W003218 Дипломная работа Система автоматического регулирования давления питьевой воды и контроля технологических параметров городской фильтровальной станции

 

Реферат

Дипломный проект содержит 157 с., 56 рис., 79 табл., 23 источников, 3 приложения.

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ (АСУ ТП), ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЛЕР (ПЛК),  СЕНСОРНАЯ ПАНЕЛЬ ОПЕРАТОРА (СПО), АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБОЧЕЕ (АРМ).

Объектом разработки является система автоматического регулирования давления питьевой воды и контроля технологических параметров городской фильтровальной станции.

Цель проекта - разработка современной САУ и системы контроля технологических параметров городской фильтровальной станции, направленной на повышение надёжности и бесперебойности подачи питьевой воды.

В результате работы было выполнено проектирование заданной системы согласно техническому заданию.

Расчет показателей экономической эффективности позволяет судить о целесообразности и эффективности данной разработки.

Пояснительная записка по дипломному проекту выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007, блок-схемы и электрические принципиальные схемы выполнены в редакторе sPlan 7.0, рисунки в графическом редакторе CorelDraw Graphic Suite X4.

 

Список сокращений

ТЗ – техническое задание;

ПЛК – программируемый логический контроллер;

СПД – система поддержания давления;

СКТП – система контроля технологических параметров;

СА – система автоматики;

АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическими процессами;

АРМ – автоматизированное рабочее место;

ЦДП – центральный диспетчерский пункт;

ФС – фильтровальная станция;

ПЧ – преобразователь частоты (инвертор);

РЧВ – резерв чистой воды;

АСКДУ – автоматическая система контроля и дистанционного управления;

СЧР – станция частотного регулирования;

УПП – устройство плавного пуска;

СПО – сенсорная панель оператора;

ПО – программное обеспечение.

 

Содержание

1 Введение

2 Описание ФС  

2.2 Общая характеристика ФС

2.2 Описание технологических процессов ФС

3 Система автоматизации ФС

3.1 Описание СА ФС

3.2 Постановка задачи по реализации СА

3.3 Система поддержания давления на выходе ФС

3.3.1 Описание СПД ФС

3.3.2 Функции СПД ФС

3.3.3 Описание режимов работы СПД ФС

3.3.3.1 Ручной дистанционный режим управления

3.3.3.2 Автоматический дистанционный режим управления

3.3.3.3  Автоматический дистанционный режим управления с коррекцией по ЦТП.

