LUCRARE DE LICENŢĂ -...

Bucureşti, 2013

Universitatea Politehnica Bucureşti

Facultatea de Automatică şi Calculatoare

Departamentul de Automatică şi Ingineria Sistemelor

LUCRARE DE LICENŢĂ

Proiectarea unui sistem

de protecție şi control al unui

cuptor de încălzire a petrolului

Coordonator Absolvent

Conf.dr.ing. Ciprian Lupu Adriana Cîrloganu

Bucureşti, 2013

Bucureşti, 2013

Cuprins:

Introducere 1

Tema lucrării ......................................................................................................................................... 1

Organizarea lucrării ............................................................................................................................... 1

Capitolul 1 Analiza arderii ....................................................................................................... 2

1.1 Combustia .................................................................................................................................... 2

1.2 Analiza combustiei ....................................................................................................................... 3 1.2.1 Randamentul arderii .......................................................................................................................... 3 1.2.2 Reducerea emisiilor ........................................................................................................................... 4 1.2.3 Cresterea sigurantei .......................................................................................................................... 4

1.3 Parametri masurati ...................................................................................................................... 5 1.3.1 Oxigen, monoxid de carbon si dioxid de carbon .................................................................................. 5 1.3.2 Temperatura gazelor evacuate si temperatura aerului de intrare ........................................................ 6 1.3.3 Tirajul ................................................................................................................................................ 7 1.3.4 Oxizii de azot (NOx) ........................................................................................................................... 7 1.3.5 Controlul de NOx ............................................................................................................................... 8 1.3.6 Dioxidul de sulf (SO2)......................................................................................................................... 8 1.3.7 Hidrocarburile (HC). Compusii organici volatili (VOC) .......................................................................... 9 1.3.8 Funinginea ........................................................................................................................................ 9

1.4 Parametri combustiei ................................................................................................................... 9 1.4.1 Excesul de aer ................................................................................................................................... 9 1.4.2 Calculul concentratiei de dioxid de carbon ....................................................................................... 10 1.4.3 Determinarea eficientei arderii ........................................................................................................ 10

Capitolul 2 Reglarea arderii .................................................................................................. 13

2.1 Modele de control in raport ....................................................................................................... 13 2.1.1 Modelul serie .................................................................................................................................. 14 2.1.2 Modelul parapel .............................................................................................................................. 15

2.2 Ratio control design – modele ......................................................... Error! Bookmark not defined.

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa ...................................................................................... 21

3.1 Hardware – STARDOM ............................................................................................................... 21 3.1.1 FCN – Field Control Node ................................................................................................................. 22 3.1.2 FCN-RTU – FCN Remote Terminal Unit ............................................................................................. 24 3.1.3 FCJ – Field Control Junction.............................................................................................................. 25 3.1.4 Module Intrari-iesiri si comunicatie .................................................................................................. 26

3.2 Software .................................................................................................................................... 26 3.2.1 PLC – Programarea controlerului ...................................................................................................... 27 3.2.2 HMI – Dezvoltatea interfetei grafice ................................................................................................. 30

Capitolul 4 Cerintele aplicatiei .............................................................................................. 35

4.1 Descrierea instalatiei .................................................................................................................. 35

4.2 Functionarea instalatiei .............................................................................................................. 36 4.2.1 Secventa de oprire........................................................................................................................... 36 4.2.2 Secventa de start ............................................................................................................................. 37 4.2.3 Bucle de reglare............................................................................................................................... 38 4.2.4 Operarea si intretinerea instalatiei ................................................................................................... 38

Capitolul 5 Lista de semnale ................................................................................................. 40

5.1 Dimensionarea sistemului .......................................................................................................... 40

5.2 Identificarea semnalelor ............................................................................................................. 42

5.3 Alocarea semnalelor ................................................................................................................... 43

Capitolul 6 Typical-urile aplicatiei ......................................................................................... 45

6.1 Hardware ................................................................................................................................... 45

6.2 Software .................................................................................................................................... 46

Bucureşti, 2013

6.2.1 Controler ......................................................................................................................................... 46 6.2.2 Grafica ............................................................................................................................................ 46

Appendix A Typical-uri hardware ........................................................................................... 47

A.1 HWDIF-011-D ............................................................................................................................. 47

A.2 HWDIF-020-D ............................................................................................................................. 48

A.3 HWDOF-111-D ........................................................................................................................... 49

A.4 HWDOF-112-D ........................................................................................................................... 50

A.5 HWAIF-210-D ............................................................................................................................. 51

A.6 HWAIF-223-D ............................................................................................................................. 52

A.7 HWAOF-310-D............................................................................................................................ 53

Appendix B Alocarea I/O........................................................................................................ 54

B.1 Safety......................................................................................................................................... 54

B.2 Control ....................................................................................................................................... 55

Appendix C Asd .............................................................................Error! Bookmark not defined.

C.1 sdfg ................................................................................................. Error! Bookmark not defined.

Appendix D qwe ............................................................................Error! Bookmark not defined.

D.1 sdfg ................................................................................................. Error! Bookmark not defined.

Bucureşti, 2013

Lista de figuri:

Figura 1-1. Diagrama arderii .................................................................................. 2 Figura 1-2. Pierderi de caldura la boilere ............................................................... 3

Figura 1-3. Pierderi de caldura la furnale ............................................................... 4 Figura 1-4. Concentratia gazelor arse in functie de cantitatea de aer teoretica ..... 6

Figura 1-5. Temperatura gazelor arse vs eficienta combustibilului (%) ................. 6 Figura 1-6. Eficienta combustiei (%) si excesul de aer (%) .................................. 10

Figura 1-7. Eficienta combustiei % ...................................................................... 11 Figura 2-1. FCN, Field Control Node ................................................................... 21

Figura 2-2. FCN-RTU, FCN Remote Terminal Unit ............................................. 21 Figura 2-3. FCJ, Field Control Junction ............................................................... 21

Figura 2-4. FCN Single node, single CPU, single IOM ........................................ 22 Figura 2-5. FCN Single node, duplex CPU, single IOM ....................................... 22

Figura 2-6 FCN Multi node, duplex CPU ............................................................. 22 Figura 2-7. FCN Multi node, single CPU .............................................................. 22

Figura 2-8. FCN-RTU Schematic ......................................................................... 24 Figura 2-9. FCN-RTU With extension modules.................................................... 24

Figura 2-10. FCN-RTU Well monitoring, instalatia putului ................................... 24 Figura 2-11. FCN-RTU Well monitoring, interfata grafica de operare .................. 25

Figura 2-12. FCJ Top view .................................................................................. 25 Figura 2-13. FCJ Side view ................................................................................. 25

Figura 2-14. Logic Designer: Device Label Definition (Tag Name) ...................... 28 Figura 2-15. Resource Configurator: IOM list ...................................................... 28

Figura 2-16. Resource Configurator: Device Label Definition, DI module ............ 29 Figura 2-17. Resource Configurator: Device Label Definition, AI module ............ 29

Figura 2-18. Arhitectura de principiu .................................................................... 30 Figura 2-19. Engineering Module......................................................................... 32

Figura 2-20. Exemplu de cod ............................................................................... 33 Figura 2-21. Exemple grafice ............................................................................... 33

Bucureşti, 2013

Lista de tabele:

Tabelul 1-1. Module I/O si comunicatie ................................................................ 26 Tabelul 1-2. MTL database, minimal information for allocation ............................ 27

Tabelul 3-1. Total A/ D, DCS ............................................................................... 40 Tabelul 3-2. Total A/ D, SIS ................................................................................. 40

Tabelul 3-3. Total A / D, Sistem ........................................................................... 40 Tabelul 3-4. Total semnale / typical HW .............................................................. 41

Tabelul 3-5. Nodul Safety .................................................................................... 41 Tabelul 3-6. Nodul Control ................................................................................... 41

Tabelul 3-7. Rezerva de I/O-uri pe nodul de Safety ............................................. 42 Tabelul 3-8. Rezerva de I/O-uri pe nodul de Control ........................................... 42

Tabelul 3-9. Rezerva totala de I/O-uri si pe subsisteme ...................................... 42 Tabelul 4-1. Configuratia typical-urilor hardware ................................................. 45

Introducere

1

Introducere

Tema lucrării

Lucrarea de fata isi propune ca subiect abordarea proiectarii unui sistem de protectie si de control al unui cuptor de incalzire a petrolului.

Astfel de aplicatii se gasesc in industrie ca instalatii ce preceda coloanele de cracare /distilare in care produsul brut, cum ar fi petrolul, este mai intai prelucrat termic inainte de separarea sa in fractii componente sau produse petroliere finite.

Aplicatia data este mai mult un studiu teoretic decat o aplicatie cu cerinte specifice unui anume caz dat, ea cuprinzand mai multe module ce in realitate se construiesc diferit in functie de necesitati. Varietatea cazurilor practice este foarte mare, astfel ca prezenta lucrare va studia doar un caz dintre acestea.

Lucrarea abordeaza atat perspectiva protectiei in functionare a cuptorului cat si perspectiva controlului optim al acestuia.

Organizarea lucrării

Capitolul 1 prezenta notiuni generale despre ardere. Totodata arata si ideile de inceput in abordarea regalrii si a parametrilor ce trebuie folositi in reglare

Capitolul 2 prezenta metode de reglare specifice controlului combustiei si anume controlul in cascada cu un bloc de raport pentru ceile doua componente ale arderii: aerul si combustibilul – feedforward control / ratio control.

Capitolul 3 prezenta echipamentele Yokogawa folosite in aceasta aplicatie. Este prezentata atat partea hardware – STARDOM, cat si interfata grafica – softul SCADA numit FAST/Tools.

Capitolul 4 face referire la cerintele aplicatiei, incercand pe cat posibil sa fie cat mai apropiat de narativele de control ale unei instatii reale.

Capitolul 5 incepe proiectarea sistemului prin alcatuirea mai intai a unei liste de semnale si alcatuirea unei baze de date de lucru ce va fi folosita ca referinta pe parcursul intregii lucrari. Identificarea semnalelor se va face in functie de fiecare echipament. Baza de date cuprinde atat semnalele ce intra in componenta partii de control cat si partea de siguranta in exploatare. Aceasta va fi folosita ulterior pentru dimensionarea sistemului si alocarea semnalelor.

Capitolul 6 prezenta componentele de baza ale aplicatiei – typical-urile

(sabloanele) identificate si alocate fiecarui semnal conform cu baza de date. Folosirea typical-urilor duce la pastrarea consistentei aplicatiei si la o mentenanta mai usoara. De asemenea, conduce la cresterea productivitatii dezvoltarii aplicatiei. Typicalurile folosite sunt atat pentru hardware cat si pentru software-ul aplicatiei din controler sau interfata grafica (HMI), intre aceastea existand o relatie unica si bine determinata.

