regulované akumulace tepla v tepelné síti a můţe být účinně vyuţit pro vytváření resp. predikci hospodárných a vhodných provozních reţimů soustavy z hlediska energetické účinnosti i spotřeby čerpací práce. Roční prodej TH PT činí cca 130 tis. GJ, přičemţ fa Klima a.s. dodává z toho 25 % výroby. Pozoruhodný je výškový rozdíl v poloze obou zdrojů – 85 m. Z důvodu rozptylu emisí je kotelna TH PT vysoko nad středem města v nadmořské výšce 620 m. To je náročné na uspořádání tlakových poměrů soustavy. Ze stručného popisu je zřejmé, ţe soustava prodělala velký vývoj, při němţ byla realizována řada technických řešení, jimiţ se dostala soustava na technickou úroveň, která je u malé soustavy pozoruhodná. Lze připomenout například zvládnutí velkého výškového rozdílu a paralelního provoz dvou tepelných zdrojů v propojené tepelné síti. Významným krokem bylo nasazení řídícího systému, který dovoluje

dispečersky řídit a sledovat

provoz vybraných výměníkových stanic. [1]

1.2 Centralizované zásobování teplem Centralizované zásobování teplem (dále jen CZT) znamená zásobování více objektů z jednoho společného zdroje tepla a rozvod tepla tepelnou sítí, která alespoň z části prochází volným prostorem mezi objekty. [2] V sobě zahrnuje dálkovou dodávku tepla pro vytápění, přípravu teplé vody atd. Soustavy CZT zahrnují jeden nebo více vzájemně propojených centrálních zdrojů o tepelném výkonu větším neţ 5 MW. Primární rozvod je realizován dálkovým potrubím dopravujícím teplonosnou látku o vyšších parametrech a končí ve výměníkové stanici.

9

Sekundární rozvod začíná v úpravně parametrů a končí u spotřebitelů – rozvod topné vody do otopných těles, rozvod teplé vody k zařizovacím předmětům, rozvod vody o vyšší teplotě pro výrobní a technologické účely apod. Teplo vyrobené ve zdroji tepla (kotelna, teplárna apod.) se vede dálkovým potrubím do úpravny parametrů a tepla. Podle rozsáhlosti soustavy to můţe být do několika úpraven parametrů velkých (blokových) a z nich pak ještě do malých domovních nebo bytových úpraven parametrů. U CZT jsou v úpravnách parametrů běţně umístěny dva druhy výměníků tepla. V jednom se připravuje teplá voda o poţadované teplotě (přibliţně 55oC) a v druhém výměníku se připravuje topná voda, jejíţ teplota se neustále mění podle potřeby ekvitermní křivkou (běţně v závislosti na venkovní teplotě).

Obrázek č.1:

Obecné schéma soustavy CZT

Obrázek č.1 ukazuje jednu z mnoha moţností dálkové dodávky tepla ke spotřebitelům. Pro jednoduchost neobsahuje zabezpečovací zařízení, regulaci a další vybavení, bez kterého se soustava neobejde.

10

Výhody tohoto způsobu jsou zřejmé a ve srovnání s decentralizovanou dodávkou bývají uváděny v tomto pořadí: [3] technická moţnost spalování méněhodnotného paliva menší počet pracovníků obsluhy a údrţby menší nárok na dopravu paliva a zbytků spalování menší znečištění ovzduší a snaţší zachycování emisí větší tepelná účinnost správně navrţeného zdroje moţnost centrální regulace mnoţství dodávaného tepla moţnost paralelní výroby tepla a elektřiny

1.3 Výměníková stanice Výměníková stanice tvoří spojovací článek mezi tepelnou sítí a odběratelskou soustavou (primární a sekundární síť). Jejich hlavním úkolem je propustit z tepelné sítě do připojené soustavy poţadované mnoţství tepla (současně ho změřit) a při tom upravit parametry teplonosné látky na hodnoty technicky vhodné, bezpečnostně a hygienicky přípustné pro pouţití v odběratelské soustavě.

Obrázek č.2:

Obecné schéma výměníkové stanice

11

Do výměníku přichází primární teplonosná látka (převáţně horká voda). Předá své teplo, tím se ochladí a vede se zpět k ohřátí do kotle. Topná voda do otopného systému se ve výměníku ohřeje právě na takovou teplotu, která je zapotřebí k vytápění. Tímto způsobem dochází i k ohřevu teplé vody, s tím, ţe výstupní teplota je stálá (přibliţně 55oC). [4] Výměníková stanice je souborem dílčích technologických zařízení (čerpadla, regulační a havarijní ventily, směšovací ventily, expanzní nádoba, bojlery, deskové či trubkové výměníky, termostaty, teploměry, snímače tlaku, hlídače hladiny, zaplavení apod.), které teprve jako funkční celek dokáţe plně zabezpečit provoz a dodávku tepla odběratelům. Přehled, sledování, řízení a přenos vstupních a výstupních parametrů na dispečerské pracoviště je nejen cílem této diplomové práce, ale především předpokladem úspěšného provozu a řízení výměníkové stanice.

2

Řídící technika a komunikační systémy

2.1 Centrální řízení Centrální řízení spolu se sběrem dat přináší řadu moţností např. pro vyuţití statických metod, pro analýzu kvality a pro vyuţívání provozních dat při projektování a provozování technologií. Tato technika se můţe skládat z regulačních systémů a z programovatelné řídící jednotky a pamětí na rovině vstupů a výstupů, čemuţ se říká stanice MaR (stanice měření a regulace). Tato stanice přebírá funkci měření, řízení a regulace a přebírá i úlohy jako jsou: centrální hlášení a protokolování poruch ohlašování poţáru a kontrolní funkce úprava dat a statistika energetický management členění a systematizace Centrální řídící technika se vyuţívá pro řízení některého zabezpečení budov. Jedná se hlavně o průmyslové objekty, nemocnice, správní budovy, kasárna, univerzity apod. Tato technika je tedy vhodná hlavně pro technologické budovy či komplexy. Pro menší objekty se vyuţívají samostatné regulátory. 12

Úroveň provozování a řízení je závislá na vlastnostech řídících systémů měření a regulace. Úroveň komunikace a regulace jednotlivých technologických zařízení dovoluje realizovat vzájemné vazby mezi jednotlivými druhy technologií. Významným trendem je rovněţ členění na samostatné „inteligentní“ řídící uzly pro čím dál menší technologické celky. Řídící systémy technologií lze rozdělit do několika vrstev. Systémy v řídící vrstvě musí být schopny vykonávat samostatné činnosti a to nezávisle na ostatních systémech z jiných vrstev.

Obrázek č.3:

Rozdělení vrstev řídícího systému

Vrstvu technologie představuje zařízení (kotel, soustava, výměník atd.), které je vybaveno měřícími a akčními členy (pohony, teploměry atd.). Vrstvu digitální regulace představují regulátory regulující technologii a umoţňující komunikaci s nadřazeným systémem. Vrstva monitorovacího systému je zastoupena počítačem, který sbírá informace o chodu technologií, zvládá poruchové a komunikační činnosti a tvoří dispečink. Vrstva manaţerského řízení spočívá v přenosu vybraných veličin do administrativních programů, dokumentů a firemních informačních systémů a vyhodnocení pro potřeby managementu.

13

2.2 Komunikační systémy U komunikačních systémů se vyţaduje moţnost monitorovat provozní stavy technologií, moţnost zasahovat do regulačních dějů respektive dálkově měnit nastavené parametry a moţnost předávat informace o externích zařízeních. Základní vlastnosti komunikačních systémů můţeme shrnout alespoň v pěti bodech: monitorování všech zařízení resp. technologií zejména bezpečnostních a pojistných přenos informací na koncové telekomunikační zařízení vyhodnocení dat pro pozdější statistické zpracování zobrazení historie provozu pro definované období dálková parametrizace jednotlivých regulačních přístrojů respektive řídícího systému U hlášení se rozlišuje informace provozní (např. počet provozních hodin, teploty na čidlech, stav zásoby paliva, spotřeba paliva atd.) a poruchové respektive havarijní (např. únik plynu do kotelny, zaplavení kotelny, přehřátí zdroje tepla, výpadek elektrického proudu). Havarijní hlášení mají vazbu na odstavení zařízení z provozu eventuelně sepnutí pomocných havarijních zařízení (havarijní větrání, uzavření havarijního ventilu apod.). Při vyhodnocení havarijního stavu je potřebné rozlišit alespoň mezi normálním provozním stavem a poruchou. Tento výstup je u většiny bezpečnostně-technických zařízení k dispozici. Komunikační zařízení by mělo být vybaveno vstupem pro spojité (analogové) vyhodnocování veličin. Takto lze monitorovat např. teplotu prostoru a kontrolovat přímo její hodnotu vyhodnocením nejen překročením mezních hodnot (havarijní stav), ale také zajistit konkrétní hodnotu sledované veličiny a její tendenci z hlediska růstu nebo poklesu.

14

Obrázek č.4:

Záznam z provozu výměníkové stanice

Pro komunikaci a připojení dispečerské stanice přes Internet se vyuţívá TCP/IP protokolů. Výhodou tohoto připojení je i moţnost vyuţití web prohlíţečů při přístupu uţivatelů k dispečinkovým datům. Informace jsou podle moţností koncového zařízení předávány ve formě číselného kódu (pager), jednoznačného textu (mobil – SMS) nebo graficky (PC). Mnohdy opomíjenou funkcí avšak významnou pro vyhodnocování je moţnost exportovat získaný soubor dat do některého obecně pouţívaného databázového programu. Takto uloţená data lze v běţných tabulkových procesorech graficky zpracovat a vyuţít např. pro ekonomickou bilanci na příští otopné období či plánování oprav a údrţby. Na základě průběhů teplot (obrázek č.4) lze vyhodnotit, jak výměníková stanice reaguje např. při poklesu venkovní teploty a zda jsou regulační přístroje správně nastaveny. [5]

15

3

Regulace

3.1 Úvodní slovo k regulaci Regulace ve vytápění představuje soubor zařízení (regulátory, pohon armatur, armatury, čidla apod.), pomocí kterých přizpůsobujeme provoz a výkon výměníkové stanice okamţitým podmínkám. Regulací rozumíme udrţování určité technologické veličiny na určité, obvykle konstantní hodnotě (tzv. řídící veličina nebo ţádaná hodnota).

3.2 Regulátor Je technické zařízení, které realizuje funkci udrţování technologické veličiny. Obecné funkční schéma platí pro kaţdý regulátor realizovaný jako samostatný technický prvek. Porovnávací člen určuje hodnotu regulační odchylky „e“ odečtením měřené hodnoty regulované veličiny od hodnoty řídící veličiny podle vztahu: „e=w-y“ Hodnota řídící veličiny „w“ se u běţných regulátorů buď nastavuje ručně na ovládacím panelu nebo můţe být téţ nastavována dálkově pomocí standardního signálu. Vypočtenou regulační odchylku zpracovává ústřední člen regulátoru a výsledkem je akční zásah, tedy signál ovládající akční člen.