3.3.3.4 Ручной местный режим управления

3.3.3.5 Автоматический местный режим управления

3.3.3.6 Управление от АСКДУ

3.3.4 Автоматические переходы между режимами работы СПД ФС

3.3.5 Перечень параметров контролируемых СПД

3.4 Система контроля технологических параметров ФС

3.4.1 Описание СКТП ФС

3.4.2 Функции СКТП ФС

3.5 Структура СА

4 Подбор приборной базы

12

14

14

14

16

16

16

17

17

17

18

18

18

19

19

19

20

20

21

23

22

25

25

27

4.1 Подбор средств измерения уровня

4.1.1 Требования к датчику уровня

4.1.2 Обзор имеющихся аналогов

4.1.2.1 Преобразователь гидростатического давления ПД100-ДГ

4.1.2.2 Преобразователь гидростатического давления LMP 808

4.1.2.3 Преобразователь гидростатического давления Метран-55-ЛМП 308

4.1.3 Выбор датчика уровня

4.2 Подбор средств измерения давления

4.2.1 Требования к датчику давления

4.2.2 Обзор имеющихся аналогов

4.2.2.1 Датчик избыточного давления ПД100-ДИ

4.2.2.2 Датчик избыточного давления Метран-55-ДИ

4.2.2.3 Датчик давления DMP 331

4.2.3 Выбор датчика давления

4.3 Подбор средств измерения расхода

4.3.1 Общие требования к датчику измерения расхода

4.3.2 Требования к датчику измерения расхода с Dy 100 мм

4.3.2.1 Обзор имеющихся аналогов

4.3.2.1.1 Преобразователь расхода электромагнитный ПРЭМ

4.3.2.1.2 Расходомер электромагнитный Метран-370

4.3.2.1.3 Расходомер электромагнитный СИМАГ 11

4.3.2.2 Выбор датчика измерения расхода с Dy 100 мм

4.3.3 Требования к датчику измерения расхода с Dy более 150мм

4.3.3.1 Обзор имеющихся аналогов

4.3.3.1.1 Ультразвуковой расходомер-счётчик жидкостей

US-800

4.3.3.1.2 Ультразвуковой расходомер-счётчик жидкостей

UFM 005-2

4.3.3.1.3 Ультразвуковой расходомер УРЖ2КМ модель 2

4.3.3.2 Выбор датчика измерения расхода с Dy более 150мм

4.4 Подбор прочих средств измерения и датчиков

4.4.1 Требования к датчикам наличия напряжения

4.4.1.1 Обзор имеющихся аналогов 28

28

28

28

29

30

31

32

32

33

33

34

35

36

37

37

37

38

38

39

41

42

42

42

42

43

44

45

46

46

46

4.4.1.1.1 Датчик наличия напряжения ADS

4.4.1.1.2 Реле контроля напряжения CM-PVE

3.4.1.1.3 Реле контроля напряжения РКН-1-3-15

4.4.1.2 Выбор датчика наличия напряжения

5 Программируемые логические котроллеры СА

5.1 ПЛК СПД ФС

5.1.1 Общие требования к ПЛК СПД ФС

5.1.2 Подбор ПЛК СПД ФС

5.1.2.1 Обзор имеющихся аналогов

5.1.2.1.1 ПЛК150-220.А-М

5.1.2.1.2 ПЛК SIMATIC S7-200 CPU224

5.1.2.1.3 ПЛК Decont-A9

5.1.2.2 Выбор ПЛК для СПД

5.1.3 Структурная схема СПД.

5.1.4 Внутренняя программа ПЛК СПД ФС

5.1.4.1 Описание блоков программы

5.1.4.1.1 Блок связи и обработки входных и выходных сигналов

5.1.4.1.2 Блок выбора ЦТП

5.1.4.1.3 Блок выбора режимов

5.1.4.1.3.1 Ручной дистанционный режим управления

5.1.4.1.3.2 Автоматический дистанционный режим управления

5.1.4.1.3.3 Автоматические переходы между режимами

5.1.4.1.4 Блок регулятора

5.2 ПЛК СКТП ФС

5.2.1 Общие требования к ПЛК СКТП ФС

5.2.2 Подбор ПЛК СКТП ФС

5.2.2.1 Описание ПЛК100-220.P-М.

5.2.3 Структурная схема СКТП. 46

47

48

48

49

49

49

49

49

49

55

58

63

64

65

65

65

76

78

78

79

81

82

85

85

85

86

90

5.2.4 Внутренняя программа ПЛК СКТП ФС

6 Верхний уровень СА

6.1 Панель оператора

6.1.1 Общие требования к сенсорной панели оператора

6.1.2 Подбор сенсорной панели оператора

6.1.2.1 Обзор имеющихся аналогов

6.1.2.1.1 СПО MT8150X

6.1.2.1.2 СПО EA7-T15C

6.1.2.1.3 СПО DomiOP eBIS50C

6.1.2.2 Выбор СПО

6.1.3 Назначение и функции СПО

6.1.4 Описание алгоритма работы СПО

6.1.5 Экраны СПО

7  Экономическая эффективность СА

7.1 Резюме проекта

7.2 Актуальность темы

7.3 Организация и планирование работы

7.4 Расчёт затрат на разработку системы

7.4.1 Расчёт затрат на заработную плату

7.4.2 Затраты на услуги сторонних организаций

7.4.3 Затраты на электроэнергию

7.4.4 Накладные расходы

7.4.5 Затраты на вспомогательные материалы

7.4.6 Полная себестоимость разработки системы

7.4.7 Затраты на реализацию системы

7.5 Смета затрат система-аналог

7.6 Целесообразность применения системы

7.7 Экономическая эффективность разрабатываемой системы

8 Безопасность жизнедеятельности

8.1 Безопасность персонала

8.2 Общие требования безопасности СА

8.3 Разработка инструкции по охране труда.