Capitolul 1 Analiza arderii

2


1.1 Combustia

Fenomenul de combustie are loc atunci cand combustibilii fosili cum ar fi gazele naturale, petrolul, carbunele sau benzina, reactioneaza cu oxigenul din aer si produc caldura. Caldura produsa din reactia cu oxigenul este folosita in procesele industriale, incalzirea imobilelor sau pentru a mari volumul de gaze intr-un cilindru in vederea deplasarii unui piston.

Combustibilii fosili sunt hidrocarburi (compusi din carbon si hidrogen). Atunci cand combustibilii fosili sunt implicati intr-un proces de ardere, dioxidul de carbon (CO2) si apa (H2O) sunt principalele produse chimice rezultate.

Un bun exemplu il prezinta reactia metanului (CH4) cu oxigenul din aer. Atunci cand reactia este echilibrata, fiecare molecula din metan reactioneaza cu doua molecule de O2 formand o molecula de CO2 si doua molecule de H2O. Cand ecuatia ajunge la echilibru, energia este eliberata sub forma de caldura.

Reactanti => Produsi de reactie + caldura

In procesele de combustie reale, pe langa CO2 se formeaza si alti produsi de reactie. In figura de mai jos, sunt prezentati principalii produsi de reactie rezultati in urma arderii.

Figura 1-1. Diagrama arderii


3

Pentru un proces de ardere cat mai eficient, este necesara o anumita temperatura de activare si un timp sufiecient pentru ca reactantii sa ajunga sa intre in contact unul cu altul. Daca acestea nu sunt asigurate, se formeaza produsi nedoriti. De exemplu monoxidul de carbon (CO) si funinginea se formeaza datorita cantitatii mici de combustibil sau de oxigen. Atunci cand temperatura flacarii produsa de arzator este prea ridicata, se formeaza noxele. (NO, NO2).

1.2 Analiza combustiei

Este un proces ce urmareste sa imbunatateasca economia de combustibil, sa reduca emisiile nedorite si sa creasca siguranta in exploatare a echipamentelor de ardere. Analiza combustiei incepe cu masurarea concentratiilor si a temperaturii gazelor de ardere si poate include si masurarea presiunii tirajului si a volumului de cenusa.

Pentru masurarea concentratiilor gazelor, se introduce o proba pe cosul de evacuare si se extrage o mostra de gaze. Temperatura gazelor de iesire se masoara cu un termocuplu pozitionat la cota cea mai buna pentru masura celei mai mari temperaturi a cosului. Volumul de cenusa se masoara tot cu o proba preluata de pe evacuare, iar tirajul se determina ca o presiune diferentiala dintre interiorul si exteriorul cosului.

Odata facute aceste masuratori, datele sunt interpretate prin calcularea unor parametri de ardere, cum ar fi randamentul arderii si excesul de aer. O analiza mai amanuntita poate lua in considerare si concentratia produsilor nedoriti mentionati anterior.

1.2.1 Randamentul arderii

Figura 1-2. Pierderi de caldura la boilere


4

Cele mai importante cauze ale pierderilor de caldura sunt prezentate in figura precedenta. Energia termica ce paraseste sistemul prin cosul de evacuare este de cele mai multe ori pierderea de energie datorata consumului ineficient de combustibil si este compusa din pierderile gazului uscat si pierderile din caldura latenta (de condensare). Desi unele pierderi sunt inevitabile, un echipament de optimizare a arderii, prin analizarea acesteia poate reduce de cele mai multe ori pierderea din aceasta sursa si deci poate reduce costurile pe combustibil doar prin imbunatatirea eficientei echipamentului cu 5%.

Figura 1-3. Pierderi de caldura la furnale

1.2.2 Reducerea emisiilor

Monoxidul de carbon, dioxidul de sulf si oxizii de azot si pulberile sunt emisii nedorite asociate cu arderea combustibililor fosili. Acesti compusi sunt toxici, contribuind la formarea de ploi acide, ceata si fum si pot cauza probleme respiratorii. Legile statelor guverneaza asupra ratelor de emisii permise pentru acesti poluanti in conformitate cu standardele EPA (Enivironmental Protection Agency). Structurile statale si locale isi pot exercita autoritatea in vederea reglementarii si controlului emisiilor acestor poluanti.

1.2.3 Cresterea sigurantei

Bunele practici de mentenanta, ce includ si analiza arderii, dau posibilitatea operatorului sa verifice si sa mentina specifiicatiile de operare ale echipamentului pentru o siguranta crescuta si o operare eficienta. Multi constructori de echipamente de ardere sugereaza ca analiza gazelor de ardere sa fie efectuata cel putin lunar. Parametrii care afecteaza arderea tind sa se modifice in timp. Conditiile de vant si schimbarile climatice ale temperaturii si presiunii barometrice pot cauza exces de aer in sistem, ce poate fluctua cu cateva procente. O micsorare a surplusului de aer poate cauza in schimb o crestere rapida a monoxidului de carbon si a gazelor explozive rezultand intr-o deteriorare rapida a sigurantei si eficientei sistemului. Presiuni scazute ale tirajului pe cos pot cauza acumulari ale acestor gaze in camera de ardere sau ventilarea lor in spatii inchise. Pe de alta parte, presiuni excesive ale tirajului pe cos pot cauza turbulente in sistem. Acest lucru determina arderi incomplete si migrarea gazelor explozive catre cos


5

sau pot cauza coliziuni sau fluctuatii ale flacarilor ce pot degrada camera de ardere si materialul schimbatorului de caldura.

1.3 Parametrii masurati

Analiza arderii implica masuratori ale concentratiilor gazelor, temperaturi si presiuni pentru acordarea regulatoarelor, verificari ale emisiilor si imbunatatirea sigurantei in exploatare. Parametrii care sunt examinati cel mai adesea sunt:

Oxigenul (O2)

Monoxidul de carbon (CO)

Dioxidul de carbon (CO2)

Temperatura gazelor evacuate

Temperatura aerului de ardere

Tirajul

Oxidul nitric (NO)

Dioxidul de azot (NO2)

Dioxidul de sulf (SO2)

1.3.1 Oxigen, monoxid de carbon si dioxid de carbon

Combustia simpla implica reactia oxigenului din aer cu carbonul si hidrogenul din combustibil si formeaza dioxidul de carbon si apa si produce caldura. In conditii ideale, singurele gaze prezentela evacuare sunt CO2 si vaporii de apa si N2 din aerul de combustie.

La aparitia oxigenului in gazele evacuate, inseamna ca mai mult aer a fost alimentat decat era necesar unei arderi complete (20,9%=O2). O parte din O2 ramane nears, cu alte cuvinte, cantitatea de O2 de la evacuare, indica un exces de aer folosit in reactie.

Cand introducem prea putin aer in arzator, nu exista suficient O2 pentru a forma complet CO2 din tot carbonul existent in combustibil. In schimb, o parte din oxigen se combina cu carbonul si formeaza monoxidul de carbon (CO), care este un gaz toxic asociat cu arderile incomplete si de aceea trebuie minimizata formarea sa. Acest efort este echivalent cu imbunatatirea eficientei arderii si reducerea funinginei.

Cea mai eficienta ardere are loc atunci cand concentratia de CO2 din produsii de reactie este maxima. Acest lucru are loc atunci cand in aerul ce participa la procesul de combustie, avem cantitatea potrivita de O2. Aceasta cantitate este numita cantitatea de aer teoretic. Cantitatea de aer teoretic folosita in combustie depinde atat de compozitia combustibililor cat si de debitul acestora. In aplicatiile reale, cantitatea de aer necesar este influentata si de modul in care arzatoarele sunt proiectate precum si de conditiile in care acestea sunt folosite. Cantiatea de aer teoretic este insuficienta pentru o ardere completa.

In figura urmatoare este prezentata relatia dintre O2 din aerul folosit ca produs de reactie si concentratia de CO si CO2 rezultati. Astfel, putem observa ca odata cu cresterea cantitatii de aer folosit, avem o scadere rapida a concentratiei moleculelor de CO si o crestere a concentratiei de CO2, deoarece moleculele de CO reactioneaza cu


6

moleculele de oxigen aflate in exces si formeaza CO2. Valoarea maxima de CO2 depinde de tipul de combustibil folosit.

Figura 1-4. Concentratia gazelor arse in functie de cantitatea de aer teoretica

1.3.2 Temperatura gazelor evacuate si temperatura aerului de intrare

Caldura produsa de gazele arse nu este utilizata in proces ceea ce duce la scaderea eficientei folosirii combustibilului. Deoarece caldura produsa de gazele arse este proportionala cu temperatura lor, eficienta combustibililor scade odata cu cresterea temperaturii.

Figura 1-5. Temperatura gazelor arse vs eficienta combustibilului (%)


7

Pentru a determina pierderea de caldura din gazele arse, trebuie sa scadem temperatura aerului folosit pentru procesul de combustie din temperatura gazelor arse, obtinand astfel temperatura neta ce determina cantitatea de caldura pe care aerul trebuie sa i-o asigure sistemului.

O metoda de recuperare a caldurii pierdute este folosirea gazelor arse pentru a preincalzi aerul ce intra in proces.

Trebuie sa avem in vedere totusi ca unele pierderi de caldura sunt inevitabile deoarece trebuie mentinuta temperatura gazelor arse destul de ridicata astfel incat sa evite condensarea in camera de combustie.

1.3.3 Tirajul

Tirajul se refera la fluxul gazelor prin echipamentul de producere de caldura, incepand de la alimentarea arzatoarelor cu aer. Odata ce procesul de combustie are loc, gazele incalzite parasesc camera de combustie, trec prin schimbatoarele de caldura si ies pe cos. In functie de echipament, tirajul poate fi natural sau fortat (fluxul aerului in sistem este asigurat de un ventilator).

Excesul de gaze care circula in sistem poate preveni transferul de caldura catre sistem si astfel sa creasca temperatura gazelor arse.

Temperatura gazelor arse este invers proportionala cu cantiatea de aer folosita si direct proportionala cu presiunea tirajului.. Astfel, temperatura lor va scadea odata cu cresterea cantitatii de aer folosita pentru ardere si respectiv, odata cu scaderea presiunii fluxului de gaze, permitand astfel vaporilor de apa sa condenseze si sa provoace avarii sistemului.

1.3.4 Oxizii de azot (NOx)

Oxizii de azot, in special monoxidul de azot (NO) si dioxidul de azot (NO2) sunt gaze nocive ce contribuie la formarea stratului de ozon, de ploi acide, de ceata sau de fum. Oxizii de azot apar atunci cand oxigenul intra in reactie cu azotul din aer sau cu cel prezent in combustibil. Atunci cand temperatura flacarii este ridicata, se formeaza NO. Monoxidul de carbon format, oxideaza mai departe, iar la temperaturi mai scazute, in stiva de evacuare sau dupa ce a iesit din proces, formeaza compusii de NO2. Concentratia de NO2 se masoara ca fiind un procent de 5% din totalul de noxe.

