CC BY
107
--© Д.Н. Солодухин, П.В. Глушков, 2015
УДК 331.255:622.333.5+331.28:622.333.5
Д.Н. Солодухин, П.В. Глушков
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И АСУ ТП НА ОБОГАТИТЕЛЬНОЙ ФАБРИКЕ
Представлен опыт внедрения и совершенствования автоматизации управления технологическим процессом обогащения. Описано назначение АСУ ТП, графического интерфейса и системы централизованного сбора, обработки и хранения информации, а также взаиморезервирования функций компонентов. Охарактеризованы и показано предназначение основного, вспомогательного, наладочного режимов управления и системы технологического телевидения. Представлены существующие на фабрике информационные сети, такие как, Ethernet, Modbus, RIO. Кроме этого, представлен результат работы по обеспечению энергосбережения технологического процесса обогащения.
Ключевые слова: АСУ ТП, энергоэффективность, энергосбережение, частотное регулирование, система, интерфейс, информация, обогащение.
Электроснабжение корпуса обогатительной фабрики согласно проекта 1975 г. собрано на базе общепромышленных реле и силовых контакторов. В связи с этим принято решение о модернизации электрооборудования, с целью повышения энергоэффективности и внедрения современных систем АСУ ТП.
Автоматизация технологического процесса — совокупность методов и средств, предназначенных для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений.
Целью создания АСУ ТП является замена существующих шкафов релейной автоматики, что позволило обеспечить заданные технико-экономические показатели работы оборудования в части:
1. Повышения безопасности обслуживающего персонала.
Технические средства обеспечили минимально возможное для нормальной работы фабрики присутствие обслуживающего персонала в производственной зоне и его безопасность.
2. Повышения безопасности функционирования оборудования.
Технические средства АСУ ТП обеспечили блокировку работы тех единиц оборудования, которые могут быть выведены из строя в случае аварийной или санкционированной остановки другого оборудования.
3. Повышения производительности производственного процесса.
Технические средства АСУТП обеспечили возможность регулирования параметров, влияющих на производительность процесса, с целью их оптимизации по результатам эксплуатации.
4. Повышения качества товарных продуктов.
Технические средства АСУТП обеспечили возможность регулирования параметров, влияющих на качество товарных продуктов, с целью их оптимизации по результатам эксплуатации.
5. Оптимизации расхода ресурсов.
Технические средства АСУТП обеспечило возможность регулирования параметров, влияющих на расход ресурсов, с целью их оптимизации по результатам эксплуатации
6. Сокращения затрат на текущее обслуживание
Технические средства АСУТП обеспечили сокращение затрат на текущее обслуживание системы за применения высоконадежного промышленного оборудования.
Назначение АСУ ТП включает в себя:
1. Мониторинг параметров работы технологического процесса и централизованного управления пуском/остановом оборудования с пульта оператора.
2. Ввод/вывод информации через устройства связи с объектом и согласующее оборудование.
3. Первичную обработку и реализацию других программных алгоритмов по преобразованию информации от датчиков (проверка достоверности информации) Линеаризацию характеристик первичных преобразователей, фильтрация пульсаций параметров, масштабирование, усреднение за требуемый интервал времени, программное подавление дребезга).
4. Автоматическое программное управление исполнительными механизмами (с дистанционной поддержкой с пульта оператора).
5. Автоматическое регулирование технологических параметров.
6. Программное управление технологическим процессом по заданным алгоритмам.
7. Анализ хода технологического процесса, выявления отклонений параметров от допустимых значений.
8. Обеспечения управляемого останова оборудования в случае необратимого отклонения параметров технологического процесса.
9. Обеспечения технологических блокировок.
10. Диагностирование состояния технологического оборудования при запуске и в процессе работы.
11. Обеспечения функций аварийной защиты.
12. Автоматизацию оперативного контроля и блокировок оборудования инженерных систем фабрики.
Система автоматизации контроля и управления технологическим комплексом фабрики верхнего уровня выполняет обмен данными с контроллерами системы автоматизации управления технологическим комплексом. Все производственные данные, поступающие из систем автоматизации управления технологическим комплексом (информация о технологических параметрах и работе оборудования, произошедших событиях, действиях оперативно и производственно-технического персонала) собираются и архивируются в специализированном сервере базы данных.
Данной системой обеспечивается:
— централизованный контроль и мониторинг состояния автоматизированного технологического комплекса обогатительной фабрики;
— косвенное оценивание параметров и характеристик технологического процесса, недоступных для непосредственного измерения;
— оперативная корректировка текущих заданий и параметров технологических режимов всех составляющих комплекса;
— регистрация данных о технологических параметрах и событиях, формирование отчетных документов;
— дистанционное управление оборудованием и агрегатами технологического комплекса фабрики.