8.3.1 Общие требования безопасности

8.3.2 Требования безопасности перед началом работы

8.3.3 Требования безопасности во время работы

8.3.4 Действия в аварийных ситуациях

8.3.5 Требования безопасности по окончании работы

9 Заключение

Список использованных источников

Приложение А. Перечень сигналов ввода-вывода

Приложение Б. Схема электрическая принципиальная СПД

Приложение В. Схема электрическая принципиальная СКТП 91

99

99

99

99

99

99

101

103

104

104

105

106

112

112

112

113

115

115

117

117

118

118

118

119

120

121

123

126

126

133

134

134

136

137

139

140

141

142

144

146

150

Графический материал:

Презентация в формате Power Point

«Система автоматического регулирования давления

питьевой воды и контроля технологических параметров

городской фильтровальной станции»    __ слайдов

Твёрдая копия презентации на русском языке 7 экземпляров

CD-ROM:

Пояснительная записка к дипломному проекту,

презентация        в конверте, на обложке

 

1 Введение

Комплексная автоматизация производственных процессов позволяет повысить качество и снизить себестоимость продукции, позволяет добиться значительного экономического эффекта.

Целью создания и внедрения автоматизированной системы управления является достижение оптимальных производственно-экономических, технологических и технических параметров за счет внедрения современных и передовых технологий управления, снижение объема ручного труда, обеспечение стабильности характеристик технологического процесса, обеспечение возможности наблюдения, анализа и управления параметрами технологического процесса человеком. Результатом этого процесса является получение автоматизированной системы.

Автоматизированная система является совокупностью автоматических управляющих устройств, в которой часть функций управления выполняет человек. Автоматизированная система собирает информацию об объекте управления получая её от различных устройств ввода-вывода и обработки сигналов, передает, преобразует и обрабатывает ее, формирует управляющие воздействия на механизмы объекта. Человек выполняет лишь настройку и наблюдение за системой.

Данная работа представляет собой разработку современной САУ и системы контроля технологических параметров городской фильтровальной станции, направленной на повышение надёжности и бесперебойности подачи питьевой воды в город.

В проекте решается задача разработки нижнего уровня, он построен на базе датчиков давления, уровня, расхода, напряжения, а в качестве    исполнительного механизма используется станция частотного регулирования с подключенными к ней четырьмя насосами. В качестве среднего уровня используются два ПЛК производства компании ОВЕН, одним  ПЛК обеспечивается средний уровень системы подержания давления на выходе ФС, а вторым средний уровень системы контроля технологических параметров ФС. В качестве верхнего уровня предложена сенсорная панель оператора с диагональю  15 дюймов.

Реализованная СА обеспечивает контроль и отображения всех необходимых параметров на экране СПО, регистрацию параметров, и запись событий. В системе имеется возможность дистанционного управления, реализованы автоматические защитные функции, предотвращающие её некорректную работу. Данная система позволяет повысить общий уровень автоматизации ФС, уменьшить количество отказов оборудования, повысить контроль над работой оборудования. Наличие регистрации технологических параметров позволит тщательней анализировать произошедшие аварии и остановки оборудования.

 

2 Описание ФС

На городской фильтровальной станции (ФС) осуществляется очистка, подготовка и подача питьевой воды в город. Очистка воды осуществляется в три этапа: декарбонизация воды (обезжелезивание), очистка фильтрами I ступени и очистка фильтрами II ступени. Фильтровальная станция является стратегическим объектом, так как на оборудования ФС и обслуживающем её персонале лежит ответственность за чистоту и бесперебойность подачи питьевой воды в город.