Sunt trei mecanisme fundamentale diferite de formare a oxizilor de azot:

Mecanismul principal al formarii NOx in combustia gazelor naturale este NOx

termal (reactia la temperature mari). Acesta are loc in disocierea termala si in

reactia urmatoare a moleculelor de azot (N2) si oxigen (O2) in combustia aerului.

Cea mai mare parte a NOx format prin mecanismul termal NOx se afla in flacara

cu temperatura cea mai mare, langa arzatoare. Formarea NOx-ului termal este

afectata de: concentratia de oxigen, temperatura de varf si timpul de expunere la

temperatura de varf. Odata ce acesti trei factori cresc, nivelul de emisie de NOx


8

creste. Nivelele de emisie variaza considerabil odata cu tipul si marimea

arzatorului si cu conditiile de operare. (temperatura aerului incalzit, nivelul de

exces de oxigen etc.)

Al doilea mecansim al formarii de NOx, care se numeste mecanismul NOx prompt

are loc in reactiile rapide ale moleculelor de azot in combustia radicalilor din aer si

din hidrocarburi din combustibil. Reactiile prompte de NOx ce au loc in interiorul

flacarei, sunt neglijabile atunci cand sunt comparate cu cantitatea de NOx fomata

in mecanismul NOx termal., insa pot avea valori semnificative atunci cand in

proces sunt arzatoare de NOx ultra-low. Mecanismul NOx prompt, are loc la

combustie cu temperaturi mai reduse.

Al treilea mecanism al formarii de NOx, numit NOx combustibil, provine de la

evolutia si reactia legaturilor compusilor de azot cu oxigen. Datorita nivelului

scazut de azot din gazele naturale, formarea de NOx, prin mecanismul NOx

combustibil, este insignifianta. NOx combustibil este important in arderea cu ulei

si carbune

1.3.5 Controlul de NOx

In prezent cele mai folosite tehnici de control ale arderii, folosite pentru a reduce emisiile de NOx din cazanele de ardere a gazelor naturale, sunt recircularea gazelor arse (FGR) si arzatoarele cu NOx redus. Intr-un sistem FGR, o portiune a gazelor arse este reciclata din stiva in camera din jurul arzatorului, unde trebuie sa fie mentinuta o presiune pozitiva a aerului. La intrarea in aceasta camera, gazul recirculat este amestecat cu aerul de ardere, inainte de a fi alimentat la arzator.

Sistemele FGR reduc emisiile de NOx prin doua mecanisme. Primul, gazul recirculat se comporta ca un solvent pentru a reduce temperaturile de ardere. FGR reduce de asemenea si formarea de NOx prin scaderea concentratiei de oxigen in zona primara de flacara. Cantitatea de gaze arse recirculate este un parametru-cheie ce influenteaza ratele de emisie de NOx pentru aceste sisteme. Un sistem FGR este folosit in combinatie cu un arzator cu NOx redus special creat astfel incat sa fie capabil sa sustina o flacara stabila cu un debit crescut de gaz inert, care rezulta din utilizarea de FGR. Cand arzatoarele de NOx redus si FGR sunt folosite impreuna, aceste tehnici sunt capabile sa reduca emisiile NOx de la 60% la 90%.

Arzatoarele cu NOx redus, reduc cantitatea de NOx prin realizarea in etape a procesului de ardere. Impartirea procesului de ardere in etape, intarzie procesul de ardere, rezultand o flacara mai rece care suprima formarea NOx-ului terma

1.3.6 Dioxidul de sulf (SO2)

Oxizii de sulf intra in reactie cu vaporii de apa rezultati in urma arderii si formeaza un strat de vapori de acid sulfuric. Dioxidul de sulf este coroziv si foarte daunator pentru mediul inconjurator. Apare atunci cand combustibilul folosit pentru ardere contine sulf (in cele mai multe cazuri, atunci cand sunt folosite gaze naturale neprocesate).


9

1.3.7 Hidrocarburile (HC). Compusii organici volatili (VOC)

Compusii organici apar in urma procesului de ardere datorita arderii incomplete. Hidrocarburile (HC), sau compusii organici volatili (VOC) sunt redusi mentinand un raport optim de aer si combustibil. Totodata, pentru reducerea emisiilor de VOC sunt necesare temperaturi mari de ardere si timp suficient de mare de stationare la aceste temperaturi.

1.3.8 Funinginea

Funinginea este un fum negru ce apare atunci cand in procesul de ardere sunt folositi carbuni sau petrol. Funinginea in exces indica ineficienta arderii si scade transferul de caldura prin formarea de depuneri pe suprafetele de transfer.

Funinginea reprezinta carbonul nears si se formeaza datorita cantitatii insuficiente de aer sau a temperaturii scazute a flacarii.

1.4 Parametri combustiei

Pentru a evolua performanta unui furnal sau cazan, trebuie sa calculam urmatorii parametri:

Excesul de aer

Dioxidul de carbon

Eficienta combustiei

Referinta de O2

Conversia emisilor

1.4.1 Excesul de aer

Insuficienta aerului de combustie scade eficienta arderii, produce funingine si monoxid de carbon toxic. Pentru a ne asigura ca avem suficient oxigen pentru a avea un proces de combustie cat mai bun, intodeauna alimentam cu un exces de aer. Excesul de aer reprezinta cantitatea de aer in procente (in cele mai multe cazuri 15%), ce este folosita in plus fata de cantitatea de aer necesara din punct de vedere teoretic pentru realizarea arderii complete.

Excesul de aer necesar este calculat cu urmatoarea formula:

In formula poate aparea si monoxidul de carbon, in cazul in care avem o concentratie prea mare.

Excesul de aer reduce insa eficienta arderii deoarece duce la scaderea temperaturii si astfel, la utilizarea unei cantitati mai mari de combustibil. Trebuie luat in considerarea si faptul ca azotul, ce formeaza aproximativ 80% din aer nu are niciun rol


10

in producerea de caldura, dar care mareste cantitatea de gaz ce trebuie sa absoarba energie.

Figura 1-6. Eficienta combustiei (%) si excesul de aer (%)

1.4.2 Calculul concentratiei de dioxid de carbon

Dioxidul de carbon (CO2) se formeaza atunci cand carbonul existent in combustibil intra in reactie cu O2 din aerul de combustie:

Folosirea concentratiei de O2 pentru a determina concentratia de CO2 prezinta anumite avantaje fata de masurarea concentratiei de CO2 direct. Dupa cum vedem si in fig. 1-4, in cazul in care masuram doar cantitatea de CO2, nu putem spune daca avem concentratia de gaze arse la stanga sau la dreapta varfului curbei de CO2. Daca avem la stanga curbei de CO2 nivele mari de CO atunci sistemul opereaza in conditii periculoase. Detectand cantitatea suficienta de O2 din gazele arse, reactia de ardere este la dreapta curbei de CO2, minimizand astfel formarea de CO.

1.4.3 Determinarea eficientei arderii

Eficienta combustiei inseamna cat de eficient este convertita energia din combustibil in energie folositoare. Eficienta combustiei este determinata prin scaderea caldurii produsa de gazele arse (reprezentate in procent din capacitatea de incalzire a combustibilului), din potentialul de producere de caldura al combustibilului (100%).

Pierderile de caldura din cos provin din gazele arse (CO2, N2, O2) si din vaporii de apa formati datorita reactiei H2 din combustibil cu O2 din aer. Atunci cand are loc procesul de evaporare al apei, apa absoarbe o mare cantitate de caldura din proces. Aceasta caldura numita si caldura latenta, nu este recuperata. De aceea, de cele mai multe ori in zilele racoroase, putem observa un nor alb deasupra cosului, atunci cand vaporii de apa reactioneaza cu aerul atmosferic si cedeaza caldura.


11

In tabelul urmator avem prezentata eficienta combustiei atunci cand folosim petrolul ca si combustibil in diferite conditii:

Figura 1-7. Eficienta combustiei %

1.4.4 Referinta de O2

Aerul in exces este adaugat in procesul de ardere pentru a ne asigura ca avem destul oxigen care sa reactioneze complet cu combustibilul. Excesul de aer este masurat in gazele arse ca un procent de O2. Acest exces de aer dilueaza concentratia altor gaze masurate.

De obicei, se cere sa fie diminuate efectele pe care le are excesul de aer asupra NO, NO2, CO si SO2. Cantitatea de aer in exces este data de concentratia de O2 din gazele arse. Concentratia de O2 masurata, impreuna cu valoarea referintei de O2 este folosita in ecuatia de mai jos pentru a obtine concentratia de gaz corectata. Valorile referintei de O2 de 3 sau 6 % sunt folosite deseori, obtinand astfel concentratia de gaz corectata echivalenta cu concentratiile de O2 la 3 si 6%. Cand folosim referinta de O2 de zero, inseamna ca avem o concentratia de gaz nediluata sau care nu contine aer.

Pentru a obtine concentratia referintei de O2 a gazelor arse, se foloseste urmatoarea ecuatie:

1.4.5 Conversia emisiilor

O masurare a concentratiei gazelor toxice in parti/million (PPM) sau in procente, nu indica cantitatea de poluanti ce intra in atmosfera. EPA solicita conversia poluantilor in Kg/Joul combustibil consumat. Acest lucru se realizeaza pentru a putea determina imediat cantitatea de poluanti din concentratia de poluanti si debitul combustibilului folosit.


12

Capitolul 2 Reglarea arderii

13


Din capitolul precedent deducem dependenta CH4 – O2 ca fiind un raport. Din calculele teoretice putem deduce dependenta exacta a acestora si anume caracteristica statica dintre cele doua elemente data de raportul stoechiometric al ecuatiei chimice.

Totusi acest raport nu este suficient pentru o ardere eficienta, pentru aceasta fiind necesar un aport suplimentar de oxigen calculat mai sus sub forma unei cantitati de aer teoretic ce vine in completarea curbei de mai sus. Dar si aceasta cantitate este dependenta de cantitatea de combustibil, de unde deducem neliniaritatea raportului dintre cele doua elemente ce trebuiesc amestecate intr-un raport cat mai constant.

Natura si fenomenul arderii in sine, prin felul in care elementele se combina, este un proces destul de usor perturbabil (instabil pe termen scurt). Pentru un amestec corect, cele doua substante trebuie sa petreaca impreuna o anumita perioada de timp pentru a se asigura o dispersie suficient de buna pentru ca fiecare molecula sa aiba aceleasi sanse de reactie ca si celelalte. Apoi mixtura trebuie sa aiba o anumita temperatura optima inainte de ardere (de obicei vorbim de un interval optim al temperaturii amestecului). Arderea in sine este un fenomen destul de imprevizil si violent (ajungand pana la fenomene de explozii ce nu mai pot fi considerate o ardere efectiva) ceea ce o face destul de dificil de controlat dupa un anume criteriu de performanta.