16

Obrázek č.5:

Obecné funkční schéma regulátoru

Typů regulátorů existuje celá řada, nicméně v návrhu řídícího systému, který popisuji v této bakalářské práci pracuji s volně programovatelným regulátorem. Algoritmus volně programovatelných regulátorů je tvořen na základě poţadavku funkce technologického zařízení (periferie). Aplikační software pro navrţení chodu regulátoru je tvořen jednotlivými bloky regulačních celků a předdefinovaných modulů, které se poskládají a vzájemně propojí v stupy s výstupy. Jedná se o ucelený systém, který neslouţí pouze k regulaci otopné soustavy, ale zvládá i mnoho jiných signálů pro řízení technických zařízení budov. Regulátory mají rozsáhlé moţnosti vzhledem k počtu nezávisle regulovaných obvodů, komunikace, ovládání výkonných prvků apod. Prvnímu uvedení do provozu předchází „oţivení“, coţ je naprogramování podle nároků zařízení a poţadavků projektanta či uţivatele. Výhodou těchto regulátorů je přenos libovolných dat mezi sebou včetně moţnosti dálkového přenosu, případně připojení na dispečerské pracoviště, které bývá většinou v grafické podobě.

17

3.3 Regulovaná soustava Regulovaná soustava je ta část zařízení, ve které se uskutečňují regulační pochody. Vlastnosti regulované soustavy jsou charakterizovány jejími statickými a dynamickými charakteristikami. Statická charakteristika je definována jako závislost výstupního signálu „Y“ v závislosti na vstupním signálu „X“ v ustáleném stavu. Soustava se nachází v ustáleném stavu tehdy, jestliţe ţádná z veličin do soustavy vstupující a ze soustavy vystupujících nemění svou hodnotu s časem. Dynamické charakteristika je činnost regulované soustavy, která závisí především na dynamických vlastnostech, které vyjadřují změny signálů v závislosti na čase.

3.4 Součásti regulačních obvodů Princip praktické funkce je takový, ţe na vstup regulačního obvodu je přiveden signál „X“ ze snímače (čidla) měřené hodnoty regulované veličiny a na výstupu máme signál „Y“ ovládající akční člen.

Obrázek č.6:

Technologické schéma regulačního obvodu

18

3.4.1 Akční člen Signály „Y“, tedy řídící akční členy, můţeme rozdělit podle typu řízení: spojité - řídící veličinou je spojitý signál. Spojité akční členy se mohou nastavovat podle hodnoty řídícího signálu do jakékoli polohy mezi danými mezemi. Spojité signály jsou unifikovány na napěťové 0-10 V, nebo proudové 0-20 mA. tříbodové - řídící veličinou je povel „více-stop-méně“, kdy povel je realizován pomocným kontaktem relé, případně polovodičovým spínacím prvkem, který spíná ovládací napětí odpovídající napájecímu napětí akčního členu. dvoubodové – řídící veličinou je povel „zap-vyp“, kdy povel je realizován pomocným kontaktem relé, případně polovodičovým spínacím prvkem, který spíná ovládací napětí odpovídající napájecímu napětí akčního členu. Hodí se pro logické řízení. pulsní - pulsní řízení je ve svém principu dvoubodové řízení, přičemţ střídání impulsů odpovídá otevření termostatického ventilu, nebo výkonu otopného tělesa. povel - je realizován polovodičovým spínacím prvkem, který spíná ovládací napětí odpovídající napájecímu napětí akčního členu. Akční člen je tedy technické zařízení, které přenáší výstupní signál z regulátoru (akční zásah) do regulované soustavy, tj. mění hodnotu nějaké technologické veličiny podle hodnoty výstupu z regulátoru.

3.4.2 Snímače Snímače (nepřesně také čidla) všeobecně převádějí fyzikální hodnotu regulované veličiny na signál vhodný k přenosu informace o stavu této veličiny na větší vzdálenosti a vhodný k (většinou elektronickému) zpracování v dalších částech regulátoru. Přitom pod pojmem čidlo rozumíme vlastní měřící element (např. odporová vloţka teploměru, membrána apod.). Zatímco pojem snímač představuje jiţ konkrétní přístrojové vybavení, které v sobě zahrnuje jednak čidlo a jednak část pro převedení signálů čidla na signál jednotné úrovně.

19

Základní pouţívané snímače signálů jsou následující: odporový vysílač - měřená veličina má mechanický převod na pohyb jezdce na odporovém vysílači. odporový - měřená veličina mění hodnotu odporu, např. tedy teplotní čidlo v závislosti na teplotě. napěťový - měřená veličina je převáděna na napětí, na unifikovaný signál 0-5 V, 0-10 V. proudový - měřená veličina je převedena na proudová signál 4-20 mA (pro pasivní výstup, kdy je snímač napájen po proudové smyčce dvoudrátově), 0-20 mA (pro aktivní výstup snímače, kdy je snímač napájen samostatně, připojení je pak třídrátové, čtyřdrátové nebo má snímač samostatné napájení). Při volbě čidla, prezentované snímačem pro regulační soustavu, se musí postupovat dosti obezřetně a vybírat ze široké škály nabízené různými výrobci tak, aby se uţ v této fázi nestala chyba, kterou je časová konstanta přenosu, nelinearita čidla, ne-li jeho nepřesnost, vhodnost pouţití do daného prostředí, připojení atd. Teploměry v jímkách mají časovou konstantu aţ několik minut, coţ můţe způsobit rozkmitání soustavy nezávisle na funkci regulátoru. Volí se čidla vţdy s co moţná nejkratšími časovými konstantami. Pokud se totiţ shodují časové konstanty soustavy a regulátoru, pro regulaci nastává nejnepříznivější stav a regulace se rozkmitá. Toto můţe nastat i v případě dlouhodobého znečištění jímek, ve kterých jsou umístěny teploměry. Nánosy vodního kamene způsobí zhoršení přestupu teploty na čidlo a nastává stejná situace rozkmitání soustavy. Výběrem

snímače,

jeho

vhodným

umístěním

v technologickém

zapojení

a pravidelnou údrţbou je dosaţeno základních předpokladu pro kvalitní regulaci. Při návrhu snímače a jeho umístění hrají velkou roli technické parametry, přetíţení, krytí a způsob snímání.

20

3.4.3 Snímače neelektrických veličin Mezi snímače neelektrických veličin patří snímače teploty, tlaku, průtoku a kvality ovzduší. Snímače lze charakterizovat dle základních údajů, provozních charakteristik, parametrů vyhodnocení a doplňujících provozních údajů. Základní údaje o snímačích: označení typu (typové řady) výrobce/země původu hmotnost výrobku a jeho rozměry pro která média je pouţitelný princip měření provedení podle prostředí schéma připojení Provozní charakteristiky: měřící rozsah třída přesnosti (tolerance při obecné teplotě) rozsah okolních teplot hlavice čidla rozsah relativní vlhkosti v okolí hlavice čidla rozsah provozních tlaků odolnost proti vibracím měřitelný rozsah Parametry vyhodnocení: napájecí část výstupní signál zatěţovací odpor komunikace s počítačem signalizace poruchy 21

Doplňující provozní údaje: stabilita nuly spolehlivost opravitelnost servis Kaţdý snímač má, kromě chyby měření odpovídající principu měření, chybu vyplívající ze stárnutí materiálu v dlouhodobějším časovém úseku (způsobenou vysokou teplotou, tlakem, agresivitou měřeného média). Navíc má kaţdý snímač okamţitou chybu v měření díky tzv. časové konstantě, kdy se správná hodnota měření objeví aţ po určité době. [6]

4

Analýza současného stavu

4.1 Popis výměníkové stanice Výměníková stanice VS Ševčíkova upravuje teplotní a tlakové parametry topné vody pro potřeby připojených objektů. Výměníková stanice je zdrojem tepla pro vytápění 6 bytových jednotek a Českého statistického úřadu. Výměníková stanice je rovněţ zdrojem tepla pro přípravu teplé vody. Příprava teplé vody je zajištěna ve dvou 10 000 l bojlerech v roční produkci cca 2000 m3. Roční prodej tepla je cca 2500 GJ. Výměník je samostatná technologická budova umístěná v těsné blízkosti zásobovaných objektů a je v majetku Tepelného hospodářství Prachatice s.r.o.

4.2 Popis současného stavu řízení Výměníková stanice je v současné době řízena regulátorem TRS 312 pro vytápění Českého statistického úřadu a TERM II pro vytápění bytových jednotek. Tyto regulátory jiţ z důvodu stáří a technické zastaralosti vykazují značnou poruchovost a nemoţnost integrace nových řídících prvků. Samotné řízení dodávky tepla probíhá nastavením poţadované ekvitermní teploty na regulátoru, který v závislosti na venkovní teplotě reguluje výstupní teplotu 22

prostřednictvím

regulačních

ventilů.

Oběhová

čerpadla

je

moţné

provozovat

v automatickém reţimu, kdy jsou uváděna do provozu dle ručně stavitelných spínacích hodin nebo přepnutím do manuálního reţimu na řídícím rozvaděči. Řízení dodávky teplé vody z bojlerů je zajištěno termostatem, který zabezpečuje poţadovanou teplotu dodávky teplé vody na hodnotě 55oC. Řízení a provoz výměníkové stanice je plně podmíněn obsluze, která zabezpečuje tuto činnost pravidelným docházkovým reţimem, který se v ideálním provozu uskutečňuje minimálně dvakrát za den. Veškerá řídící činnost je tedy pouze na místním řídícím regulátoru a obsluze výměníkové stanice.

