Diplomová práce
1 Úvod
Regulace tepelného zdroje, kombinace plynových a biomasových kotlů
Vypracoval : Vedoucí práce : Obor : Specializace : 2006
Vítězslav Máša Doc. Ing. Ivan Švarc, CSc. Inženýrská informatika a automatizace Automatizace
Anotace Diplomová práce pojednává o dvou úlohách souvisejících s konečnou fází realizace řídícího systému tepelného zdroje. První z nich je spolupráce většího množství kotlů v rámci jedné technologie. Práce se nezabývá pouze teoretickým návrhem kaskádního řízení kotlů, ale také jeho praktickým řešením a aplikací v konkrétní kotelně. Určitým specifikem je přitom kombinovaná výroba tepla, kterou v kotelně vedle plynových kotlů zajišťují i kotle na spalování biomasy. Druhou úlohou je vizualizace technologického procesu. Vedle obecného pojednání o SCADA/HMI systémech práce opět předkládá i praktickou ukázku vizualizace vytvořené pro danou technologii – výrobu topné vody. Zpracování vizualizace je komplexní úloha obnášející návrh podoby jednotlivých obrazovek, vytvoření grafiky, dynamizaci zobrazených objektů a zavedení výsledného produktu na centrální dispečerské pracoviště. Řešení obou úloh předpokládá dobrou znalost příslušné technologie. Proto je součástí diplomové práce také seznámení se strojně-technologickým vybavením řízené kotelny.
Annotation The diploma work deals with two tasks connected with the final part of realization of the heat source control system. The first apply to the collaboration of bigger amount of boilers within the framework of single technology. The diploma work deals not only with the theoretical design of boiler cascade control, but also with the practical solution and application in the particular boiler plant. Its specific feature lies in combined heat production where biomass combustion boilers are used alongside with the gas boilers. The second task is the visualization of technological process. Apart from the general reflection on SCAD/HMI systems, the diploma work again presents the practical demonstration of visualization created for the given technology - heat water production. Visualization processing is a complex task including the design of individual screens, creation of graphics, dynamization of displayed objects and introduction of the resulting product to the central control center. Solution of both tasks requires good knowledge of the respective technology. Therefore, the familiarization with the machinery and technological equipment of the controlled boiler plant is a part of the diploma work.
Poděkování Na tomto místě bych chtěl poděkovat svému vedoucímu Doc. Ing. Ivanu Švarcovi, CSc. za cenné rady a připomínky, které mi byly při zpracování diplomové práce velkou oporou. Dále bych chtěl poděkovat firmě Johnson Controls Int. a především Ing. M. Dvořákovi a Ing. J. Martinovičovi za odborné konzultace a ochotu při řešení problémů spojených s činnostmi na projektu.
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, atd.) uvedené v přiloženém seznamu. Některé názvy uvedené v této práci mohou být registrovanými značkami. Nemám vážný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona č. 121/2000 Sb. o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).
V Brně dne 17. května 2006
………………………………… Vítězslav Máša
Obsah: Zadání diplomové práce .................................................................................................................. 3 Anotace.............................................................................................................................................. 5 Poděkování........................................................................................................................................ 6 Prohlášení.......................................................................................................................................... 6 Seznam použitých zkratek a označení............................................................................................ 9 1
Úvod .......................................................................................................................................... 11
2
Kotelna, současný stav............................................................................................................. 13 2.1 Strojně-technologická část ............................................................................................... 14 2.2 Měření a regulace............................................................................................................. 17 2.1.1 Systém Metasys .................................................................................................. 17 2.1.2 Regulátor DX-9120............................................................................................. 19 2.1.3 Okruhy MaR ....................................................................................................... 20 2.3 Řízení chodu kotlových jednotek..................................................................................... 22 2.3.1 Plynové kotle ...................................................................................................... 22 2.3.2 Kotle na spalování biomasy ................................................................................ 22 2.4 Řízení vyrovnávacího a doplňovacího zařízení ............................................................... 23
3
Součinnost kotlů....................................................................................................................... 25 3.1 Základní pojmy ................................................................................................................ 25 3.2 Výchozí požadavky.......................................................................................................... 27 3.3 Návrh regulace................................................................................................................. 29 3.3.1 Popis spolupráce kotlových jednotek.................................................................. 29 3.3.2 Stanovení počtu kotlů kaskády ........................................................................... 29 3.4 Možnosti regulátoru......................................................................................................... 30 3.5 Výsledné řešení................................................................................................................ 34 3.5.1 Koncepce ............................................................................................................ 34 3.5.2 Program............................................................................................................... 35 3.6 Vyhodnocení.................................................................................................................... 37
4
Dělící obvod .............................................................................................................................. 39 4.1 Měření průtoku ................................................................................................................ 39 4.1.1 Měřič tepla, průtokoměr ..................................................................................... 39 4.1.2 Rychlost signálu, zpracování .............................................................................. 41 4.2 Způsoby ošetření signálu ................................................................................................. 41 4.2.1 Výchozí návrh..................................................................................................... 41 4.2.2 Varianta se Schmittovým invertorem ................................................................. 43 4.2.3 Zhodnocení ......................................................................................................... 44
5
Vizualizace dat ......................................................................................................................... 45 5.1 Vizualizace a její místo v řízení....................................................................................... 45 5.2 Systémy SCADA/HMI .................................................................................................... 47 5.3 Pracovní stanice M5......................................................................................................... 49 5.3.1 Síťový prohlížeč.................................................................................................. 49 5.3.2 Grafika ................................................................................................................ 50 5.3.3 Trendy................................................................................................................. 55 5.3.4 Alarmy ................................................................................................................ 56 5.3.5 Ostatní komponenty pracovní stanice................................................................. 56
Obsah 5.4
5.5
Vizualizace kotelny.......................................................................................................... 56 5.4.1 Rozvržení obrazovky .......................................................................................... 57 5.4.2 Technologie kotelny............................................................................................ 58 5.4.3 Signalizace stavů................................................................................................. 58 5.4.4 Zobrazení veličin ................................................................................................ 60 5.4.5 Ovládací funkce .................................................................................................. 61 Vizualizace na Internetu................................................................................................... 61 5.5.1 Bezpečnostní rizika............................................................................................. 62 5.5.2 Vzdálená plocha.................................................................................................. 62
6
Zhodnocení výsledků práce..................................................................................................... 65
7
Závěr ......................................................................................................................................... 67
Použitá literatura............................................................................................................................ 68 Příloha A – Diagram ročního trvání potřeby tepla, Teyschlova ................................................ 71 Příloha B – Program, zdrojový kód.............................................................................................. 73
Seznam použitých zkratek a označení
AI Analog Input – analogový vstup AO Analog Output – analogový výstup BAP Bezpečnostní armatura – uzávěr tlaku plynu BASIC Beginner’s All-Purpose Symbolic Instruction Code – programovací jazyk CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor – typ obvodu DDC Direct Digital Control – přímé číslicové řízení DN Dimenze, průměr DI Digital Input – dvouhodnotový vstup DO Digital Output – dvouhodnotový výstup DŘZ Dispečink řízení zdrojů ERP Enterprise Resource Planing– úroveň rozhodování v systému SCADA GPL Graphics Programming Language – programovací jazyk GSM Globální Systém pro Mobilní komunikaci HMI Human-Machine Interface – operátorské rozhraní IaŘS Informačních a řídicí systém IP adresa Adresa pro identifikaci počítače v síti Internet JE Jaderná elektrárna JCI Johnson Controls Int. LAN Local Area Network – lokální síť LCD Liquid Crystal Display – druh displeje 9
Seznam použitých zkratek a označení MES Manufacturing Execution Systém – úroveň rozhodování v systému SCADA MRP Manufacturing Resource Planning – úroveň rozhodování v systému SCADA NCU Network Control Unit – síťová řídící jednotka OLE Object Linking and Embedding – technologie umožňující zabudovat cizí objekty do vlastní aplikace OPC OLE for Process Control OWS Operator Workstation – operátorská pracovní stanice PDA Personal Digital Asistent – kapesní počítač PID regulátor Proporcionálně integračně derivační regulátor PLC Programmable Logic Controller – programovatelný logický kontrolér SQL Structured Query Language – strukturovaný dotazovací jazyk SMS Short Message Service – služba pro přenos krátkých textových zpráv SCADA Supervisory Control and Data Acquisition – systém pro sběr dat a dohled nad řízeným objektem TCP Transmission Control Protocol – základní protokol sítě Internet TTL Tranzistor Tranzistor Logic – typ obvodu TUV Teplá užitková voda TV Topná voda VDZ Vyrovnávací a doplňovací zařízení VZT Vzduchotechnika WAN Wide Area Network – rozsáhlá datová komunikační síť
10
1
Úvod
Předmětem diplomové práce je konkrétní projekt - kotelna, ležící na ulici Teyschlova v Brně. Tato kotelna má jedno významné specifikum. K přípravě topné vody je zde použito kotlů na spalovaní biomasy. Biomasou se rozumí hmota organického původu, tedy veškerý materiál, který vznikl (vyrostl) v živé přírodě. Hovoříme-li o biomase v souvislosti s energetikou, máme na mysli nejčastěji dřevo a dřevní odpad, slámu, zemědělské zbytky, exkrementy užitkových zvířat, odpady z výroby potravin, nepotravinářské obilí (tritikale), dále pak kukuřici či speciálně šlechtěné rostliny k produkci biomasy (miskantus). Bio-kotle na ulici Teyschlova jsou určeny ke spalování dřevní štěpky. Jde o drcený dřevní odpad z lesní těžby, dřevoprůmyslu a prořezávky. Biomasa jako palivo má následující výhody [2]: -
nižší cena ve srovnání s ušlechtilými palivy
-
palivo z domácích zdrojů
-
obnovitelný energetický zdroj
-
nižší emise CO2, SO2 a NOx ve srovnání s jinými palivy
-
likvidace jinak nevyužitelných odpadů (např. kůra, kořeny,..)
Nižší cena paliva je hlavním důvodem, proč se s využitím biomasy v poslední době setkáváme čím dál častěji. Finanční efektivita jejího spalování je zřejmá z grafu 2.1, kde jsou pro ilustraci náklady na vytápění průměrného rodinného domu (stav na začátku r.2006). Porovnání bylo provedeno s využitím [3]. Připomeňme, že v sídlištních kotelnách je nejčastějším palivem zemní plyn. V oblasti využívání biomasy k výrobě tepla došlo během několika posledních let k velkému technologickému pokroku, ať už jde o snižování emisí nebo zvyšování účinnosti zdrojů. Standardem je také plně automatizovaný chod kotlů na biomasu. Jako vše má ovšem i využívání tepelných zdrojů na biomasu svá mínus. Vzhledem k vyšším investičním nákladům by byly menší jednotky stěží ekonomické bez vládních podpor. Dalším aspektem je pak velmi proměnlivá cena paliva, v závislosti na jeho přepravní vzdálenosti. Pro bližší informace o biomase a jejím využití doporučuji článek [4]. Kotelna na ulici Teyschlova je v současnosti jedinou výtopnou na území města Brna, kde jsou k výrobě tepla využity vedle kotlů plynových i kotle na spalování biomasy. Diplomová práce se zabývá řešením dílčích úkolů, které jsou spojeny s realizací řídícího systému této kotelny. Konkrétně jde o návrh součinnosti většího počtu zdrojů a zpracování vizualizace celé technologie pro centrální dispečink a její následné zpřístupnění na internetu. Obecně jde tedy o úkoly, které bývají řešeny v pozdějších fázích projektu. Úvodní část práce se věnuje kotelně Teyschlova jako takové. Je zde popsána v širších souvislostech - její význam a funkce v rámci centrálního zásobování teplem, její poloha apod. Podrobnějším způsobem se také seznámíme se současným technologicko-strojním vybavením kotelny a s její regulací. Dále je práce rozdělena do tří oddílů, v nichž se zabývám řešením konkrétních úkolů. První z nich je věnován problematice spolupráce většího počtu tepelných zdrojů v rámci jedné technologie. Předkládám zde svůj návrh kaskádního řízení kotlů. Následující oddíl se týká úpravy signálu ze stávajících průtokoměrů tak, aby ho bylo možné vyhodnotit použitým regulátorem. Tento oddíl byl do práce včleněn, aniž by byl součástí zadání. Týká se totiž problému, který se objevil až v průběhu jejího zpracování. Po dohodě se svým vedoucím jsem se ho však rozhodl do práce zařadit, a to ze dvou důvodů. Za prvé je pro regulaci výkonu kotle okamžitý průtok, společně s teplotou výstupní vody, nepostradatelnou vstupní
11
Úvod veličinou a vyřešení tohoto úkolu, tedy získání aktuální informace o průtoku, bylo pro další činnost nezbytné. Dalším důvodem, který mě vedl k zařazení tohoto oddílu, byla překvapivá náročnost a zajímavost řešení. V tomto oddíle se zabývám návrhem a sestavením obvodu, který snižuje hodnotu frekvence impulsního signálu na přijatelnou úroveň.
Graf 2.1 Roční náklady na vytápění středně velkého rodinného domu (70 GJ) V poslední části se věnuji vizualizaci, která umožňuje obsluze PC centrály přehledné a efektivní ovládání provozu kotelny. Dynamickou grafiku, kterou jsem pro tuto kotelnu navrhl a zrealizoval, zde představím jak z hlediska její tvorby, tak z pohledu jejího využití. Seznámíme se tedy se softwarovým vybavením, nutným k jejímu zpracování, s obsluhou PC centrály a krátce taky se zpřístupněním grafického rozhraní na internetu. Veškeré činnosti popisované v této práci, jsem realizoval ve spolupráci se svým vedoucím a zaměstnanci firmy Johnson Controls Int. (dále JCI), která byla zpracováním projektu pověřena, a následně jsem vše aplikoval v provozu.
12
2
Kotelna, současný stav
Akciová společnost Tepelné zásobování Brno je v současné době je největším dodavatelem tepla a teplé užitkové vody pro obyvatele města Brna. Zásobuje teplem více než 8% všech domů a 54% všech bytů, které se nacházejí v regionu města Brna [5]. Od roku 1996 zavádí společnost pro řízení tepelných zdrojů nový systém Metasys firmy JCI. Jednotlivé tepelné zdroje jsou postupně vybavovány potřebnou automatikou a regulací s možností přenosu dat radiovým a mikrovlnným vysíláním do centrálního dispečerského pracoviště, kde mají dispečeři možnost jednak monitorovat a dále i ovládat funkci jednotlivých technologických zařízení tepelných zdrojů, čímž se podstatně zefektivňuje jejich provoz. Kotelna na ulici Teyschlova je dalším zdrojem společnosti TEZA Brno, který má být systémem Metasys monitorován a řízen. Kotelna na ulici Teyschlova je součástí tepelné soustavy Bystrc IIa (výřez na obr. 2.1), která byla donedávna tvořena pěti plynovými kotelnami. Celá soustava prošla během posledních tří let dynamickými změnami. V období před rokem 1989 se totiž počítalo s rozsáhlou výstavbou ve čtvrti Bystrc a s přívodem tepla z JE Dukovany. Zdroj na ulici Teyschlova měl tedy fungovat jako výměníková stanice s pomocnou horkovodní kotelnou pro krytí zvýšené spotřeby v zimním období. Výstavba ovšem nepokračovala, přívod z Dukovan se nerealizoval a provoz takto uspořádané kotelny byl jak nehospodárný, tak problematický z hlediska dosažení požadovaných výkonů. Během r. 2003 proto začala rozsáhlá úprava tepelné soustavy Bystrc IIa, a tedy i kotelny na ulici Teyschlova.
Obr. 2.1 Rozmístění kotelen tepelné soustavy Bystrc IIa
V rámci této úpravy došlo k propojení kotelny na ulici Teyschlova se sítěmi dalších 4 okrskových kotelen a vznikla tak soustava s jedním základním zdrojem - výtopnou Teyschlova. Ostatní nízkoemitující plynové kotelny pak mohly být odstaveny a jejich komíny byly zrušeny.
13
Kotelna, současný stav Vedle příznivého dopadu na zlepšení funkce celé soustavy umožnila rekonstrukce také optimální návrh kombinace tepelných zdrojů. Původní kotle, jimiž byla výtopna na Teyschlové osazena, byly nahrazeny čtyřmi novými plynovými kotli a dvěma kotli na spalování dřevní štěpky. Vodní soustava je po rekonstrukci teplovodní. Bio-kotle na ulici Teyschlova byly instalovány na základě spolupráce dvou městských společností – zmiňované TEZA, a.s., a Lesů města Brna, spol. s r.o. Pro využití těchto kotlů byla vedle výhod zmíněných v úvodu podstatná i velmi dobrá dostupnost kotelny pro těžkou dopravní techniku a poloha v blízkosti lesa. Není bez zajímavosti, že cca 90% z ekonomicky vytěžitelného a zpracovatelného množství dřevní hmoty z porostů Lesů města Brna je využíváno právě jako palivo pro kotelnu Teyschlova [citace z [6], str. 89]. V současné době zásobuje kotelna teplem asi 2600 bytových jednotek. Počítá se však s tím, že v budoucnu pokryje i spotřebu tepla v oblasti Bystrc – Kamechy, kde má v následujících letech probíhat nová výstavba. Současný instalovaný výkon je ve špičkách využit jen asi z 30% a pro lokalitu Kamechy je tedy k dispozici dostatečná rezerva. Nyní se pojďme seznámit s technologií kotelny a se stavem měření a regulace v době před zpracováním této práce.
2.1
Strojně-technologická část Kotelna je tvořena dvěma celky: •
Kotelna I - obsahuje čtyři plynové kotlové jednotky ve skladbě: −
2 ks nízkoteplotních kotlů DYNATHERM FH-N (obr. 2.2) o výkonu 4 650 kW
−
2 ks kotlů DYNATHERM FH-NRK (obr. 2.2) o výkonu 4 650 kW vybavených kondenzačním výměníkem Recitherm (obr. 2.3).