Avand in vedere multitudinea de factori perturbatori ce pot afecta arderea continua, putem totusi implementa un mecanism de echilibrare a celor doi parametri reglati (combustibilul si oxigenul) printr-un control in raport, suprapus peste un mecanism clasic de reglare cu doua bucle de reglare in cascada cu reglarea temperaturii produsului la iesire). Cum aceasta reglare clasica este destul de grosiera, mecanismul raportului uneori nu da cele mai bune performante, el contribuind pe o perioada scurta la amplificarea temporara a perturbaiilor, sau nu raspunde prompt pentru unul din parametrii reglati atunci cand celalalt parametru sufera perturbatii. De aceea, reglarea in raport trebuie sa aiba un efect corectiv al reglarii feedbackward de baza, deci sa fie parte componenta a unei bucle feedforward.

Urmatorul capitol trateaza cateva modele si metode ale reglarii in raport ca parte a unei reglari feedforward pornind de la metodele clasice feedbackward.

2.1 Modele de control in raport

Problemele controlului proceselor sunt rezolvate traditional cu regulatoare PID. In ciuda simplitatii lor acestea se dovedesc a fi suficient de performante pentru o gama larga de procese. Pentru a ajuta operatorii sa indeplineasca cerintele de control cu un minim de efort de proiectare, au fost decoperite o multime de reguli de acordare impreuna cu metodologii de implementare a acelor cerinte suplimentare, cum ar fi: anti-windup, actiune feedforward, planificarea suprareglajului, control adaptiv si asa mai departe, ce fac din adoptarea algoritmilor PID de baza o alegere de succes in cazurile practice.

De cele mai multe ori controlerele PID sunt componente fundamentale in scheme mai complexe in care sunt exploatate cuplajele dintre sistemele de control mai simple. Un exemplu important din acest caz il reprezinta controlul in raport. Obiectivul unui


14

sistem de control in raport este de a mentine un raport constant intre marimile y1 si y2 a doua procese, aceasta fiind considerata o cerinta suplientara de control, indiferent de modificarile referintelor sau de perturbatiile asupra sarcinii. (Åström, and Hägglund, 1995; Visioli, 2006). Sunt multe aplicatii industriale in care aceasta cerinta este critica. De exemplu este folosita pentru ajustarea raportului optim aer-combustibil; sau mentinerea unui raport constant dintre fluxul de vapori si fluxul de apa dintr-un absorber; controlul aditivilor dintr-un proces de amestec pentru mentinerea compozitiei unui produs. Dupa cum vedem controlul in raport este necesar pentru asigurarea compozitiei sau conditiei unui produs finit.

2.1.1 Model cu statie de raport (serie)

Figura 2-1. Control cu statie de raport aplicata iesirii y1

Controlul in raport este obtinut uzual prin folosirea unor statii de raport (ratio stations – RS) ca in fig 2-1.

Raportul dorit poate fi mentinut pe perioada starii de stabilitate a sistemului. Dezavantajul principal al acestei scheme se observa in regimul tranzitoriu. Mentinerea raportului dorit in aceasta faza este o sarcina dificila cand se schimba referinta r1 din moment ce iesirea y2 este in mod necesar intarziata fata de iesirea y1 datorita dinamicii in bucla inchisa a buclet a II-a. Pentru a depasi acest neajuns, in general, bucla cu dinamica cea mai mare este aleasa ca fiind a doua bucla. Totusi, pentru mentinerea raportului aproape de valoarea dorita, ar putea fi necesara destabilizarea primei bucle. In plus, daca avem o modificare a sarcinii in bucla a doua, prima bucla nu va raspunde pe masura pentru pastrarea raportului dorit.


15

2.1.2 Model cu statie de raport (paralel)

Figura 2-2. Control cu statie de raport aplicata referintei r1

O alta metoda de abordare pentru rezolvarea neajunsurilor in raspunsul tranzitoriu este folosirea unei statii de raport pentru setarea referintei r1, in locul masurii y1, dupa cum se vede in fig 2-2. A doua iesire y2 nu mai este intarziata in comparatie cu iesirea principala y1 ca in abordarea anterioara. Comportamentul in regim tranzitoriu este determinat de ambele bucle. Prin acordarea controlerelor in asa fel incat sa aiba aproape acelasi comportament dinamic in bucla inchisa, raportul y2/y1 poate fi pastrat constant chiar si in cazul schimbarii referintei. Pe de alta parte, exista un dezavantaj semnificativ in solutia propusa in fig. 2-2 si anume solutia este o abordare in bucla deschisa. Daca dinamica unei bucle se schimba, la fel se schimba si raportul y2/y1. In plus, raportul nu poate fi pastrat constant daca o perturbatie a sarcinii apare in oricare din bucle. De aceea, in sistem vom avea fie deficit, fie exces al unei componente (Hagglund,2001).


16

2.1.3 Modele cu statie de amestec

Figura 2-3. Control cu statie de amestec

Pentru a depasi acest dezavantaj al acestei structuri de control in raport,

Hagglund a propus o noua arhitectura numita statie de amestec (BS), ca in fig 2-3 (Hagglund 2001). In statia de amestec, a doua referinta este determinata conform cu ecuatia:

(1)

Amplificarea γ este un factor de echilibrare (cuplaj), ce determina relatia dintre referinta r1 si iesirea principala y1 in calculul referintei r2. Alegand γ=0, obtinem structura standard RS data in fig 2-1. Pe de alta parte, cand γ=1, obtinem structura din figura2. Deoarece γ determina raportul de amestec a doua semnale, r1 si y1, el va avea valori cuprinse intre 0 si 1. Statia de amestec da posibilitatea combinarii avantajelor primelor doua abordari din fig. 2-1 si fig. 2-2. Totusi, raportul a nu va fi pastrat constant cand exista o perturbatie in bucla a doua.

Se propune o noua arhitectura imbunatatita de control in raport ce extinde ideea statiei de amestec prin substituirea parametrului constant γ din ec. 1 cu un sistem dinamic F(s) (Visioli, 2005). Schema de control este data in fig 2-4. Acesta noua arhitectura este deasemenea proiectata pentru a furniza performante imbunatatite la schimbarea referintei si modificarii sarcinii doar din prima bucla.


17

Figura 2-4. Control in raport propus de Visioli, 2005

In literatura exista doar un singur studiu ce se ocupa de pastrarea raportului constant cand o perturbare a sarcinii apare in oricare din bucle (Visioli si Veronesi, 2004). Schema de control in raport este data in fig 2-5.

Figura 2-5. Control in raport propus de Visioli si Veronesi, 2004

Aceasta lucrare propune o noua structura de control in raport cu doua statii de amestec (Yesil, Guzelkaya, Eksin).


18

2.1.4 Structura de control propusa

Structura propusa data in fig. 2-6 implica doua statii de amestec si reprezinta versiunea generalizata a structurii data in fig. 2-3. Cele doua statii de amestec (BS), sunt obtinute prin substituirea parametrului constant gama din ec.3 cu sistemele dinamice F1(s) si F2(s). Arhitectura data in fig. 2-4 are performante bune asupra raportului dorit cand perturbatia sarcinii apare in primul proces. Daca perturbatia sarcinii apare in al doilea proces, iesirea primului proces nu urmareste mentinerea raportului. Structura propusa ofera o solutie in pastrarea raportului constant chiar si in cazul in care perturbatia sarcinii apare in al doilea proces.

Figura 2-6. Control (generalizat) in raport cu doua statii de amestec

Sa consideram ca exemplu doua procese cu urmatoarele functii de transfer:

(2)

(3)

Cele doua controlere primare sunt alese ca fiind de tip PI si au urmatoarele functii de transfer:

(4)

(5)

Unde: Kc – factorul proportional, Ti – factorul de integrare


19

Scopul principal al primului controler C(s) este rejectarea rapida a perturbatiilor. Cei doi parametri ai controlerelor C(s), sunt:

(6)

Din ecuatia 6, este evident ca λ este singurul parametru ramas la alegerea proiectantului. De aceea, in loc de acordarea a doua controlere, este suficienta gasirea unui singur parametru. Filtrul FIMC(s) este un filtru trece jos definit de utilizator, de obicei ales ca:

(7)

Unde: n=1

Constanta de timp a filtrului IMC (λ), realizeaza un compromis adecvat intre performanta si robustete in proiectarea sistemelor de control. O valoare mica a λ determina un raspuns rapid in bucla inchisa, dar determina variabila manipulata de control sa fie mai abrupta, in timp ce o valoare mai mare a lui λ detemina un raspuns mai incet dar mai fin si un efort de control mai mic.

In acest exemplu, pentru determinarea parametrului λ este folosita maximul functiei de sensibilitate, determinata ca:

(8)

Maximul functiei de sensibilitate se defineste ca:

(9)

Ms este inversul celei mai scurte distante de la punctul critic (-1,0) la curba Nyquist. Valoarea aproximata a lui Ms este in domeniul 1,3-2. Cand parametrul controlerului este ales pentru valori mai mari decat Ms, iesirea sistemului este rapida dar oscilatorie pentru schimbari ale referintei si raspuns rapid la perturbatia sarcinii. Pentru proiectarea controlerului primar C(s), am setat ca obiectiv principal rejectarea cat mai buna a perturbatiilor. Din acest motiv am ales o valoare mare a lui Ms.

Functiile de transfer in bucla inchisa ale fiecarei bucle din fig. 2-6 sunt:

(10)

(11)

De asemnea, din analiza schemei de control din fig. 2-6 putem deduce ca:

(12)

si


20

(13)

functiile de transfer F1(s) si F2(s) sunt determinate in asa fel incat functia de transfer de la r1 la y1 sa fie aceeasi cu functia de transfer de la r1 la y2, amplificata cu factorul de raport. Dupa calcule obtinem expresiile:

(14)

La inlocuirea ecuatiilor 10 si 11 in ec. 14, se poate obtine relatia dintre F1(s) si F2(s):

(15)

Substituind ecuatiile 2,3,4 si 5 in ec. 15, obtinem:

(16)

In cele din urma, cand parametri controlerelor PI dati in ec. 6 sunt inlocuiti in ecuatia16, expresia se simplifica dupa cum urmeaza:

(17)

Unde

(18)

Constantele de timp in bucla inchisa, λ1 si λ2, sunt alese pentru a obtine functia de senzitivitate Ms=2, in scopul de a avea un raspuns rapid in rejectia perturbatiilor dupa cum am mentionat. In metoda propusa, dinamica F1(s) este aleasa constanta si numita "k". De aceea, cat avem o perturbatie d2 in a doua bucla inchisa, referinta primei bucle inchise este formata ca un amestec dintre referinta dorita si a doua iesire. Cand "k" este ales unitar, atunci prima bucla nu va rapunde la perturbatii. Valorile recomandate pentru "k" sunt in domeniul 0,5-0,8. Structurile de control in raport prezentate in cazurile anterioare se concentreaza asupra unei performante ridicate la urmarirea referintei sau a perturbatiei sarcinii d1. In cazul nostru, structura propusa tinde sa aiba o performanta buna si atunci cand avem o perturbare a sarcinii d2 in bucla a doua. Mai mult, structura propusa poate fi interpretata si ca o structura de control 2-DOF, in care fiecare statie de amestec actioneaza ca un prefiltru.