5

Definování poţadavků na nový systém řízení

5.1 Slovo úvodem Koncepce návrhu poţadavků na nový řídící systém vychází z potřeb provozovatele Tepelného hospodářství Prachatice s.r.o. Mezi hlavní poţadavky se řadí potřeba monitorovat činnost, dálkově řídit technologický provoz a uchovávat data. Archivace dat z provozu výměníkové stanice by měla dokumentovatelným způsobem řešit případné reklamace a připomínky ze strany konečných odběratelů a zásadně přispívat k vytvoření přehledné situace o činnosti. Nezbytným prvkem je reakce na změny v odběrech a výpadcích i v době, kdy na výměníkové stanici není přítomna obsluha. Díky tomu se sniţují nároky na obsluhu a zvyšuje se úspora provozu. Řízení, dálkový přenos a vhodně zvolené přenosové techniky by měli slouţit k zajištění komfortu obsluze při řízení provozu, tak i pracovníkům na dispečerském pracovišti. Programové vybavení pro návrh a vizualizaci společně s pouţitými komponenty řídícího systému by mělo odpovídat snadnému uţivatelskému nastavení, jednoduché modifikaci a modernímu stylu řízení. Teplárenství je v současnosti významným průmyslovým odvětvím, které si ţádá pruţný systém zásobování s ohledem na potřeby zákazníka. 23

5.2 Poţadavky na provoz výměníkové stanice Následující body jsou obecnými slovními poţadavky na nový řídící systém výměníkové stanice při dodávce tepla, teplé vody, řešení havarijních stavů a samotné obsluhy. Podrobně se zde nezabývám jednotlivými signály a stavy, ale snaţím se obecně přiblíţit charakter poţadavků. moţnost rozlišení období na letní a zimní provoz nastavení denních časových pásem ekvitermní regulace topné vody pro bytové jednotky ekvitermní regulace topné vody pro Český statistický úřad regulace teplé vody na konstantní teplotu 55 oC řešení havarijních stavů moţnost ručního ovládání

5.3 Poţadavky na řídící systém Následující body jsou obecnými slovními poţadavky na komponenty řídícího systému a jeho obsluhy. Jmenovitě na programovatelný regulátor a řízený komunikativní modul. Podrobně se zde nezabývám specifickými nároky, ale snaţím se obecně přiblíţit charakter poţadavků. funkčnost a spolehlivost systému rychlost odezvy moţnost místního ovládání a zobrazování hodnot uţivatelsky přívětivý (user friendly) privilegovaný přístup k nastavení modularita obvodů dostatečný počet analogový a digitálních vstupů / výstupů kompaktní rozměry servisní zázemí cena za pořízení nízké provozní náklady 24

5.4 Poţadavky na programové vybavení Poţadavky kladené na moderní operátorské vizualizační systémy v současnosti nabývají poměrně komplexní podoby. Pojem vizualizační systém chápeme jako zprostředkovaný obraz skutečného stavu technologie. Tento obraz skutečnosti je promítán na plochu monitoru v přehledné grafické podobě.Hlavní přínos spočívá v přímé reakci na změny v technologickém procesu, které jsou podle skutečného stavu graficky znázorněny například pohybem ručičkami schematických přístrojů. Vývojové prostředí je sada programů pro regulaci a řízení technologických procesů, typicky pro pouţití v systémech větrání, vytápění a klimatizace. Následující body jsou obecnými slovními poţadavky na programové vybavení zajišťující návrh i vizualizaci. Podrobně se zde nezabývám jednotlivými funkcemi, ale snaţím se obecně přiblíţit charakter poţadavků. přehledné ovládací prvky a jednoduchý systému intuitivního ovládání jednoduché ovládání pouze myší zvukové a hlasové zprávy přehledný tabulkový přístup k procesním hodnotám zajištění, vyhodnocení a směrování alarmů ukládání historických dat moţnost dálkového řízení výměníkové stanice zkrácení reakční doby obsluhy v případě poplachů a poruch přehledné zobrazení stavů technologií systému v reálném čase rychlé vytváření aplikací a snadná editace zvýšení bezpečnosti aktualizace dat v učených časových horizontech nízké provozní náklady Cena za pořízení.

25

5.5 Poţadavky na dálkový přenos Provozovatel provazuje dálkový přenos dat pomocí kabelového vedení, které je uloţeno v zemi a je přístupno pouze vybraným výměníkovým stanicím. Připojení výměníkové stanice touto technologií je v současné době nerealizovatelné z důvodu geografického umístění. Případné zemní práce spojené s pokládkou kabelu představují vysoké náklady, coţ popírá poţadavky provozovatele na ekonomickou stránku projektu. Následující body jsou obecnými slovními poţadavky na přenos dat a metody přenosu. Podrobně se zde nezabývám jednotlivými aspekty a parametry technik, ale snaţím se obecně přiblíţit charakter poţadavků. absence kabelového přenosu nízké provozní náklady zajištění stálého spojení odolnost přenosu vůči klimatickým podmínkám omezení rušení přenosu zamezit průnik do sítě minimální nároky na obsluhu cena za pořízení nízké provozní náklady

26

6

Návrh systému řízení

6.1 Slovo úvodem V předchozí kapitole byly hrubě nastíněny poţadavky na jednotlivé části řídícího systému. V této kapitole se jiţ budu detailněji zabývat poţadavky, jejich vyhodnocením a návrhem komponent, které budou součástí řídícího systému.

6.2 Návrh provozu výměníkové stanice Návrhu provozu výměníkové stanice předchází návrh obecného schématu. Ten vychází z předchozí definice slovních poţadavků a částečně také z předchozího systému řízení. Obecné schéma je prvotním grafickým ztvárněním sledovaných hodnot výměníkové stanice s vyznačenými datovými body. Tyto body signalizují poţadavky na snímače či řídící členy. Obecné schéma slouţí především pro snadnější pochopení činnosti výměníkové stanice a lepší orientaci pro návrh systému řízení ve vývojovém prostředí.

27

Obrázek č.7:

Obecného schéma výměníkové stanice

Dalším krokem při návrhu je přepis jednotlivých datových bodů z obecného schématu výměníkové stanice do tabulky vstupů a výstupů. Viz příloha č.1: Tabulka vstupů a výstupů

28

V tabulce jsou definovány vstupy a výstupy pro I/O moduly. Tabulka poskytuje přehled s číselným odkazem do obecného schématu (obrázek č.7). Zde najdeme místo připojení čidla či řídícího členu. Dále je v tabulce název členu, zkratka, která bude dále pouţita při orientaci ve vývojovém prostředí, datové typy, jednotky / stavy, pozice pro definici adresy modulu a pořadí při zadávaní datových bodů. Určení datového typu vychází z pouţitých komponent regulačního obvodu a je určujícím prvkem ve vývojovém prostředí. Datové typy můţeme rozdělit na následující: AI - analogový vstup (např. teplota, tlak, snímače neelektrických veličin) AO - analogový výstup (výstup 0 – 10 V v projektu není pouţit) DI - digitální vstup (např. signál o chodu čerpadla) DO - digitální výstup (např. povel k otevření ventilu)

6.3 Návrh řídícího systém 6.3.1 Úvodem o společnosti Domat Control System s.r.o. Na trhu je dnes mnoho firem dodávající komplexní systémy měření a regulace v oblasti řízení

budov

a

průmyslových

automatizací,

teplárenství

a

jinak

příbuzných

technologických odvětví. Prvotní snahou bylo vyhovět výše definovaným poţadavkům. Vzhledem k předchozím bezproblémovým vztahům v oblasti poskytovaných sluţeb a servisního zázemí, jsem se rozhodl vyuţít sluţeb na dodávku komponent řídícího systému od firmy Domat Control System s.r.o. Firma Domat Control System s.r.o. byla zaloţena v evropském měřítku v roce 2004 pracovníky s dlouholetou praxí v oboru větrání, vytápění a klimatizace. Programem společnosti je vývoj, výroba, distribuce a aplikace komplexních systémů měření a regulace v oblasti řízení budov a průmyslových automatizací. Sídlo společnosti, ze kterého jsou dodávány periferie a řídící systémy, je v České republice. V Maďarsku, Slovensku, Chorvatsku, Slovinsku, Rumunsku a Portugalsku jsou distributorské organizace, jejichţ pracovníci mají rovněţ dlouholeté zkušenosti z oboru 29

větrání, vytápění a klimatizace. Tyto organizace zajišťují dodávky systému Domat Control System na jednotlivé trhy. Periferie a komponenty řídícího systému Domat Control System jsou vyráběny v OEM provedení u známých výrobců zařízení průmyslových automatizací a jsou přizpůsobené technickým poţadavkům vývojových inţenýrů společnosti Domat Control System. Tím je zaručena funkčnost a spolehlivost celého systému, jehoţ dílčí části jsou pouţívány po celém světě. Společnost Domat Control System se zabývá nejen dodávkami řídících systémů a periferií, ale také dodávkami systémů měření a regulace. Dále se společnost zabývá řešením centralizace stávajících řídících systémů v různých objektech do jednoho nebo více centrálních pracovišť s maximálním zachováním stávajících investic. [7]

6.3.2 Procesní stanice Mini PLC IPLC200 Volně programovatelný regulátor MiniPLC IPLC200 je ideální pro výměníky, kotelny nebo vzduchotechniky do cca. 100 I/O bodů propojené v síti – ať uţ do systému SCADA, nebo jen s přístupem přes webový prohlíţeč. Příkladem zařízení o této velikosti můţe být výměníková stanice s několika topnými větvemi a ohřevem teplé uţitkové vody, penzion se zdrojem tepla, vzduchotechnickou jednotkou a několika desítkami pokojů nebo vytápění a klimatizace rezidenčního objektu, kde je navíc ještě moţné integrovat další technologie, jako vyhřívání bazénu, venkovní osvětlení, zavlaţovací systém a podobně.

30

Obrázek č.8:

Programovatelný regulátor Mini PLC IPLC200

Regulátor a obsahuje tato rozhraní: 1x RS485 pro připojení I/O modulů (Modus) 2x RS232 / RS485 pro GSM modem pro alarmové SMS nebo integraci dalších systémů Ethernet pro komunikaci s dotykovým displejem nebo napojení na řídicí stanici – nativní (TCP/IP) či pomocí standardu OPC V regulátoru je i webový server pro snadné ovládání pomocí prohlíţeče. Webové stránky se tvoří v grafickém programu, takţe není nutné znát programování v HTML. Do stránek se vkládají objekty se zobrazenými hodnotami, nastavovače hodnot, přepínače, obrázky, alarmy, grafy, časové programy atd. Pro tvorbu řídicích aplikací i uţivatelského rozhraní slouţí programový balík RcWare a SoftPLC. Pro tvorbu LCD menu existuje intuitivní editor, v němţ se do stromu menu přetahují a adresují jednotlivé objekty a hodnoty (skutečné hodnoty, poţadované hodnoty, alarmy, časové programy, oblasti chráněné čtyřmístným kódem atd.). 31

Na I/O sběrnici se připojují I/O moduly Domat Control System podle potřeby lze vyuţít všech typů I/O modulů. Podle sloţitosti algoritmu je na MiniPLC moţné připojit asi 100 aţ 120 fyzických datových bodů. Nejpouţívanější z modulů je kompaktní vstupně-výstupní modul MCIO (stručný popis uveden níţe). Moduly mohou být umístěny u technologií aţ 1000 m daleko, zatímco regulátor s displejem je v rozvaděčové skříňce na dobře přístupném místě, odkud jej lze ovládat pomocí displeje a tlačítek. Po síti je tedy moţné k regulátoru přistupovat buď z webového prohlíţeče, z dotykového displeje pro komfortní ovládání nebo z počítače s řídicí stanicí RcWare Vision. MiniPLC je součástí otevřeného řídicího systému Domat Control Systém. Pro snadnou integraci do dalších systémů se pouţívá OPC server. Pro speciální a zákaznické aplikace je moţné podstanici MiniPLC doplnit o specifické programové moduly a funkce, například další komunikační protokoly a funkční bloky. Proto je řídicí systém s MiniPLC vhodný zejména do průmyslových aplikací. [8] Pro zajímavost uvádím, ţe regulátor MiniPLC a software pro tvorbu řídicích aplikací byl na veletrhu Aquatherm 2006 oceněn Čestným uznáním.