Zařízení Recitherm slouží k dodatečnému využití výhřevnosti nízkoteplotních kotlů. Zvyšuje účinnost kotle vychlazováním spalin až pod teplotu kondenzace vodních par, přičemž zhodnocuje skupenské teplo kondenzační. Součástí výměníku je také neutralizace kondenzátu. U těchto kotlů, které vyrábí německá firma Fröhling, jsou instalovány hořáky s nízkou produkcí emisí NOx. Jedná se o monoblokové přetlakové modulující plynové hořáky APH-90M PZ Low-Nox s automatikou MA-2P společnosti PBS Třebíč. Kotelna I je vybavena standardním zabezpečovacím zařízením a poruchovou a havarijní signalizací. Celkový instalovaný výkon Kotelny I je 18,6 MW. •
Kotelna II – obsahuje dva kotle na spalování biomasy: −
Teplovodní kotel VESKO B o výkonu 1500kW (obr. 2.4)
−
Teplovodní kotel MULTIVALENT o výkonu 1100kW (obr. 2.4)
Tyto kotle byly vyrobeny a instalovány třebíčskou společností TTS eko, s.r.o. Instalovaný výkon Kotelny II je 2,6 MW a výkon celé výtopny pak 21,2 MW.
14
Kotelna, současný stav
Obr. 2.2
Obr. 2.3
Kotel Dynatherm FH s hořákem APH
Výměník tepla spalin Recitherm®
Obr. 2.4 Hlavní části biomasových kotlů VESKO a MULTIVALENT
15
Kotelna, současný stav Vedle těchto dvou celků je v budově umístěna ještě strojovna, rozvodna a prostor palivového hospodářství sestávající ze skladu paliva, garáže akuvozíku a štěpkového dopravníku. V budově je také umístěna kancelář techniků společnosti TEZA, kteří zabezpečují provoz tepelných zařízení v městské části Brno-Bystrc. Kotelna dodává teplo do sítě dvěmi topnými větvemi. Větev TV1 zásobuje teplem ulici Teyschlova. Topná větev TV2 dodává teplo do sítě původních kotelen, tedy ulicím Foltýnova, Rerychova a Kuršova. Obě větve jsou vybaveny měřiči tepla Multical dánské firmy Kamstrup. K udržování statického tlaku systému a doplňování obsahu sítě slouží vyrovnávací a doplňovací zařízení VDZ REKSTAN. Důležitou částí kotelny je zařízení zabezpečující potřebnou výměnu vzduchu, které je realizováno šesti jednotkami SAHARA vybavenými teplovodními ohřívači přívodního vzduchu. Zabezpečení přívodu potřebného množství vzduchu je nutnou podmínkou chodu kotlů. Přívod spalovacího vzduchu a větrání prostoru kotelny je zajištěno sdruženým větráním. Přívod vzduchu pro větrání umožňují větrací mřížky o celkové ploše cca 0,9m2, odvod vzduchu probíhá stávajícími neuzavíratelnými otvory ve střeše. Ty jsou opatřeny tlumiči hluku. Přirozené větrání zajistí v kotelně poloviční potřebu výměny vzduchu za všech provozních stavů. Pro větrání kotelny slouží vzduchotechnické zařízení (VZT) sestávající ze 6 ks nástěnných větracích a vytápěcích jednotek SAHARA typ W 6201.02. Řízení jednotek SAHARA nemá přímou vazbu s tématem této práce, proto dále nebude řešeno.
Obr. 2.5 Dispozice kotelny
16
Kotelna, současný stav 2.2
Měření a regulace
Pro modernizaci automatizace kotelny byl vybrán řídící systém Metasys firmy JCI. Pro řízení regulované soustavy byl použit systém DDC 9120 včetně rozšiřujících V/V modulů XT, XP a periferních zařízení (čidel, servopohonů, ventilů) od téže firmy. V současnosti je v kotelně instalováno pět regulátorů DX-9120 umístěných ve třech rozvaděčích. Komunikace mezi regulátory probíhá prostřednictvím sběrnice LonWorks, která je upravena pro potřeby firmy JCI. Pomocí rádiových modemů a antén je zajištěn obousměrný přenos signálů a dat mezi regulátory a řídící centrálou na dispečinku DŘZ (dispečink řízení zdrojů). Díky řídícímu systému Metasys je tedy možný provoz kotelny v automatickém režimu bez trvalé obsluhy. Velmi pěkné a přehledné seznámení se systémem Metasys je součástí disertační práce [7], kde autor čerpá z originální, anglicky psané dokumentace. Proto jsem v následující podkapitole některé pasáže z této práce využil a doplnil jsem je o nové informace ze současné firemní dokumentace přístupné na stránkách firmy JCI [8].
2.1.1 Systém Metasys Řídící systém Metasys umožňuje v jedné síti spojit hospodaření s energií, přímé digitální řízení, správu přístupu do budovy, protipožární ochranu a řízení osvětlení. S produkty Metasys lze ovládat všechny systémy budovy - vytápění, klimatizaci a větrání, toky a spotřebu energie, záložní energetické zdroje a technologie provozu budovy - to vše jediným řídícím systémem. Metasys je síťová rodina hardwarových a softwarových modulů, které tvoří integrovaný systém regulátorů, čidel, pohonů a operátorských zařízení pro správu vytápění, větrání, chlazení a využívání energie, k zajištění bezpečnosti a hlášení požárů a pro řízení přístupu v budově nebo komplexu budov. Metasys je navržen tak, aby bylo dosaženo úplné integrace systémů, zatímco databáze, inteligence a procesní úlohy jsou distribuovány mezi síťové regulátory. Distribuovaná inteligence dovoluje více uživatelům přistupovat ke všem bodům systému v reálném čase. Narozdíl od systémů, které spoléhají na centrální počítač, zabezpečuje Metasys vyšší odolnost proti chybám. Komponenty systému Architektura sítě Metasys (obr. 2.6) obsahuje následující komponenty: Síťové řídící jednotky (NCU nebo též NCM) - tvořené programovatelnými výpočetními moduly v průmyslovém provedení pro řízení komunikací a procesů. NCU koordinuje a dohlíží na řídící činnosti všech bodů a řídících smyček NCU a aplikačních regulátorů, připojených přes lokální sběrnici. NCU má neomezený přístup ke všem informacím, které jsou přístupné každé jiné NCU a podporuje Dynamic Data Access. Operátor má proto stejný přístup ke všem NCU a ke všem informacím v systému. NCU zajišťuje funkci rozhraní síťového operátora, organizuje informace do hlášení operátorům a odpovídá na jejich příkazy a změny programů. Každá NCU disponuje až 10Mbyte operační paměti. Ve výtopně na ulici Teyschlova je umístěna jedna řídící jednotka NCU s integrovanou kartou LonWorks. Síťové rozšiřující jednotky (NEU) jsou vytvořeny ze stejných komponent jako NCU a zabezbečují pro NCU další kapacitu pro zpracování informací a přídavné vstupy/výstupy. Regulátory specifické pro aplikaci (ASC) jsou navrženy pro řízení specifických položek zařízení budovy, jako jsou například terminálové jednotky, blokové VZT jednotky a chladící kompresory. ASC jsou samostatná zařízení a autonomě také zpracovávají příkazy a požadavky z NCU. Existuje několik modelů ASC, přičemž každý je nakonfigurován pro specifickou aplikaci (například pro stanice DX-9120).
17
Kotelna, současný stav Operátorské pracovní stanice (OWS) slouží k monitorování stavu systému, programování nebo vyhledávání, archivaci a analýzu dat a výpisy na tiskárnách. OWS je osobní počítač třídy PC. OWS používá operátorské rozhraní vysoké úrovně určené pro operační systém Microsoft Windows. Operátorská pracovní stanice generuje a zavádí všechny síťové databáze a kromě toho ukládá dlouhodobě data historie bodů, trendů, operátorských transakcí a systémových událostí. Lon a N2-Bus jsou dvě sítě spojující všechny tyto komponenty dohromady. Architektura softwaru systému Metasys je víceúlohové, víceuživatelské distribuované prostředí, které zabezpečuje mnoho inovovaných vlastností systému správy budovy včetně: −
přenosu systémových informací v síti bez centralizovaného řízení
−
sledování a záznamu rozšíření a modifikací systému bez offline regenerace
−
možnosti obsluhy operátorem, který neovládá programování
V každé síťové řídící jednotce je dostatek procesní inteligence a paměti pro udržování zvláštní kopie dat globální databáze - jako například mapy sítě, hesla a směrování hlášení.
Obr. 2.6 Síť Metasys s operátorskou pracovní stanicí
18
Kotelna, současný stav Distribuované databáze jsou neustále synchronizovány pomocí časového známkování globálních datových souborů, vysílání současných časů souborů a umožnění každému regulátoru integrovat všechna nová aktualizovaná data. Metaysys také zahrnuje systém dynamického přístupu k datům (Dynamic Data Access). Každému bodu nebo objektu je softwarem přidělen dvouvrstvý referenční štítek, v němž jsou trvale udržována aktuální data. V důsledku toho je možné přistupovat ke všem bodům a realizovat jejich řízení v libovolném čase, z libovolného místa a prostřednictvím libovolného rozhraní. Každý síťový regulátor může sdílet data v síti a řídí online aktualizace ve své (přidělené) databázi. Operátorské pracovní stanice obsahují pouze globální data pro provoz v reálném čase a zabezpečují záložní uložení historických dat a archivních databází.
2.1.2 Regulátor DX-9120 DX-9120 (obr. 2.7) je volně konfigurovatelný rozšiřitelný digitální regulátor. Tento regulátor zpracovává signály z připojených analogových a binárních vstupů ve 12 volně programovatelných funkčních modulech, programovatelném logickém kontroleru (PLC), modulech časových programů a optimalizačních modulech. Tyto programovatelné moduly mohou ovládat různé výstupy regulátoru. Digitální regulátor DX-9120 umožňuje připojení odporových snímačů teploty, regulátorů teploty i tlaku, hladiny, ovládání stykačů a podobně. Základní technické údaje: − 8 analogových vstupů − 8 digitálních vstupů − 2 analogové výstupy − 6 digitálních výstupů − rozhraní RS485 pro připojení 8 rozšiřujících modulů XT − rozhraní LonWorks pro připojení na řídící síť Pomocí sběrnice XT (RS485) jsou k regulátoru DX-9120 připojeny komunikační moduly XT9100 nebo XTM -105, na něž jsou připojeny expanzní moduly XP-9104 (obr. 2.7). Moduly XP9104 jsou použity pro rozšíření počtu vstupů a výstupů regulátoru. Napojením regulátorů na síťovou řídící jednotku NCU vzniká možnost využít vlastností operátorské pracovní stanice OWS, která umožňuje monitorování stavu systému, programování nebo vyhledávání, archivaci a analýzu dat. Jak už bylo zmíněno, v kotelně na ulici Teyschlova je instalováno pět regulátorů DX-9120. Dva z nich slouží pro řízení strojovny a dva pro řízení kotelny, vzduchotechniky a ostatního zařízení. Poslední regulátor realizuje snímání požadovaných parametrů technologie (průtoky a teploty kotlů) a řízení průtoku topného média plynovými kotli. Přídavné a rozšiřující moduly jsou umístěny uvnitř rozvaděčů společně s regulátory.
19
Kotelna, současný stav
Obrázek 2.7 Regulátor DX-9120 s LCD displejem a rozšiřovacími moduly
Na panelu jednoho z rozvaděčů je umístěn i grafický LCD displej DT-9100 (obr. 2.7). Ten umožní zobrazování aktuálních hodnot datových bodů, modifikaci těchto hodnot, zobrazování záznamu poplachových hlášení, sledování trendů včetně grafů atd. Podrobnější informace o prostředcích automatického řízení popsaných v této kapitole je možné najít ve firemní dokumentaci JCI [8].
2.1.3 Okruhy MaR Následuje výčet navržených regulačních okruhů. V rámci diplomové práce jsem se zabýval prvními dvěma (zvýrazněné kurzívou). Jejich řešení je tématem následující kapitoly. • Řízení výkonu kotlů - kaskádní řazení plynových kotlů a kotlů na biomasu • Přednostní chod kondenzačních kotlů • Omezení max. výkonu plynových kotlů na 94% • Omezení max. výkonu plynových kotlů s výměníkem v letních měsících na 50% 20
Kotelna, současný stav • Řízení otáček kotlových čerpadel pomocí vestavěného frekvenčního měniče • Řízení směšovací klapky v kotlovém okruhu u jednotlivých kotlů – zpátečka do kotle min. 65°C, výstup z kotle 105°C • Ovládání uzavíracích klapek na výstupu topné vody z jednotlivých kotlů ON/OFF • Ovládání bezpečnostního uzávěru plynu - BAP • Regulace statického tlaku v systému ovládáním zařízení VDZ • Regulace hladiny ve vyrovnávací nádrži • Teplota vzduchu v plynové kotelně • Řízení spínání stávajících VZT jednotek • Řízení provozu VZT jednotek Sahara v zimním období, spínání jednotlivých jednotek společně s najížděním kotlů, tzn. ke každému kotli se bude spouštět jedna Sahara. Min. teplota v kotelně 7°C • Tlaková diference topné vody (TV) větev „A“ • Ekvitermní řízení teploty TV na větvi „A“ • Řízení regulačního ventilu ve zkratu mezi rozdělovačem a sběračem na základě diferenčního tlaku mezi rozdělovačem a sběračem – požadovaný ∆p = 0 Pa • Dávkovací zařízení chemikálií • Zabezpečovací zařízení plynové kotelny: − minimální a maximální tlak v systému − přehřátí TV − zaplavení kotelny − přehřátí prostoru kotelny (max. 40°C) − únik plynu − porucha doplňovacího systému Všechny poruchové stavy jsou opticky signalizovány jako sumární porucha na rozváděči MaR a jsou přenášeny i na řídící centrálu dispečinku DŘZ. Další poruchové stavy (porucha čerpadel, porucha ventilátorů, aj.) jsou pouze signalizovány. Dále jsou hlášeny tyto parametry: − výskyt metanu ve skladu paliva − vysoká teplota ve skladu paliva >35°C − vysoká vlhkost ve skladu paliva >80% − vysoká teplota ve strojovně hydrauliky >35°C
21
Kotelna, současný stav 2.3
Řízení chodu kotlových jednotek
Celkový výkon zdroje se řídí žádanou výstupní teplotu a žádaným výkonem do sítě. Výstupní teplota z kotlů je řízena ekvitermně (viz. kap 3.1 Základní pojmy). Dodávaný výkon je určen z měřičů tepla umístěných na obou topných větvích.
2.3.1 Plynové kotle Plynová část kotelny je tvořena čtyřmi ocelovými kotli vybavenými plynovými hořáky APH90M PZ Low-Nox s automatikou MA-2P. Každý kotel je vybaven čidlem teploty na výstupním a vratném potrubí. Regulace výkonu kotlů probíhá změnou průtoku (změnou otáček kotlových čerpadel) a současně změnou výkonu hořáku. Zapínání jednotlivých kotlů je kaskádní s využitím spojitého řízení výkonu kotle a s jejich pravidelným střídáním pořadí ve výkonových skupinách – bude řešeno v následující kapitole. Čerpadlo okruhu spalinového výměníku Recitherm, Grundfos TP 65130, bude spuštěno při najetí kotle a bude trvale v provozu na 100% výkon při všech provozních stavech plynového kotle, tzn. řízení čerpadla zapnuto-vypnuto ve vazbě na chod kotle.
2.3.2 Kotle na spalování biomasy Biomasová část má vlastní autonomní řízení veškerého provozu mimo dvou jednotek přívodního vzduchu. Biomasová část kotelny se z hlediska řídícího systému JCI chová jako jeden zdroj. Regulace výkonu kotle je automatická - rychlostí přísunu paliva. Při nárůstu teploty vody ze sítě nad cca 60°C bude řízen výkon snižováním teploty topné vody na výstupu z kotlů. Celý spalovací režim řídí autonomní kotlová automatika (ovládání dopravních cest paliva, otáčky ventilátoru spalovacího vzduchu a otáčky spalinového ventilátoru). Kotle mají 5 výkonových stupňů:
1° - „spací“ – Při nulovém odběru tepla je zachován 10% průtok spalin, což minimalizuje usazování dehtů v kouřových cestách
2° - „tlumený provoz“ – minimální trvalý výkon 20% maxima
3-5° - „plný provoz“ – volba stupně dle druhu a vlhkosti paliva
Vazba mezi řídícím systémem kotlů a řídícím systémem JCI je na úrovni V/V signálů: •
DDC – kotle: - Start kotlů - Žádaná teplota - Blokuj kotel K1 - Blokuj kotel K2
- DO - AO , 0 –10V, 80-105°C - DO - DO
22
Kotelna, současný stav •
•
2.4
Kotle - DDC: - Výkon kotlů - Průtok kotli - Teplota výstupní vody - Provoz kotle K1 - Provoz kotle K2 - Porucha kotle K1 - Porucha kotle K2 - Kód poruchy K1 - Kód poruchy K2
- AI, 0 - 10V, % - AI, l/h - AI, 0 - 10V, °C - DI - DI - DI - DI - 5 x DI - 5 x DI
Řízení výkonu kotlů: - max. výstupní teplota TV z kotlů - min. vstupní teplota TV do kotlů - nastavení provozního termostatu na kotli - havarijní teplota za kotlem
105°C 75°C 105°C 115°C
Řízení vyrovnávacího a doplňovacího zařízení
Statický tlak v síti je udržován a obsah sítě doplňován vyrovnávacím a doplňovacím zařízením VDZ REKSTAN (obr. 2.8). Doplňování a odpouštění je řízeno centrální řídícím systémem na základě hodnot tlaku snímaných tlakovým čidlem. Zařízení je nastaveno na následující hodnoty: − provozní přetlak: 380 kPa − dopouštění: 350 kPa − přepouštění 410 kPa − úroveň podlahy kotelny: 337 m n.m.
Obrázek 2.8 Vyrovnávací a doplňovací zařízení otopných soustav
23
Kotelna, současný stav
24
3
Součinnost kotlů
U topných soustav s větším počtem tepelných zdrojů je vždy nezbytné vyřešit jejich vzájemnou součinnost. Celkový výkon topné soustavy se musí pružně a s odpovídající přesností přizpůsobovat okamžitému požadavku. Hovoříme o tzv. kaskádním řízení. Jde o automatizované řízení soustavy jednotlivých zdrojů, které navzájem spolupracují a jejichž výkony se sčítají. V případě kotelny na ulici Teyschlova je navíc situace komplikována přítomností dvou různých zdrojů tepla: kotlů na biomasu a kotlů plynových. V dalším se budeme zabývat řízením kombinace těchto zdrojů a popíšu zde svůj program pro kaskádní řízení plynové části (Kotelna I) kotelny.