Concluzie:

Structura de control propusa cu doua statii de amestec este capabila sa asigure o performanta buna a raportului in cazul schimbarilor ambelor referinte si in cazul perturbatiei sarcinilor ce pot aparea in oricare din cele doua bucle de reactie.

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa

21


3.1 Hardware – STARDOM

Linia de echipamente hardware STARDOM consta din 3 variante:

FCN (Field Control Node) – controller autonom de tip modular continand module

CPU si de intrari-iesiri (IOM) si altele ce pot fi adaugate in functie de necesitati.

Figura 3-1. FCN, Field Control Node

FCN-RTU (FCN Remote Terminal Unit) – controller autonom de consum redus de

tip modular, ce contine un CPU cu consum foarte mic, sursa de alimentare cu o plaja larga de tensiuni si module intrari-iesiri ce pot fi adaugate in functie de necesitati.

Figura 3-2. FCN-RTU, FCN Remote Terminal Unit

FCJ (Field Control Junction) – controller autonom compact (te tip all-in-one) cu

intrari si iesiri incorporate.

Figura 3-3. FCJ, Field Control Junction


22

3.1.1 FCN – Field Control Node

In figurile urmatoare sunt prezentate cateva arhitecturi tipice de conectare modulara in varinata standard (single) si varianta redundanta (duplex) cu unul sau mai multe noduri.

Figura 3-4. FCN Single node, single CPU, single IOM

Figura 3-5. FCN Single node, duplex CPU, single IOM

Figura 3-6 FCN Multi node, duplex CPU Figura 3-7. FCN Multi node, single CPU


23

Varianta modulara se este recomandata aplicatiilor de dimensiuni medii sau mari in care volumul de procesare si necesitatile de control sunt mai mari.

FCN este un echipament modern in care informatia este incapsulata unitar prin folosirea de structuri de date complexe ce includ toate datele asociate unui singur dispozitiv intr-o singura entitate usor referentiabila oriunde in programul aplicatiei. Aceasta forma de organizare interna reprezinta si o cerinta actuala a standardului industrial respectat – IEC 61131-3, dar si o evolutie naturala de la Centum – DCS-ul dedicat al Yokogawa.

Astfel, datele interne ale unui regulator PID sunt usor accesibile:

modul de functionare (AUT, MAN, CAS, TRK, OOS, etc)

alarmele calculate (HI, LO, HH, LL, IOP+, IOP-, etc)

calitatea interna a datelor (BAD, QST, IOMT, PTPF, IOCN, CERR, etc)

In PLC-urile de generatie veche se folosesc adresari directe ale memoriei (in general limitata) iar datele nu sunt unitar grupate astfel incat sa defineasca o singura entitate (sursa) informationala, cum ar fi de exemplu un traductor din camp sau un regulator. Astfel, este sarcina programatorului sa-si organizeze inclusiv folosirea memoriei interne, o sarcina ce poate fi administrativa destul de complexa uneori (in functie de cerintele aplicatiei). Prin gruparea datelor in spatele un tag (eticheta, nume sau variabila interna), programatorul se concentraza mai mult pe aplicatia de control de baza fiind astfel scutit de a gandi o arhitectura interna a programului care sa-i permita sa incorporeze toate necesitatile sale, in cazul STARDOM-ului aceasta arhitectura fiind administrata intern chiar de catre PLC.

PLC-ul dispune si de interfete si functii moderne ce-l fac foarte usor de incorporat in arhitecturi de sistem complexe ce includ si echipamente ale altor terti:

Web Browser – pentru mentenanta si chiar monitorizarea parametrilor de proces chiar si remote.

FTP – transfer independent de fisiere, inclusiv fisiere de configurare

SNTP – sincronizarea timpului cu restul echipametelor din retea

Email – server minimal de email pentru alarme, loguri si alte date (inclusiv SMS)

Java – aplicatiile jar pot rula si independent de aplicatia de control de baza. Sepot realiza inclusiv interfete HMI locale pentru o flexibilitate maxima

HTML/XML – atat ca format intern de configurare cat si de export de date sau acces remote folosing terminale mobile

Login – acces remote securizat la resursele interne


24

3.1.2 FCN-RTU – FCN Remote Terminal Unit

Aceasta varianta nu poate fi folosita in modul duplex dar este maximizata pentru conectivitate, astfel poate ingloba foarte multe alte subsiteme locale putand fi folosit ca si gateway local de control.

De asemenea, are un consum extrem de redus – max 3W, putand fi alimentat chiar de la un panou solar local, ceea ce-l face extrem de atractiv pentru aplicatii in general mici si mai ales dispersate geografic sau in care trebuiesc adunate date de la foarte multe subsisteme ce nu poseda capacitatii avansate de control

Figura 3-8. FCN-RTU Schematic

Figura 3-9. FCN-RTU With extension modules

Capacitatile acestui CPU sunt:

64MB SDRAM, 1MB SRAM, Flash Memory 64MB on board

Ethernet 10M/100M 1port, RS232 3ports, RS422/485 1port

12-AI:1-5V, 1-AI:0-32V, 2-AO, 16-DI, 8-DO, 2-PI (pulse input)

Alimentare 10 – 30 VDC

Acest controller include toate librariile de DCS ale modelului precedent.

Figura 3-10. FCN-RTU Well monitoring, instalatia putului


25

Figura 3-11. FCN-RTU Well monitoring, interfata grafica de operare

3.1.3 FCJ – Field Control Junction

Dupa cum spune si numele acest controler se poate instala chiar si intr-o cutie de jonctiuni datorita dimensiunilor sale foarte reduse. Este aplicabil pentru instalatii locale de dimensiuni foarte mici sau modulare.

Capacitatile sale sunt:

24 V DC ±10%;

6-AI, 2-AO, 16-DI, 16-DO

Ethernet duplex

Contine toate functiile si librariile modelelor anterioare

Figura 3-12. FCJ Top view Figura 3-13. FCJ Side view


26

3.1.4 Module Intrari-iesiri si comunicatie

Analog I/O Modules

NFAI141 Analog Input Module (4 to 20 mA, 16-Channel, Non-Isolated)

NFAV141 Analog Input Module (1 to 5 V, 16-Channel, Non-Isolated)

NFAV142 Analog Input Module (-10 V to +10V, 16-Channel, Non-Isolated)

NFAI841 Analog I/O Module (4 to 20 mA Input, 4 to 20 mA Output, 8-Channel Input/8-Channel Output, Non-Isolated)

NFAB841 Analog I/O Module (1 to 5 V Input, 4 to 20 mA Output, 8-Channel Input/8-Channel Output, Non-Isolated)

NFAV542 Analog Output Module (-10 V to +10 V, 16-Channel, Non-Isolated)

NFAI143 Analog Input Module (4 to 20 mA, 16-Channel, Isolated)

NFAI543 Analog Output Module (4 to 20 mA, 16-Channel, Isolated)

NFAV144 Analog Input Module (-10 V to +10V, 16-Channel, Isolated)

NFAV544 Analog Output Module (-10 V to +10 V, 16-Channel, Isolated)

NFAT141 Thermocouple/mV Input Module (*1) (16-Channel, Isolated) (*1)

NFAR181 RTD Input Module (12-Channel, Isolated) NFTR8S –

NFAI135 Analog Input Module (4 to 20 mA, 8-Channel, Isolated Channels)

NFAI835 Analog I/O Module (4 to 20 mA, 4-Channel Input/4-Channel Output, Isolated Channels)

NFAP135 Pulse Input Module (8-Channel, Pulse Count, 0 to 10 kHz, Isolated Channels)

NFAF135 Frequency Input Module (8-channel, Contact ON/OFF, Voltage pulse, 0.1 Hz to 10 kHz, Isolated channels)

Digital I/O Modules

NFDV151 Digital Input Module (32-Channel, 24 V DC)

NFDV157 Digital Input Module (32-Channel, 24 V DC, Pressure Clamp Terminal Support Only)

NFDV161 Digital Input Module (64-Channel, 24 V DC)

NFDV141 Digital Input Module (16-Channel, 100 - 120 V AC)

NFDV142 Digital Input Module (16-Channel, 200 - 220 V AC)

NFDV532 Pulse Width Output Module (4-channel: Up Pulse/Down Pulse, 24 V DC, Isolated)

NFDV551 Digital Output Module (32-Channel, 24 V DC)

NFDV557 Digital Output Module (32-Channel, 24 V DC, Pressure Clamp Terminal Support Only)

NFDV561 Digital Output Module (64-Channel, 24 V DC)

NFDR541 Relay Output Module (16-Channel, 24 to 110 V DC,100 to 240 V AC)

Communication Modules

NFLC121 CANopen Communication Module (1-port, 10kbps to 1Mbps)

NFLF111 Foundation Fieldbus communication module (4-port)

NFLP121 PROFIBUS-DP Communication Module (1-port, 9.6kbps to 12Mbps)

NFLR111 RS-232-C Communication Module (2-port, 300 bps to 115.2 kbps)

NFLR121 RS-422/RS-485 Communication Module (2-port, 300 bps to 115.2 kbps)

Tabelul 3-1. Module I/O si comunicatie

3.2 Software


27

Pentru implementarea aplicatei avem nevoie de programarea controlerului folosind utilitarele Logic Designer si Resource Configurator.

Pentru interfata cu utilizatorul se va folosi programul FAST/Tools.

3.2.1 PLC – Programarea controlerului

Cele 2 medii de inginerie ale controlerului sunt total independente, astfel productivitatea dezvoltarii aplicatiei creste datorita independentei de lucru a echipei de hardware si cea software, singurul punct comun fiind acela că elementele definite in ambele parti trebuie sa fie comune. In STARDOM aceste elemente definesc semnalele (DLD – Device Label Definitions) ca unic identificator al unei informatii ce provine dintr-un parametru de proces (din camp). De aceea se recomanda ca Tag Name-ul din baza de date sa fie indexul primar al acesteia (totodata si pentru a mentine consistenta aplicatiei).

In urmatorul tabel avem un exemplu cu informatia minimala dintr-o baza de date ce trebuie pentru o alocare corecta in Logic Designer si Resource Configurator.