6.3.3 Kompaktní vstupně – výstupní I/O modul MCIO Vstupně - výstupní modul představuje rozhraní mezi řídicím systémem a technologií. Lze jej vyuţít jak pro řízení a regulaci, tak pro sběr dat v měřicích systémech. Kompaktní I/O modul MCIO je mikroprocesorem řízený komunikativní modul se skladbou I/O optimalizovanou pro menší technologické procesy. Modul komunikuje po sběrnici RS485 protokolem ModBus RTU a lze jej snadno integrovat do řady řídících systémů.

32

Obrázek č.9:

Kompaktní vstupně – výstupní I/O modul MCIO

Vstupy a výstupy, napájení a komunikace jsou vzájemně galvanicky odděleny, takţe při poškození jednoho modulu na sběrnici jsou ostatní moduly chráněny. Komunikační obvody jsou chráněny proti přepětí. Indikační LED diody signalizují stavy digitálních vstupů a výstupů (ţluté), odchozí komunikaci (TX), systémový cyklus modulu (RUN, červené) a přítomnost napájecího napětí (ON, zelená). Kaţdý modul má adresu, která se nastavuje konfiguračním programem SoftPLC. V programu se také u analogových vstupů zadává měřicí rozsah. Vstupy jsou aktivní (0..10 V) nebo pasivní s moţností připojení všech běţných typů teplotních čidel. Pro zvláštní charakteristiky čidel je moţné zadat u kaţdého vstupu v programu SoftPLC zvláštní linearizační křivku. Digitální výstupy osazené relé mohou přímo spínat napětí 230 V st, takţe u menších spotřebičů nebo vazeb na silnoproud není třeba osazovat oddělovací relé. Stavy digitálních výstupů a vstupů jsou indikovány LED diodami. Moduly komunikují po sběrnici RS485 protokolem ModBus RTU s nastavitelnou komunikační rychlostí. Otevřený protokol umoţňuje jejich nasazení i v systémech jiných výrobců. Naopak do procesní stanice je moţné přímo integrovat technologie, které pouţívají tento protokol, například frekvenční měniče, IRC regulátory nebo některé měřicí přístroje. Ty mohou v určitých případech dokonce být připojeny na stejné sběrnici, jako I/O moduly.

33

Modul MCIO obsahuje vstupy i výstupy (8 x AI, 5 x AO, 8 x DI a 8 x DO). [9] AI - analogový vstup AO - analogový výstup DI - digitální vstup (např. signál o chodu čerpadla) DO - digitální výstup (např. povel k otevření ventilu)

6.4 Návrh programové vybavení 6.4.1 Úvodem Pro dodávku programového vybavení jsem zvolil produkty firmy Energocentrum Plus, s.r.o., která se zabývá vývojem dispečerských a řídicích systémů a provozováním, servisem a údrţbou technologických zařízení budov. Programovým produktem této firmy je souhrnný balík programů pro řízení, vizualizaci a vyhodnocování technologických procesů nesoucí jméno RcWare. Jádrem řídícího systému jsou procesní stanice s runtimem RcWare, SoftPLC - řídicí a regulační software, pracující na platformách Windows (XP, XP Embedded, CE…). Systém se prezentuje komfortním grafickým prostředím s funkčními bloky. Prostředí RcWare Vision podporuje jak vizualizaci technologických schémat, tak přehledný tabulkový přístup k procesním hodnotám. Zajišťuje vyhodnocování a směrování alarmů, ukládání historických dat a další moţnosti komunikace s RcWare SoftPLC i s dalšími řídicími a regulačními systémy. Systém je plně otevřený, a proto je moţné na jakékoli úrovni integrovat hardware a software jiných výrobců. Tím je usnadněna centrální správa technologií a modernizace řízení procesů při vyuţití dosavadních investic do hardwarového i softwarového vybavení. [10]

34

6.4.2 Vývojové prostředí SoftPLC Pro tvorbu řídicích algoritmů, tedy programování systému, slouţí program SoftPLC. Aplikace SoftPLC se skládá ze dvou hlavních komponent: runtime aplikační program Runtime je program instalovaný v podstanici. Zpracovává aplikaci, která je do podstanice nahrána. Na COM porty jsou připojeny I/O moduly. Po startu runtime se kontroluje licence, pak se načítají aplikační soubory (dále zvané projekt nebo aplikace), kontroluje se jejich integrita a začnou se vykonávat funkce programu. Pro sdílení dat je v runtimu komunikační vrstva. Přijímá připojení na TCP portu 12345 (tuto hodnotu lze změnit v konfiguraci). K tomuto portu se připojuje např. aplikace OPC server pro integraci do RcWare Vision. Je to proto, ţe spojení TCP pouţívá specifický protokol, je stabilní a nezávislé na platformě. Runtime můţe běţet i jako sluţba systému, takţe např. nezávisí na přihlášení uţivatele. Součástí runtimu jsou i komunikační drivery jak pro I/O moduly Domat Control System, tak pro další standardní protokoly (Advantech, Modbus RTU, Modbus TCP, BACnet, M-Bus, OPC klient) i pro některé cizí regulační systémy. Runtime můţe běţet i bez I/O modulů a komunikovat například jen přes OPC server nebo klient, a tak vyřešit regulační a řídicí úlohy v systémech pro sběr dat s komunikací OPC. Aplikační program je několik souborů, které popisují, jak vypadá aplikace a její hodnoty. V dalších souborech jsou seznamy proměnných, definice alarmů, popis menu LCD atd. Projekt se tvoří v inţenýrském a vývojovém prostředí – IDE (Integrated Development Environment) coţ je nástroj pro tvorbu, parametrování, oţivování a testování aplikací SoftPLC. Projekt je prezentován v blokové logice, která poskytuje komfortní prostředek pro rychlou tvorbu aplikací Editor obsahuje komfortní knihovnu funkcí pro větrání, vytápění a klimatizaci. V knihovnách bloků jsou bloky základní analogové i digitální, matematické funkce včetně goniometrických a logaritmických, PID regulátory, časové programy (binární, vícestavové i analogové), čítače, alarmové bloky a speciální funkce pro pouţití v systémech VVK (rekuperace, rosný bod, ekvitermní křivka, průměrná teplota v čase, čtvrthodinové maximum, střídání čerpadel a kotlů, komfortní čítání energií atd.). 35

Pro uvádění do provozu slouţí funkce testování komunikace, ve schématech jsou vidět aktuální procesní hodnoty a vybrané hodnoty lze zobrazit v grafu, coţ velmi usnadňuje ladění regulačních smyček. V editoru je kontextová nápověda, která podrobně popisuje jednotlivé funkční bloky a jejich chování včetně příkladů. [11]

6.4.3 Vizualizační systém RcWare Vision RcWare Vision je vizualizační systém s bohatými moţnostmi integrace. Původně byl vyvinut pro vytváření monitorovacích systémů, které integrovaly různé technologie pomocí telemetrických sítí, v nichţ komunikovaly různé regulační a řídicí systémy po místních sběrnicích. Systém ve svých současných verzích vyuţívá nejmodernějších softwarových nástrojů a komunikačních standardů, nicméně obsahuje řadu osvědčených “technických standardů”, v řídicích systémech pouţívaných. Tím jednak umoţňuje poskytovat plnou kompatibilitu se stávajícími systémy, jednak nabízí výhody pokročilého síťování subsystémů stanicí pro sběr dat a řídicích stanic. Modularita systému usnadňuje postupné budování dispečinků od nejjednodušší vizualizace naměřených hodnot po distribuované integrované systémy. Zvláštní zřetel je kladen na vysokou spolehlivost, rychlé vytváření aplikací a snadné nastavování i pro méně pokročilé uţivatele. Licenční politika zpřístupňuje systém dokonce i pro nejmenší zařízení o několika desítkách datových bodů, zatímco pro rozsáhlé instalace existuje horní hranice ceny. Po standardní instalaci (méně neţ 20 minut) a prvotním nastavení je ovládání snadné a intuitivní. Pro základní modifikace a tvorbu grafiky postačují základní znalosti práce s počítačem, není nutné být programátorem nebo IT specialistou. Balík RcWare byl vytvářen s důrazem na čitelnost a příjemné ovládání. Přestoţe systém obsahuje řadu komunikačních driverů pro různé – často velmi odlišné – podstanice a regulátory, je moţné monitorovat všechny subsystémy pomocí jediného uţivatelského rozhraní. Aplikace je nativně navrţena pro rozsáhlé dispečerské systémy a obsahuje všechny potřebné kroky pro zpracování získaných dat. RcWare Vision vyuţívá vlastností 32 bitových operačních systémů MS Windows NT/2000/XP/Vista. Doporučením je pouţívat verze Professional (zvláště MS Windows 2000/XP), pokud má aplikace běţet trvale. Co se týče zpětné kompatibility, pro sběr dat 36

a vizualizaci lze pouţít i MS Windows 98, ale pro jejich nestabilitu se nedoporučuje pouţívat je pro aplikace s poţadavkem na trvalý běh. Klientské části stanic, které nekladou zvláštní nároky na hardware, nebo rozhraní pro integraci protokolů mohou dokonce vyuţívat verzi pro DOS. Prostředí aplikace se snadno ovládá a obsahuje všechny nástroje a prostředky pro méně zkušené uţivatele. Zároveň ale po přiřazení administrátorských práv zpřístupní veškeré administrátorské nástroje pro nejpodrobnější konfiguraci systému. [12]

6.4.4 OPC server OPC je technologie pro výměnu procesních dat, vytvořený ve spolupráci mnoha světových výrobců hardwaru i softwaru. OPC standard je zaloţen na technologii OLE/COM/DCOM společnosti Microsoft. Podstanice komunikují nativním SoftPLC protokolem. Aby bylo moţné je připojit k obecnému vizualizačnímu programu, je moţné vyuţít právě OPC server, který představuje rozhraní mezi SoftPLC protokolem a sjednocenou platformou OPC. OPC server je program, který na jedné straně navazuje spojení s jedním nebo více runtimy SoftPLC, na druhé straně dává data z procesu k dispozici na rozhraní OPC.