2.1 Общая характеристика ФС

ФС  включает в себя три здания:

 «декарбонизаторная» - включающая в себя: две промежуточных ёмкости, два декабонизатора, 3 насоса «аэрированной воды» и 2 вентилятора;

 «фильтровальный зал» - включающий в себя 20 фильтров, по 10 в каждой ступени;

 «станция второго водоподъёма» - насосная станция, на которой осуществляется подача воды в город, включающая в себя 6 насосов, 4 из них подключены к станции частотного регулирования.

Также на ФС имеются две ёмкости резерва чистой воды(РЧВ), объёмом 2000 м3 и 3000 м3.

2.2 Описание технологических процессов ФС

На ФС происходят следующие технологические процессы - вода поднятая насосами из артезианских скважин на поверхность поступает на ФС. Поступившая  на ФС вода подаётся в декарбонизаторную установку, в которой в результате падения воды с высоты через деревянные решётки, на решётках оседает карбонат железа. Таким образом, осуществляется обезжелезивание воды, для протекания процесса снизу в декарбонизаторную установку под напором подаётся воздух. Далее из декарбонизаторной установки вода поступает в промежуточную ёмкость, уровень воды в которой должен поддерживаться для правильного протекания химических процессов. Из промежуточной ёмкости вода с помощью насосов  «аэрированной воды» подаётся на фильтры I ступени, всего фильтров может быть до 10. После прохождения через фильтры I ступени вода поступает на фильтры II ступени, всего фильтров II ступени может быть до 10. Далее после прохождения двух ступеней очистки очищенная вода поступает в ёмкости РЧВ, из которых она перекачивается насосами станции второго водоподъёма и подаётся в город.

Схема технологического процесса ФС изображена на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 – Схема технологического процесса ФС

3 Система автоматизации ФС

Основные требования, которые предъявляются к системе автоматизации ФС – это надёжность, простота обслуживания и эксплуатации, невысокая стоимость внедрения системы.

Согласно приведённым выше требованиям стоит задача разработать надёжную и не дорогую СА.

3.1 Описание СА ФС

Так как физически  основные структурные объекты ФС, которые в ходе данной работы необходимо автоматизировать находятся в разных зданиях, система автоматизации будет состоять из двух подсистем: «Системы поддержания давления воды на выходе ФС» (СПД) и «Системы контроля технологических параметров ФС» (СКТП), объединяемых в единое целое АРМ оператора. Так как СА подразделяется на две подсистемы, рассмотрение и разработка подсистем будет производится раздельно.

3.2 Постановка задачи по реализации СА

Для реализации СА потребуется произвести:

1) проработку режимов работы СПД;

2) определение перечня технологических параметров, контроль которых необходим для реализации СПД;  

3) определение перечня технологических параметров, контроль которых необходим для реализации СКТП;

4) определение требований к приборной базе СА;

5) подбор приборной базы для реализации СА;

6) определение требований к ПЛК СПД;

7) подбор ПЛК для СПД;

8) разработку алгоритмов работы ПЛК СПД;

9) определение требований к ПЛК СКТП;

10) подбор ПЛК для СКТП;

11) разработку алгоритмов работы ПЛК СКТП;

12) определение требований к АРМ оператора;

13) подбор АРМ оператора;

14) разработку мнемосхем АРМ оператора.

3.3 Система поддержания давления на выходе ФС

3.3.1 Описание СПД ФС

СПД ФС осуществляет автоматическое подержание давления питьевой воды на выходе ФС с помощью четырёх насосов подключенных к СЧР. Функция ручного управления насосами, органы управления расположены непосредственно на панели управления СЧР, которая находится в машинном зале станции второго водоподъёма. Так же имеются два резервных насоса, управление ими осуществляется только в ручном режиме с помощью отдельных постов управления, с помощью СПД ФС осуществляется только контроль их работы. Для осуществления коррекции значения давления заданного для поддержания на выходе ФС в зависимости от давления в точке города (давления на ЦТП) ПЛК СПД считывает данные о давлениях с ПЛК ЦДП, [1].  