3.1
Základní pojmy
Ekvitermní regulace Ekvitermní regulace je jedním ze základních typů regulace vytápění. Při ekvitermní regulaci se řídí teplota topné vody v závislosti na venkovní teplotě. Reguluje se podle ekvitermních křivek, které udávají závislost mezi venkovní teplotou a teplotou topné vody potřebnou pro dosažení požadované teploty ve vytápěných prostorách. Ekvitermní křivka je nastavena podle projektovaných, vypočtených nebo změřených tepelných ztrát objektu. Při slunečném počasí (resp. silném větru) se obvykle křivka posouvá o příslušný počet stupňů směrem dolů (resp. nahoru).
110
Teplota topné vody [°C]
100 90 80 70 60 50 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10 12
Venkovní teplota [°C]
Obr. 3.1 Výchozí ekvitermní křivka pro zdroj na ulici Teyschlova
25
14 16
Součinnost kotlů Otopné období, přechodné období Otopné období nebo také „topná sezóna“ začíná 1. září a končí 31. května následujícího roku. Otopným obdobím se rozumí období, ve kterém musí být zařízení pro dodávku tepla (kotelna, rozvody tepla a příp. předávací stanice) v pohotovém technickém stavu, aby bylo možno kdykoliv při splnění dalších podmínek (průměrná teplota venkovního vzduchu) zahájit a udržovat provoz vytápění. Počet dnů otopného období (273, resp. 274 dnů) se nemusí shodovat s počtem dnů vytápění. Pojem přechodné období zde označuje dobu kolem začátku nebo konce otopného období. Toto doba je provázená častým zapínáním a vypínáním kotlů (tzv. cyklování), což obecně prudce snižuje účinnost kaskády a celého zdroje. V naších podmínkách se počítá přibližně s třítýdenním obdobím. Podle skutečného průběhu a bilance potřeby tepla v jednotlivých fázích otopného období lze vysledovat určité závislosti na teplotě a výkon s předstihem upravovat podle těchto závislostí. Díky tomu je možné předvídat nutnost spuštění (odstavení) kotlů v předstihu a zabránit vypnutí (zapnutí) dalšího kotle.
Roční potřeba tepla, Diagram trvání potřeby tepla Roční potřebou tepla na vytápění budovy se rozumí potřeba tepla, které je třeba dodat do budovy za jedno otopné období, aby bylo zajištěno předepsané vnitřní klima. Určuje se výpočtem, přičemž se vychází z tepelné ztráty objektu stanovené pro nepřerušované vytápění dle normy ČSN 06 0210 a zohledňují se klimatické podmínky, provoz vytápění, druh otopné soustavy a její vybavení regulací. Je-li známa četnost výskytu denních teplot venkovního vzduchu, pak v grafickém vyjádření této četnosti lze znázornit potřebu energie pro vytápění. Z průběhu grafu, uvedeného jako příklad na obr. 3.2, je zřejmé, že četnost výskytu mezní teploty tem (= 13°C) a nižší určuje dobu provozu vytápěcího zařízení, tj. délku otopného období. Vyšrafovaná plocha je úměrná potřebě (spotřebě) tepla pro vytápění.
Obr. 3.2 Průběh četnosti výskytu teplot venkovního vzduchu
Roční průběh potřeby tepla pro vytápění přibližně odpovídá ročnímu průběhu venkovní teploty, takže křivka roční potřeby tepla je ekvidistantou roční křivky trvání teplot venkovního vzduchu.
26
Součinnost kotlů Teplotní integrál Teplotní integrál je využíván regulátorem při regulaci kotlových jednotek. Vzniká integrací diference žádané a skutečné teploty v čase. Jako žádaná teplota kotle je zde použito TKmin (minimální omezení žádané teploty kotle ve °C). TKx je skutečná teplota kotle x ve °C. t
TI = ∫ (TK min − TK x ) dt
(1)
0
Start teplotního integrálu (obr. 3.3, oblast t1-t2) nastane, když skutečná teplota kotle TKx poklesne pod žádanou hodnotu TKmin při zapnutém hořáku. S teplotním integrálem se začne tvořit blokovací signál, který způsobí odlehčení kotle. Odbourávání teplotního integrálu (obr. 3.3, oblast za t2) nastane, když skutečná teplota kotle TKx se zvýší nad žádanou hodnotu TKmin, čímž se změní znaménko integrálu na mínus. Velikost blokovacího signálu se postupně snižuje a spotřeba tepla je odblokována.
Obr. 3.3 Teplotní integrál - příklad průběhu
Pro pochopení následujících kapitol je dle mého názoru znalost výše uvedených pojmů dostačující. K hlubšímu seznámení s problematikou vytápění doporučuji skripta [9] a [10].
3.2
Výchozí požadavky
Při zpracování návrhu řízení kotlů instalovaných ve výtopně na ulici Teyschlova, jsem vycházel z požadavků projektanta technologické části kotelny a zadavatele projektu. Na základě konzultací a studia problému jsem sestavil následující přehled, který je sumou základních vstupních údajů a obecných pravidel pro návrh kaskádního řízení.
27
Součinnost kotlů A. V kotelně je instalováno 6 kotlů. Čtyři jsou plynové a dva na spalování biomasy. Dva z plynových kotlů jsou vybaveny spalinovým kondenzačním výměníkem (viz kap 2.1 a 2.3). B. Celkový požadovaný výkon zdroje je v současné době 14,85 MW, v letních měsících se předpokládá max. potřeba tepla pro ohřev TUV cca 2,3 MW. C. V normálním pracovním režimu bude mít část kotelny na biomasu (Kotelna II) prioritu. Biomasové kotle budou tedy v provozu celoročně s maximálním využitím svého výkonu. Při zvýšené potřebě topné vody se uvede do činnosti část kotelny na plyn (Kotelna I). D. Regulace výstupní teploty plynových kotlů je ekvitermní, v rozmezí 105° až 80°C při venkovních teplotách -10 až 10°C. Ekvitermní křivku vidíme na obr. 3.1. E. První v kaskádě plynových kotlů startuje vždy kotel s větší účinností, tzn. jeden z kotlů DYNATHERM FH-NRK vybavených kondenzačním výměníkem (dále jen kondenzační kotel). F. Celkový požadovaný výkon pro vytápění je v současné době 14,85 MW a celkový instalovaný výkon kotlových jednotek je 21,2 MW. V provozu tedy budou vždy nanejvýš 3 plynové kotle. G. Minimální výkon hořáku každého kotle je nastaven na hodnotu 35% jmenovitého výkonu kotle, tj. cca 1,6 MW. Plynový kotel je při tomto výkonu schopen trvalého provozu bez odstávek. H. Práce kondenzačních kotlů je využívána maximálně, provozní hodiny se neomezují, ani se nesrovnávají s nízkoteplotními kotli s nižší účinností. I.
Šetřit kondenzační kotle omezováním jejich chodu, je možno v období, kdy mohou být provozovány dva nízkoteplotní kotle při velmi nízkých venkovních teplotách a teplota vratné vody ze systému je vysoká. (Pozn. I tento provoz je ovšem méně úsporný, než provoz kondenzačního kotle a je třeba odpovědně stanovit časovou dobu zatížení a přínos „šetřením“ provozních hodin kondenzačního kotle. To je možné až na základě skutečných hodnot za provozu.)
J. Nízkoteplotní kotle bez výměníků (DYNATHERM FH-N) i kotle kondenzační jsou v kaskádě rovnocenné. Zde je tedy vhodné provozní hodiny srovnávat a kotle střídat. Vždy ovšem v režimu minimální ztráty tepla. K. Vždy je třeba upřednostnit chod kotlů na malý výkon oproti maximálnímu výkonu. L. Je třeba minimalizovat počet nutných startů. M. V případě, že se objeví nebezpečí přehřátí některého z biomasových kotlů, v jehož důsledku by došlo ke snížení výkonového stupně tohoto kotle, otevře se „ochoz“ topné větve TV1. Tím se zvýší průtok touto větví a přebytečné teplo je odvedeno do topného systému. Vše platí pouze za podmínky, že v chodu není žádný plynový kotel. N. Pro optimalizaci je nutno využívat skutečných fyzikálních vlastností soustavy, které je možno vysledovat a odměřit během skutečného provozu. O. Soustavu je třeba neustále udržovat v mírném nedostatku tepla a maximální měrou využívat optimální nastavení teplotních integrálů. P. Jak už bylo uvedeno v kap 2.3, výkon zdroje je řízen v závislosti na žádané výstupní teplotě (dáno ekvitermní křivkou) a žádaném tepelném výkonu do sítě (dáno odebíraným tepelným výkonem větvemi TV1 a TV2).
28
Součinnost kotlů 3.3
Návrh regulace
Na základě diagramu trvání potřeby tepla (Příloha A), který byl sestaven projektantem technologické části kotelny, a vzhledem k výchozím požadavkům (kap. 3.2), jsem slovně popsal spolupráci kotlů v naší výtopně. Pro plnější pochopení této kapitoly doporučuji k průběžnému nahlédnutí diagram trvání potřeby tepla (Příloha A). Provoz jednotlivých kotlů během roku je zde přehledně znázorněn.
3.3.1 Popis spolupráce kotlových jednotek V období mimo topnou sezónu budou v provozu biomasové kotle. Jejich výkon (2,6 MW) je dostatečný, aby pokryl potřebu tepla pro ohřev teplé užitkové vody (TUV). Na začátku topné sezóny (při průměrných venkovních teplotách +13°C a méně) budou v provozu oba biomasové kotle. V případě větší potřeby tepla se uvede do provozu i jeden plynový kotel se spalinovým výměníkem Recitherm. Tento kotel spustí při startu své oběhové čerpadlo, které bude řízeno na 70% průtoku (tj. 70 m3/h) a požadovanou výstupní teplotu z kotle 80°C. Po startu pracuje kotel na minimální možný výkon - 35% (1,6 MW). Aby se zamezilo jeho cyklování v přechodném období, nastaví se teplotní hystereze tepelné sítě na cca 4°C. Toto rozpětí by mělo omezit časté zapínání a vypínání zdroje. Přesná hodnota bude případně upravena dle provozních požadavků – chování tepelné sítě za provozu. Při dosažení 70% výkonu plynového kotle FH-NRK (při venkovní teplotě +7°C a méně) bude spuštěn druhý kondenzační plynový kotel FH-NRK a oba kotle pojedou na minimální výkon 35% pro max. využití jejich účinnosti. Při dosažení 100% výkonu obou kotlů s výměníkem Recitherm (při venkovní teplotě cca – 5,5°C) najede do provozu plynový kotel FH-N (s nižší účinností) s tím, že kondenzační kotle „sjedou“ s výkonem o cca 15% kvůli zajištění stálého chodu FH-N při min. výkonu 35%. Další zvyšování výkonu se děje prostřednictvím kondenzačních kotlů. Hořák kotle FH-N zůstává na minimálním výkonu až do momentu, kdy výkony kondenzačních kotlů dosáhnou maxima. Poté začne zvyšovat výkon i on. V případě potřeby je možné s rezervou dosáhnout celkového požadovaného výkonu pro vytápění (14,9 MW). Jak vyplývá z bodu F kap. 3.2, v provozu bude vždy nanejvýš jeden kotel FH-N. Aby se zajistilo rovnoměrné opotřebení obou těchto kotlů, budou se střídat v provozu každou topnou sezónu. Předpokládaná délka provozu v topné sezóně je cca 20 dnů. Snížení výkonu se děje postupným snižováním výkonů jednotlivých kotlů a jejich odstavováním. Tento proces probíhá analogicky jako zvyšování výkonu, ovšem v opačném sledu.
3.3.2 Stanovení počtu kotlů kaskády Kaskáda bude řízena v závislosti na žádaném tepelném výkonu, tedy výkonu dodávaném topnými větveni TV1 a TV2 do sítě. Vzhledem k tomu, že kotle na biomasu budou v chodu nepřetržitě, redukuje se celá úloha na kaskádní řízení plynových kotlů. Výkon biomasových kotlů ovšem nemůžeme považovat za konstantu a jeho aktuální hodnotu musíme zohlednit také. Požadovaný výkon připadající na plynové kotle je dán rozdílem dodávaného výkonu do sítě a výkonu poskytovaného „neplynovými“ zdroji (tj. kotli na biomasu a kondenzačními výměníky plynových kotlů).
29
Součinnost kotlů Výchozí rovnice pro stanovení požadovaného tepelného výkonu pro plynové kotle (PPK) má tedy tvar: PPK = Pv1 + Pv2 - PK1 - PK2 - PKV4 - PKV5
(2)
kde: Pv1 – žádané množství tepla do topné větve TV1 (Teyschlova) Pv2 – žádané množství tepla do topné větve TV2 (Bystrc) PK1 – aktuální množství tepla z kotle na biomasu MULTIVALENT (1,1 MW) PK2 – aktuální množství tepla z kotle na biomasu VESKO (1,5 MW) PKV4 – aktuální množství tepla z kondenzačního výměníku Recitherm kotle K4 PKV5 – aktuální množství tepla z kondenzačního výměníku Recitherm kotle K5 Výpočty tepelných výkonů jednotlivých zdrojů a topných větví jsem prováděl na základě vztahu:
P=
m ⋅ c ⋅ ∆T ρ ⋅ V ⋅ c ⋅ (Tvst − Tvýst ) = 3600 3600
[W]
(3)
kde: m – hmotnost topného média, která protekla za jednotku času [kg.h-1] ρ – měrná hmotnost topného média [kg.m-3] V – objemový průtok topného média [m3.h-1] c – měrná tepelná kapacita topného média [J.kg-1.K-1] ∆T = (Tvst - Tvýst) – rozdíl mezi vstupní a výstupní teplotou [K], tzv. teplotní spád Topným médiem je voda. Vzhledem k místním podmínkám byla stanovena její měrná tepelná kapacita c = 4186 J.kg-1.K-1 a měrná hmotnost ρ = 1000 kg/m3. Požadovaný tepelný výkon plynových kotlů je určující veličinou pro stanovení počtu kotlů, které mají být uvedeny do chodu. Stanovení počtu plynových kotlů pak probíhá následujícím způsobem: − − − − − −
3.4
PPK = 0 až 2200 kW PPK = 2200 až 4400 kW PPK > 4400 kW PPK < 4400 kW PPK < 2000 kW PPK < 500 kW
spuštění 1 kondenzačního PK spuštění 2 kondenzačních PK spuštění 2 kond. PK + 1 PK bez spalinového výměníku odstavení PK bez spalinového výměníku odstavení 1 z kondenzačních PK odstavení posledního kotle
Možnosti regulátoru
Regulátor DX-9120 je vybaven řadou funkčních, časových a optimalizačních modulů a jedním modulem PLC. Jejich sestavením a propojením vzniká vlastní program regulátoru zajišťující regulační a řídící funkce (obr. 3.4). Tímto způsobem může regulátor DX realizovat i kaskádní řízení. Základem programu, který kaskádní řízení zajišťuje, bývají moduly PID a
30
Součinnost kotlů Sekvencer. V této kapitole proto tyto funkční moduly podrobněji popíšu. Vycházel jsem z technické příručky k regulátoru DX [11].
Obr. 3.4 Příklad programu regulátoru DX-9120 Modul Sekvencer Tento programovatelný funkční modul pracuje jako sekvenční spínač, který zajišťuje řízení jednoho až osmi logických výstupů jako funkce hodnoty analogové proměnné nebo dvou logických proměnných a stavu osmi logických (blokových) vstupů. Dva následující moduly sekvenceru mohou být spojeny dohromady a řídit až 16 výstupů. Když je připojena analogová proměnná, její hodnota určuje požadovaný výstup v procentech celkového výstupu. Když jsou připojeny logické proměnné, první proměnná zvyšuje požadovanou výstupní hodnotu a druhá proměnná tuto hodnotu snižuje. Pro každý výstupní stupeň musí být specifikován procentní podíl na něj připadající. V závislosti na celkovém požadovaném výstupu se postupně aktivuje několik stupňů. Kdykoliv je stupeň zapnut nebo vypnut, aktivuje se mezistupňový zpožďovací časovač, který zabrání tomu, aby se v rychlém sledu spínaly další stupně. Rozdíl mezi požadovaným výstupem a celkovým zvoleným výstupem je k dispozici ve formě numerické proměnné, kterou lze v případě potřeby připojit k dalším modulům pro zajištění proporcionálního opravného řízení. Každý modul sekvenčního spínače lze konfigurovat pro činnost v jednom z několika režimů: Stupňový režim: výstupní stupně jsou řízeny v pořadí podle zásady „poslední zapnut, první vypnut“. Například třístupňový sekvenční spínač řídí výstupní stupně v tomto pořadí: Stupeň 1 2 3
Zvyšování vstupu > 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1
31
Snižování vstupu > 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0
Součinnost kotlů Sekvenční režim: Ovládaná zařízení jsou řízeny v pořadí „první zapnut, první vypnut“. Stupně uvnitř zařízení jsou řízeny podle pravidla „poslední zapnut, první vypnut“. Například třístupňový sekvenční spínač řídí výstupní stupně v tomto pořadí: Zařízení 1 2 3
Zvyšování vstupu > 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1
Snižování vstupu > 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0
Stejná doba běhu: doba sepnutí prvního stupně každého zařízení je sčítána. V případě zvýšení zátěže, vyžadující aktivaci nového zařízení, se sepne zařízení s nejnižší dosavadní dobou sepnutí (běhu). V případě snížení zátěže vyžadující vypnutí stupně v zařízení při plné zátěži bude nejdříve vypnuto zařízení s nejvyšší dosavadní dobou sepnutí (běhu). Stupně uvnitř zařízení mohou být dále řízeny v pořadí „poslední zapnut, první vypnut“. Například třístupňový sekvenční spínač zapíná zařízení v tomto pořadí: Zařízení Doba běhu Zvyšování vstupu > 1 90 0 0 0 1 2 40 0 1 1 1 3 65 0 0 1 1
Doba běhu Snižování vstupu > 95 1 1 1 0 110 1 0 0 0 99 1 1 0 0
Binární kód: výstupní stupně musí tvořit jedno zařízení a jsou řízeny v pořadí podle „binárního kódu“. Například třístupňový sekvenční spínač řídí výstupní stupně v tomto pořadí: Stupeň 1 2 3
Zvyšování vstupu > 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0
Snižování vstupu > 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1
Pozn.: Binární kód je určen k ovládání baterií elektrických ohřívačů nebo jiných „nemechanických“ zařízení. Sekvencer spínající podle binárního kódu vždy vybere příslušnou kombinaci stavů pro požadovaný výstup. V našem případě se nabízí využití režimu „stejná doba běhu“, přičemž bychom u plynových kotlů stejného druhu srovnávali dobu chodu. Modul PID Každý z 12 programovatelných funkčních modulů regulátoru lze definovat jako řídící modul PID (proporcionálně integračně derivační). Proporcionální řídící modul vytváří výstup (OCM) v rozsahu 0-100% porovnáváním řídící proměnné (PV) s pracovním bodem nastavení (WSP) a pásmem proporcionality (PB). Během konfigurace se nastaví pásmo proporcionality (PB) jako procento z naprogramovaného rozsahu PV. Určuje rozsah činnosti řídícího modulu. Kladná hodnota PB volí přímý provoz, záporná hodnota volí reverzní provoz. Například pro rozsah vstupu PV 0 - 40 °C a nastavení PB na 15% vychází PB = 6 K. Když PV nemá naprogramovaný rozsah
32
Součinnost kotlů (PV není připojen na analogový vstup), předpokládá se rozsah 0 - 100%. Činnost řídícího modulu PI, PD nebo PID se určuje nastavením příslušných hodnot integrační složky (TI) a derivační složky (TD) v parametrech řídícího modulu. Integrační složka (TI) reprezentuje integrační dobu a je definována v rozmezí 0 až 60 opakování za minutu. Hodnota 0 ruší integrační činnost. Integrační časová konstanta Tn = 1/TI (min). Derivační složka (TD) představuje derivační dobu a je definovatelná v rozmezí 0 až 5 min. Hodnota 0 ruší derivaci. Výstup regulátoru lze obecně popsat funkcí s třemi oblastmi. Dvě oblasti jsou statické, definované dolní mezí (LOL) a horní mezí (HIL), a jedna dynamická, kde je výstup funkcí pásma proporcionality, derivační a integrační složky. Výstup lze připojit přímo k výstupnímu modulu nebo použít jako vstup do jednoho či více dalších programovacích funkčních modulů (např. kaskádové řízení). Algoritmus PID lze konfigurovat pomocí několika analogových a logických proměnných. V rámci své funkce také vytváří několik logických výstupů pro výstražné použití nebo pro vzájemné vazby. Podrobnější popis vstupů a výstupů modulu je možné najít v katalogové dokumentaci k regulátoru DX – 9120.