37

Obrázek č.10:

Funkce OPC serveru

Pro čtení a zápis hodnot existuje řada klientů, tedy programů, které se připojí na OPC server a umoţňují prohlíţení a nastavování hodnot a diagnostiku. Některé z nich jsou freeware, jiné mají v reţimu zdarma omezenou funkčnost. OPC klienta často pouţíváme při nastavování a uvádění do provozu – umoţní zkontrolovat, zda OPC server pracuje správně a poskytuje platná data. Teprve potom má smysl konfigurovat klientskou část vizualizace. [13]

6.5 Dálkový přenos 6.5.1 Úvodem Vzhledem k poţadavku absence pevného (kabelového) spojení přenosu dat budou vyuţity technologie bezdrátového připojení, které nabízí v principu podobné sluţby a flexibilitu jako sítě drátové. Na rozdíl od kabelové sítě má bezdrátové spojení velmi proměnlivou přenosovou rychlost, která je závislá na kvalitě signálu (ovlivněno sílou antény, útlumem kabelu 38

a vysílacím výkonem) a okolním rušením (další bezdrátové sítě v okolí). Je moţné zapojovat do nich servery a jejich klienty, ale také je moţné v nich vytvářet spojení peerto-peer. Z hlediska funkčnosti a výsledku jsou, odhlédneme-li od dosahovaných přenosových rychlostí, ekvivalentní k sítím drátovým, kupříkladu Ethernetu či RS485. Zásadně se samozřejmě liší ve své skutečné podstatě a v tom jak fungují. [14]

6.5.2 WiFi v pásmu 5 GHz Bezdrátové sítě dle normy 802.11a/b/g označované zkratkou WiFi (Wireless Fidenlity) jsou jen dalším logickým stupněm ve vývoji telekomunikací. Fixní spoje budou v budoucnu dostávat čím dále tím méně prostoru a důraz bude kladen především na jednoduchost a mobilitu. [14] Kaţdá bezdrátová síť postavená dle norem 802.11 pouţívá stejné principy (architekturu). V síti se nachází tzv. „access pointy“ (přístupové body) a jejich klienti. Přístupový bod si můţeme představit jako "elektrickou zásuvku" a klienty pak jako "elektrické spotřebiče". Pokud totiţ přistoupíme na toto přirovnání, nemůţeme se při stavbě sítě dopustit omylů, jakými jsou např. snaha spárovat dva klienty (propojit vysavač a ţehličku) nebo propojit dva přístupové body (propojit dvě zásuvky ve stejném bytě). [15] Všeobecné oprávnění VO-R/12/08.2005-34 definuje provoz jak zařízení v pásmu 2,4 GHz (tj. zejména 802.11b - Wi-Fi), tak i definuje nová pásma v pásmu 5 GHz a to zcela v souladu s normami ostatních států EU a s rozhodnutím evropské standardizační komise. Standard IEEE 802.11a vyuţívá WiFi v pásmu 5Ghz. Má větší povolený vyzařovací výkon oproti 802.11b/g, tím ho lze pouţívat na delší vzdálenosti. Specifikací frekvence 5 GHz je délka vlny je cca 6 cm, vlnění není pohlcováno vodou v takové míře jako u 2,4 GHz a charakter šíření je velice podobný charakteru šíření světla. [14] Pásmo 5 GHz se dále dělí do 3 subpásem a kaţdé má trochu jiná regulační pravidla. 5150-5250 MHz (zkráceně 5.1 GHz): pouţití pouze uvnitř budov, maximální hustota vyzářeného výkonu 23 dBi tj. 200 mW EIRP (přesněji 0.25 MHz/25 MHz v kaţdém 25 MHz úseku).

39

5250-5350 MHz (zkráceně 5.2 GHz): stejné jako výše, navíc ale je max. hustota výkonu definována jako (10 mW/MHz v libovolném 1 MHz). Zařízení v tomto pásmu navíc musí být vybaveny automatickou regulací výkonu, která můţe sníţit podle podmínek výstupní výkon zařízení na polovinu (-3 dB). Tato regulace ale nemusí být zapnuta, potom ovšem je maximální vyzářený výkon poloviční vţdy, tj. 100 mW EIRP. Zařízení se také musí umět automaticky naladit na frekvenci, kde není v provozu radar fungující na stejné frekvenci. 5470-5725 MHz (zkráceně 5.4 GHz): pouţití uvnitř i vně budov, maximální vyzářený výkon 1 W EIRP (30 dBi). I zde ale platí podmínka o vybavenosti automatickou regulací výkonu se stejnými pravidly, tj. není-li regulace zapnuta, je max. vyzářený výkon 0.5W (27 dBi) a podmínka o automatickém přelaďování. Pro účely návrhu přenosu dat z nového řídícího systému výměníkové stanice na dispečink bude nejzajímavější pásmo třetí, které je určené pro venkovní sítě a má 10× vyšší maximální povolenou hustotu vyzářeného výkonu, neţ pásmo 2,4 GHz a dokonce 100× vyšší, neţ pásmo 5725-5850 MHz, které bylo aţ doposavad jedinou moţností, jak se vyhnout velmi zarušenému 2,4 GHz pásmu. Nelze ale očekávat 10× větší dosahy - dle fyzikálních pravidel se zvyšuje ztráta signálu ve volném prostoru se čtvercem frekvence. Další velmi podstatnou výhodou je to, ţe je v tomto pásmu 11 kanálů, které se ale na rozdíl od 2,4 GHz nijak nepřekrývají, tj. na jednom místě můţe být aţ 11 navzájem se nerušících sítí, pakliţe započteme dvě různě moţné lineární polarizace antén, pak dokonce 22 téměř se nerušících sítí. Nevýhodou je vyšší cena za produkty pro toto pásmo. Jsou a budou výrazně draţší neţ produkty pro niţší pásmo. 5,4 GHz pásmo se tak stává doménou firemních řešení a propojovacích spojů mezi body poskytovatele a z toho titulu bude vţdy volnější neţ pásmo 2,4 GHz, které zaznamenává v současné době mnoho problémů. [16]

40

7

Realizace řídícího systému

7.1 Realizace ve vývojovém prostředí SoftPLC 7.1.1 Úvodem Cílem činnosti v aplikaci SoftPLC je pro procesní stanici navrhnout, napsat, parametrovat, kompilovat a nahrát aplikační software. Program následně otestovat s I/O moduly včetně výměny dat mezi podstanicemi a pro snadný import do RcWare Vision exportovat seznam datových bodů.

7.1.2 Základní popis funkcí programu SoftPLC

Obrázek č.11:

Okno programu SoftPLC

41

1.

Menu

2.

Nástroje

3.

Pracovní panel - v tomto panelu se otevírají schémata, tabulka s proměnnými (Variables) a konfigurátor hardwaru (HW). Je moţné mít otevřených více záloţek najednou a přepínat mezi nimi kliknutím na název záloţky (schématu). V mém projektu návrhu řídícího systému obsahuje panel nástrojů následující záloţky: TUV - schéma dodávky teplé vody tvořené z proměnných a funkčních bloků, které tyto proměnné čtou, zpracovávají a zapisují výsledky do jiných proměnných. TV_statistika - schéma dodávky tepla pro objekt statistiky tvořené z proměnných a funkčních bloků, které tyto proměnné čtou, zpracovávají a zapisují výsledky do jiných proměnných. TV_byty - schéma dodávky tepla pro bytové jednotky tvořené tvořené z proměnných a funkčních bloků, které tyto proměnné čtou, zpracovávají a zapisují výsledky do jiných proměnných. Havarie - schéma havarijních stavů tvořené z proměnných a funkčních bloků, které tyto proměnné čtou, zpracovávají a zapisují výsledky do jiných proměnných.

4.

Panel projektu - v panelu projektu se vybírají projekty a sítě (solution). Projekt je vlastně aplikace pro jednu procesní stanici nebo regulátor. Solution obsahuje jeden nebo více projektů, které jsou spojeny sítí a mohou sdílet data nebo být připojeny k jedné (nebo několika) pracovní stanici (vizualizaci). Kaţdá síť obsahuje alespoň jeden projekt. Síť musí být definována i v tom případě, ţe máme jedinou autonomní podstanici (tato síť obsahuje tuto jedinou podstanici nebo regulátor). Kaţdý projekt obsahuje tři poloţky: FUPLA - zkratka pro FUnction PLAn. Grafická reprezentace funkce programu, skládající se z proměnných a funkčních bloků, které tyto proměnné čtou, zpracovávají a zapisují výsledky do jiných proměnných. V této poloţce se nacházejí výše uvedená schémata. HW - konfigurace hardwaru procesní stanice a I/O modulů, především sériových linek a síťových kanálů, komunikujících s I/O moduly, jejich adresování, konfigurace, typy a adresy I/O modulů, jejich nastavení a další parametry. Pro moduly s komunikací Modbus a Advantech má konfigurátor funkci autodetekce na sběrnici najde připojené moduly a můţe je automaticky zaloţit ve stromu modulů na sběrnici. Zde se téţ definuje vzájemná komunikace mezi podstanicemi. 42

Variables - seznam všech proměnných, které aplikace SoftPLC obsahuje. Zde se prohlíţejí a nastavují hodnoty proměnných. Pro rychlé vyhledání jsou zde funkce třídění a filtrování. Po výběru dvojklikem se záloţky HW a Variables otevřou v pracovním panelu. 5.

Pracovní plocha - slouţí ke skládání funkčních bloků do jednotlivých schémat. Ţebříčky na levé a pravé straně slouţí ke vkládání proměnných, které jsou následně přiřazeny k funkčním blokům.

6.

Panel funkčních bloků - zde je knihovna všech dostupných funkčních bloků SoftPLC, které lze přetahovat (drag & drop) do schématu (tedy do listu s funkčními bloky, proměnnými a vazbami) a v němţ je definována funkce programu.

Bloky jsou roztříděny do stromu podle jejich funkce. Hlavní skupiny jsou tyto: basic analogue blocks - základní analogové bloky basic digital blocks – základní digitální bloky HVAC blocks – bloky funkcí VVK (větrání, vytápění a klimatizace) 7.

Panel výstupu z compileru – ukazuje v průběhu testování případné chyby v projektu.

43

7.1.3 Zadání vstupních a výstupních hardwarových proměnných V poloţce HW přidáme na sběrnici dva I/O moduly MCIO. Typy proměnných jsou uvedeny v tabulkách vstupů a výstupů. Projekt obsahuje 16 analogových vstupů (AI), 15 digitálních vstupů (DI) a 14 digitálních výstupů (DO). Nastavíme adresu modulu. Vzhledem k většímu počtu proměnných musíme pouţít dva moduly MCIO, které budou definovány adresou. V případě většího počtu modulů je třeba zkontrolovat, aby ţádné dvě adresy nebyly stejné. Dle datového typu zvolíme příslušnou kartu vstupů a výstupů (DI, DO a AI). Zadáme názvy (zkratky) vstupních a výstupních proměnných z tabulky vstupů a výstupů.

Obrázek č.12:

Zadání vstupních a výstupních proměnných

Dle typu zvolené proměnné (DI, DO a AI) se pouţívají se tyto datové typy: Boolean - binární proměnná, nabývá hodnot False nebo True Double - reálná čísla s dvojitou přesností: 64 bit floating point Int64 - 64 bit integer se znaménkem DateTime - pro operace s datem a časem

44

7.1.4 Schémata Projekt můţe obsahovat více schémat. V případě tohoto projektu budou pouţita 4 výše popsaná schémata. Nové schéma se přidá pravým kliknutím na FUPLA a výběrem Add schema. Schémata je moţné přejmenovat, takţe jejich názvy popisují funkci schématu. Kaţdé schéma můţe obsahovat libovolný počet funkčních bloků. Názvy schémat jsou součásti názvů proměnných ve stromu OPC. Aby se dala proměnná přiřadit funkčnímu bloku, tj. například přivést signál z čidla na vstup PID regulátoru, musíme vloţit hardwarovou proměnnou do ţebříčku s proměnnými. pravým tlačítkem klikneme na pozici v ţebříčku a vybereme „Place variable“ vybereme proměnnou ze seznamu dvojitým kliknutím na název proměnné se dialog zavře a proměnná je vloţena do ţebříčku a nyní ji lze propojovat s funkčními bloky Je také moţné definovat i tzv. „softwarové proměnné“. Ty nejsou součástí ţádného funkčního bloku ani nejsou připojeny k hardwaru. Příkladem softwarových proměnných jsou systémové proměnné v našem případě se jedná například o výstup z bloku definující ekvitermní teplotu „T_ekv“, která je pouţita do dalších funkčních bloků a schémat. Softwarové proměnné se pouţívají především pro přenos signálů z jednoho schématu do druhého. Ve zdrojovém schématu se proměnná vloţí do výstupního ţebříčku (napravo), zatímco ve schématu cílovém do ţebříčku vstupního (nalevo). Tak se signál přenáší mezi schématy. Z proměnné můţe být čteno na více místech, zapisovat se do ní však můţe jen na jednom místě – z jednoho funkčního bloku. Příkladem je schéma havarijních stavů, kdy jednotlivé hardwarové proměnné jsou vedeny do speciálního funkčního bloku alarmových stavů a výstupem je softwarová proměnná, která je přivedena do zbylých schémat jako havarijní stav.