Tag

Nam

e

Descri

pti

on

I/O

Typ

e

I/O

Mo

du

le

Sta

tio

n

Un

it

Slo

t

Ch

an

nel

Ran

ge M

in

Ran

ge M

ax

En

g U

nit

TI_101 Tank Inlet, Temperature Indicator

AI NFAI143 STN01 1 3 1 0 100 °C

FI_205 Tank Inlet, Flow Indicator AI NFAI143 STN01 1 3 3 0 250 l/min

TCV_311 Tank Burner, Temperature Control Valve

AO NFAI543 STN01 1 5 2 120 373 °C

FCV_357 Tank Outlet, Flow Control Valve

AO NFAI543 STN01 1 5 4 20 300 l/min

ZSC1537 Valve XV-1537, Status Close

DI NFDV151 STN01 2 1 1 - - -

ZSO1537 Valve XV-1537, Status Open

DI NFDV151 STN01 2 1 2 - - -

XSA1537 Valve XV-1537, Status Remote

DI NFDV151 STN01 2 1 4 - - -

XVC1537 Valve XV-1537, Command Close

DO NFDV551 STN01 2 3 1 - - -

XVO1537 Valve XV-1537, Command Open

DO NFDV551 STN01 2 3 2 - - -

Tabelul 3-2. MTL database, minimal information for allocation

Logic Designer – Logica de control

defineste tipurile de date ale variabilelor

defineste parametri interni si tipurile de semnale indiferent de cum sunt acestea alocate pe resursele fizice

se construieste aplicatia de control folosind librariile standard sau cele specifice proiectului (create tot cu acest utilitar), sau se pot include librarii dedicate din portofoliul de aplicatii ale STARDOM-ului.


28

Figura 3-14. Logic Designer: Device Label Definition (Tag Name)

Resource Configurator – Alocarea

este folosit pentru a defini structura hardware a unei statii, respectiv numarul de noduri

defineste alocarea fizica a cardurilor pe sloturi

defineste alocarea fizica a semnalelor pe canale indiferent de cum depind semnalele unele de altele din punct de vedere logic

Figura 3-15. Resource Configurator: IOM list


29

Figura 3-16. Resource Configurator: Device Label Definition, DI module

Figura 3-17. Resource Configurator: Device Label Definition, AI module


30

3.2.2 HMI – Dezvoltatea interfetei grafice

FAST/Tools (Flexible Advanced System Techniques) este un pachet complex de utilitare ce permit dezvoltarea oricaror interfete grafice din toate domeniile industriale cum ar fi petrol si gaze (productie, rafinare, stocare), producere si distributia curentului electric (centrale clasice, turbine eoliene, parcuri de panouri solare etc), monitorizarea infrastructurilor (apeducte, gazoducte, oleoducte), dar si in aplicatii civile cum ar fi BMS (building management system), aeroporturi, ambarcatiuni maritime etc.

Cele 3 componente importante sunt:

Engineering Module – arhitectura de sistem

Edit module – editarea grafica

Operator interface – operarea instalatiei

FAST/Tools prezinta urmatoarele caracteristici:

Poate functiona pentru multe tipuri de procese

Sisteme de control bazate pe PLC / RTU

O zona extinsa de comunicare

Control logic secvential

Flexibiliatea de a combina diferite tipuri de sisteme pentru a oferi solutii hibride

In arhitectura de sistem un PC ce are instalat FAST/Tools poarta numele de nod. Nodul este definit prin nume, numar, licenta si functii specifice. Un sistem SCADA poate fi format din mai multe noduri ce comunica in retea. Fiecare masina pe care este instalat FAST/Tools-ul poate avea si rol de HMI (Human-Machine Interface).

Figura 3-18. Arhitectura de principiu

Totodata, cu ajutorul acestui soft se poate asigura un management cat mai bun al alarmelor precum si un istoric al tuturor actiunilor realizate in program. Un mare avantaj al FAST/Tools-ului este independenta sa de hardware.


31

Arhitectura interna a FAST/Tools -ului

Bus/FAST – este pachet folosit pentru trimiterea de mesaje, pentru comunicarea in proces, pentru managementul erorilor si pentru facilitiatile de debugging

Equipment/FAST – asigura comunicarea cu dispozitivele de intrari/iesiri. Totodata face si conversia din valori reale in unitati ingineresti

Item/FAST – stocheaza toate item-urile in memorie, controleaza accesul la acestia si recunoaste evenimentele

Database/FAST – este un mediu in care data din camp este stocata.

History/FAST – administreaza toate datele din istoric

Audit/Fast – stocheaza toate evenimentele din process

Process/FAST – contine functii logice, clase si obiecte, actoveaza si dezactiveaza obiectele

Alarm/FAST controleaza si supervizeaza alarmele. Permite definirea limitelor de alarmare, a conditiilor si a textelor care sa fie afisate atunci cand apare o alarma.

Report/FAST – este un instrument ce este folosit pentru a crea rapoarte ale aplicatiei. Este foarte flexibil si usor de utilizat (foloseste un limbaj foarte asemanator cu SQL)

User/FAST – are o interfata arborescenta. Este folosit pentru definirea utilizatorilor, a conditiilor de logare si controlul permisunii utilizatorilor sa faca anumite tipuri de actiuni

Access/FAST –permite accesul folosind interfe OPC si ODBC


32

Figura 3-19. Engineering Module

Engineering Module

Engineering Module este un soft ce se foloseste pentru definirea semnalelor de intrare si de iesire din proces. Cu ajutorul acestui soft putem modifica pentru simulare intrarile si iesirile din proces, putem alege limitele senzorilor pentru alarmare, putem alege prioritatile alarmelor, putem alege echipamentul si tipul PLC-ului.

Engineering Module foloseste un limbaj de tipul clasa-obiect prin intermediul caruia putem determina anumite actiuni la schimbarea valorii semnalelor. Obiectele specifica relatia dintre un numar de intrari si de iesiri de variabile de proces. Clasele au mai multi parametri: nume, descriere, prioritate (obiectele din clasa ce au o prioritate mai mare vor fi executate primele) si metoda. Metoda reprezinta sursa clasei si defineste variabilele de proces la care se conecteaza obiectele, precum si comportamentul acestora cand obiectele sunt active.

Clasele contin un prolog si un corp. Prologul este executat de fiecare data cand un obiect este creat. Poate folosi cuvinte ca: attribute, signal, constant, contains, var, make etc. Constant este folosit pentru definirea range-ului, Signal este folosit pentru a conecta obiectele de itemi, VAR pentru a defini o variabila interna, Attribute pentru a defini o variabila externa, Contains se foloseste atunci cand o clasa include o alta clasa, iar pentru generarea de itemi atunci cand un obiect este inserat putem folosi MAKE.


33

Corpul contine metode – echivalentul functiilor / procedurilor din programare.

Figura 3-20. Exemplu de cod

Obiectele au urmatorii parametri: nume (installation.unit.tag), descriere, clasa, prioritate si itemul de control (optional).

Trigger group-specifica un interval de timp in care o clasa sau un obiect trebuie sa fie executat. Grupul de activare are ca parametri: nume, descriere, timpul de start in care s-a efectuat activarea si intervalul activarii.

Obiectele ce fac parte din grupul de activare, sunt activate odata sau la intervale egale de timp de catre acest grup. Clasele ce fac parte din grup, vor activa toate obiectele derivate din ele, in afara de cele ce fac deja parte dintr-un grup de activare.

Edit module

Se foloseste pentru reprezentarea grafica a elementelor din proces. Cu ajutorul acestui program putem reprezenta butoane, valve, senzori etc. Fiecare „pagina” creata se numeste display si este salvata ca fisier xml. Ca si in celelalte medii de dezvoltare, si in acest program avem typical-uri grafice – numite simboluri.

Simbolurile create in Edit Module pot fi folosite in display-uri de mai multe ori. Ele pot fi statice si dinamice. In cele statice nu exista nicio schimbare, simbolul nu este conectat la niciun element. Proprietatile simbolurilor dinamice se schimba in functie de intrarile si iesirile din proces, prin conectarea item-urilor si a obiectelor.

Pentru a simula procesul, variabilele (item-urile) definite in Engineering Module trebuie sa fie conectate la elementele ce compun obiectul din interfata grafaica. De exemplu daca vrem sa modificam culoarea unei pompe la pornirea ei, trebuie sa conectam item-ul la Fill Paint, cu atributul Status Color.

Pe acest principiu putem insera si un text care sa se schimbe la o anumita actiune (ex start, stop), un cursor care sa isi schimbe pozitia, un bazin care sa se umple sau sa se goleasca etc.

Figura 3-21. Exemple grafice


34

Operator interface

Operator Interface permite utilizatorului sa navigheze usor in display-uri, intr-un mediu de tip browser. Cu ajutorul acestui program, utilizatorul poate vizualiza alarmele (inclusiv data aparitiei lor), poate confirma alarmele, poate vizualiza graficele de proces in timp real, precum si un istoric al lor. Totodata, el poate verifica foarte usor functionarea elementelor existente prin intermediul faceplate-urilor definite in Edit Module. Ineterfata este facuta astfel incat sa fie foarte usor de folosit, insa aspectul se poate schimba astfel incat sa corespunda cerintelor si nevoilor de operare.

Istoricul alarmelor de proces si de sistem este usor accesibil. Navigarea catre graficele de sistem este intuitiva, permitandu-se deschiderea mai multor pagini simultane.

Interfata operator este practic acel mediu in care se vede rezultatul finit al arhitecturii sistemului realizat in Engineering Module. Astfel, toate elementele grafice au posibilitatea de a prinde viata. Tot aici se pot face deci si eventualele simulari ale intregului sistem.

Capitolul 4 Cerintele aplicatiei

35


4.1 Descrierea instalatiei

Instalatia data se compune dintr-un cuptor cu arzatoare, partea de alimentare cu gaz metan si cea de alimetarea cu aer, intrarea si iesirea produsului in si din cuptor prin serpentina interioara cu 2 cai, un schimbator de caldura intermediar pentru recircularea produsului.

Alimentarea cu gaz metan se face printr-o conducta principala la care se conecteaza arzatoarele principale si o conducta auxiliara de alimentare a pilotilor fiecarui arzator. La intrare avem o indicare generala a presiunii PT-0001. Pe linia principala avem o valva de izolare (ShutDown Valve: SDV-0100 si o valva de reglare a presiunii gazului pe arzatoare PCV-0100 in functie de presiunea masurata local PT-0100. Acelasi lucru se observa si pe linia pilotilor,. valva de izolare SDV-0200 si un control local al presiunii PT-0200 si PCV-0200.

Deschiderea arzatoarelor se face local printr-o valva manuala MV-01xx, dupa aprinderea pilotilor. Acestia se aprind prin deschiderea electrovalvelor EV-02xx actionate de la panoul local de control prin apasarea butonului HS-02xx. Confirmarea aprinderii este data de detectorul de flacara cu ionizare BS-02xx observabil tot in panoul local.

Alimetarea cu aer se face cu ajutorul a 2 suflante V-03A/B ce functioneaza in regim duty-standby sau chiar simultan in functie de necesitati.controlul debitului de aer se face cu o valva cu clapeta (sibar, dumper) FCV-0301. Prezenta curgerii aerului prin tubulatura este data de un contact digital FS-0300 – aceasta are rol in protectia instalatiei.

Monitorizarea eficientei cuptorului se face prin masuri de temperatura in dreptul fiecarui arzator cu ajutorul a 8 senzori dispusi pe verticala pe toata inaltimea cuptorului – 4 in zona inferioara de incalzire TI-07xxY (Y=A/B/C/D) si 4 in zona superioara de supraincalzire TI-07xxY (Y=E/F/G/H). In partea de jos a cuptorului pasul serpentinelor este mai rar, iar in partea superioara este mai des, astfel incat produsul sa se regaseasca in zona de temperatura inalta cat mai mult timp, acumuland astfel cat mai multa energie termica.