Obr. 3.5 Blokové schéma řídícího modulu PID
Pro kaskádní řízení méně rozsáhlých topných systémů vystačíme s programem tvořeným kombinací modulů PID a Sekvencer. V případě systému s větším počtem zdrojů jde však již o úlohu programátorsky velmi náročnou. Pro správnou funkci řídícího algoritmu by bylo nutné sestavit velmi složitou kombinaci programovatelných funkčních modulů regulátoru. Měření a řízení je v kotelně navíc rozděleno mezi pět regulátorů a bylo by nezbytné ošetřit vzájemné sdílení jednotlivých parametrů a hodnot proměnných. To vše v přijatelné rychlosti. Celý zásah by obnášel i nezbytné rozšíření současného počtu regulátorů nejméně o další dva. Vzhledem k těmto překážkám jsem se rozhodl hledat jiné řešení.
33
Součinnost kotlů 3.5
Výsledné řešení
V této kapitole představím řešení kaskádního řízení, které jsem pro kotelnu na ulici Teyschlova zvolil, a ukážu program, který jsem pro tento účelu sestavil.
3.5.1 Koncepce Řízená soustava na ulici Teyschlova je poměrně rozsáhlá a pro realizaci kaskádního řízení jsem musel využít nadřazenou úroveň řízení. Tuto možnost struktura systému Metasys nabízí (viz obr. 2.6). Operátorská pracovní stanice (OWS), která je základem úrovně správy dat, umožňuje tvorbu programů a definování databází pro libovolnou část sítě. K přípravě těchto programů je k dispozici několik programovacích jazyků včetně grafického programovacího jazyku GPL a jazyku JC–Basic. Právě v jazyku JC-Basic jsem napsal program pro řízení kaskády kotlů v naší kotelně. Ten jsem po zkompilování přesunul do síťového řídícího modulu (NCU nebo také NCM). NCU je základním prvkem automatizační úrovně řízení, která je nadřazena nejnižší úrovni provozní, kde jsou situovány regulátory DX-9120. Jednotka NCU tvořená programovatelnými výpočetními moduly je pro zpracování programů JC-Basic přímo uzpůsobena - nahraný program s definovanou periodou vykonává.
Obr. 3.6 Tvorba a aplikace programu JC-Basic Jazyk JC-Basic je úpravou známého jazyka BASIC pro potřeby řízení a správy budov. Jde o snadno osvojitelný programovací jazyk, který je vybaven řadou spínacích, výpočtových, kontrolních a bezpečnostních funkcí pro tvorbu řídících programů. JC-Basic je hardwarově naprosto nenáročný a programy je možné psát v jakémkoli ASCII textovém editoru, tedy např. v poznámkovém bloku. Jde o jazyk se srozumitelnými příkazy a nízkými formálními požadavky. Určitou nepříjemností, se kterou jsem se musel při přípravě programu vyrovnat, byla příručka k JCBasicu [12], jenž je k dispozici pouze v anglickém jazyce. Program, který jsem napsal, stanovuje počet plynových kotlů potřebných pro pokrytí aktuální potřeby tepelného výkonu, neboli kolik kotlů má být uvedeno do provozu. Tento program tedy kaskádní řízení přímo nevykonává. Realizace zůstává na regulátorech DX, kterým program poskytuje ústřední informaci pro možnost kaskádního řízení. Na řízení plynových kotlů se podílí dva regulátory DX. Spouštění a odstavování je pak obsluhováno modulem Sekvencer (viz 3.4),
34
Součinnost kotlů v němž je definováno přesné pořadí kotlů. Pořadí určuje operátor na stanici OWS, přičemž jsou mu k dispozici pouze možnosti respektující požadavky z kap 3.2. Jednoduché schéma koncepce je na obrázku 3.7.
OWS
DX NCU SEKVENCER
Obr. 3.7 Koncepce kaskádního řízení
3.5.2 Program Množství veličin, které program zpracovává, znemožňuje uvedení jeho zdrojového kódu přímo v této kapitole. Algoritmus programu tedy popíšu slovně a uvedu ukázky jeho ústředních částí. Celý zdrojový kód programu je k dispozici v příloze B a na přiloženém CD. V úvodu každého programu JC-Basic je vždy třeba uvést dvě základní věci. V prvé řadě je nutné stanovit periodu, se kterou bude program spouštěn. Vzhledem k možnostem technického vybavení jsem volil 1 min. Period 00:01:00 EXEMPT ALL … Příkaz Exempt eliminuje nechtěné ukončování a spouštění programu v průběhu jeho vykonávání. Slouží pro definici souboru vlastností objektů a sdílených proměnných, které budou vždy před vykonáním programu načteny. Jejich případné změny už pak nebudou mít na program za jeho běhu vliv. Po této úvodní části otestuje program spojení, abychom měli jistotu, že jsou zpracovávaná data věrohodná. Pokud nejsou všechny relevantní body ve stavu on-line, dojde k ukončení programu.
35
Součinnost kotlů Následně program načte z OWS (operátorská pracovní stanice) aktuální hodnoty teplot výstupní a vratné vody každého kotle, počty impulsů jednotlivých průtokoměrů a dál průtoky z měřičů tepla. Jde o 37 hodnot, které jsou v databázi průběžné aktualizovány z regulátorů DX9120. Čítání pulsů z průtokoměrů se zdá být zbytečné, protože informaci o průtoku je možné získat přímo z měřičů tepla. Důvod ale spočívá v rychlosti, se kterou je možné z měřičů tepla informaci o průtoku získat. Tato rychlost není pro potřeby řízení dostatečná a průtok z měřičů tepla má tedy pouze kontrolní funkci (více v kap. 4). Ve výpočtové části programu dojde k převodu impulsů na průtok v m³/h. Poté se stanoví rezervovaný průtok (průtok, který musí být k dispozici) pro biomasové kotle a odečte se od množství vody proudící větvemi TV1 a TV2. Získáme tak průtok, který je k dispozici (rezervovaný průtok) pro plynové kotle. Dál program vypočítá aktuální průtok přes Kotelnu I (plynové kotle) a tyto hodnoty předá regulátoru DX-9120 (modulu PID), který řídí frekvenční měniče čerpadel plynových kotlů. Všechny hodnoty průtoků v m³/h jsou pak programem zapsány do OWS, kde jsou k dispozici obsluze stanice. Zde je ukázka části programu zajišťující zápis veličin do databáze OWS. REM ( zápis průtoků do OWS ) Tell 'TeyschMT2/F___Bi1_' to „set_AD“ PrutokBi1,3 Tell 'TeyschMT2/ F___Bi2_' to „set_AD“ PrutokBi2,3 Tell 'TeyschMT2/ F___Tv1_' to „set_AD“ PrutokTv1,3 … Podívejme se pro vysvětlení podrobněji na první řádek. Jde o průtok bio-kotlem č.1. Příkaz Tell v tomto případě posílá hodnotu proměnné PrutokBi1 na adresu TeyschMT2/F___Bi1_ do databáze OWS. Ve dvojitých uvozovkách je určen druh odesílané veličiny. Zde jde o analogovou hodnotu (analog data). Číslice na konci udává prioritu (váhu) s níž se má hodnota do databáze zapsat. Nyní tedy známe všechny veličiny potřebné pro výpočet výkonů. Program podle vztahu (3) vypočítá aktuální tepelné výkony jednotlivých kotlů a dál podle vztahu (2) celkový výkon, připadající na plynové kotle (PPK). Hodnoty všech výkonů v kW jsou programem opět zapsány do OWS. Následuje nejdůležitější část programu – stanovení počtu kotlů, které mají být uvedeny do provozu. REM ( stanovení počtu plynových kotlů kaskády) LET Interval = 10 S = S + ZadanyVykonPK Z=Z+1 If Z = Interval then Y = S / Z If Z = Interval AND Y < 2201 then PocetPlyKo = 1 If Z = Interval AND Y < 500 then PocetPlyKo = 0 If Z = Interval AND T_NaTv__ < 75 then PocetPlyKo = 1 If Z = Interval AND Y > 2200 then PocetPlyKo = 2 If Z = Interval AND Y > 4400 then PocetPlyKo = 3
36
Součinnost kotlů If Z = Interval then S = 0 If Z = Interval then Z = 0 … První čtyři (a poslední dva) řádky záznamu zajišťují, že se bude tato část programu vykonávat jednou za 10 minut. Ověřuje se také teplotní podmínka, kdy teplota výstupní vody z Kotelny I (plynových kotlů) nesmí být nižší než 75 °C. Pokud pod tuto hodnotu klesne, dojde ke spuštění plynového kotle. Nyní tedy program stanovil počet kotlů, které je třeba uvést do chodu. Tuto hodnotu opět zapíše do OWS, kde je k dispozici modulu Sekvencer (viz kap. 3.4) regulátoru DX. Dál probíhá kontrolní srovnání výkonu získaného z měřičů tepla a výkonu, který program vypočítal na základě pulsů z průtokoměrů a diferencí teplot. Na konci jsou programem vyhodnoceny podmínky pro otevření ochozu topné větve 2 (bod M, kap. 3.2). Jedná se o bezpečnostní prvek. Podmínkou pro vykonání této části programu je, že není v chodu žádný plynový kotel. K otevření uzavíracího ventilu ochozu dojde, pokud je výstupní teplota z bio-kotlů vyšší než 95°C a zároveň tyto kotle hlásí snížení výkonu nebo přetopení.
3.6
Vyhodnocení
Zvolená koncepce kaskádního řízení a program v jazyce JC-Basic, který jsem pro toto řízení zpracoval, jsou již v současné době aplikovány do provozu a spolehlivě zajišťují kaskádní řízení. Pro zvládnutí tohoto úkolu jsem si musel osvojit základní znalost programovacího jazyka JC-Basic a také se důkladně seznámit s řízenou technologií. Program je dobře čitelný a transparentní. Je možné ho snadno upravovat, a to i na dálku z PC OWS. Další výhodou tohoto řešení je úspora hardware. Při snaze realizovat algoritmus kaskádního řízení pomocí vnitřních modulů regulátoru DX-9120 by bylo nezbytné instalovat alespoň dva další regulátory. Přesun části úlohy do nadřazené úrovně řízení představuje ve všech ohledech velmi efektivní řešení. Používání řídících programů, které jsou vykonávány v jednotkách NCU, má ovšem i svoji stinnou stránku. Jak už bylo řečeno v kap. 2.2.1, architektura systému Metasys je distribuovaná, s decentralizovanou inteligencí. Velká přednost takto uspořádaného řídícího systému spočívá v jeho zvýšené spolehlivosti. V momentě, kdy dojde k přerušení spojení mezi regulátorem a síťovým řídícím modulem (NCU), není funkce systému ohrožena a regulace probíhá dál. V našem případě se ovšem jednotka NCU vedle koordinace a organizace dat podílí i na kaskádním řízení a výpadek komunikace by tak znamenal pro chod kotelny velký problém. Řídící systém zůstane v posledním známém funkčním stavu a nějakou dobu ještě soustavu udržuje. V co nejkratší době je ale nezbytné komunikaci obnovit. Vhodnost tohoto řešení je vždy třeba zvážit a pokud se pro využití JC-Basicu projektant rozhodne, musí popsanou nevýhodu zohlednit a příslušným způsobem spojení mezi regulátory a jednotkou NCU zabezpečit. V případě výpadku komunikace nebo selhání jednotky NCU by mělo automaticky dojít na stanici OWS k vyhlášení alarmu. Pro urychlení případného zásahu je dále vhodné informovat obsluhu formou SMS zprávy.
37
Součinnost kotlů
38
4
Dělící obvod
Jednou z nejdůležitějších vstupních veličin pro regulaci kotlových jednotek je průtok, tedy objem topného média protékajícího kotlem za jednotku času. Aby bylo možné tuto veličinu pro řízení použít, musí být aktuální, tj. musí být známa její „okamžitá“ hodnota. Při nasazování regulační techniky v kotelně na ulici Teyschlova jsme právě na problém neaktuálních dat z měření průtoku narazili. Zařízení, která momentálně v kotelně měření průtoku zajišťují, nejsou schopna poskytnout jeho hodnotu s potřebnou rychlostí. V následujících kapitolách se budu zabývat problematikou zajištění aktuálních dat z průtokoměru.
4.1
Měření průtoku
4.1.1 Měřič tepla, průtokoměr Jak bylo naznačeno, všechny kotle a obě topné větve jsou v současné době vybaveny měřiči tepla Multical (obr. 4.2). Měřiče Multical je možné použít pro měření tepla (nebo chladu) ve všech zařízeních využívajících vodu s teplotami od 2°C do 160°C. Multical slouží v kotelně na ulici Teyschlova také jako vyhodnocovací jednotka pro objemový snímač Ultraflow. Podle původního záměru měla tato zařízení v kotelně zajišťovat funkci odečtových měřidel. Při zavádění řídícího systému bylo ale zřejmě výhodné použít hodnoty průtoku z Multicalů také pro regulaci.
Obr. 4.2 Vyhodnocovací jednotka měření tepla Multical
39
Dělící obvod Ultraflow (obr. 4.3) je statický průtokoměr pracující na principu ultrazvukového měření. Průtok se měří s použitím obousměrné ultrazvukové techniky založené na metodě tranzitní. Dva ultrazvukové vysílače se používají k vysílání zvukových signálů proti sobě a ve směru toku. Ultrazvukové signály postupující ve směru toku dorazí k protilehlému měniči první. Časový rozdíl mezi dvěma signály může být převeden na rychlost průtoku a tedy na objem. Z ultraflow je tedy přenášen impulsní signál o určité frekvenci. Ta je úměrná objemu vody, který přes průtokoměr protéká. Maximálnímu průtoku odpovídá fmax = 125Hz. V případě kotelny Teyschlova tato hodnota dosahuje nanejvýš 100Hz. Průtokoměry jsou vyráběny v dimenzích DN 25 až DN 250. Rozsah měřitelných průtoků je od 0,6 až 3000 m3/hod.. Každé dimenzi je přiřazeno tzv. „pulsní číslo“. Tato konstanta udává počet pulsů připadajících na 1 litr vody, která měřidlem proteče (DN 100 ~ 2.6 imp/l, DN 150 ~ 1 imp/l,…). Pracovní rozsah frekvencí je díky pulsnímu číslu shodný pro všechny dimenze.
Obr. 4.3 Různé dimenze objemového snímače Ultraflow Multical pak počet impulsů vyhodnotí a na základě aktuálních hodnot průtoku vody, teplotní diference a pulsního čísla daného průtokoměru vypočítá aktuální výkon (v kW nebo MW). Multical používá integrace závislé na objemu, přičemž rychlost výpočtů energie vyhodnocovací jednotky je úměrná aktuálnímu průtoku vody. Vnitřní výpočty se provádí s velmi vysokým rozlišením. Část měření energie, která není v důsledku rozlišení displeje zobrazena, se ukládá a je k dispozici pro následné měření. Výrobcem těchto zařízení je dánská firma Kamstrup.