45

7.1.5 Funkční bloky Funkční bloky si vyměňují data s aplikací pomocí vstupů, parametrů a výstupů. Dohromady se vstupům, parametrům a výstupům říká svorky. Některé svorky mohou být definovány buď uvnitř (inside) nebo vně (outside) bunkčního bloku

Obrázek č.13:

Přiklad funkčního bloku pro řízení ekvitermní teploty

Nastavení funkčního bloku sestává z definování vstupů (Inputs), parametrů (Parameters) a výstupů (Outputs).

Obrázek č.14:

Nastavení funkčního bloku

Vstupy poskytují funkčním blokům hodnoty, které bloky zpracovávají. Dvoustavové (binární) hodnoty typu bool mohou být na vstupech invertovány zaškrtnutím boxu NOTed. Kaţdý vstup má několik vlastností, které jsou vypsány v tabulce. Name - popis svorky - zkratka, která je v rámci bloku unikátní. Je součástí jména proměnné a nelze ji měnit Outside - při zaškrtnutí se svorka objeví vně bloku a lze ji připojit k jinému bloku nebo proměnné NOTed - při zaškrtnutí je binární hodnota negována. Zvenčí je negace znázorněna malým krouţkem před svorkou.

46

Type - typ proměnné (Boolean, Double64, Integer64, String, DateTime). Není moţné měnit Description - krátký popis funkce svorky v logice bloku Parametry jsou funkčně podobné vstupům. Mají však některé vlastnosti navíc: OPC - při zaškrtnutí se parametr objeví mezi proměnnými vybranými pro OPC a exportuje se do definičního souboru OPC, tedy do seznamu proměnných, které budou integrovány do RcWare Vision nebo jiné vizualizace. Default value - pokud parametr není venku (Outside), zde je jeho hodnota. Je moţné ji kdykoli za běhu programu měnit, buď z vizualizace (pokud je zaškrtnuto OPC), nebo z IDE. Hodnoty se ukládají, takţe po restartu runtime jsou zachovány. Výstupy jsou výsledky výpočtů bloku. Výstupy mají jisté zvláštní vlastnosti: Manual - při zaškrtnutí se na výstupu neobjeví vypočítaná hodnota, ale hodnota ručního přeřízení. Manual value - hodnota posílaná na výstup pokud je výstup v módu „Manual“. V jednotlivých schématech jsem definoval hardwarové (z čidel) a softwarové proměnné do ţebříku vlevo a proměnné pro řízení a povolení chodu vpravo. Jednotlivé proměnné vycházejí z tabulky vstupů a výstupů, která určuje o jaký typ proměnné se jedná a tím se zároveň definuje na jaké straně ţebříku bude umístěna. Definování funkčních bloků, které budou ve schématech pouţity je odvozeno z charakteru poţadavků o proměnných. V projektu postupujeme tak, ţe přetáhneme vybraný funkční blok do schématu a umístíme na vhodnou pozici. Je-li ve schématu více bloků, aktivní blok vybereme kliknutím do jeho obvodu. Aktivní blok je označen zeleným rámečkem. Doporučením je blok přejmenovat pro lepši orientaci v schématu.

47

Následuje připojení bloků k proměnným, takţe proměnné budou funkčními bloky zpracovávány. Příkladem uvádím připojení bloku k řízení ekvitermní teploty. Z panelu funkčních bloků HVAC vybereme blok „Heating Curve“ a metodou drag & drop jej umístíme do schématu a přejmenujeme. Vloţíme proměnnou do levého ţebříku z čidla sledující venkovní teplotu „T_venk“. Definujme nové softwarové proměnné o posunu denní teploty „posun_Tden“ a posun noční teploty „posun_Tnoc“. Tyto proměnné jsou zadávány z panelu LCD a tudíţ nejsou výstupem z ţádného hardware. Proměnné mají v ţebříčku „drátek“. Po najetí kurzoru na drátek se šipka změní v ručku a levým tlačítkem jej připojíme na vstupní svorky bloku. Výstupem je systémová proměnná, která představuje ekvitermní teplotu „T_ekv“ a definujeme ji na pravé straně ţebříku. Obdobným způsobem ji připojíme k výstupu z bloku. Jiným příkladem můţe být proměnná, která řídí fyzický výstup – relé v I/O modulu, např. spíná čerpadlo. Pokud typy spojovaných signálů nesouhlasí (například při pokusu propojit proměnnou Boolean na vstup Double), spoj změní barvu na červenou a k cílové svorce se nepřichytí. Totéţ se stane, pokud do cílové svorky jiţ zapisuje jiná proměnná.

7.1.6 Kompilace Pro provedení kompilace slouţí ikona „Kompilace“ na liště s nástroji. IDE se zeptá, zda má být projekt uloţen. Potvrdíme „Ano“, neboť neuloţený projekt nelze kompilovat. Ve spodní části pracovního panelu se otevře okno kompilátoru „Compiler output panel“ a zobrazí se výsledek kompilace. Jsou-li v programu chyby bránící překladu, vypíší se v panelu překladače a je třeba je opravit. Levým dvojklikem na řádku s chybou se označí příslušný blok, coţ zjednodušuje lokalizaci chyby. Po úspěšné kompilaci můţeme projekt spustit.

48

7.1.7 Spouštění programu Program můţe běţet buď místně, nebo na vzdálené procesní stanici. S dálkovým připojením je moţné: [17] připojit se k podstanici protokolem TCP/IP konfigurovat runtime nahrát do podstanice novou verzi aplikace spustit a zastavit aplikaci monitorovat a měnit proměnné za běhu aplikace nahrát aplikaci a její parametry zpět do IDE jako zálohu

7.1.8 Nastavení OPC serveru pro SoftPLC Počítač, na kterém chceme OPC server provozovat, musí mít nainstalovánu podporu OPC – „OPC Core Components Redistributable“, která je ke staţení z webu technické podpory Microsoft. Nepřítomnost těchto komponent je jedním z hlavních problémů, proč OPC nechce fungovat. Postup nastavení: Spustíme OPC Server Configuration. Otevře se konfigurační program se souborem soft_plc_opc.config. Nejprve nakonfigurujeme spojení k subsystémům (runtimům). Kaţdý runtime, který je k OPC serveru připojen, musí mít definováno spojení v záloţce „Connection“ a nastaveny vlastnosti OPC serveru. Spojení se definuje na záloţkách „Common“ a „Platform“, vlastnosti OPC serveru se nastavují v záloţce „OPC server“. V záloţce „Common“ se nastavují obecné parametry připojení. Connection ID - název připojení, obvykle identifikace podstanice, označení rozvaděče nebo funkce podstanice, v našem případě VS Ševčíkova. Tento řetězec bude zároveň OPC prefixem, který rozlišuje případné proměnné stejných názvů v různých runtimech. Při importu do RcWare Vision je třeba tento název zadat jako Prefix v importním okně (Import pro OPC / SoftPLC). Právě Connection ID rozlišuje jednotlivé runtimy. 49

Data access host - IP adresa nebo název počítače, kde runtime běţí. OPC server totiţ nemusí (a v případě více stanic by to ani nemělo smysl) být na stejném stroji, jako runtime. Tato adresa tedy určuje, kam bude OPC server navazovat spojení pomocí protokolu SoftPLC a spojovat se s runtimem. Data access port - TCP port, na kterém runtime přijímá připojení. Výchozí hodnota je 12345, pokud nebylo v nastavení runtimu definováno jinak. Data access user name - runtimu se klienti (touchscreen, web panel, ale i OPC server) hlásí pod uţivatelským jménem a heslem. Zde se zadává jméno; výchozí hodnota je admin. Data access password - heslo pro přihlášení k runtimu, výchozí hodnota je rw. V záloţce „Platform“ určíme, zda runtime běţí na PC či dotykovém displeji, nebo na platformě MiniPLC, která má zjednodušený systém přihlašování.

7.1.9 Test komunikace OPC server se po instalaci registruje v operačním systému a jeho spuštění je vyvoláno poţadavkem na komunikaci od klienta. Není tedy třeba server explicitně startovat, stačí spustit klienta a server prozkoumat. [18]

50

7.2 Realizace v RcWare Vision 7.2.1 Editor datových bodů Editor datových bodů je základní komponentou pro vytváření a správu seznamu datových bodů, které se pouţívají pro komunikaci. Okno editoru datových bodů se skládá ze dvou částí: 1. stromový náhled 2. tabulka s datovými body

Obrázek č.15:

Okno editoru datových bodů v RcWare Vision

V pravé části okna je u kaţdého datového bodu přehled jeho vlastností (např. datum a čas poslední aktualizace, skutečná hodnota, popis, nastavení pro alarmy a vzorkování historie, vlastnosti komunikace atd.) V levé části je stromová struktura, která usnadňuje přístup k datovým bodům podle technologického celku a umístění. V systému se nejprve definují komunikační kanály (sériové linky, RS232 přes porty Ethernet, OPC, atd.) a datové body. Pro kopírování, vkládání, mazání a přesouvání v systému existuje řada klávesových zkratek, které významně urychlují práci. V datovém bodu lze definovat lineární přepočet měřené hodnoty, alarmové meze, jednotku měření, vzorkování historie a především komunikační parametry. 51

Komunikační drivery jsou vţdy dodávány všechny a v rámci jedné ceny za licenci. Seznam driverů se neustále doplňuje, na přání jsou vyvíjeny další drivery. Poslední doplňky a vylepšení programu jsou obsaţeny v „hotfixech“, které lze zdarma stáhnout z webu RcWare.