Monitorizarea calitatii arderii se face cu ajutorul traductoarelor de monoxid de carbon si oxigen amplasate in partea superioara a cuptorului AT-0701/2.

In functie de acestia, intro etapa ulterioara acestei lucrari, ca o cerinta superioara de control, se poate face monitorizarea si controlul predictiv al cuptorului, in sensul anticiparii cantitatilor de energie ce intra si ies din sistem, prin modelarea cuptorului ca un tot unitar (sistem cu parametri distribuiti), astfel incat buclele de control inferioare (debite, temperaturi) sa fie total autonome si controlate de catre modelul astfel identificat. Totusi aceaste solutii sunt mai scumpe si se aplica in cazurile foarte complexe in care cerintele de eficienta energetica sunt mai stringente. Totusi, o astfel de solutie pentru un caz mai mic isi poate recupera investia in aproximativ 3-10 ani.


36

Intrarea produsului de incalzit se face prin partea inferioara a cuptorului, in acest punct avand masurile de presiune, temperatura si debit ale acestuia – PT-0401, TT-0401 SI FT-0401. Intrarea poate fi izolata cu o valva de sectionare SDV-0401 ce este dublata prin bypass de catre o vana manuala MV-0402.

Iesirea prudusului se face prin partea superioara a cuptorului, masurandu-se astfel temperatura finala TT-0500 precum si temperaturile celor doua cai ale serpentinei TT-0501/2, presiunea PT-0501. Sectionarea iesirii se face prin SDV-0501.

Recircularea se face prin deschiderea valvei XV-0502, care dupa izolarea instalatiei deviaza produsul printr-un schimbator de caldura. Bybass-ul instalatiei astfel rezultat are rolul de „preincalzire” sau „racire” (termica) a cuptorului.

La evacuarea gazelor arse pe cos se masoara monoxidul de carbon, oxigenul, noxele NOx si SOx din continutul acestora, tot ca o informatie suplimentara in monitoruzarea calitatii arderii si a protectiei mediului. Sibarul PCV-0601 aflat pe cos are rolul de a mentine in cuptor o oarecare suprapresiune fata de exterior, cu ajutorul masurii de presiune diferentiala DPT-0601 intre interior si exterior.

4.2 Functionarea instalatiei

4.2.1 Secventa de oprire

A) Ventilarea – FS-0301 1. Pornire ventilator secundar (stand-by) 2. Daca dupa dts1 = 15 sec FS-0301 nu revine la OK

Oprire gaze

Dupa dt4 = 25 min intra in recirculare

B) Arzatoarele – BS-01xx sau alimetarea principala – PT-0001 1. Oprire gaze 2. Start ventilator secundar 3. Dupa dt5 = 15 min intra in recirculare

C) Productie deficitara FT-0401, TT-0501

1. Oprire gaze 2. Start ventilator secundar 3. Dupa dt5 = 10 min intra in recirculare

D) Pornire proces

a. Activare SOR (Start-up Override Request) cu dt3 = 20sec pentru FT-0401 b. TT-0501 – normala:

Deschide SDV-0401 si SDV-0501

Inchide XV-0502


37

4.2.2 Secventa de start

A) Conditii normale (generale)

1. Presiune intrate PT-0401 – normala 2. Presiune alimentare gaz combustibil PT-0001 – normala 3. Valve de izolare alimentare gas SDV-0100 si SDV-0200 – inchise

B) Pornire suflanta

1. Izolare cuptor, SDV-0401, SDV-0501 – inchise 2. Recirculare deschisa XV-0502 3. Start ventilator primar, FS-0301 – ON (Activ). 4. Dupa dt1 = 20 min, semnal READY

C) Aprindere arzatoare

I. Aprindere piloti

2. Umplere instalatie piloti, SDV-0200 - dechisa 3. Deschidere valve pilot EV-02xx 4. Operatorul actioneaza pe rand bujiile pilotilor prin HS-02xx 5. Dupa dt 2 = 10sec, daca BS-02xx este ON (Activ) – aprinderea este

reusita si bucla ramane armata, Daca BS-02xx nu este activ

Alarma

Se dealimeteaza EV-02xx

Se reia de la pasul C) I.2.

II. Aprindere arzatoare principale

1. Toate BS-02xx Active, se deschide alimetarea principala SDV-0100 2. Operatorul deschide pe rand MV-01xx avand grija sa verifice la fiecare

noua deschidere imactul asupra celorlalti piloti. Trebuie sa asigure o echilibrare hidraulica minimala a retelei de arzatoare.

D) Pornire proces 1. Activare SOR (Start-up Override Request) cu dt3 = 20sec pentru FT-0401 2. TT-0501 – normala:

Deschide SDV-0401 si SDV-0501

Inchide XV-0502


38

4.2.3 Bucle de reglare

A) Presiune piloti: PT-0200 > PIC-0200 > PCV-0200

B) Presiune cuptor: DPT-0601 > PIC-0601 > PCV-0601

Bucle simple realizate cu PID local.

C) Presiune arzatoare principale: PT-0100 > PIC-0100 > PCV-0100

D) Debit alimentare aer: FT-0301 > FIC-0301 > FCV-0301

Bucle de reglare cu PID local ce functioneaza independent, dar si in cascada cu bucla de reglare a temperaturii de iesire.

E) Temperatura produs iesire: TT-0500 > TIC-0501 > PIC0100 (cascada)

Bucla de reglare a temperaturii de iesire ca actiune directa a controlului arderii. Functioneaza in cascada cu C) si D) printr-un block de raport. Acesta se refera la raportul optim de combinare a combustibilului si al aerului asfel incat sa avem o ardere optima adica, cat mai completa. Raportul in cauza mai este cunoscut din chimie si ca raport stoechiometric de combinare a doua substante. O ardere eficienta inseamna pierderi cat mai mici, sau folosirea a cat mai mult din energia chimica inmagazianta in combustibil. Controlul arderii este o problema foarte veche in industrie si de fiecare data necesita abordari particulare in functie de natura si constrangerile fiecarei instalatii.

4.2.4 Operarea si intretinerea instalatiei

Aerisirea cuptorului

Se face ori de cate ori se impune, de exemplu de fiecare data inainte de pornirea instalatiriei si dupa orice oprire de urgenta. In fiecare din cazurile identificate in secventele de mai sus, ventilarea cuptorului poate diferi ca durata. Aproape intotdeauna este urmata de o recirculare interna a produsului. Prin recirculare, folosind un schimbator de caldura extern, se asigura racirea cuptorului si a serpentinelor prin eliminarea energiei remanente in interior. In caz de avarie, nu dorim sa ramanem cu instalatia plina cu produs supraincalzit, deoarece se pot genera situatii si mai periculoase. Pe de alta parte nu dorim nici golirea imediata a serpentinelor deoarece reamorsarea acesteia esto o procedura complicata si consumatoare de timp.

Curba de incalzire

Este necesara incalzirea treptata a cuptorului pentru a evita incalziri prea bruste. Avand in vedere dimensiunile instalatiei, si materialele din care este construita (ex torcret – beton special refractar) si inertia termica ce o poate inmagazina, trebuie sa avem grija ca instalatia sa urmeze o anumita curba de acumulare a energiei termice in interiorul sau. Acest mod de operare duce la marirea duratrei de viata a cuptorului prin reducerea numarului de crapaturi ce inevitabil apar in timp. Periodic, izolatia cu torcred se reface complet iar in unele tehnologii cuptorul se reconstruieste complet, asadar o operare corecta duce la economii considerabile (mai ales de timp).


39

Dupa o oprire normala sau de urgenta, in functie de durata perioadei de nefunctionare, curba de incalzire poate fi mai rapida sau nu. In cazul in care exista un sistem de control complex, cu functii de monitorizare de ordin superior in care, in paralel, se incearca identificarea / modelarea cat mai exacta a intregii instalatii, atunci se poate determina cu o mai mare precizie cata energie remanenta mai exista in instalatie inainte de a o repune iar in functiune. Altfel, limitele de operare sunt fixe si calculate in avans cu aproximatie be baza unor constrangeri tehnologice, cum ar fi viteza de dilatare/contractare a unor materiale, durata de incalzire/racire etc.

Curatarea serpentinelor

In cazul in care apar depuneri pe serpentine, se poate observa la iesire o scadere a presiunii (adica o crestere a caderii de presiune pe cuptor) sau o crestere a diferentei de temperatura dintre temperaturile de iesire ale celor doua serpentine. In ambele cazuri, dupa depasirea limiteor se genereaza o alarma in urma careia ar trebui demarate procedurile de curatare a acestora prin suflarea de abur in contrasens, dupa o izolare prealabila.

Capitolul 5 Lista de semnale

40


5.1 Dimensionarea sistemului

In urma intocmirii listei de semnale, chiar daca aceasta nu e definitiva si mai poate suferi modificari ulterioare, putem totusi trece la dimensionarea de principiu a sistemului. Rezultatul final va consta in cele din urma intr-o lista de materiale necesare constructiei. Aceasta lista poate merge pana in cel mai mic detaliu incat sa ia in calcul absolut toate partile componente, cum ar fi etichetele cablurilor. Rezultatul final va fi deci influentat de modificari ale acestei liste de aceea este bine ca aceasta sa fie cat mai completa inca din fazele incipiente ale proiectarii.

Deoarece dimesionarea sistemului ia in calcul si typical-urile hardware folosite in aplicatie – care la momentul dimensionarii nu pot fi toate stiute sau definitivate, rezultatul acestui proces este in faza initiala mai mult orientativ, urmand a se concretiza pe masura ce se clarifica toate detaliile necesare. Astfel, aceasta este doar o activitate dintr-un proces ciclic din care face parte si proiectarea typicalurilor folosite – in aceasta lucrare fiind tratate in capitolul urmator.

Tabele urmatoare prezinta cateva statistici extrase din lista de semnale:

SYS TYPE I/O Total

DCS D I 20

DCS D O 7

DCS D - 27

DCS A I 55

DCS A O 4

DCS A - 59

DCS - - 86

Tabelul 5-1. Total A/ D, DCS Tabelul 5-2. Total A/ D, SIS

Tabelul 5-3. Total A / D, Sistem

De cele mai multe ori aceste informatii nu ofera o buna separare a I/O-urilor pe module, de aceea trebuie avute in vedere si restrictiile electrice datorate alegerii typical-urilor hardware. Asadar ne putem ghida si dupa uramatoarele statistici:

SYS TYPE I/O Total

SIS D I 16

SIS D O 12

SIS D - 28

SIS A I 3

SIS A O 0

SIS A - 3

SIS - - 31

SYS TYPE I/O Total

- A I 58

- A O 4

- A - 62

- D I 36

- D O 19

- D - 55

- - - 117


41

HW Typical DCS SIS

HWDIF-011-D 15 10

HWDIF-020-D 5 6

HWDOF-111-D 2 0

HWDOF-112-D 5 12

HWAIF-210-D 15 3

HWAIF-223-D 40 0

HWAOF-310-D 4 0

HWAOF-321-D 0 0

Total 86 31

Tabelul 5-4. Total semnale / typical HW

Avand in vedere aceste tabele putem aloca primul nod pentru semnalele de Safety iar al doilea nod pentru Control dupa cum se vede detaliat si in anexa [...]