40
Dělící obvod 4.1.2 Rychlost signálu, zpracování Problém popsaného způsobu snímání a vyhodnocování provozních veličin spočívá v rychlosti, se kterou naměřené a vypočtené hodnoty poskytuje. Informace o průtoku, kterou mají regulátory k dispozici často až po 5 min, je pro řízení jen stěží použitelná. Takto významné zdržení je způsobeno právě předpokládanou výhradní funkcí Multicalu jako odečtového měřidla. Pro tento účel není zvýšená rychlost sběru dat potřebná a všech deset jednotek bylo připojeno na jedinou smyčku sběrnice M-Bus. Tato smyčka je přivedena na rozšiřovací modul RMB, který zajišťuje integraci sběrnice do systému Metasys. Řešením tohoto problému by bylo připojení každého Multicalu zvlášť. Obnášelo by to ovšem instalaci dalších jednotek RMB a zvýšenou kabeláž. Hledali jsme tedy jiný způsob, jak získat aktuální hodnotu průtoku, přičemž bylo žádoucí využít stávající vybavení kotelny. Vzhledem k popsaným skutečnostem se nabízelo jediné řešení obejít zařízení, které bylo za snižování rychlosti zodpovědné, tedy vyhodnocovací jednotku Multical. Poznamenejme, že toto se týká pouze informace o průtoku. Poslání těchto jednotek, jakožto odečtových měřidel zůstalo zachováno. Realizace zmíněného záměru obnášela připojení impulsního signálu z průtokoměrů Utraflow na čítačové vstupy regulátoru DX-9120. Regulátor pak na základě impulsů vypočítává hodnotu průtoku. Čítačové vstupy regulátoru DX-9120 jsou ovšem schopny zpracovávat signály jen do frekvence 25Hz (tzn. s periodou do 40ms). Připomeňme, že frekvence impulsů z průtokoměrů v případě naší kotelny dosahují až 100Hz. Popsanou nesnáz je možné vyřešit zavedením modulu, který zajišťuje konstantní převod vyšší hodnoty frekvence na nižší úroveň. Podobných zařízení je v dnešní době k sehnání celá řada. Poměrně nenáročná výroba těchto zařízení ovšem obvykle silně kontrastuje s jejich cenou. Proto jsem se po dohodě s firmou JCI tento modul pokusil navrhnout a sestavit sám.
4.2
Způsoby ošetření signálu
4.2.1 Výchozí návrh Vzhledem k potřebě hlubší znalosti elektrotechniky jsem na návrhu modulu spolupracoval se zaměstnanci firmy JCI, kteří mají v této oblasti větší zkušenosti. Z naší spolupráce vzešel návrh dělícího obvodu (obr. 4.4), který na svém výstupu zajišťuje signál o osminové frekvenci oproti vstupu. Jeho jádrem je integrovaný CMOS obvod. Jde o vysokorychlostní čtyřbitový binární čítač, který je v našem případě zapojen jako „dělička“ osmi. Obvod 74HCT93 je zapojen doporučeným způsobem podle [13]. Vedle integrovaného obvodu jsou zde zapojeny dva pomocné tranzistory. Jeden (na schématu vlevo) ve funkci tvarovače a druhý (vpravo) ve funkci spínače. Jak vyplývá ze vztahu (4), dělící poměr 1:8 byl stanoven tak, aby vstupní frekvence do regulátoru nepřesáhla mezních 25Hz (a to ani v nejméně příznivém případě pro fmax = 125Hz).
f výst =
f max 125 = = 15,63 Hz 8 8
(4)
Obvod jsem pro ověření jeho funkce nejprve otestoval v simulačním programu Multisim. Na osciloskopu na obr. 4.5 a) můžeme vidět průběh, který potvrdil správnou funkci tohoto zapojení. Obvod jsem pak podle uvedeného schématu zhotovil a připojil k průtokoměrům a regulátoru. Celý modul je tvořen osmi paralelními kanály pro průtokoměry šesti kotlů a dvou topných větví. Po připojení se ovšem ve funkci obvodu objevily velké nepřesnosti. Záznam z osciloskopu můžeme vidět na obr. 4.5 b) Oproti předpokládanému neměnnému dělícímu poměru 1:8 docházelo k jeho průběžnému kolísání.
41
Dělící obvod Obrátil jsem s tímto problémem na Ing. Zdeňka Němce, CSc., který je garantem předmětu Aplikovaná elektronika na našem ústavu. Z konzultace vyplynulo, že se za tímto neočekávaným chováním s největší pravděpodobností skrývá elektromagnetické rušení přítomné v rozvaděči. Skutečnost, že problém spočívá v rušení, naznačovala náhodnost změn dělícího poměru obvodu. Chyba v zapojení by se projevila konstantní chybou na výstupu.
Obr. 4.4 Schéma obvodu pro převod impulsního signálu (model pro simulaci)
Obr. 4.5 a) Průběh impulsů při simulaci
Obr. 4.5 b) Průběh impulsů z provozu
42
Dělící obvod Tento předpoklad následně potvrdilo nahrazení integrovaného CMOS obvodu 74HCT93 ekvivalentem 74LS93, který je vyroben technologií TTL. Rychlost a citlivost obvodu LS je oproti obvodu HCT nižší. To je ale v našem případě výhodou. Obvod 74LS93 vyšší frekvence nezpracuje a je tak vůči nežádoucímu elektromagnetickému rušení odolnější. Průběh výstupních impulsů s využitím obvodu LS byl v pořádku – v poměru 1:8 vůči vstupu. Při studiu zdrojů elektromagnetického rušení a způsobů jeho šíření jsem narazil na pěkný referát [14], který se touto problematikou zabývá. Doporučuji ho k nahlédnutí. Ing. Němec také navrhl jiné varianty zapojení, jejichž důsledkem měla být zvýšená spolehlivost funkce obvodu. Jednou z navržených variant se zabývá následující kapitola.
4.2.2 Varianta se Schmittovým invertorem Podobně jako u původně navržené varianty je posláním obvodu se Schmittovým invertorem ošetření signálu z průtokoměru v prostředí s elektromagnetickým rušením. Jde o obecné zapojení vhodné pro jakékoli čidlo s impulsním výstupem. V našem případě je současně uvažována potřeba převodu signálu. Jak je z názvu kapitoly zřejmé, je toto zapojení oproti výchozímu návrhu (kap. 4.1.1) rozšířeno o Schmittův klopný obvod (invertor). Tento obvod má dva stabilní stavy, které se mění skokem při průchodu vstupního signálu. Takto je například možné z analogového signálu získat signál logický [16]. Schmittův klopný obvod 74HC14 slouží jako tvarovač (a invertor). Eliminuje výskyt hazardních stavů během změny úrovně signálu pomocí svojí hysterezní převodní charakteristiky. Druhým prvkem, o který bylo původní zapojení obohaceno, je elektrolytický kondenzátor (2,2µF) zapojený mezi přívod signálu a zem. V kombinaci s příslušnými odpory (1kΩ) pracuje jako jednoduchý filtr typu dolní propust, potlačující jednak elektromagnetické rušení, jednak vícečetné změny při spínání kontaktů. Schéma zapojení tohoto obvodu je na obr. 4.6. Tento obvod jsem pro ověření jeho správné funkce sestavil na nepájivém kontaktním poli a odzkoušel v provozu. Snímek ze zkoušek je na obrázku 4.7. Zapojení se Schmittovým klopným obvodem bylo plně funkční, a to i s integrovaným obvodem 74HCT93, jehož výhoda oproti 74LS93 spočívá ve výrazně nižší potřebě příkonu.
Obr. 4.6 Zapojení se Schmittovým invertorem (model pro simulaci)
43
Dělící obvod
Obr. 4.7 Osmikanálový převodník impulsního signálu a testovací kontaktní pole s variantou se Schmittovým invertorem (při testování)
4.2.3
Zhodnocení
V současnosti je v kotelně převod signálu z jednotlivých průtokoměrů realizován osmikanálovým obvodem, který jsem zhotovil podle původního návrhu. Tento obvod plní svoji funkci korektně. Díky němu mají regulátory k dispozici aktuální hodnoty jednotlivých průtoků. Je ovšem třeba doplnit, že toto zapojení pracuje správně pouze s TTL obvodem 74LS93 a díky tomu není zcela univerzální. Pro možnost využití integrovaného CMOS obvodu 74HCT93 by bylo vhodné zapojení upravit dle kap. 4.2.2. Jde o univerzální zapojení vhodné pro převod signálu z jakéhokoli čidla s impulsním výstupem.
44
5
Vizualizace dat
Pro člověka je zrak nejdůležitějším smyslem, asi 80% všech informací vnímá právě jeho prostřednictvím [18]. Na základě zrakových vjemů si vytváří vlastní myšlenkové obrazy skutečnosti. Vizualizace slouží jako grafické rozhraní mezi člověkem (operátorem) a řízeným procesem. Díky vizualizaci si operátor vytváří konkrétní představu o situaci v provozu a může na ni pružně reagovat. Současné vývojové trendy hledají vhodnou míru rozdělení kompetencí mezi člověkem a strojem. Cílem je maximální využití schopností operátora i řídícího systému. Součástí vývoje řídících systémů je proto i pokrok v oblasti vizualizace. Následující dvě podkapitoly (5.1 a 5.2) jsou věnovány definici vizualizace, jejímu významu v rámci informačního a řídicího systému (dále IaŘS) a popisu SCADA/HMI systémů. Tento teoretický úvodu jsem sestavil na základě informací uvedených ve studijních podkladech k předmětu Vizualizace procesů [20], který je vyučován na Katedře automatizační techniky a řízení na VŠB-TU Ostrava. V dalších podkapitolách se věnuji popisu SCADA systému, který jsem použil pro tvorbu vizualizace kotelny na ulici Teyschlova a představuji výsledky svojí práce.
5.1
Vizualizace a její místo v řízení
Pojem vizualizace znamená zviditelňování. Zviditelňuje se nejčastěji to, co není pro člověka dobře pozorovatelné nebo vůbec viditelné. Vizualizace procesu znamená použití teoretických, technických, programových a komunikačních prostředků pro zviditelnění definovaných objektů týkajících se technologického procesu a jeho automatického řídicího systému s cílem podpory rozhodování a řízení v reálném čase. Při vizualizaci nejde jen o pouhé grafické zobrazení objektů, ale také o jejich definování a zpracování údajů, které s nimi souvisí. Grafika je uživatelským rozhraním mezi technologickým procesem, procesním řídicím systémem a člověkem, který zasahuje do řízení procesu. Člověk – operátor se na základě konkrétních vizuálních vstupů rozhoduje a zpětně ovládá regulovanou soustavu, výrobu, proces nebo technologii. S vývojem v oblasti IaŘS docházelo i ke změnám ve způsobu získávání operátorských informací o řízené technologii. Následující přehled ukazuje vývojové etapy vizualizace procesů: •
analogové specializované technické prostředky – zobrazovací, měřicí a registrační přístroje, světelná signalizace, operátorské panely, terminály a velíny
•
číslicové, specializované a uzavřené tech. prostředky bez vazeb na vyšší úrovně řízení
•
uzavřené programové prostředky jako součást komplexních IaŘS
•
otevřené a stupňovité systémy – standardní rozhraní a komponenty, možnosti distribuce a integrace
•
vzdálená vizualizace, technologie internetu a intranetu, terminálový přístup, PDA
Bylo by chybné domnívat se, že následující etapa vždy tu předchozí překonala a nahradila. Předchozí etapy nezanikly a velmi často plní svoji funkci i v současných, moderních IaŘS. Bez analogových specializovaných technických prostředků si lze provoz většího zařízení jen těžko představit. Zamysleme se nad případem, kdy dojde k havárii zařízení. Moderní řídící systém je vystaven zvýšeným datovým tokům a doba odezvy se zvyšuje. Operátor se musí zorientovat ve velkém počtu alarmových a chybových hlášení, které na stanici přichází a s příčinou poruchy přitom mnohdy souvisí jen druhotně. Operátorský panel oproti tomu okamžitě odhaluje konkrétní problém, a to naprosto přehledným způsobem, bez rizika zhroucení operačního systému. Jedná se tedy o chronologii vizualizačních prostředků, kdy nové technické možnosti obohacují a rozšiřují původní řešení.
45
Vizualizace dat Vzhledem k předchozímu je vhodné vizualizaci rozdělit na hardwarovou a softwarovou: •
Hardwarovou vizualizací se myslí především mechanické operátorské panely. Bývají umístěny do rozváděčů nebo ovládacích skříní v blízkosti sledované a řízené technologie.
•
Softwarovou vizualizací se myslí grafické znázornění a ovládání technologických procesů. Zpravidla je tvořena dvojicí programů – vývojová aplikace a vlastní vizualizační nástroj. Programy jsou součástí softwaru PC, který slouží jako operátorská pracovní stanice. Obecně všechny tyto programy umožňují vedle sledování a řízení technologického procesu také zpracovávat vstupní data, vytvářet trendy nebo spolupracovat s SQL databázemi.
Současné modely průmyslových informačních a řídicích systémů - IaŘS jsou převážně hierarchické (pyramidové) s prvky fyzické a logické distribuce, integrace jako celku, otevřené a stupňovatelné (scalable). Poznamenejme ovšem, že vývojové trendy naznačují posun od hierarchických vztahů k síťovým a lze očekávat, že tyto tendence budou celkovou koncepci IaŘS do budoucna ovlivňovat. Jednotliví světoví výrobci automatizace navrhují svoje vlastní modely, které jsou přizpůsobeny jejich zaměření a výrobě. Pyramidová hierarchie IaŘS na obr 5.1 je jedna z variant pojetí IaŘS. Definuje následující nadřazené (rozhodovací) úrovně: •
SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition
•
MES – Manufacturing Execution System
•
ERP/MRP – Enterprise Resource Planing/ Manufacturing Resource Planning
Obr. 5.1 Pyramidové uspořádání IaŘS Jádrem veškerých informačních aktivit je přímé řízení technologie v reálném čase. Přímé automatické řízení tvoří základnu pyramidy, která v sobě zahrnuje provozní úroveň pole a automatizační úroveň (viz obr. 2.6). Nejbližší vyšší vrstvou je úroveň supervisního řízení a sběru dat. Na této úrovni – označované SCADA/HMI je technologie bezprostředně sledována a řízena. Její nadřízená úroveň – MES slouží pro sledování a záznam historických dat, modelování a hlubší
46
Vizualizace dat analýzy. Cílem je zpřístupnit vedení podniku skutečné údaje o technologickém procesu pro výrobní a řídicí účely. Nejvyšší úrovní v systému je MRP, což je manažerský IS pro řízení podniku jako obchodní organizace. MES jsou pak spojovacím článkem mezi managementem a automatizovaným řídicím systémem. Díky MES se rovněž zlepšují služby zákazníkům, protože umožňuje změny konfigurace procesu. Rozdělení na obr. 5.1 je pouze orientační. V praxi obvykle není stanovena ostrá hranice mezi jednotlivými úrovněmi. Často se překrývají nebo některá není zavedena vůbec. Pro souvislost s kapitolou 2.2.1 (obr. 2.6) upřesněme, že systém SCADA tvoří úroveň řízení a správy dat. Naše úloha – vizualizace konkrétního technologického procesu (kotelny) – spadá právě do této úrovně a je tedy součástí systému SCADA/HMI. Další nadřazené úrovně (MES a MRP) již obr. 2.6 přesahují a nevztahují se ani k tématu diplomové práce. V dalším se tedy zaměříme především na systém SCADA.
5.2
Systémy SCADA/HMI
Jak už bylo uvedeno výše SCADA je systém pro sběr dat a dohled nad řízeným objektem. Jeho posláním je zajištění rychlého a efektivního řízení, sběru dat a vizualizace technologického procesu, přičemž pokročilé rozhraní SCADA/HMI může znamenat to, že obsluha (operátor) nemusí být znalá problematiky a přitom může efektivně realizovat monitorovací, kontrolní a ovládací funkce. Konkrétně lze funkci systému SCADA/HMI z pohledu konečných uživatelů vymezit následovně: • ulehčení orientace v řídicím procesu • systém pomocné vizualizace (animované pohledy) podle reálné struktury a stav procesu • zobrazení procesních informací v reálném čase pro operativní sledování a monitorování • možnost ovládání (dálkového řízení, supervisního řízení) - pro zadání nového požadovaného stavu technických prvků, pro zasahování do řídicího procesu v případě mimořádných nepředvídatelných událostí, nastavení provozních a havarijních mezních hodnot a jejich přenos na procesní stanice, ruční ovládání akčních členů, přestavování parametrů regulačních obvodů, řízení sekvenčních procesů • evidence povelů, možnost zadání hesla, diagnostika zařízení podle periodického programu nebo podle speciálních požadavků • správa hlášení přicházejících z procesu a procesních stanic, tj. signalizace vzniku výstrahy a alarmu, potvrzení stavu hlášení,možnost jejich třídění podle závažnosti a možnost přiřazení různých typů zvukových signalizací, archivace a dokumentace této činnosti • zobrazování a správa trendů procesních veličin, zejména ve tvaru časových průběhů • logování – záznam procesních hlášení a zpráv o stavu řízeného procesu, tj. archivace naměřených hodnot, stavů a událostí s možností využití pro další zpracování databázovými systémy • zobrazení statistických informací pro monitorování a řízení kvality procesu • možnost spojení do sítí LAN, WAN po různých přenosových médiích (jednotná telefonní síť, systém GSM, rádiové sítě, družicový přenos aj.)
47
Vizualizace dat Uspořádání všech ovládacích prvků, obrazovek, alarmových hlášení apod. by mělo být takové, aby komunikace se systémem byla co nejjednodušší a nejlogičtější.
Obr. 5.2 Základní schéma operátorského řízení procesů pomocí SCADA/HMI Aplikace vizualizačního systému na konkrétní technologický proces vyžaduje zásadní systémové řešení. Podle [21] je nutné před započetím projekčních prací promyslet situaci především z těchto hledisek: • Jak velká část technologie má být vizualizována? • Je možno ekonomicky doložit přínos aplikace vizualizačního systému? • Je možno definovat parametry technologie, se kterými bude vizualizační systém pracovat, které bude archivovat a dále používat? • Je k dispozici dostatek kvalifikovaných pracovníků pro obsluhu vizualizačního systému, případně jsme schopni je přijmout? • Je ochota ke změně zaběhnutého systému výroby?
48
Vizualizace dat Po analýze požadavků a splnění výše uvedených předpokladů můžeme přistoupit k volbě vizualizačního systému a začít s jeho aplikací pro danou technologii. Jak již bylo zmíněno, řídící systém kotelny Teyschlova realizovala firma Johnson Controls Int. Proto byl k operátorskému řízení využit její SCADA systém s názvem Pracovní stanice M5.