Летальная и агрегированная информация о состоянии агрегатов и оборудования, технологических параметрах и характеристиках продуктов обогащения вновь вводимого в обогатительную фабрику поступает из систем автоматизации на базе управляющего контроллера.
Средства графического интерфейса обеспечивают:
— обобщенное и детальное представление на мониторе рабочей станции диспетчера фабрики и панелях операторов о состоянии агрегатов и оборудования, технологических параметрах;
— возможность дистанционного управления агрегатами и механизмами основного и вспомогательного оборудования.
Режим реализации управляющих функций — информационно-советующий. Команды управления, формируемые диспетчером, передаются для исполнения в контроллер.
В состав системы автоматизации верхнего уровня входит система хранения данных на основе сервера базы данных. Этой системой обеспечивается представление в различных масштабах времени информации о динамике параметров управляемых технологических процессов и состоянии оборудования на операторских станциях системы автоматизации и передача с этих станций команд дистанционного управления оборудованием технологического комплекса осуществляется через систему централизованного сбора и хранения информации.
Система централизованного сбора, обработки и хранения информации предоставляет технологическую и производственную информацию в систему автоматизации управления производственными процессами в любом требуемом и удобном для восприятия виде: графики, таблицы, диаграммы.
Взаиморезервирование функций компонентов, входящих в состав системы, обеспечивает высокую отказоустойчивость и живучесть системы, гарантирует сохранность данных.
Система автоматизации на базе управляющего контроллера обеспечивает автоматизацию управления оборудованием, агрегатами и реализуемыми на них технологическими процессами технологического комплекса и выполняются следующие основные информационные и управляющие функции:
— автоматический контроль, диагностика и передача на верхний уровень для отображения оперативному персоналу информации о параметрах технологических процессов, состоянии поточно-транспортного и технологического оборудования и агрегатов, а также вспомогательного оборудования и систем;
— автоматическое управление (плановый пуск/останов и переключение) поточно-транспортным и технологическим оборудованием с соблюдением заданного технологического регламента и блокировок оборудования;
— автоматическое регулирование основных режимных параметров технологических процессов.
Здесь осуществляется непосредственное взаимодействие со средствами контроля состояния технологического оборудования и процессов, пусковой аппаратурой электроприводов и обеспечивается автоматическое выполнение функций контроля и управления технологическими комплексами (включение и выключение электроприводов, регулирование технологических параметров) с учетом требований безаварийной и безопасной эксплуатации агрегатов и в соответствии с заданными режимами и командами управления.
Основной режим — «Автоматический». Все функции контроля и управления выполняются автоматически, включая локальное и взаимосвязанное регулирование технологических параметров комплекса, автоматический плановый пуск/останов технологического комплекса с соблюдением технологического регламента по командам диспетчера, отслеживание и реализация логической зависимости взаимных блокировок агрегатов и оборудования всего технологического комплекса и его частей, непрерывный контроль за выключателями аварийного останова и устройствами обеспечения безопасности обслуживающего персонала.
Вспомогательный режим — «Дистанционный». Все информационные и управляющие функции реализуются аналогично основному режиму, за исключением планового пуска/останова и переключения технологических схем, выполняются автоматически. Включение и выключение технологического оборудования и механизмов производится по командам диспетчера фабрики.
Наладочный режим — «Местный». Все информационные функции выполняются автоматически. Все управляющие функции выполняются производственным персоналом. Включение и выключение электроприводов производится по сигналам управления, поступающим с кнопочных станций местных постов управления каждого агрегата.
Так же состав АСУТП не возможен без современной сети передачи данных которая служит для создания общей информационной среды и обеспечения функционального взаимодействия управляющих контроллеров и автоматизированных рабочих мест операторов, на основе современных информационных технологий, обеспечивающих высокую производительность, повышенную надежность, высокую доступность и управляемость.
В настоящее время на Обогатительной фабрике существует несколько информационных сетей.
Сеть Ethernet
Сеть передачи данных Ethernet представляет собой совокупность узлов (шкафы локальных систем управления, шкафы управляющих контроллеров — ШУ, АРМы операторов, АРМы диспетчера и инженера, сервер технологической базы данных), имеющих возможность информационного взаимодействия друг с другом с помощью коммуникационного оборудования, установленного в шкафу локальной сети (ШЛС).
Технология связи локальной сети — Ethernet, информационный канал обеспечивается стандартным протоколом связи TCP/ IP. Сеть удовлетворяет стандартам IEEE 802.3, TIA/ EIA — 568A и ISO 11801.
Сеть Modbus
Для организации контроля и управления интеллектуальных устройств в составе системы, используется сеть Modbus, которая позволяет подсоединить устройства контроля и управления технологического оборудования (устройства защиты МКЗиД) к системе управления с использованием последовательного интерфейса.
