Помощь студентам в учебе
Разработка системы управления пожарной насосной станции ООО «ЭнергоСтройПроект»
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ВЫБОР ОСНОВНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ 7
1.1 Характеристика и гидравлическая схема проектируемого механизма 7
1.2 Описание технологического процесса 13
1.3 Требования к оборудованию и системе автоматизации 14
1.4 Расчет мощности насоса 18
1.5 Выбор оборудования 19
2 РАЗРАБОТКА САУ 27
2.1 Разработка архитектуры системы автоматизации 27
2.2 Выбор контроллеров и датчиков технологических координат 30
2.3 Разработка алгоритма работы 33
2.4 Выбор и разработка функциональной схемы САУ объекта 37
2.5 Разработка контура регулирования технологических координат 39
2.6 Разработка структурной схемы САУ и моделирование типовых режимов
работы установки 40
3 РАЗРАБОТКА HMI ПАНЕЛИ 49
3.1 Технические требования к HMI панели 49
3.2 Разработка мнемосхем 50
4 РАЗРАБОТКА ШКАФА УПРАВЛЕНИЯ В СРЕДЕ EPLAN PROPANEL .... 69
4.1 Разработка электрических принципиальных схем 69
4.2 Разработка 3В-модели шкафа управления 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 88
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ВЫБОР ОСНОВНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ 7
1.1 Характеристика и гидравлическая схема проектируемого механизма 7
1.2 Описание технологического процесса 13
1.3 Требования к оборудованию и системе автоматизации 14
1.4 Расчет мощности насоса 18
1.5 Выбор оборудования 19
2 РАЗРАБОТКА САУ 27
2.1 Разработка архитектуры системы автоматизации 27
2.2 Выбор контроллеров и датчиков технологических координат 30
2.3 Разработка алгоритма работы 33
2.4 Выбор и разработка функциональной схемы САУ объекта 37
2.5 Разработка контура регулирования технологических координат 39
2.6 Разработка структурной схемы САУ и моделирование типовых режимов
работы установки 40
3 РАЗРАБОТКА HMI ПАНЕЛИ 49
3.1 Технические требования к HMI панели 49
3.2 Разработка мнемосхем 50
4 РАЗРАБОТКА ШКАФА УПРАВЛЕНИЯ В СРЕДЕ EPLAN PROPANEL .... 69
4.1 Разработка электрических принципиальных схем 69
4.2 Разработка 3В-модели шкафа управления 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 88
Тема выпускной квалификационной работы: «Разработка системы
управления пожарной насосной станции», была выбрана исходя из ее актуальности, которая заключается в том, что значительная часть российских подстанций(ПС) укомплектовано старыми системами автоматизации.
Использование подобных систем сказывается буквально на работе всей подстанции: низкая надежность функционирования объектов, сложность
обслуживания оборудования, увеличение количества обслуживающего персонала.
Одним из решений существующей проблемы является создание автоматизированной системы управления технологическим процессом подстанции (АСУ ТП ПС). Основное предназначение АСУ ТП ПС заключается в повышении надёжности подстанции, качества оперативного управление, наблюдаемости электрической сети, продление ресурса работы основного оборудования ПС, быстрая реакция на аварийные режимы. [1]
Быстрая реакция на аварийные режимы работы является ключевым фактором безопасности работы на подстанциях. Безопасность на подстанциях обеспечивается за счет множества мероприятий, немаловажной частью которого является обеспечение пожарной безопасности.
Согласно статистики эффективности работы пожарной автоматики при пожарах в 2019-2020гг. на энергетических объектах количество пожаров, в ходе которых не сработала или не была включена установка пожаротушения, составило 25 инцидентов. [2]
Классификация перечней объектов, которые подвергаются обязательной защитой установками пожаротушения, указан в СП 485.1311500.2020.
Существует необходимость в четком разделении назначения автоматической установки пожаротушения (АУП), применяемой на объекте. Один тип установок пожаротушения защищают конструкцию здания, в то время другие - содержимое помещений, например, электрооборудование, материалы и т.д.
Путем оснащения рассматриваемых объектов установками автоматического пожаротушения обеспечивается поддержка уровня их пожарной безопасности, таким методом предотвращается возникновение и развитие пожара, а также ограничиватся воздействие на людей и имущество опасных факторов пожара, которые могут привести к гибели людей, разрушению зданий и технологических установок или другому серьезному материальному ущербу. [3]
Основной целью работы является создание современной автоматической системой управления пожарной насосной станцией с возможностью перехода на ручное управление в случае неисправности автоматического режима и возможностью удаленного управления с помощью HMI-панели. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Основными задачами ВКР являются:
1. Анализ технологического процесса пожарной насосной станции, привести требования к системе автоматизации, основному и вспомогательному оборудованию;
2. Расчет основного оборудования, оборудования для защиты привода;
3. Разработка алгоритма работы;
4. Разработка САУ, математической модель и моделирование типовых режимов работы;
5. Разработка программ управления, включая управления с HMI-панели;
6. Разработка электрических принципиальных схем и SD-модель шкафа управления.