5.3
Pracovní stanice M5
Pracovní stanice M5 zpracovává komplexním způsobem informace v síti. Je to uživatelské ovládací centrum řídící různě rozsáhlé a náročné systémy pro správu budov a technologických procesů. Mezi základní vlastnosti stanice patří: •
Architektura založená na standardech
•
Volitelnost operačního systému pracovní stanice
•
Grafické uživatelské rozhraní
•
Shodné rozhraní integrovaných systémů
•
Dynamická barevná grafika
•
Obsáhlý sběr, ukládání a analýza trendových dat
•
Přehledná okna, přehledy a zprávy
•
Moderní správa alarmů
Pracovní stanici M5 je možné začlenit do systému Metasys (systém pro správu technického zařízení budovy, viz. 2.2.1) pomocí různých variant připojení. Standardem je komunikace přes lokální síť LAN, na bázi Ethernet TCP/IP. Vzdálené spojení je realizováno přes pevné nebo komutované linky používající standardní rozhraní RS-232. Každá síť Metasys může sdružovat několik pracovních stanic M5, které přistupují k informacím současně. Pracovní stanice M5 pracuje na standardním PC s operačním systémem Microsoft Windows, umožňuje tedy připojení všech běžných periferií. Jedná se zejména o monitor potřebných rozměrů, alarmové a událostní tiskárny, sms terminál apod. SCADA systém M5 je balíkem dynamicky propojených programových modulů, jejichž součinnost zajišťuje komplexní úlohu operátorské pracovní stanice. Základní moduly jsou uvedeny v následujících podkapitolách.
5.3.1 Síťový prohlížeč Funkci síťového prohlížeče plní v OWS programový modul M-Explorer (obr. 5.3). Tento navigační nástroj poskytuje přehlednou orientaci v systému Metasys. Zobrazuje hierarchii řídícího systému a umožňuje dohled nad provozními podmínkami celé technologie. M-Explorer je tvořen vícepanelovými pracovními okny. Hlavní navigační panel se stromovou strukturou umožňuje uživatelům zvětšit a zmenšit zobrazení hierarchie systému. Hierarchie je reprezentována větvemi a jednotlivými položkami, které vyjadřují vyšší úroveň detailů systému, jako jsou servery, sítě, lokality, podlaží, regulátory, objekty, skupiny a aplikace. Přidružený detailní panel zobrazuje podrobněji obsah zvolené položky stromové struktury. Pro aktivnější pomoc při identifikování problémových oblastí poskytuje M-Explorer dynamické barevné kódování v reálném čase pro indikaci stavu objektů.
49
Vizualizace dat
Obr. 5.3 Okno aplikace M-Explorer
5.3.2 Grafika Vizualizaci řízené technologie zabezpečuje programový modul M-Graphics. Právě s jeho využitím jsem zpracoval vizualizaci kotelny na ulici Teyschlova. Následující popis tohoto produktu je proto poněkud podrobnější. Pomocí dynamické barevné grafiky M-Graphics prochází operátor budovami, podlažími, technologickými celky apod. Po zhodnocení situace, v níž se nachází celý technologický proces nebo dílčí zařízení, je možné prostřednictvím tohoto nástroje vydat potřebné povely k odstranění vzniklého problému a uvést tak systém do optimálního provozního stavu. Na obr. 5.4 je ukázka titulní strany vizualizace kotelny Teyschlova.
50
Vizualizace dat
Obr. 5.4 M-Graphics - titulní strana pro kotelnu Teyschlova (režim runtime)
Vlastnosti programového modulu M-Graphics: •
Podpora sdílení dat OLE - Přístup k datům přes OPC datové servery, standardní rozhraní s otevřenou architekturou
•
ActiveX - Univerzální standard pro sdílení a integraci dat. Umožňuje spouštění dalších aplikací a zobrazit a importovat ovládací prvky ActiveX.
•
Rozsáhlá knihovna předdefinovaných symbolů (obr.5.5) - komponenty, dílčí uzly a kompletní technologické celky
•
Dynamické animované nákresy - přehledné zobrazení provozních podmínek
•
Kompletní on-line editor - umožňuje provádět rychlé změny za provozu
•
Vícenásobné zoomování libovolné části – detailní zobrazení pro podrobnou analýzu
•
Mnohostranné importovací funkce - možnost použití různých formátů a aplikací při tvorbě grafiky
Z těchto vlastností je patrná celková otevřenost aplikace M-Grapihcs. Její výkon lze zvýšit spuštěním oblíbených softwarových aplikací jiných výrobců, jako jsou tabulkové kalkulátory pro výpočet spotřeby energie, textové procesory pro psaní zprávy o efektivnosti, aplikace Visual Basic® pro spuštění uživatelské regulační strategie a řada dalších. Vysoké rozlišení umožňuje také presentaci digitálních fotografií, plánů objektů, schémat apod. 51
Vizualizace dat Jak je z předchozího zřejmé, M-Graphics pracuje ve dvou režimech: •
Konfigurační – grafický editor pro tvorbu a průběžnou úpravu animovaných nákresů a jejich dynamizaci
•
Runtime – on-line prohlížeč využívající hotovou vizualizaci, pro dohled nad řízenou technologií
Tvorba nákresů a dynamizace zobrazení M-Graphics znázorňuje technologii pomocí dynamických obrazových prvků. Tvorba těchto prvků a jejich sestavování do nákresů probíhá v grafickém editoru (v konfiguračním režimu). Pro jejich tvorbu jsou zde implementovány standardní fukce: •
Kreslení pomocí čar, lomených čar, obdélníků/čtverců, elips/kružnic a oblouků s možností použití různých barev, typů a šířek čar.
•
Nástroje pro vkládání textů s možností použití různých barev, stínování, vzorů, druhů, velikostí a řezů písma.
•
Kompletní barevnou paletu s možností vzorkování barev.
•
Zarovnávání, uspořádání a seskupování grafických objektů.
•
Import souborů *.BMP (rastrové obrazy) a *.WMF (Windows Metafile).
•
Předlohy (šablony) pro snadnější používání standardních formátů a mnoho dalších funkcí.
Pozadí a statické části technologií lze tedy snadno nakreslit, naskenovat nebo importovat z jiných grafických formátů. Efektivnější je ale využití hotových bloků, které jsou pro obvyklé technologie k dispozici v knihovně předdefinovaných symbolů (obr. 5.5). Hotový nákres je třeba dynamizovat. Pod pojmem dynamizace se myslí vytváření vazeb mezi grafickými objekty a zdroji dat. Jde o „oživení“ celé grafiky, v jejímž důsledku pracují jednotlivé aktivní prvky na obrazovce v závislosti na skutečných signálech a podmínkách v řízené technologii. Protože M-Graphics je aplikace pracující s OPC, je možné vyhledávat a volit příslušné objekty a potřebné informační body z různých systémů, subsystémů a OPC serverů. Uživatel vybírá, který atribut ze kterého objektu na jakém OPC serveru chce spojit s grafickými objekty v grafickém souboru (obr. 5.6). Počet propojení s grafickým objektem je neomezený a všechny zdroje dat jsou přípustné.
52
Vizualizace dat
Obr. 5.5 Knihovna předdefinovaných symbolů
Obr. 5.6 Seznam OPC objektů a jejich atributů pro vazbu s grafickými prvky
53
Vizualizace dat M-Graphics disponuje různými způsoby animace dynamizovaného nákresu: •
Změna velikosti objektů – např. výška hladiny v nádrži nebo výška sloupce sloupcového grafu.
•
Změna umístění objektů – např. pohyb ukazatelů, pohyb médií v potrubí nebo pohyb ventilů a šoupátek.
•
Otáčení objektů – např. dveře, klapky, ručičky měřících přístrojů.
•
Skrytí určitých grafických objektů – např. speciálních zpráv nebo varovných textů, v závislosti na daných logických podmínkách.
•
Změna barvy nebo barevného odstínu (po stupních nebo plynulým mícháním barev), například podle teploty místnosti nebo teploty média.
•
Blikání některých objektů (rozsvěcení a zhasínání nebo střídání dvou barev) pro znázornění poplachového stavu.
•
Volba zobrazení určitého objektu ze skupiny - podle určitých zadaných podmínek (např. spotřebič s maximálním odběrem)
•
Animace provozu objektů - jako například otáčení čerpadel, ventilátorů, nastavování klapek, průtoku kapalin, zvlhčování apod.
•
Zvětšení libovolné části obrazu (plynule nebo skokově).
Dále může být jakékoliv schéma rozšířeno přidáním ovládacích tlačítek, výběrových políček, otočných nebo posuvných ovladačů. Reálné hodnoty lze získávat z libovolného počtu OPC serverů, zobrazené hodnoty pak příkladně jako výsledek výpočtů. Ty mohou probíhat na základě operátorem definovaných výrazů, pro které jsou k dispozici aritmetické, relační, logické a bitové operátory nebo funkce.
Obr. 5.7 Příklad dynamizace – přiřazení „akce“ konkrétnímu ovládacímu prvku
54
Vizualizace dat Možnosti programového modulu M-Graphics jsou poměrně široké a při tvorbě grafiky je velký prostor pro vlastní nápad a kreativitu uživatele. Není ovšem příliš vhodné výrazně experimentovat s rozdělením plochy obrazovky, barvami, animacemi, syntaxí popisů apod. Určitým vodítkem při tvorbě grafického rozhraní může být norma ČSN EN 60073 [22]. Podstatnější je však dle mého názoru respektovat místní standardy a požadavky. Vždy je třeba myslet na účel, pro který vizualizace vzniká a brát ohled na obsluhu operátorské pracovní stanice. Pokud je obsluha velínu zvyklá například na to, že je přehřátí prostoru signalizováno zobrazením teploměru, je vhodné tento prvek převzít i pro další prostory v objektu, přestože to neodpovídá normě. Operátor nesmí být informován o jednom typu poruchy dvojím způsobem. Ani celková náhrada původní způsobu signalizace není obvykle vhodná. Rozhraní je pro operátora méně přehledné a srozumitelné Bude mu trvat delší dobu, než si zvykne na jeho grafiku a osvojí si znalost jeho obsluhy. Důsledkem může být snížená efektivita práce obsluhy nebo v horším případě její selhání v kritické situaci. Proto by měl být výsledný produkt vždy snadno ovladatelný a pochopitelný, šitý na míru koncovému uživateli.
5.3.3 Trendy Sběr a archivaci trendových dat řídí M-Historian a umožňuje jejich prezentaci v návazné softwarové komponentě M-Trend (obr. 5.8). M-Historian podporuje jako trendový server několik softwarových databázových balíků a umožňuje aplikaci M-Trend prohlížet a analyzovat historické provozní charakteristiky automatizačního systému budovy nebo technologie. Archivovaná trendová data mohou být aplikací M-Trend zobrazena v grafickém nebo tabulkovém formátu, což umožňuje současně zobrazovat jakékoliv kombinace hodnot bodů. M-Historian a M-Trend umožňují efektivní analýzu provozu z hlediska optimalizace spotřeby energie, diagnostiku potencionálních problémů dříve než nastanou a snižují náklady na údržbu a odstávky.
Obr. 5.8 Grafické zobrazení M-Trendu
55
Vizualizace dat 5.3.4 Alarmy Programový modul stanice M5, který zajišťuje hlášení a správu alarmů, se nazývá M-Alarm. Jeho potřeba plyne z faktu, že ne všechny události, které vedou k vyhlášení alarmu, vyžadují stejnou pozornost. Určité typy alarmů jsou také často důležité jen pro určité operátory apod. Alarmy jsou v této aplikaci rozděleny do dvou obrazovek: •
Aktivní alarmy – alarmy, které jsou právě teď aktivní a trvají.
•
Historie alarmů – databáze s historií alarmových hlášení
Pro historická hlášení lze volit ze dvou pohledů. Datová verze nabízí textový pohled ve sloupcovém formátu v buď detailním nebo stručném formátu. Grafická verze nabízí pohled ve tvaru sloupcového nebo kruhového diagramu. Ukazuje, kolik alarmů každého typu je průběžně archivováno. Tyto grafické pohledy jsou užitečné pro rozhodování, které oblasti zařízení nepracují při optimálních podmínkách. M-Alarm je podobně jako M-Explorer vybaven dynamickým barevným kódováním pro snazší identifikaci významných událostí.
5.3.5 Ostatní komponenty pracovní stanice Výše uvedený přehled základních funkcí pracovní stanice a komponent, které tyto funkce vykonávají, je zpracován s ohledem na jejich význam při tvorbě vizualizace. Součásti softwarového balíku M5 jsou však ještě další programové moduly. Některé jsou nedílnou součástí M5 a jsou nezbytné pro její funkci, jiné dále rozšiřují možnosti řízení a správy dané technologie. Rozsah vybavení pracovní stanice záleží výhradně na volbě uživatele. Zde je výčet komponent, které nebyly zmíněny: •
M-Authorize – pro ověřování uživatelských práv k využívání softwaru M5
•
M-Collector – podpůrná komponenta pro sběr historických dat
•
M-Password – pro stanovení úrovní přístupových práv
•
BACnet OPC Server – OPC server pro Ethernet používající protokol BACnet
Bližší seznámení s pracovní stanicí M5 a dalšími souvisejícími produkty je možné na stránkách firmy JCI [8].
5.4
Vizualizace kotelny
Jak už bylo uvedeno, pro zpracování vizualizace kotelny jsem využil program M-Graphics (kap. 5.3.2). Celou technologii i s měřením provozních veličin jsem rozdělil do čtyř obrazovek, které již v současné době plní svoji úlohu na centrálním dispečerském pracovišti společnosti TEZA Brno a.s. Při návrhu grafického rozhraní pro kotelnu na ulici Teyschlova jsem vycházel z obvyklého způsobu vizualizace jiných kotelen a při dynamizaci jsem zohlednil standardní způsoby animací jednotlivých provozních stavů. Důvod spočíval v zachování jednotného způsobu vizualizace pro celý dohlížecí systém. Respektování zaběhlého způsob signalizace provozních veličin a stavů a zohlednění požadavků obsluhy je při tvorbě vizualizace vhodné obecně (viz komentář v kap. 5.3.2 na konci). V maximální míře jsem chtěl také využít možnosti M-Graphics a proto jsem většinu běžně používaných objektů upravil nebo zpracoval zcela nově. 56
Vizualizace dat V této kapitole se věnuji popisu vytvořených obrazovek a základnímu seznámení s jejich používáním. Program M-Graphics je na všech dále uvedených obrázcích v režimu runtime.
5.4.1 Rozvržení obrazovky Výchozí rozvržení, které je společné všem obrazovkám (s výjimkou vstupní, viz obr.5.4) má jednoduchou koncepci dle obr. 5.9. Údaje jsou rozděleny do menších skupin, kde je každá skupina prezentována vlastním oknem nebo oblastí.
Obr. 5.9 Výchozí rozvržení obrazovky V horní části se nachází standardní panel nástrojů aplikace M-Graphics (s možností volby konfiguračního režimu). Pod ním je nadpisová část nákresu (1) s aktuálním časem a dynamickými odkazy na webové stránky zainteresovaných společností. Prázdné pole uprostřed je připraveno pro název zobrazené technologie. Vlevo od nadpisové části je trojice ikon (2) v pořadí legenda, zpět a domů. Legenda slouží k orientaci v barevném značení potrubí (viz obr. 5.10). Tlačítka zpět a domů slouží k navigaci a jejich funkce je obvyklá. Vpravo od nadpisové části je umístěna trojice tlačítek pro snadný přechod mezi jednotlivými obrazovkami (3). Oblast (4) je vyhrazena pro dialogové okno, k jehož otevření dochází při ovládacích operacích (např. zapínání, vypínání nebo blokování jednotlivých zařízení). Důraz se klade na nejdůležitější informace. Uživatel musí být vždy informován o závažných poruchách (5). V části (6) jsou pak umístěny ovládací prvky vztahující se ke kotelně jako celku.
57
Vizualizace dat
Obr. 5.10 Legenda
5.4.2 Technologie kotelny Celou technologii kotelny jsem rozdělil do 2 obrazovek. Jedna nabízí pohled do plynové části kotelny a druhá zobrazuje biomasovou část a strojovnu. Toto rozdělení jsem volil vzhledem k množství zobrazovaných informací o zmíněných částech kotelny a odpovídá také poloze jednotlivých bloků v rámci budovy. Kliknutím na tlačítko (vpravo nahoře) zobrazíme technologii Kotelny I, tedy kaskádu čtyř plynových kotlů (obr. 5.11). Vizualizovány jsou všechny provozní veličiny kotlů a jejich stavy. Signalizace poruch je zde rozšířena o alarmové stavy, týkající se zobrazené technologie (záložka Signalizace poruch). V dolní části je zobrazeno přívodní potrubí s vyrovnávacím a doplňovacím zařízením a měřením tlaku systému. Po kliknutí na tlačítko se zobrazí Kotelna II, kde jsou umístěny biomasové kotle se skladem paliva a strojovna tvořená soustavou sběračů a rozdělovačů.
5.4.3 Signalizace stavů Operátor by měl jasným způsobem porozumět veškerým informacím, které mu grafické rozhraní poskytuje. Nejedná se jen o znalost technologie, ale především o pochopení animací, které mu signalizují určité stavy daného zařízení. Očekává se také, že bude vědět, jak se v jednotlivých případech zachovat. Prvním atributem každého objektu na obrazovce je jeho barva. Barvy jsou pro kódování informace velmi důležité. Bez většího úsilí je možné chápat nejvýše čtyři až pět barev. Barva signalizující určitý stav by už neměla být použita k dalším účelu. Přehled signalizovaných stavů a jim odpovídajících barev, které jsem při tvorbě vizualizace použil, je v tab. 5.1.
58
Vizualizace dat
Barva
Závažnost situace
Stav zařízení
Červená
Alarm
Porucha
Žlutá
Varovaní
Přepnutí na ruční provoz
Šedá
Varovaní
Výpadek komunikace
Zelená
Normální
Chod
Požadavky na operátora Okamžitá reakce, řešení problému Zjistit příčinu přepnutí, dále sledovat Kontrola zařízení a jeho připojení Žádné
Tab. 5.1 Barevné kódování základních provozních stavů Další informaci o zařízení poskytuje animace jeho provozu. V našich obrazovkách se to týká zejména plynových kotlových jednotek. Jejich chod je animován rotačním pohybem hořáku, pohyblivým plamenem a animací zbytkových spalin. U kotlů se spalinovým výměníkem dojde ke změně barvy jeho potrubí. Vedle kotlů je animováno také nastavení uzavíracích klapek na výstupních větvích kotlů a rotační pohyb ventilátorů ve skladě paliva. Animace slouží pro věrnější ilustraci stavu zařízení a lepší představu obsluhy. Jde ale spíše o doplňkový způsob informování. Pohybu na obrazovkách je třeba využívat ve vhodné míře, aby nepřehlušil podstatná hlášení a varování.