3.3.2 Функции СПД ФС

Так как СЧР расположена в разных зданиях с АРМ оператора, система обеспечивает как «местное управление» (управление непосредственно с пульта СЧР), так и «дистанционное управление» (управление с АРМ оператора).

 Функционирование СПД может осуществляться в следующих режимах:

1) Режимы, функционирование которых, возможно при управлении системой с АРМ оператора (Дистанционные режимы управления СЧР):

 ручной дистанционный режим управления;

 автоматический дистанционный режим управления;

 автоматический дистанционный режим управления с коррекцией по ЦТП.

Переключение между данными режимами осуществляется с АРМ оператора.

2) Режимы, функционирование которых, возможно при управлении системой непосредственно с пульта станции управления насосами (Местные режимы управления СЧР):

 ручной местный режим управления;

 автоматический местный режим управления;

 управление от АСКДУ.

Переключение между данными режимами осуществляется с панели управления СЧР. В данных режимах ПЛК СПД ФС осуществляет только контроль работы насосов.

3.3.3 Описание режимов работы СПД ФС

3.3.3.1 Ручной дистанционный режим управления

В ручном режиме управления – оператор имеет возможность прямой задачи выходной частоты ПЧ в переделах от 0 до 50Гц с помощью функциональных кнопок АРМ. Данный режим называется на АРМ оператора «Ручной».

3.3.3.2 Автоматический дистанционный режим управления

Данный режим обеспечивает автоматическое поддержание давления на выходе ФС в зависимости от «задания» заданного оператором на АРМ, значение задания поступает на вход ПИД-регулятора. Данный режим называется на АРМ оператора «Автоматический»

 

3.3.3.3  Автоматический дистанционный режим управления с коррекцией по ЦТП.

Данный режим обеспечивает автоматическое поддержание давления на выходе ФС в зависимости от давления в удалённой точке города, то есть коррекция задания регулятору(значения давления которое необходимо поддерживать на выходе ФС) в зависимости от давления в точке города и давления заданного для поддержания в точке.  Данный режим является дополнительным к режиму «Автоматический», для осуществления коррекции задания в зависимости от давления в точке города дополнительно должен быть активирован режим «коррекция» на АРМ оператора. Коррекция осуществляется по алгоритму, реализованному в ПЛК СПД. На вход ПИД-регулятора поступает «задание» скорректированное в зависимости от давления в точке города. Выбор необходимого ЦТП производится на АРМ оператора.

3.3.3.4 Ручной местный режим управления

В данном режиме управление осуществляется с помощью элементов управления станции частотного регулирования расположенной в машинном зале станции второго водоподъёма. Данный режим называется на панели управления СЧР «Местный Ручной».

3.3.3.5 Автоматический местный режим управления

Данный режим обеспечивает автоматическое поддержание давления на выходе ФС в зависимости от «задания» заданного оператором на панели управления СЧР с помощью задатчика, управление станцией в данном режиме осуществляется ПЛК встроенным в станцию. Данный режим называется на панели управления СЧР «Местный Автоматический».

 

3.3.3.6 Управление от АСКДУ

В данном режиме на аналоговый вход ПЧ поступает сигнал от ПЛК СПД, а силовыми переключениями в СЧР (отключение насосов по аварии, переключение между насосами, подключение дополнительных насосов) управляет встроенный в СЧР ПЛК. ПЛК СПД осуществляет только контроль работы станции и ПЧ и задание частоты ПЧ.  Данный режим называется на панели управления СЧР «АСКДУ».