Для подключения отдельных устройств к управляющим контроллерам используется последовательный протокол Modbus RTU, на основе физического интерфейса RS-485.
Поскольку в системе задействовано большое количество узлов Modbus, построение сети Modbus предусматривает организацию нескольких групп и подключение отдельных групп устройств к управляющему контроллеру с использованием специальных устройств — шлюзов RS-485\Ethernet, которые обеспечивают преобразование последовательного интерфейса RS-485 в Ethernet, таким образом реализуется независимый опрос каждой из групп.
Сеть RIO
Сеть удаленного ввода-вывода (RIO) Modicon представляет собой высокоскоростную локальную сеть передачи данных, которая обеспечивает взаимодействие управляющих контроллеров и модулей удаленного ввода вывода. Сеть RIO — универсальное соединение, подключающее процессоры управляющих контроллеров к удалённым шасси ввода/вывода и обеспечивающее организацию распределенной системы связи.
Управляющие контроллеры связаны с удалёнными шасси ввода/вывода, при помощи сетевой кабельной системы. Магистральный кабель начинается от головного процессора и продолжается вдоль всей длины сети. На магистральном кабеле устанавливаются ответвители, при помощи которых он подключается к узлам, используя кабели ответвления. В качестве магистрального кабеля для организации сети RIO используется дублированный коаксиальный кабель, для обеспечения требуемого уровня надежности распределенной системы ввода-вывода.
Во времена цифровых технологий не возможно представить АСУТП без обеспечения оперативного визуального контроля технологического процесса, что полностью обеспечено средствами телевизионной техники на заданных участках ОФ.
Система технологического телевидения обеспечивает выполнение следующих функций:
— оперативное наблюдение за технологическими процессами с помощью телекамер в режиме реального времени;
— синтез телевизионных изображений, полученных от всех телекамер;
— запись изображений в режиме мультиплексирования видеоканалов;
— просмотр телекамер в следующих режимах: полноэкранное изображение, последовательное переключение видео-
камер (режим листания), квадроизображение, полиэкранное изображение;
— простановка в записи даты, времени и краткого идентификатора видеокамеры;
— просмотр ранее записанных событий в системе на специально оборудованном рабочем месте;
— получение твердых копий (бумажных отпечатков) отдельных кадров записей.
Применение частотно-регулируемого привода для управления насосными агрегатами на обогатительной фабрике получило широкое применение.
Ло недавнего времени основными способами регулирования подачи насосных агрегатов являлись так называемое дросселирование и изменение количества работающих в одной напорной линии насосов, при этом асинхронные электродвигатели насосов подключались к электрической сети напрямую через автоматические выключатели и контакторы. Эти способы регулирования имеют ряд недостатков:
• сложности в применении, обслуживании, эксплуатации (большое количество насосов и коммутационной аппаратуры, дополнительные дроссели/клапаны которыми нужно управлять);
• низкое качество и диапазон регулирования (давление в линии меняется не оперативно и ступенчато);
• неэкономичность (содержание обслуживающего персонала, неэкономичная работа насосов «на задвижку»);
• «прямой» пуск асинхронных двигателей насосных агрегатов с многократной перегрузкой питающей сети и самих двигателей в момент пуска и возможность возникновения гидроударов в трубопроводах.
Применение частотно-регулируемого привода (иначе преобразователей частоты) для управления электродвигателями насосов позволило избежать многих вышеперечисленных недостатков. Регулирование производительности насосных агрегатов осуществляется путем изменения скорости вращения крыльчатки насоса и позволяет значительно упростить гидравлическую и механическую схемы, а так же повысить их надежность, снизить эксплуатационные расходы.
Всегда актуален для любого предприятия и вопрос энергосбережения. Применение регулируемого электропривода по-
зволяет получить экономию энергии до 40-50 %. Сбережение энергии происходит путем устранения непроизводительных затрат в заслонах, дросселях и других регулирующих устройствах. При замене нерегулируемого привода, работающего в режиме периодических пусков/остановов на регулируемый, исключаются потери на высокие пусковые токи за счет плавного пуска электродвигателя. Обороты электродвигателя могут плавно изменяться для обеспечения поддержания производительности насосного агрегата, требуемой в данный момент. Регулирование производительности насосов в соответствии с графиком потребления воды в системах водоснабжения позволяет получить значительную экономию, как электроэнергии, так и воды, уменьшить количество аварий из-за разрывов трубопровода.
Эффективность регулирования производительности насосного агрегата с помощью преобразователя частоты наглядно видна из приведённого ниже рисунка (рис. 1).