Arhitectura de ansamblu a sistemului este redata in tabelele de mai jos, respectiv alocarea modulelor pe sloturi. In aplicatiile reale nu se accepta reuniunea partilor de Control si Safety in aceeasi statie logica, dar pentru cazul terotetic prezent, le vom considera impreuna doar pentru usurinta implemtentarii si demonstrarii aplicatiei.

NFPW 442

NFPW 442

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6 Slot 7 Slot 8 Slot 9 Slot 10

NFCP 100

NFCP 100

NFDV 151

NFDV 151

NFDV 551

NFAI 143

NFSB 100

NFSB 100

Tabelul 5-5. Nodul Safety

NFPW 442

NFPW 442

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6 Slot 7 Slot 8 Slot 9 Slot 10

NFDV 151

NFDV 151

NFDV 551

NFAI 143

NFAI 141

NFAI 141

NFAI 141

NFAI 543

NFSB 100

NFSB 100

Tabelul 5-6. Nodul Control

In orice alocare a semnalelor trebuie avute in vedere si un procent de 10-20% de rezerva pentru eventuale adaugiri de semnale atat pentru fiecare slot in parte cat si pentru intregul sistem. Uneori contrangerile nu pot fi atinse in unle cazuri punctuale, dar pentru ca atigerea lor ar insemna costuri foarte mari, de cele mai multe ori se accepta devieri sau compromisuri pentru de care beneficiarul final este instinntat si isi exprima acordul pentru aceste neconformitati.

In cazul nostru, desi pentru nodul 2 sloturile 5, 6 si 7 avem carduri fara canale libere, totusi putem accepta o deviere, deoarece semnalele alocate pe acestea sunt din aceeasi categorie si mai ales din aceeasi sectiune a instalatiei, dar si pentru ca au acelari rol. Astfel per total, cele 3 sloturi ofera o rezerva cumulata de 17%.

Singura neconformitate din acest punct de vedere ramanand nodul 2 slotul 4 cu doar 6% rezerva libera, acceptata deoarece rezerva totala este acoperitoare

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4

DI NIS DI IS DO NIS AI NIS


42

Used 10 Used 6 Used 12 Used 3

Total 32 Total 32 Total 32 Total 16

Used 31% Used 19% Used 38% Used 19%

Spare 69% Spare 81% Spare 63% Spare 81%

Tabelul 5-7. Rezerva de I/O-uri pe nodul de Safety

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6 Slot 7 Slot 8

DI NIS DI IS DO NIS AI NIS AI IS AI IS AI IS AO NIS

Used 15 Used 5 Used 7 Used 15 Used 16 Used 16 Used 8 Used 4

Total 32 Total 32 Total 32 Total 16 Total 16 Total 16 Total 16 Total 16

Used 47% Used 16% Used 22% Used 94% Used 100% Used 100% Used 50% Used 25%

Spare 53% Spare 84% Spare 78% Spare 6% Spare 0% Spare 0% Spare 50% Spare 75%

Tabelul 5-8. Rezerva de I/O-uri pe nodul de Control

Average Safety Control System

Used 27% 57% 42%

spare 73% 43% 58%

Tabelul 5-9. Rezerva totala de I/O-uri si pe subsisteme

5.2 Identificarea semnalelor

Pentru masurile (PT, FT, DPT) si comenzile analoage (PCV, FCV) am considerat o singura intrate / iesire in semnal unificat 4–20 mA.

Pentru valvle manuale (MV-xxxx) am considerat care 2 semnale digitate ca feedbac din camp – cele 2 limitatoare ce cursa, inchis si descis.

Pentru valvele SDV si XV am considerat 2 intrari digitale ca si feedback de la limitatoarele de cursa, inchis si deschis, si 2 iesiri digitale catre cei 2 solenoizi de actionare pneumatica, pentru inchidere si deschidere.

Aceeasi alegere ca si pentru valvele SDV o avem pentru cele 2 suflante, doar ca in acest caz avem doar o comanda si cate un feedback pentru fiecare dintre ele.

Pentru comanda electrovalvelor EV am considerat cate o ieside digitala pentru solenoidul de deschidere.

Pentru detectoarele de flacara BS si comanda aprinderii cu butoanele manuale HS avem cate o intrare digitala in sistem.

In anexa [...] este baza de date.


43

5.3 Alocarea semnalelor

Procesul de alocare al intrarilor si iesirilor este important in inginerie deoarece rezultatul sau este folosit pentru distributia de putere, cross wiring si designul de marshaling.

MTL (Master Tag List) este o baza de date cu un layout predefint, ce urmeaza a fi completat pe baza datelor de intrare. Acest document contine datele create de client pentru proces ce urmeaza a fi folosite in STARDOM. MTL poate contine si informatii ce nu sunt neaparat folosite in STARDOM, precum identificarea cablurilor, numarul de relee sau numarul de fire. Master Tag List va fi folosita pentru programarea aplicatiilor software pe bazata typical-urilor descrie in FDS (Functional Design Specification) si pe baza asocierii typical-urilor software cu I/O-urile fizice.

Dupa ce semnalele au fost alocate pe canale fiecarui card (slot), trebuie sa se decida cum sa fie conectate mai departe in camp. Pentru realizarea acestui lucru trebuie sa tinem cont de principiile de baza ale alocarii si segregarii semnalelor si de cerintele particulare ale aplicatiei cum ar fi:

Semnalele isolate vor fi separate de cele neizolate.

Semnalele ce au o putere mai mare vor fi separate de cele cu puterea de 24V

Semnalele ce solicita interpunerea releelor, a barierelor sau a dispozitivelor intermediare vor folosi o alta alimentare.

Semnalele din acelasi proces sau zona din camp vor fi puse pe acelasi nod. Acest lucru duce la reducerea incarcarii retelei dintre diferite component ale procesului.

Voting-ul este foarte important in special pentru sistemele de safety, unde restrictiile sunt mult mai drastic decat in sistemele de control.

In cazul in care exista mai multe criterii de alocare a semnalelor pe carduri, trebuie stabilite prioritati pentru fiecare din ele, astfel incat, atunci cand apare un conflict intre aceste criterii, sa putem sa il alegem pe cel mai bun

Alta decizie importanta care trebuie luata la alocarea semnalelor trebuie sa fie folosirea Terminal Block-urilor sau a placilor MTA.

o Prin intermediul Terminal Block-urilor se conecteaza dispozitivele din camp direct in cardurile de I/O. Acest lucru este recomandat pentru procesele de dimensiuni mici, sau pentru procesele in care, numarul de intrari si iesiri ale statiei este mic.

o Placile MTA folosesc cablurile de sistem (MIL) si conectorii. Acestea se folosesc in procesele de dimensiuni mai mari, in care cabinetele sunt mai mari si in care disponibilitatea este importanta. Un dezavantaj al lor il constituie costul mai ridicat.

Un alt criteriu care trebuie luat in considerare este redundanta. STARDOM nu suporta redundanta pentru intrari/iesiri dar asta nu inseamna ca obtinerea de redundantei nu este posibila. Obtinerea redundantei este posibila atat timp cat cele doua principii ale sale sunt respectate: paralelism si selectivitate.


44

o Pentru a obtine un paralelism functional trebuie luati in considerare mai

multi factori: daca semnalele sunt wet sau dry daca contactele sunt normal deschise sau normal inchise daca unitatea de masura a semnalelor este exprimata in V sau in

mA.

De exemplu pentru un contact dry normal deschis este recomandata configuratia in paralel, pe cand daca avem un contact normal inchis, conexiunea in serie este suficienta. Indiferent de caz, functia de paralelism este incorporata in conexiunea fizica.

o Selectivitatea se poate face si prin intermediul software-ului. De exemplu pentru valorile analogice, selectivitatea poate fi in functie de calitatea canalului celor doua conexiuni in paralel. Pentru implementarea functiei de selectivitate trebuie avut in vedere ca valorile din camp vazute de soft contin mici deviatii.

Dupa ce este realizat si testat design-ul pentru hardware, se poate trece la popularea portinuii din baza de date MTL corespunzatoare semnalelor de intrari/iesiri cu informatii precum: sursa de putere, tipul de semnal semnal (wet/dry), daca folosc relee, filtre sau alte elemente intermediare, terminalele ce sunt folosite la conexiunea cu campul si la fiecare dispozitiv etc.

In anexa [...] este baza de date.

Capitolul 6 Typical-urile aplicatiei

45


6.1 Hardware

HW

TY

P

TY

PE

I/O

IS / N

IS

I/O

PO

WE

R

CA

RD

SE

TT

ING

CH

NO

LO

CA

TIO

N P

S

TE

RM

BO

AR

D

BA

RR

IER

TE

RM

TB

TE

RM

FLD

HWDIF-011-D D I NIS Dry NFDV 151

- 32 TB TBY-C3- DI32-AKB

No #+ / #C #+ / #-

HWDIF-020-D D I IS Dry NFDV 151

- 32 Barrier BPYR3- DI151

4016 2+ / 1- #+ / #-

HWDOF-111-D D O NIS Wet NFDV 551

- 32 Field TBY-C3-

RO32-AKB No #C / #A #+ / #-

HWDOF-112-D D O NIS Dry NFDV 551

- 32 Cabinet TBY-C3-

RO32-AKB No #C / #A #+ / #-

HWAIF-210-D A I NIS Pasive NFAI 143

2 Wire

16 TB TBY-C3-

AIO16-KS No #A / #B #+ / #-

HWAIF-223-D A I IS Pasive NFAI 141

2 Wire

16 Barrier BPYR3- AAI141H

4041 2+ / 5- #+ / #-

HWAOF-310-D A O NIS Pasive NFAI543

2 Wire

16 TB TBY-C3-

AIO16-KS No #A / #B #+ / #-

Tabelul 6-1. Configuratia typical-urilor hardware


46

6.2 Software

6.2.1 Controler

6.2.2 Grafica

Appendix A Typical-uri hardware

47


A.1 HWDIF-011-D


48

A.2 HWDIF-020-D


49

A.3 HWDOF-111-D


50

A.4 HWDOF-112-D


51

A.5 HWAIF-210-D


52

A.6 HWAIF-223-D


53

A.7 HWAOF-310-D

Appendix B Alocarea I/O

54


B.1 Safety


55

B.2 Control


56

LUCRARE DE LICENŢĂ -...

Documents

Transcript of LUCRARE DE LICENŢĂ -...