3.3.4 Автоматические переходы между режимами работы СПД ФС

Для предотвращения сбоев в работе ФС, ПЛК СПД ФС осуществляет автоматические переходы между режимами, данные переходы осуществляются, только когда СЧР работает в дистанционных режимах, то есть задание выходной частоты ПЧ осуществляется ПЛК СПД. В ПЛК СПД реализовано три функции автоматического перехода между режимами:

 «переход в ручной режим при неисправности датчика давления» - в данном случае ПЛК СПД осуществляет автоматический переход в ручной режим, при обнаружении неисправности датчика давления. При этом на экране АРМ выводится соответствующие сообщение и подаётся звуковой сигнал;

 «отключение коррекции при неопределённости давления в точке» - в данном случае ПЛК СПД осуществляет автоматическое отключение «коррекции» при обнаружении неопределённости значения давления в точке города.  При этом на экран АРМ выводится соответствующие сообщение предлагающее оператору осуществить выбор другой точки (другого ЦТП) с обратным отсчётом времени равным 10 секунд (данное значение времени может корректироваться при эксплуатации) и подаётся звуковой сигнал. Если выбор не был произведён, происходит отключение «коррекции» с выводом соответствующего сообщения на экран АРМ и подачей звукового сигнала;

 «отключение коррекции при потере связи с ПЛК ЦДП» - в данном случае ПЛК СПД осуществляет автоматическое отключение «коррекции» при обнаружении потери связи с ПЛК ЦДП. При этом на экран АРМ оператора выводится соответствующие сообщение и подаётся звуковой сигнал.

3.3.5 Перечень параметров контролируемых СПД

Для функционирования СПД во всех описанных в П.3.3.3 режимах потребуется контроль необходимых для этого параметров. В конструкции СЧР предусмотрены выходные дискретные сигналы позволяющие судить об её состоянии, соответственно остаётся только контролировать их с помощью ПЛК СПД. Для контроля параметров давления холодной воды в точках города необходимо будет производить их чтение и ПЛК ЦДП.   Контроль работы ПЧ и управление им производится с помощью аналоговых сигналов напряжением от 0 до 10В. Общий перечень параметров и сигналов управления СПД, приведен в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Наименование параметра Тип сигнала

Аналоговые входные сигналы:

Давление на выходе ФС Ток 4…20 мА

Частота ПЧ Напряжение 0…10В

Ток ПЧ Напряжение 0…10В

Дискретные входные сигналы:

Работа от сети насоса №5 Сухой контакт

Работа от ПЧ насоса №5 Сухой контакт

Работа от сети насоса №3 Сухой контакт

Работа от УПП насоса №3 Сухой контакт

Работа от сети насоса №6 Сухой контакт

Работа от ПЧ насоса №6 Сухой контакт

Работа от сети насоса №4 Сухой контакт

Окончание таблицы 3.1

Работа от УПП насоса №4 Сухой контакт

Авария насоса №5 Сухой контакт

Авария насоса №3 Сухой контакт

Авария насоса №6 Сухой контакт

Авария насоса №4 Сухой контакт

Авария ПЧ Сухой контакт

Авария УПП 1 Сухой контакт

Авария УПП 1 Сухой контакт

Насос №5 в автоматическом режиме Сухой контакт

Насос №3 в автоматическом режиме Сухой контакт

Насос №6 в автоматическом режиме Сухой контакт

Насос №4 в автоматическом режиме Сухой контакт

Насос №5 в ручном режиме Сухой контакт

Насос №3 в ручном режиме Сухой контакт

Насос №6 в ручном режиме Сухой контакт

Насос №4 в ручном режиме Сухой контакт

Аналоговые выходные сигналы:

Задание частоты ПЧ Напряжение 0…10В

Параметры, читаемые из ПЛК ЦДП:

Давление холодной воды на ЦТП – 3  аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 4 аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 6 аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 7 аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 8 аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 9 аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 9а аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 14 аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 13 аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 14а аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 15 аналог

Давление холодной воды на ЦТП – 20 аналог