Можно заметить, что при дросселировании энергия потока вещества, сдерживаемого задвижкой или клапаном, просто теряется, не совершая никакой полезной работы. Применение преобразователя частоты в составе насосных агрегатов позволяет просто задать необходимое давление или расход, завести сигнал обратной связи по параметру непосредственно в преобразователь частоты, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снижение потерь транспортируемого вещества.
Закрыта Опсрыга
Напарив* »адедаха
Мощность, потребляемая при дросселировании
Мощность, потребляемая при частотном регулировании
Экономия электроэнергии
ога.п
о 0.25 0.5 0.75 1,0 Рис. 1. Потребление мощности при различных способах регулирования скорости вращения насосов
С ростом стоимости энергоресурсов, ценность частотных преобразователей (ЧП) направленных на их экономию серьезно возросла. Внедрение ЧП стало первоочередной задачей для большинства объектов, имеющих значительное энергопотребление. Большинство (две третьих) используемых в настоящее время электродвигателей имеют фиксированную рабочую скорость и питаются фиксированным сетевым напряжением. Это значит, что даже не полностью нагруженный механизм потребляет почти столько же электроэнергии, как и при работе с полной нагрузкой. Поэтому, производя модернизацию закладывали возможность максимального сбережения энергопотребления. Технология частотного регулирования способна экономить до 40 % энергопотребления и водопотребления (рис. 2, 3). Основная экономия происходит во время сниженной нагрузки на механизмы, когда, например, производственная установка работает не в полную мощность.
Внедрение таких систем для управления электродвигателями на производстве, несомненно, даст следующие преимущества:
• снижение энергопотребления электродвигателями установок и механизмов (для насосов и вентиляторов до 40 %);
• Увеличение срока службы электроприводного оборудования, за счет плавности пуска и ограничения пусковых токов.
• Уменьшение нагрузок на трубопроводы, снижение гидроударов на насосное оборудование
• плавный пуск и останов электродвигателей;
• автоматическое ПИ(Л) регулирование любого параметра технологического процесса (скорость вращения, температура, давление, расход и др.);
Рис. 2. Механизм с питанием двигателя от сети нагружен на 20 %
Потери в обмотках ЭКОНОМИЯ 1,7кУУ
Потери г железе 1.6М1»
Потери при трении и вЛрэимя* 1ЖИ
т
■■=> 21 ЗкУУ
Входная мощность
85%
1 ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Выходная мощность
Устройство главного путтл ХГГ
Асинхронны Й электродвигатель
Рис. 3. Механизм, оснащенный устройством частотного регулирования нагружен на 20 %
• автоматическое управление исполнительными механизмами и синхронизация их работы (многоосные системы);
• возможность централизованного управления технологическими процессами.
До модернизации для уличного и цехового освещения применяться лампы ДРЛ, КЛЛ которые являются недостаточно эффективными по потреблению электроэнергии, в сравнении с светодиодными светильниками. Замена светильников с лампами ДРЛ КЛЛ на светодиодные светильники, имеющие срок службы продолжительностью до 50 тыс. часов, позволило более эффективно использовать электрическую энергию. При использовании светодиодных светильников вместо светильников с лампами ДРЛ, КЛЛ экономия электроэнергии составила от 60 до 70 % (в среднем 65 %). Внедрение современных осветительных приборов помимо уменьшения энергопотребления привело к увеличению освещенности, что в свою очередь по-
влияло на уменьшение риска травматизма персонала ОФ, уменьшение времени на производство ремонтных работ, увеличилась производительность труда. Дополнением к энергоэффективности наружного освещения является автоматическое включение/отключение посредством сумеречного выключателя. гагста
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Солодухин Дмитрий Николаевич - главный энергетик обогатительной фабрики ООО «СУЭК-Хакасия», [email protected],
Глушков Павел Владимирович - электромеханик корпуса обогащения угля класса 0-25мм обогатительной фабрики ООО «СУЭК-Хакасия», [email protected].
UDC 331.255:622.333.5+331.28:622.333.5
ENERGY EFFICIENCY AND AUTOMATIC PROCESS CONTROL AT PROCESSING PLANT
Solodukhin D.N., Principal Power Engineer, Processing Plant, SUEK-Khakassia, [email protected], Russia,
Glushkov P.V., Electrician, 0-25 mm size fraction coal dressing area, Processing Plant, SUEK-Khakassia, [email protected], Russia.
The experience of introduction and improvement of dressing process flow control automation is presented. The article describes the role of automatic process control system, graphic interface and centralized data acquisition, processing and storage system, as well as cross-redundancy of the functions of the components. The characteristics and purpose of the basic, supplementary and debugging modes of the control system and of the closed circuit TV system are given. The information systems available at the processing plant, such as Ethernet, Modbus, RIO, are described. The results of the dressing process energy efficiency maintenance are reported.
Key words: automatic process control system, energy efficiency, energy saving, frequency regulation, system, interface, information, dressing.