Obr. 5.11 Vizualizace plynové části kotelny
59
Vizualizace dat 5.4.4 Zobrazení veličin Nedílnou součástí vizualizace technologického procesu je i presentace měřených provozních veličin. V obrazovkách s technologií kotelny na ulici Teyschlova vystupují následující veličiny: Veličina
Ukázka s jednotkou
Teplota Tlak Otáčky Vlhkost Výška hladiny
Tab. 5.2 Vizualizované veličiny a jejich barevné odlišení Pro lepší orientaci v nákresu jsem jednotlivé veličiny barevně odlišil. K čemu se která veličina vztahuje je patrné z jejího umístění, popř. naznačeno symbolem či jednoduchou čárou. U některých veličin je zobrazena i jejich žádaná hodnota. Pro její odlišení jsem volil růžovou barvu pozadí. Dalším prvkem v zobrazení důležitých provozních veličin je signalizace překročení rozsahu definovaných hodnot. Tato funkce je realizovaná zobrazením výstražné zprávy nad příslušnou veličinou a červeným blikáním jejího pozadí. Signalizace překročení rozsahu je zavedena pro hodnotu tlaku systému a výšku hladiny v doplňovací nádrži. Na poslední obrazovce (otevře se kliknutím na tlačítko ) je přehledová tabulka (obr. 5.12), kde jsem shrnul průtoky, vstupní a výstupní teploty a vyrobené teplo jednotlivých tepelných zdrojů a topných větví.
Obr. 5.12 Tabulka s veličinami z obrazovky MĚŘENÍ
60
Vizualizace dat
5.4.5 Ovládací funkce Pro možnost vydat potřebné povely pro řízení kotelny jsou na obrazovkách umístěna v oblasti Ovládání modrá tlačítka (6 na obr. 5.9). Tyto ovládací prvky slouží k řízení kotelny jako celku. Umožňují blokovat provoz kotelny nebo stanovit pořadí kotlů, v němž mají být uváděny do provozu. Postup pro stanovení pořadí kotlů je znázorněn na obr. 5.13. Po kliknutí na tlačítko se otevře dialogové okno, kde se provede konkrétní volba. Další ovládací tlačítka jsou rozmístěna po nákresu v blízkosti zařízení, k nimž se vztahují. Například u plynových kotlů je po klinutí na horní (resp. dolní) tlačítko možné zvolit automatický režim chodu kotle nebo jeho blokování (resp. kotel uvést do chodu nebo ho odstavit). Stejným způsobem je možné ovládat ventily na jednotlivých větvích.
Obr. 5.13 Ovládání pořadí kotlů S veškerými ovládací prvky je třeba pracovat uvážlivě. Jednoduchý způsob vydávání povelů může svádět obsluhu k nešetrnému jednání s řízenou technologií. Proto je důležité, aby byl operátor dobře seznámen s dopady řídících povelů na jednotlivá zařízení a znal celý technologický proces. 5.5
Vizualizace na Internetu
V úvodu této kapitoly bych rád zdůraznil, že vizualizace kotelny na ulici Teyschlova byla vytvořena pro operátorskou pracovní stanici OWS, umístěnou na dispečerském pracovišti společnosti (DŘZ) TEZA a.s. Jde o centrální pracoviště vnitřní sítě, která zahrnuje všechny tepelné zdroje spravované touto společností. Vzhledem k vysokým bezpečnostním nárokům spojeným se správou takto rozsáhlé soustavy tepelných zdrojů se nepočítá se zpřístupněním vizualizace na internetu. Bezpečnostní rizika spojená s napojením vnitřní sítě společnosti na Internet jsou v krátkosti popsána v následující podkapitole. Technické vybavení dispečerského pracoviště ovšem připojení k internetu umožňuje a je i příležitostně využíváno, např. pro aktualizace programů. Požádal jsem tedy zmocněného pracovníka společnosti o přístup k operátorské pracovní stanici přes Internet na přechodnou dobu, za účelem presentace výsledků diplomové práce. Zpřístupnění stanice mi bylo přislíbeno a po dohodě se svým vedoucím byl tento bod – zviditelnění regulace na Internetu – zařazen do zadání. Cílem je tedy umožnit atraktivní a reálný způsob presentace grafického rozhraní, které jsem v rámci diplomového projektu zpracoval. Spojení se stanicí OWS bude realizováno prostřednictvím funkce Vzdálená plocha.
61
Vizualizace dat 5.5.1 Bezpečnostní rizika V důsledku neoprávněných zásahů do systému Metasys prostřednictvím Internetu by mohlo dojít k narušení správného průběhu regulačních pochodů a v krajním případě i ke škodě na zařízení procesu. Vyloučení vlivu těchto zásahů by mělo být zajištěno na nejnižší úrovní řízení, což je v našem případě úroveň regulátorů DX-9120. I v případě zásahu, který by nevedl k poškození zařízení však může dojít například k nevhodnému nastavení žádané teploty nebo k blokování důležité technologie. Existují možnosti, jak neoprávněným přístupům v co nejvyšší míře předcházet. Lze například omezit přístup k systému přes Internet na pouhé sledování procesu bez možnosti do něj jakýmkoliv způsobem zasahovat nebo zavést systém hesel omezujících přístupová práva. Systém už je ale k Internetu připojen a absolutní jistotu, že k narušení jeho bezpečnosti nedojde, mít nemůžeme. Možnost monitorování a řízení sítě tepelných zdrojů prostřednictvím internetu není v současnosti pro společnost takovým přínosem, aby zmíněná bezpečnostní rizika podstoupila.
5.5.2 Vzdálená plocha Jedná se o službu, pro jejíž využívání není třeba instalovat žádný speciální software. Je součástí operačního systému Windows® XP. Funkce Vzdálená plocha (obr. 5.14) umožňuje vzdálené řízení počítače z jiného místa. Díky této funkci je možné používat data, aplikace a síťové prostředky vzdáleného počítače. Oba počítače musí být samozřejmě součástí jedné sítě.
Obr. 5.14 Nástroj „Vdálená plocha“ pro navázání spojení se vzdáleným počítačem
Podle [25] je nutné k používání funkce Vzdálená plocha následující vybavení: •
Systém Windows XP Professional nainstalovaný v počítači, s nímž se chystáme vzdáleně pracovat. Počítač je označován jako hostitel.
•
Vzdálený počítač se spuštěným systémem Windows 95 nebo novější verzí. Tento počítač je označován jako klient a musí v něm být nainstalován klientský software pro připojení ke vzdálené ploše (ten je součástí pouze verze XP).
•
Připojení k Internetu. Širokopásmové připojení k Internetu zlepšuje výkon, není však nezbytné, protože při používání funkce Vzdálená plocha je přenášeno jen minimální množství dat (například data zobrazení a klávesnice), která umožňují vzdáleně řídit hostitelský počítač. Vzdálené řízení je proto možné také při připojení k Internetu využívajícím malé šířky pásma. 62
Vizualizace dat Pro spuštění relace je nutné na hostitelském PC povolit připojení vzdálených uživatelů (obr. 5.15). Hostitel je již k dispozici a spojení je realizováno spuštěním Připojení ke vzdálené ploše (Start/Všechny programy/Příslušenství/Komunikace/Připojení ke vzdálené ploše) na straně klienta. V okně Připojení ke vzdálené ploše je třeba vyplnit IP adresu hostitele a následně uživatelské jméno a heslo.
Obr. 5.15 Povolení připojení vzdálených uživatelů k hostitelskému počítači
Vzdálená plocha je poměrně jednoduchá a efektivní možnost, jak zpřístupnit grafické rozhraní operátorské pracovní stanice internetovému prohlížeči. Vzhledem k faktu, že bude OWS připojena k Internetu jen po omezenou dobu a software potřebný pro spuštění relace je součástí operačního systému, je pro naši potřebu tento způsob presentace velmi vhodný.
63
Vizualizace dat
64
6
Zhodnocení výsledků práce
V předložené práci popisuji kompletní řešení kaskádního řízení většího množství tepelných zdrojů a vizualizaci technologie sídlištní kotelny. Úvodní kapitola je věnována seznámení s kotelnou na ulici Teyschlova, jež je předmětem zadání diplomové práce a místem, kde jsem všechny svoje návrhy testoval a aplikoval. Představeno je zde její strojně-technologické vybavení a její úloha v rámci CZT (centrální zásobování teplem). Ústředním bodem celé kapitoly je současný stav regulace kotelny. Jedná se o měření velkého množství provozních veličin, řízení kotlů, ale také regulaci všech souvisejících zařízení (např. vzduchotechnické jednotky nebo VDZ). Jsou zde zmíněny základní rysy a vlastnosti systému Metasys, který řízení kotelny zajišťuje a popsány nasazené prostředky automatického řízení. Dále jsou zde představeny jednotlivé tepelné zdroje a jejich regulace. Podstatnou část práce (3. kapitola) tvoří popis mého řešení spolupráce většího počtu tepelných zdrojů různého typu v rámci jedné technologie – kotelny. V kotelně jsou instalovány čtyři plynové kotle a dva kotle na spalování biomasy. Součástí 3. kapitoly je stručný úvod do problematiky formou základních pojmů souvisejících s kaskádním řízením a jsou zde také uvedeny výchozí požadavky zadavatele. S ohledem na tyto požadavky a diagram trvání potřeby tepla (sestaven projektantem technologické části) jsem slovně definoval předpokládanou součinnost kotlů. Následuje seznámení s obvyklým způsobem realizace kaskádního řízení - čistě pomocí funkčních modulů regulátoru DX-9120, které ovšem pro velký rozsah úlohy nebylo možné použít. Předkládám zde tedy vhodnější koncepci, kterou jsem pro kaskádního řízení kotlů navrhl. Rozhodování o počtu kotlových jednotek, které mají být uvedeny do provozu jsem přesunul do nadřazené úrovně řízení – vykonává ho program běžící v síťové řídící jednotce NCU. Tento program jsem napsal v jazyku JC-Basic. Ostatní úkoly související s kaskádním řízením (stanovení pořadí kotlů, hystereze při spínání,…) zůstávají dál na regulátorech v provozní úrovni. Úkol byl tímto úspěšně vyřešen a popsaná koncepce byla aplikována v kotelně, projevila se jako plně funkční a v současnosti spolehlivě zajišťuje kaskádní řízení kotlů. Výhoda tohoto řešení je v jeho efektivitě. Změny v programu regulátoru se realizují přímým propojením notebooku a nahráním (upload) jeho upravené verze. Dobře čitelný program JC-Basic je oproti tomu snadno modifikovatelný přímo z operátorské pracovní stanice OWS. Pro kaskádní řízení nebyla tato koncepce firmou Johnson Controls Int. doposud jinde využita. Možnost úpravy programu ze stanice OWS pro jeho postupnou optimalizaci a přizpůsobování provozním podmínkám byla proto velkou výhodou. Další přednost řešení spočívá v úspoře regulátorů DX, jejichž počet by bylo jinak nezbytné zvýšit. Kapitola 4 se zabývá problémem se získáváním okamžité hodnoty průtoku, který nastal v průběhu práce na diplomovém projektu. Pro možnost zpracovávat impulsní signál z průtokoměrů jsem navrhl a zhotovil dělící obvod. Tento obvod zajišťuje převod frekvence impulsního signálu na přijatelnou hodnotu a je výhodným a spolehlivě fungujícím řešením tohoto problému. Jde o obecné zapojení použitelné pro jakékoli čidlo s impulsním výstupem. Poslední část (kapitola 5) dokumentuje tvorbu grafického rozhraní operátorské pracovní stanice OWS. Součástí je obecné pojednání o vizualizaci a systémech SCADA/HMI, včetně diskuse o předpokladech pro nasazení vizualizace pro konkrétní projekt. Podrobněji se v této kapitole věnuji SCADA systému Pracovní stanice M5 a jeho programovému modulu M-Graphics, v němž jsem vizualizaci kotelny zpracoval. Vizualizace byla vytvořena pro operátorskou pracovní stanici OWS, umístěnou na dispečerském pracovišti společnosti TEZA a.s. Při jejím zpracování jsem dbal na zachování jednotného způsobu vizualizace pro celý dohlížecí systém. Současně jsem se však v maximální míře pokusil využít možnosti M-Graphics, a proto jsem většinu běžně používaných objektů upravil nebo zpracoval zcela nově. Vznikla tak velice atraktivní a současně jednoduchá a velmi přehledná grafika, která již v tuto chvíli plní svoji funkci na dispečerském počítači. V 5. kapitole popisuji obsah a koncepci vytvořených obrazovek a stručně se zabývám i jejich používáním.
65
Zhodnocení výsledků práce Poslední kapitola je věnována presentaci vizualizace prostřednictvím sítě Internet. Z bezpečnostních důvodů není vnitřní sít společnosti TEZA a.s. trvale připojena k Internetu a se zpřístupněním vizualizace nepočítá. Pro možnost představení výsledků dosažených při zpracování diplomové práce se mně na základě domluvy podařilo zajistit zpřístupnění operátorské pracovní stanice alespoň po omezenou dobu. K připojení jsem použil funkci Vzdálená plocha. Vizualizace je tak v případě potřeby na Internetu k dispozici. Úspěšnou realizací vizualizace kotelny a jejím zpřístupněním prostřednictvím Internetu byl splněn i poslední z úkolů zadání diplomové práce.
66
7
Závěr
Diplomový projekt Regulace tepelného zdroje, kombinace plynových a biomasových kotlů se nezabývá výhradně jedním konkrétním úkolem, ale prostupuje celou realizaci řídícího systému. Jeho zpracování obnášelo práci v široké oblasti – počínaje návrhem elektronického obvodu a jeho realizací, přes programování až po tvorbu grafiky. Domnívám se, že diplomová práce splnila všechny úkoly uvedené v zadání. Největší přínos práce vidím v návrhu nové koncepce kaskádního řízení, která umožňuje oproti standardním řešením vysoce efektivní správu součinnosti kotlů a může posloužit jako předloha pro realizaci podobné úlohy v dalších větších kotelnách. Řešení bylo ovšem aplikováno teprve nedávno a jeho dlouhodobou spolehlivost bude možné hodnotit až časem. Jedná se však o transparentní návrh, který je možné snadno upravit nebo vylepšit. Také moderní dynamická grafika zpracovaná pro tuto kotelnu ponese dlouhodobější užitek. Je totiž otevřená a nabízí tak možnost všechny vytvořené objekty znovu použít. Díky vizualizaci celé technologie je nyní možno přehledně a intuitivně spravovat kotelnu z centrálního dispečinku. Vedle úspěšného zvládnutí zadaných úkolů se také podařilo odstranit problém se zpracováním impulsního signálu, který brzdil další činnost na projektu. Diplomová práce je přínosem jak pro firmu Johnson Controls Int., tak i pro mě osobně. Byla příležitostí seznámit se s reálným provozem, moderní technologií a také spolupracovat se zkušenými inženýry v oboru automatizace.
67
Použitá literatura [1]
ŠVARC, Ivan. Automatizace – Automatické řízení. Brno: CERM, 2002. 200 s. ISBN 80-2142087-1.
[2]
ČERMÁK, Pavel. Kotle na biomasu. Teplo, technika, teplárenství. 2005, roč. 15, č. 2, s. 2122. ISSN 1210-6003.
[3]
Portál TZB-info. Porovnání nákladů na vytápění podle druhu paliva [online]. 2006-01-01 [cit. 2006-02-17]. Dostupné z:
. ISSN 1801-4399
[4]
VÁŇA, Jaroslav. Biomasa pro energii a technické využití. Biom.cz [online]. 2003-03-25. [cit. 2006-02-19]. Dostupné z: . ISSN: 1801-2655.
[5]
TEZA Brno a.s.. Informace o firmě Tepelné zásobování Brno, a.s. [online]. 2005 [cit. 200602-17] Dostupné z: .
[6]
Sdružení firem TENZA, a.s. a KEA, s.r.o. Energetická koncepce statutárního města Brna, část 5 [online]. Duben 2005 [cit. 2006-03-09]. Dostupné z: .
[7]
POMEZNÝ, Libor. Vizualizace systému METASYS pro řízení technologických procesů na Internetu. Brno, 2001. 96 s. Disertační práce na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně, obor Technická kybernetika. Školitel Doc. Ing. Ivan Švarc, CSc.
[8]
Johnson Controls Int., ČR. Produkty a služby [online]. 2005 [cit. 2006-03-22]. Dostupné z: .
[9]
PAPEŽ, Karel a kolektiv. Technická zařízení budov II – ústřední vytápění: cvičení. 2. vyd. Praha : ČVUT, 1991. 94 s. ISBN 80-01-00597-6.
[10] CIHLÁŘ, Jiří a kolektiv. Ústřední vytápění. Brno, 1998. 82 s., 29 s. příloh. Podklady pro studenty distančního studia. [11] Johnson Controls Int. Technická příručka DX-9100. Praha: Johnson Controls Int., 2000. [12] Johnson Controls Int. JC-Basic Programmer's Manual [online]. Johnson Controls Int., 2003. Dostupné z: . [13] GM Electronic s. r. o. Součástky pro elektroniku. Praha 2005. Katalog. [14] VANĚK, Jan. Druhy elektromagnetického rušení, jeho zdroje a způsoby šíření [online]. 2005 [cit. 2006-04-14]. Dostupné z: . [15] NĚMEC, Zdeněk. Aplikovaná elektronika. Brno: VUT, FSI, 2004. 28 s. Studijní opora pro magisterské studium, Obor Automatizace a výpočetní technika, specializace automatizace. [16] VLČEK, Jiří. Vlastnosti a užití CMOS obvodů. Praha: BEN, 2000. 47 s.