7.2.2 Grafická schémata Tím pravým prostředkem pro rychlý a srozumitelný přehled o procesních hodnotách a nastavení jsou grafická schémata. Jejich velikost je volně definovatelná. Schémata mohou obsahovat tyto prvky: text – volně definovatelný text s kompletními vlastnostmi písma ve Windows bitmapa – pevné velikosti nebo roztaţitelná, téţ jako podklad stánky indikátor a nastavovač hodnoty – nejrůznější podoby, volně definovatelné barvy atd. tlačítko – skok na další schéma, trend nebo ekvitermní křivku tvar – základní geometrické tvar čára – spojovací čára s funkcí potrubí animace – symbol, střídající bitmapy podle stavu jednoho nebo více datových bodů časový program – týdenní časový program s neomezeným počtem událostí ekviterma –grafická reprezentace čtyřbodové topné křivky graf – online trend se vzorkováním jedné nebo více hodnot Jako bitmapy lze pouţít formáty *BMP, *JPG, *JPEG, *ICO, *GIF, *EMF a *WMF. Schémata s definicí dynamických obrazovek se ukládají jako soubory s příponou *.SCH – kaţdé schéma je uloţeno v samostatném souboru, coţ zjednodušuje zálohování a aktualizace.

52

7.2.3 Historická data U vybraných datových bodů se periodicky ukládají jejich naměřené hodnoty. Existují dva typy historických dat: dlouhodobá historie: ukládá se natrvalo do textových souborů nebo SQL databáze, pro dlouhodobou analýzu krátkodobá historie: pouze několik dnů zpět, rychlejší vzorkování, pro sledování trendů, ladění regulačních smyček a analýzu zařízení Pro kaţdý datový bod se definuje typ a frekvence vzorkování. Navzorkované hodnoty se zobrazují v grafu a lze je exportovat do souborů .CSV a .XLS. Export můţe také probíhat automaticky v zadaných intervalech. Databáze SQL je pro ostatní programy otevřená, takţe stanice RcWare Vision můţe pracovat jako koncentrátor dat z různých systémů a poskytovat aktuální hodnoty např. přes OPC server a historická data přes databázi SQL a automaticky exportované soubory. Konfigurace grafu můţe být uloţena jako šablona přístupná buď z menu Graf nebo přímo odkazem z grafiky zařízení – technologických schémat.

7.2.4 Alarmy Kaţdý datový bod můţe být definován jako alarmový. U binárních a diskrétních hodnot můţe být kterákoli hodnota definována jako alarmován. U hodnot analogových se nastavuje horní a dolní mez. Kaţdý alarmový bod má nastavitelné zpoţdění – časovou necitlivost. Po této době systém generuje alarmové hlášení, které můţe být dále směrováno na tyto výstupy: alarmový telefonní hovor SMS zprávu vyskakovací okno hlasové hlášení (na zvukovou kartu řídicí stanice) V alarmové tabulce jsou zobrazeny všechny aktivní alarmy i alarmová historie. Alarmy je moţné třídit a filtrovat podle různých kritérií, pro snadnou lokalizaci alarmu v grafice jsou 53

v systému funkce “Najdi v textovém editoru” a “Najdi ve schématech”. Tyto funkce lokalizují a označí odpovídající datový bod v tabulce datových bodů nebo ve schématech. Alarmy jsou vyvolávány událostmi a šíří se po síti do všech stanic, viz topologie systému.

7.2.5 Komunikace, topologie systému RcWare Vision poskytuje aţ 24 komunikačních kanálů – datových spojení pro komunikaci se subsystémy a regulátory. V nastavení programu se definují parametry kanálů jako jsou: komunikační rychlost, parita, číslo portu atd. V řídicí stanici RcWare Vision můţe být definováno více profilů. Kaţdý profil obsahuje vlastní definici komunikačních kanálů, takţe je moţné provozovat projekt RcWare Vision na různých počítačích pouze výběrem profilu, bez nutnosti přenastavování komunikačních kanálů. [19]

7.3 Konfigurace MiniPLC Menu „Platform config“ je základním prostředkem pro konfiguraci regulátoru MiniPLC. Vyvoláme jej pravým klikem na název projektu.

Obrázek č.16:

Základní menu pro konfiguraci regulátoru

Tlačítko „Upload compiled program“ nahraje program do MiniPLC. Pokud program není kompilován, tlačítko je šedé a obsahuje nápis „Program not compiled“. Pak jej lze 54

kompilovat rovnou z okna Platform config tlačítkem „Compile“. Po kaţdém nahrání nových dat je třeba regulátor restartovat. Při vzdáleném přístupu, kdy nemůţeme vypnout a zapnout napájení, je moţné MiniPLC restartovat kliknutím na tlačítko „Reboot“.

7.3.1 Spuštění Soubor runtime SOftPLC.exe je spouštěn po startu MiniPLC a správnou funkci signalizuje dvojím krátkým pípnutím. Pokud není nalezen aplikační program nebo program má chybnou strukturu, program vydá dva krátké a jeden dlouhý tón a na displeji se objeví chybové hlášení. Pokud dojde k chybě při spojení a obdrţíme chybové hlášení, je třeba zkontrolovat tyto věci: Je MiniPLC připojeno k síti? Má MiniPLC správně nastavenou IP adresu a je ve stejné podsíti jako PC s IDE? Je správně nastaveno jméno, heslo a port? Běţí na MiniPLC správně runtime? (Zelená LED vedle bzučáku musí blikat v cyklu zpracovávání programu) Runtime rovněţ komunikuje po TCP portu (výchozí je 12345), na který se připojuje IDE. Tak se nahrává nový program, webové stránky, LCD definice a konfigurace MiniPLC. Pokud je program poškozen tak, ţe runtime přestane reagovat a nebylo by moţné se do regulátoru dostat ani přes IDE, je moţné vyuţít přepínač vedle Ethernetové zásuvky. Kdyţ je v poloze ON, SOftPLC.exe se sice spustí, ale nezačne zpracovávat aplikaci. V tom případě je moţné se z IDE spojit, nahrát nepoškozenou aplikaci, přepínač přepnout zpět do OFF a regulátor restartovat. Spojení s běţícím MiniPLC je moţné a navazuje se, aby bylo moţné online sledovat stavy proměnných, měnit je a vynášet hodnoty v trendech při oţivování zařízení a ladění programu. Od MiniPLC se odpojíme tlačítkem „Disconnect“ na liště nástrojů. Proces můţe trvat několik desítek vteřin, protoţe se veškeré proměnné aktualizují a zapisují do souborů. [20]

55

Závěr Cílem této bakalářské práce bylo navrhnout projekt systém řízení výměníkové stanice prostřednictvím řídících komponent dodaných firmou Domat Control System s.r.o. V teoretickém úvodu jsme se seznámili s firmou Tepelné hospodářství Prachatice s.r.o. a pro lepší orientaci v teplárenství jsme si definovali základní pojmy, jako je centralizované zásobování teplem a vlastní technologii v podobě výměníkové stanice. Byla vysvětlena funkce řídící techniky a komunikačního systému. V závěru úvodní části jsme si přiblíţili funkci regulace a regulační soustavy při pouţití v technologickém procesu. Návrhu projektu jsme zahájili analýzou současného stavu výměníkové stanice. Byl vysvětlen její provoz a současný stav řízení. Výsledkem analýzy bylo doporučení k modernizaci systému řízení. V dalším kroku jsme se seznámili s poţadavky na nový systém řízení, které byly vzneseny ze strany provozovatele výměníkové stanice. Definování poţadavků se v dílčích aspektech zaměřilo na řízení stanice, samotný řídící systém, programové vybavení a dálkový přenos dat. Výsledkem byl seznam poţadavků, který nám jasně definoval směr kterým se máme v projektu ubírat. Na základě definovaných poţadavků jsme si v další kapitole představili vybrané technologie, komponenty a programové vybavení, které se snaţí z velké části těmto poţadavkům přiblíţit. Seznámili jsme se např. s programovatelným regulátorem MiniPLC a programem pro vizualizaci řízení RCWare Vision. Posláním této části projektu bylo definovat veškerý „materiál“, který bude pouţit pro návrh. Zde bych upozornil na skutečnost, ţe tento projekt řeší návrh v obecné rovině, a proto se zde nedefinuje pouţití elektroinstalace, kabelového vedení a dalších podpůrných prvků. Při realizace řídícího systému jsme se seznámili s postupem zadávání datových bodů do vývojového prostředí SoftPLC. Byl vysvětlen postup zadávání funkčních bloků do řídících schémat a jejich kompilace. Definovali jsme si nastavení programovatelného regulátoru, včetně moţných chyb při uvádění do provozu. Přiblíţili jsme si postup návrhu vizualizačního systému prostřednictvím programu RcWare Vision. Výsledkem byl aplikační program, který byl připraven nahrát do regulátoru. Ověření funkčnosti logiky řízení byla odsimulována ve vývojovém prostředí SoftPLC na základě zadáním různých stavů a hodnot vstupních proměnných. Externě byl řídící systém 56

Domat odsimulován s připojenými čidly a testována reakce výstupních signálů a reakce na havarijní stavy. Po důkladné zkušenosti s návrhem systému Domat a konfrontaci s jinými systémy řízení, které se jiţ ve firmě Teplené hospodářství Prachatice s.r.o. nacházejí, mohu výhody shrnout v následujících větách. Ve vývojovém prostředí je schopen se začínající uţivatel po dvou „bezplatných“ školeních obstojně pohybovat a za předpokladu znalostí problematiky chodu výměníkové stanice začít úspěšně programovat její řízení. Vývoj probíhá v blokových schématech a je dostatečně uţivatelsky přívětivý. Samotné programové vybavení je momentálně poskytováno zdarma. Cena za komponenty řídícího systému byla 21 300,-Kč. Tato cena je v porovnání s pořízením jiných systémů řízení aţ několikanásobně niţší neţ konkurence. Značným ekonomickým přínosem je i fakt, ţe systém si navrhuje provozovatel sám a tím šetří za externí vývoj. Jistým negativem je, ţe systém je stále ve vývoji. Nevýhodou je nápověda, která nejenţe nepřesně popisuje činnost funkčních bloků, ale je v anglické verzi. Vzhledem k této absenci si uţivatel musí nejdříve činnost bloků jednotlivě odsimulovat. Výsledkem dlouhodobějšího testování systému byl velice spolehlivý chod řízení a provozu. Na základě této skutečnosti a uvedených výhod jsem se rozhodl systém řízení doporučit provozovateli k nasazení do provozu nejen na uvedenou výměníkovou stanici, ale i o na ostatní technologické celky. Tato práce měla při svém vzniku skryté ambice stát se uceleným manuálem k návrhu systému řízení Domat pro firmu Teplené hospodářství Prachatice s.r.o., a proto věřím, ţe provozovatel ocení její kvality a bude z ní v budoucnu čerpat při dalších návrzích.

57

Seznam pouţité literatury [1]

ZOCH, Vladislav. Koncepce malé soustavy CZT. Energetika : Odborný měsíčník pro elektrárenství, teplárenství a pouţité energie. 2008, roč. 58, č. 12, s.

[2]

VLACH, Josef, et al. Čísla pro energetiky : Centralizované zásobování teplem a tepelné sítě. 1. vyd. Partyzánská 7, Praha 7 : Český svaz zaměstnavatelů v energetice - redakce časopisu ENERGETIKA, 2003. 144 s., 0. ISBN 80-239-18419.