68
Použitá literatura
[17] SYROVÁTKO, Milan; Černoch, Boleslav. Zapojení s integrovanými obvody. 2. vyd. Praha: SNTL, 1984. 416 s. [18] WIKIPEDIE, Otevřená encyklopedie. Zrak [online]. 2006-04-23 [cit. 2006-04-26]. Dostupné z: . [19] FOLEY, D. James; van Dam, Andries; Feiner, Steven; Hughes, John. Computer Graphics: Principles and Practice. 2nd ed. Boston: Addison Wesley, 2000. 1200 s. ISBN 0201848406 [20] LANDRYOVÁ, Lenka. Podklady k předmětu Vizualizace procesů [online]. 2000-06-05 [cit. 2006-04-26]. Dostupné z: . [21] VLACH Jaroslav. Řízení a vizualizace technologických procesů. 1. vyd. Praha: BEN, 1999. 160 s. ISBN 80-86056-66-X. [22] ČSN EN 60073 (33 0170). Základní a bezpečnostní zásady pro rozhraní člověk-stroj, značení a identifikaci - Kódování sledovačů a ovládačů. 2003. [23] PERNER, Jan. Řízení a vizualizace technologického procesu. Praha, 2005. 70 s., 48 s. příloh. Diplomová práce na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze na Katedře elektrotechnologie. Vedoucí diplomové práce Ing. Karel Künzel, CSc. [24] HAVELKA, Jiří a kolektiv. Výkladový slovník výpočetní techniky a komunikací. 3. vyd. Praha : Computer Press, 1997. 452 s. ISBN 80-7226-023-5. [25] MICROSOFT Corporation. Použití funkce Vzdálená plocha. [online]. 2001-08-24 [cit. 200605-08]. Dostupné z: .
69
70
Příloha A – Diagram ročního trvání potřeby tepla, Teyschlova
71
72
Příloha B – Program, zdrojový kód Process 'NC16Bys2\Kaskada_' "Kaskada kotlu" '\NC16Bys2' REM (Program řízení kaskády plynových kotlů Teyschlova) Period 00:01:00 EXEMPT ALL REM (test spojení) If ('TeyscMT2\Acum_Bi1\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT2\Acum_Bi2\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT2\Acum_Ko3\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT2\Acum_Ko4\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT2\Acum_Ko5\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT2\Acum_Ko6\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT2\Acum_Tv1\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT2\Acum_Tv2\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT\Fq__Bi1_\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT\Fq__Bi2_\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT\Fq__Ko3_\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT\Fq__Ko4_\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT\Fq__Ko5_\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT\Fq__Ko6_\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT\Fq__Tv1_\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscMT\Fq__Tv2_\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscKOT\Ce__Rt4S\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscKOT\Ce__Rt5S\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscKOT\VeUzKo3O\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscKOT\VeUzKo4O\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscKOT\VeUzKo5O\Statdisp') < 12 \ AND ('TeyscKOT\VeUzKo6O\Statdisp') < 12 Then REM ( načtení aktuálních hodnot teplot ) T_NaTv__ = ('TeyscSTR\TaNaTv__\Value') T_NaTv1_ = ('TeyscSTR\TaNaTv1_\Value') T_ZpTv1_ = ('TeyscSTR\TaZpTv1_\Value') T_NaTv2_ = ('TeyscSTR\TaNaTv2_\Value') T_ZpTv2_ = ('TeyscSTR\TaZpTv2_\Value') T_NaBi1_ = ('TeyscBio\TaNaBi1_\Value') T_ZpBi1_ = ('TeyscBio\TaZpBi1_\Value') T_NaBi2_ = ('TeyscBio\TaNaBi2_\Value') T_ZpBi2_ = ('TeyscBio\TaZpBi2_\Value') T_NaKo3_ = ('TeyscKot\TaNaKo3_\Value') T_ZpKo3_ = ('TeyscKot\TaZpKo3_\Value') T_NaKo4_ = ('TeyscKot\TaNaKo4_\Value') T_ZpKo4_ = ('TeyscKot\TaZpKo4_\Value') T_NaKo5_ = ('TeyscKot\TaNaKo5_\Value') T_ZpKo5_ = ('TeyscKot\TaZpKo5_\Value') T_NaKo6_ = ('TeyscKot\TaNaKo6_\Value') T_ZpKo6_ = ('TeyscKot\TaZpKo6_\Value') T_NaRt4_ = ('TeyscKot\TaNaRt4_\Value') T_ZpRt4_ = ('TeyscKot\TaZpRt4_\Value') T_NaRt5_ = ('TeyscKot\TaNaRt5_\Value') T_ZpRt5_ = ('TeyscKot\TaZpRt5_\Value')
73
Příloha B – Program, zdrojový kód REM ( načtení počtu impulsů průtokoměrů ) PulsyBi1_ = ('TeyscMT2\Acum_Bi1\Value') PulsyBi2_ = ('TeyscMT2\Acum_Bi2\Value') PulsyTv1_ = ('TeyscMT2\Acum_Tv1\Value') PulsyTv2_ = ('TeyscMT2\Acum_Tv2\Value') PulsyKo3_ = ('TeyscMT2\Acum_Ko3\Value') PulsyKo4_ = ('TeyscMT2\Acum_Ko4\Value') PulsyKo5_ = ('TeyscMT2\Acum_Ko5\Value') PulsyKo6_ = ('TeyscMT2\Acum_Ko6\Value') REM ( načtení průtoků z Multicalů v l/h ) Prut__Bi1 = ('TeyscMT\Fq__Bi1_\Value') Prut__Bi2 = ('TeyscMT\Fq__Bi2_\Value') Prut__Ko3 = ('TeyscMT\Fq__Ko3_\Value') Prut__Ko4 = ('TeyscMT\Fq__Ko4_\Value') Prut__Ko5 = ('TeyscMT\Fq__Ko5_\Value') Prut__Ko6 = ('TeyscMT\Fq__Ko6_\Value') Prut__Tv1 = ('TeyscMT\Fq__Tv1_\Value') Prut__Tv2 = ('TeyscMT\Fq__Tv2_\Value') REM ( přepočet průtoků z Multicalů na průtok m3/h ) PrutokBi1K = Prut__Bi1 / 1000 PrutokBi2K = Prut__Bi2 / 1000 PrutokKo3K = Prut__Ko3 / 1000 PrutokKo4K = Prut__Ko4 / 1000 PrutokKo5K = Prut__Ko5 / 1000 PrutokKo6K = Prut__Ko6 / 1000 PrutokTv1K = Prut__Tv1 / 1000 PrutokTv2K = Prut__Tv2 / 1000 REM ( přepočet impulsů na průtok m3/h ) PrutokBi1 = ( 8 * PulsyBi1_ * 60 * 2/3 ) / 1000 PrutokBi2 = ( 8 * PulsyBi2_ * 60 * 2/3 ) / 1000 PrutokTv1 = ( 8 * PulsyTv1_ * 60 * 1.538462 ) / 1000 PrutokTv2 = ( 8 * PulsyTv2_ * 60 * 4 ) / 1000 PrutokKo3 = ( 8 * PulsyKo3_ * 60 * 8/3 ) / 1000 PrutokKo4 = ( 8 * PulsyKo4_ * 60 * 8/3 ) / 1000 PrutokKo5 = ( 8 * PulsyKo5_ * 60 * 8/3 ) / 1000 PrutokKo6 = ( 8 * PulsyKo6_ * 60 * 8/3 ) / 1000 REM ( výpočet množství vody z kotlové strany do větví TV1 a TV2 v m3/h ) F_Tv1 = Max(PrutokTv1K, 0) * Max(( T_NaTv1_ - T_ZpTv1_ ), 0) / Max(( T_NaTv__ - T_ZpTv1_ ), 1) PrutK_Tv1 = Min ( F_Tv1, PrutokTv1K ) F_Tv2 = Max(PrutokTv2K, 0) * Max(( T_NaTv2_ - T_ZpTv2_ ), 0) / Max(( T_NaTv__ - T_ZpTv2_ ), 1) PrutK_Tv2 = Min ( F_Tv2, PrutokTv2K ) Fv_TV12__ = Max(PrutK_Tv1, 0) + Max(PrutK_Tv2, 0)
REM REM REM REM
( výpočet rezervovaného průtoku pro BIO kotle v m3/h ) ( Je-li T. výstupní z Bio kotle < 75°C, pak Bio kotel nedodává teplo do systému, točí vodu ) ( ve vnitřním okruhu Bio kotle, pak mu není třeba rezervovat průtok pro výstup do systému.) ( Nominální průtoky přes BIO kotle: BIO1 = 27.5 m3/h, BIO2 = 43.0 m3/h )
N_Bi1 = Max(( T_NaBi1_ - 75 ), 0) Fv_RezBi1 = 27.5 * N_Bi1 / Max((T_NaBi1_ - T_ZpBi1_ ), 1) N_Bi2 = Max(( T_NaBi2_ - 75 ), 0)
74
Příloha B – Program, zdrojový kód Fv_RezBi2 = 43.0 * N_Bi2 / Max((T_NaBi2_ - T_ZpBi2_ ), 1) Fv_RezBio = Max ( Fv_RezBi1, 0 ) + Max ( Fv_RezBi2, 0 ) Fv_BioKo_ = Max ( PrutokBi1K, 0 ) + Max ( PrutokBi2K, 0 )
REM ( výpočet průtoku přes plynové kotle v m3/h ) REM ( okruh spalinového výměníku - reciterm, má konstantně nastaven průtok na 28 m3/h ) LET Rt4 = 0 IF 'TeyscKOT\Ce__Rt4S' = TRUE then Rt4 = 28 LET Rt5 = 0 IF 'TeyscKOT\Ce__Rt5S' = TRUE then Rt5 = 28 Fv_PlyKo_ = Max(PrutokKo3K, 0) + Max(PrutokKo4K, 0) + + Max(PrutokKo5K, 0) + Max(PrutokKo6K, 0) Fv_RezPKo = Fv_TV12__ - Fv_RezBio - Rt4 - Rt5 - 20 Fv_Rozdil = Fv_TV12__ - ( Fv_BioKo_ + Fv_PlyKo_ + Rt4 + Rt5 )
REM ( úprava hodnot pro DX - PID, řízení FM, hodnota v mezích 0 - 100 ) REM ( hodnota průtoku: PID - Proces variable ) Fv_PlyKoR = Min ( Fv_PlyKo_/10, 100 ) REM ( hodnota průtoku: PID - Remote setpoint ) Fv_PlyKoZ = Min ( Fv_RezPKo/10, 50 )
REM ( Počet plynových kotlů v provozu ) LET JedePKo = 0 IF 'TeyscKOT\VeUzKo3O' = TRUE then JedePKo = JedePKo + 1 IF 'TeyscKOT\VeUzKo4O' = TRUE then JedePKo = JedePKo + 1 IF 'TeyscKOT\VeUzKo5O' = TRUE then JedePKo = JedePKo + 1 IF 'TeyscKOT\VeUzKo6O' = TRUE then JedePKo = JedePKo + 1 REM ( zápis do OWS ) Tell 'TeyscMT2\JedePlyK' to "set_AD" JedePKo ,3 REM ( zápis do OWS, průtoky v m3/h ) Tell 'TeyscMT2\F_KoBio_' to "set_AD" Fv_BioKo_,3 Tell 'TeyscMT2\F_Kotle_' to "set_AD" Fv_PlyKo_,3 Tell 'TeyscMT2\F_TV12__' to "set_AD" Fv_TV12__,3 Tell 'TeyscMT2\F_Rozdil' to "set_AD" Fv_Rozdil,3 Tell 'TeyscMT2\F_RezPKo' to "set_AD" Fv_RezPKo,3 Tell 'TeyscMT2\F_RezBio' to "set_AD" Fv_RezBio,3 Tell 'TeyscMT2\Fa__PKo_' to "set_AOS" Fv_PlyKoR,3 Tell 'TeyscMT2\Fz__PKo_' to "set_AOS" Fv_PlyKoZ,3 Tell 'TeyscMT2\F___Bi1_' to "set_AD" PrutokBi1K,3 Tell 'TeyscMT2\F___Bi2_' to "set_AD" PrutokBi2K,3 Tell 'TeyscMT2\F___Tv1_' to "set_AD" PrutokTv1K,3 Tell 'TeyscMT2\F___Tv2_' to "set_AD" PrutokTv2K,3 Tell 'TeyscMT2\Fk__Tv1_' to "set_AD" PrutK_Tv1,3 Tell 'TeyscMT2\Fk__Tv2_' to "set_AD" PrutK_Tv2,3 Tell 'TeyscMT2\F___Ko3_' to "set_AD" PrutokKo3K,3 Tell 'TeyscMT2\F___Ko4_' to "set_AD" PrutokKo4K,3 Tell 'TeyscMT2\F___Ko5_' to "set_AD" PrutokKo5K,3 Tell 'TeyscMT2\F___Ko6_' to "set_AD" PrutokKo6K,3 Tell 'TeyscMT2\Fv__Bi1_' to "set_AD" PrutokBi1,3
75
Příloha B – Program, zdrojový kód Tell 'TeyscMT2\Fv__Bi2_' to "set_AD" PrutokBi2,3 Tell 'TeyscMT2\Fv__Tv1_' to "set_AD" PrutokTv1,3 Tell 'TeyscMT2\Fv__Tv2_' to "set_AD" PrutokTv2,3 Tell 'TeyscMT2\Fv__Ko3_' to "set_AD" PrutokKo3,3 Tell 'TeyscMT2\Fv__Ko4_' to "set_AD" PrutokKo4,3 Tell 'TeyscMT2\Fv__Ko5_' to "set_AD" PrutokKo5,3 Tell 'TeyscMT2\Fv__Ko6_' to "set_AD" PrutokKo6,3
REM ( výpočet výkonu v kW ) VykonBi1 = Max(PrutokBi1K, 0) * 4.18 * 1000 * Max(( T_NaBi1_ - T_ZpBi1_ ), 0)/3600 VykonBi2 = Max(PrutokBi2K, 0) * 4.18 * 1000 * Max(( T_NaBi2_ - T_ZpBi2_ ), 0)/3600 VykonKo3 = Max(PrutokKo3K, 0) * 4.18 * 1000 * Max(( T_NaKo3_ - T_ZpKo3_ ), 0)/3600 VykonKo4 = ( Max(PrutokKo4K, 0) + Rt4 ) * 4.18 * 1000 * Max(( T_NaKo4_ - T_ZpKo4_ ), 0)/3600 VykonKo5 = ( Max(PrutokKo5K, 0) + Rt5 ) * 4.18 * 1000 * Max(( T_NaKo5_ - T_ZpKo5_ ), 0)/3600 VykonKo6 = Max(PrutokKo6K, 0) * 4.18 * 1000 * Max(( T_NaKo6_ - T_ZpKo6_ ), 0)/3600 VykK_Tv1 = Max(PrutK_Tv1, 0) * 4.18 * 1000 * Max(( T_NaTv1_ - T_ZpTv1_ ), 0)/3600 VykK_Tv2 = Max(PrutK_Tv2, 0) * 4.18 * 1000 * Max(( T_NaTv2_ - T_ZpTv2_ ), 0)/3600 VykonRt4 = Rt4 * 4.18 * 1000 * Max(( T_NaRt4_ - T_ZpRt4_ ), 0)/3600 VykonRt5 = Rt5 * 4.18 * 1000 * Max(( T_NaRt5_ - T_ZpRt5_ ), 0)/3600 NutnyVykonPKo = VykK_Tv1 + VykK_Tv2 - VykonBi1 - VykonBi2 - VykonRt4 - VykonRt5 P_bilance = (VykK_Tv1 + VykK_Tv2) - ( VykonBi1 + VykonBi2 + VykonRt4 + VykonRt5 + VykonKo3 + VykonKo4 + VykonKo5 + VykonKo6 ) REM ( zápis do OWS ) Tell 'TeyscMT2\P___Bi1_' to "set_AD" VykonBi1,3 Tell 'TeyscMT2\P___Bi2_' to "set_AD" VykonBi2,3 Tell 'TeyscMT2\P___Tv1_' to "set_AD" VykK_Tv1,3 Tell 'TeyscMT2\P___Tv2_' to "set_AD" VykK_Tv2,3 Tell 'TeyscMT2\P___Ko3_' to "set_AD" VykonKo3,3 Tell 'TeyscMT2\P___Ko4_' to "set_AD" VykonKo4,3 Tell 'TeyscMT2\P___Ko5_' to "set_AD" VykonKo5,3 Tell 'TeyscMT2\P___Ko6_' to "set_AD" VykonKo6,3 Tell 'TeyscMT2\P___Rt4_' to "set_AD" VykonRt4,3 Tell 'TeyscMT2\P___Rt5_' to "set_AD" VykonRt5,3 REM ( stanovení počtu plynových kotlů kaskády) LET Interval = 10 S = S + ZadanyVykonPK Z=Z+1 If Z = Interval then Y = S / Z If Z = Interval AND Y < 2201 then PocetPlyKo = 1 If Z = Interval AND Y < 500 then PocetPlyKo = 0 If Z = Interval AND T_NaTv__ < 75 then PocetPlyKo = 1 If Z = Interval AND Y > 2200 then PocetPlyKo = 2 If Z = Interval AND Y > 4400 then PocetPlyKo = 3 If Z = Interval then S = 0 If Z = Interval then Z = 0 REM ( zápis do OWS ) Tell 'TeyscKOT\PocKotlu' to "set_AOS" PocetPlyKo,3 REM ( Koef_PKo - průměrná hodnota výkonu PlyKo, 1x za 10 minut ) Tell 'TeyscMT2\Koef_PKo' to "set_AD" Y,3 REM ( Pz__PKo_ - okamžitá hodnota výkonu PlyKo, 1x za 1 minutu ) Tell 'TeyscMT2\Pz__PKo_' to "set_AD" NutnyVykonPKo,3 REM ( bilance výkonů ) Tell 'TeyscMT2\P_Rozdil' to "set_AD" P_bilance,3
76
Příloha B – Program, zdrojový kód
REM ( otevření ochozu kanálu TV2 Teyschlova, KB8 Foltýnova - VeRgTv2O, perioda: 1 min.) LET X = 0 IF JedePKo < 1 then If (T_NaBi1_ > 90) AND ((('TeyscBio\SdVyBi1S') = TRUE ) OR (('TeyscBio\Ho__Bi1P\Value') = 31 )) Then X = X + 1 If (T_NaBi2_ > 90) AND ((('TeyscBio\SdVyBi2S') = TRUE ) OR (('TeyscBio\Ho__Bi2P\Value') = 31 )) Then X = X + 1 If X > 0 Then Tell'KB8FoKOT\VeRgTv2O' to "set_AOS" 80,3 Tell'TeyscSTR\VeRgTv2L' to "set_AOS" 100,3 Tell'TeyscSTR\FmRgTv2L' to "set_AOS" 80,3 End If END IF If X = 0 Then Tell'KB8FoKOT\VeRgTv2O' to "set_AOS" 0,3 Tell'TeyscSTR\VeRgTv2L' to "set_AOS" 50,3 Tell'TeyscSTR\FmRgTv2L' to "set_AOS" 0,3 End If END IF End Process
77