[3]

DUFKA, Jaroslav. Vytápění : pro 3. ročník učebního oboru. Mgr. Helena Černá. 1. vyd. Mostecká 9, 118 00 Praha 1 : Sobotáles, 2001. 344 s. ISBN 80-85920-80-8.

[4]

BROŢ, Karel. Zásobování teplem. 2. vyd. Zikova 4, 166 39 Praha 6 : Vydavatelství ČVUT, 2002. 217 s. ISBN 80-01-02521-7.

[5]

BAŠTA, Jiří. Regulace vytápění. 1. vyd. Zikova 4, 166 36 Praha 6 : Vydavatelství ČVUT, 2002. 99 s. ISBN 80-01-02582-9.

[6]

DOUBRAVA, Jiří, et al. Regulace ve vytápění. 1. vyd. Novotného lávka 5, 116 68 Praha 1 : Společnost pro techniku prostředí - odborná sekce 02 Vytápění, 2007. 184 s. ISBN 978-80-02-01951-0.

[7]

Domat Control System [online]. 2009 [cit. 2009-06-20]. Dostupný z WWW: .

[8]

Domat Control System : Přehledový katalog - Regulátory MiniPLC [online]. Domat Control System, 2009 [cit. 2009-06-22]. Dostupný z WWW: .

[9]

Domat Control System : Přehledový katalog - Kompaktní I/O modul [online]. Domat Control System, 2009 [cit. 2009-06-22]. Dostupný z WWW: .

[10]

RcWare.eu [online]. RcWare 2009 [cit. 2009-06-22]. RcWare. Dostupný z WWW: .

[11]

Domat Control System : Přehledový katalog – Vývojové prostředí SoftPLC [online]. Domat Control System, 2009 [cit. 2009-06-22]. Dostupný z WWW: .

58

[12]

Domat Control System : Přehledový katalog – RC Ware Vision [online]. Domat Control System, 2009 [cit. 2009-06-22]. Dostupný z WWW: .

[13]

RcWare.eu : Manuály [online]. RcWare, 2009 [cit. 2009-06-25]. OPC server. Dostupný z WWW: .

[14]

BezdratovéPřipojení.cz : Teorie Wi-Fi [online]. 2004 [cit. 2009-06-27]. Úvod. Dostupný z WWW: .

[15]

BezdratovéPřipojení.cz : Teorie Wi-Fi [online]. 2004 [cit. 2009-06-27]. Principy zapojování aktivních prvků. Dostupný z WWW: .

[16]

Internet pro všechny : Wi-Fi [online]. 2002 [cit. 2009-06-27]. Dostupný z WWW: .

[17]

RcWare.eu : Manuály [online]. RcWare, 2009 [cit. 2009-06-30]. SoftPLC IDE – Uţivatelská příručka. Dostupný z WWW: .

[18]

RcWare.eu : Manuály [online]. RcWare, 2009 [cit. 2009-06-30]. RcWare SoftPLC OPC server – Návod k nastavení. Dostupný z WWW: .

[19]

RcWare.eu : Manuály [online]. RcWare, 2009 [cit. 2009-06-30]. RcWare Vision – Přehled funkcí. Dostupný z WWW: .

[20]

RcWare.eu : Manuály [online]. RcWare, 2009 [cit. 2009-06-30]. RcWare SoftPLC – Konfigurace MiniPLC. Dostupný z WWW: .

59

Seznam pouţitých obrázků Obrázek č.1: Obecné schéma soustavy CZT .............................................................. 10 Obrázek č.2: Obecné schéma výměníkové stanice .................................................... 11 Obrázek č.3: Rozdělení vrstev řídícího systému ........................................................ 13 Obrázek č.4: Záznam z provozu výměníkové stanice ............................................... 15 Obrázek č.5: Obecné funkční schéma regulátoru ...................................................... 17 Obrázek č.6: Technologické schéma regulačního obvodu ....................................... 18 Obrázek č.7: Obecného schéma výměníkové stanice................................................ 28 Obrázek č.8: Programovatelný regulátor Mini PLC IPLC200 ................................ 31 Obrázek č.9: Kompaktní vstupně – výstupní I/O modul MCIO .............................. 33 Obrázek č.10 Funkce OPC serveru .............................................................................. 38 Obrázek č.11: Okno programu SoftPLC ..................................................................... 41 Obrázek č.12: Zadání vstupních a výstupních proměnných ..................................... 44 Obrázek č.13: Přiklad funkčního bloku pro řízení ekvitermní teploty .................... 46 Obrázek č.14: Nastavení funkčního bloku .................................................................. 46 Obrázek č.15: Okno editoru datových bodů v RcWare Vision ................................ 51 Obrázek č.16: Základní menu pro konfiguraci regulátoru ........................................ 54

Seznam příloh Příloha č.1: Topologie systému ............................................................................. 61 Příloha č.2: Tabulka vstupů a výstupů .................................................................. 62 Příloha č.3: Schéma řízení havarijních stavů ........................................................ 63 Příloha č.4: Schéma řízení dodávky tepla pro Český statistický úřad .................. 64 Příloha č.5: Schéma řízení dodávky tepla pro bytové objekty .............................. 65 Příloha č.6: Schéma řízení dodávky teplé vody .................................................... 66 Příloha č.7: Vizualizační obrazovka řízení dodávky teplé vody ........................... 67 Příloha č.8: Vizualizační obrazovka řízení dodávky tepla .................................... 68

60

Příloha č.1:

61

Topologie systému

Příloha č.2: Místo umístění

Jednotka/Stav

Dat. typ

Pozice

1

rozdělovač HV

P_pri_vs

tlak prim. přívod

kPa

AI

1-1

2

sběrač HV

P_pri_zp

tlak prim. zpátečka

kPa

AI

1-2

3

potrubí expanze

P_sek

tlak sek. TV

kPa

AI

1-3

4

rozdělovač HV

T_pri_vs

teplota prim. přívod

oC

AI

1-4

5

sběrač HV

T_pri_zp

teplota prim. zpátečka

oC

AI

1-5

6

rozdělovač TV

T_sek_vs

teplota TV přívod

oC

AI

1-6

7

PPO1

T_PPO1

teplota PPO1

oC

AI

1-7

8

PPO2

T_PPO2

teplota PPO2

oC

AI

1-8

9

č.

Zkratka

Popis sledované hodnoty

Tabulka vstupů a výstupů

PPO3

T_PPO3

teplota PPO3

oC

AI

2-1

10 venku

T_venk

venkovní teplota

oC

AI

2-2

11 rozdělovač teplé vody

T_tuv

teplota teplé vody

oC

AI

2-3

12 ventil RV1

RV1_pol

poloha ventilu RV1

%

AI

2-4

13 ventil RV2

RV2_pol

poloha ventilu RV2

%

AI

2-5

14 ventil RV3

RV4_pol

poloha ventilu RV3

%

AI

2-6

15 ventil RV4

RV3_pol

poloha ventilu RV4

%

AI

2-7

16 ventil RV5

RV5_pol

poloha ventilu RV5

%

AI

2-8

17 PPO1

T_hav_PPO1

teplota přehřátí termostat PPO1

0/1 = OK/přehřátí

DI

1-1

18 PPO2

T_hav_PPO2

teplota přehřátí termostat PPO2

0/1 = OK/přehřátí

DI

1-2

19 PPO3

T_hav_PPO3

teplota přehřátí termostat PPO3

0/1 = OK/přehřátí

DI

1-3

20 uvnitř VS

VS_hav_zapl

havárie zaplavení

0/1 = OK/havárie

DI

1-4

21 uvnitř VS

VS_hav_faze

havárie fáze

0/1 = OK/havárie

DI

1-5

22 uvnitř VS

VS_hav_T

havárie teplota ve VS

0/1 = OK/havárie

DI

1-6

23 rozdělovač teplé vody

TUV_hav_T

přehřátí teplé vody

0/1 = OK/přehřátí

DI

1-7

24 rozvodna

deb_hav

deblokace poruchy

0/1 = nic/deblokace

DI

2-6

25 rozvodna

stop_hav

centrál stop

0/1 = nic/¨stop

DI

2-7

26 čerpadlo CP1

CP1_go

povel pro čerpadlo CP1 - byty

0/1 = stop/go

DO

2-3

27 čerpadlo CP2

CP2_go

povel pro čerpadlo CP2 - statistika

0/1 = stop/go

DO

2-4

28 čerpadlo CP3

CP3_go

povel pro čerpadlo CP3 - TUV

0/1 = stop/go

DO

2-5

29 havarijní ventil na vstupu

HU_zav

havarijní ventil zavřen HU

0/1 = nic/zavírá

DO

2-6

30 čerpadlo CP1

CP1_chod

signalizace chodu čerpadla CP1

0/1 = stojí/běţí

DI

1-8

31 čerpadlo CP2

CP2_chod

signalizace chodu čerpadla CP2

0/1 = stojí/běţí

DI

2-1

32 čerpadlo CP3

CP3_chod

signalizace chodu čerpadla CP3

0/1 = stojí/běţí

DI

2-2

33 čerpadlo CP1

CP1_hav

porucha čerpadla CP1

0/1 = OK/porucha

DI

2-3

34 čerpadlo CP2

CP2_hav

porucha čerpadla CP2

0/1 = OK/porucha

DI

2-4

35 čerpadlo CP3

CP3_hav

porucha čerpadla CP3

0/1 = OK/porucha

DI

2-5

36 ventil RV1

RV1_otv

ovládání ventilu - otevítat RV1

0/1 = nic/otevírá

DO

1-1

37 ventil RV2

RV2_otv

ovládání ventilu - otevítat RV2

0/1 = nic/otevírá

DO

1-2

38 ventil RV3

RV3_otv

ovládání ventilu - otevítat RV3

0/1 = nic/otevírá

DO

1-3

39 ventil RV4

RV4_otv

ovládání ventilu - otevítat RV4

0/1 = nic/otevírá

DO

1-4

40 ventil RV5

RV5_otv

ovládání ventilu - otevítat RV5

0/1 = nic/otevírá

DO

1-5

41 ventil RV1

RV1_zav

ovládání ventilu - zavírat RV1

0/1 = nic/zavírá

DO

1-6

42 ventil RV2

RV2_zav

ovládání ventilu - zavírat RV2

0/1 = nic/zavírá

DO

1-7

43 ventil RV3

RV3_zav

ovládání ventilu - zavírat RV3

0/1 = nic/zavírá

DO

1-8

44 ventil RV4 45 ventil RV5

RV4_zav RV5_zav

ovládání ventilu - zavírat RV4 ovládání ventilu - zavírat RV5

0/1 = nic/zavírá 0/1 = nic/zavírá

DO DO

2-1 2-2

62

Příloha č.3:

63

Schéma řízení havarijních stavů

Příloha č.4:

Schéma řízení dodávky tepla pro Český statistický úřad

64

Příloha č.5:

65

Schéma řízení dodávky tepla pro bytové objekty

Příloha č.6:

66

Schéma řízení dodávky teplé vody

Příloha č.7:

Vizualizační obrazovka řízení dodávky teplé vody

67

Příloha č.8:

68

Vizualizační obrazovka řízení dodávky tepla