Полученные в выпускной квалификационной работе данные позволяют решить вопрос автоматизации пожарных насосных установок. Внедрение подобной системы несет большую практическую значимость, так как позволяет снизить затраты на электроэнергию и износ оборудования.
управления пожарной насосной станции», была выбрана исходя из ее актуальности, которая заключается в том, что значительная часть российских подстанций(ПС) укомплектовано старыми системами автоматизации.
Использование подобных систем сказывается буквально на работе всей подстанции: низкая надежность функционирования объектов, сложность
обслуживания оборудования, увеличение количества обслуживающего персонала.
Одним из решений существующей проблемы является создание автоматизированной системы управления технологическим процессом подстанции (АСУ ТП ПС). Основное предназначение АСУ ТП ПС заключается в повышении надёжности подстанции, качества оперативного управление, наблюдаемости электрической сети, продление ресурса работы основного оборудования ПС, быстрая реакция на аварийные режимы. [1]
Быстрая реакция на аварийные режимы работы является ключевым фактором безопасности работы на подстанциях. Безопасность на подстанциях обеспечивается за счет множества мероприятий, немаловажной частью которого является обеспечение пожарной безопасности.
Согласно статистики эффективности работы пожарной автоматики при пожарах в 2019-2020гг. на энергетических объектах количество пожаров, в ходе которых не сработала или не была включена установка пожаротушения, составило 25 инцидентов. [2]
Классификация перечней объектов, которые подвергаются обязательной защитой установками пожаротушения, указан в СП 485.1311500.2020.
Существует необходимость в четком разделении назначения автоматической установки пожаротушения (АУП), применяемой на объекте. Один тип установок пожаротушения защищают конструкцию здания, в то время другие - содержимое помещений, например, электрооборудование, материалы и т.д.
Путем оснащения рассматриваемых объектов установками автоматического пожаротушения обеспечивается поддержка уровня их пожарной безопасности, таким методом предотвращается возникновение и развитие пожара, а также ограничиватся воздействие на людей и имущество опасных факторов пожара, которые могут привести к гибели людей, разрушению зданий и технологических установок или другому серьезному материальному ущербу. [3]
Основной целью работы является создание современной автоматической системой управления пожарной насосной станцией с возможностью перехода на ручное управление в случае неисправности автоматического режима и возможностью удаленного управления с помощью HMI-панели. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Основными задачами ВКР являются:
1. Анализ технологического процесса пожарной насосной станции, привести требования к системе автоматизации, основному и вспомогательному оборудованию;
2. Расчет основного оборудования, оборудования для защиты привода;
3. Разработка алгоритма работы;
4. Разработка САУ, математической модель и моделирование типовых режимов работы;
5. Разработка программ управления, включая управления с HMI-панели;
6. Разработка электрических принципиальных схем и SD-модель шкафа управления.
Полученные в выпускной квалификационной работе данные позволяют решить вопрос автоматизации пожарных насосных установок. Внедрение подобной системы несет большую практическую значимость, так как позволяет снизить затраты на электроэнергию и износ оборудования.
В ходе выпускной квалификационной работы была разработана система управления пожарной насосной станцией.
Внедрение подобной системы несет большую практическую значимость, так как позволяет снизить затраты на электроэнергию и износ оборудования.
Согласно задачам ВКР был проведен анализ технологического процесса пожарной насосной станции, были изучены типы установок пожаротушения, приведены их достоинства и недостатки.
Проведен анализ существующей документации, устанавливающей нормы и правила проектирования автоматических установок пожаротушения. Согласно проведенному анализу были выдвинуты требования к системе автоматизации, основному и вспомогательному оборудованию, наличия резервирования системы. Основными требованиями к резервированию оказались: резервирование пожарных насосов и резерв питания. Из ключевых требований к системе автоматизации можно выделить: наличие ручного и автоматического режима управления, индикацию состояния основного оборудования.
Было проанализировано существующее оборудование на рынке, произведены расчеты для выбора основного и резервного насоса. Выбрано защитное оборудование с учетом особенностей требований к пожарным насосным установкам.
Была разработана архитектура автоматизации с учетом особенностей создания АСУ ТП на подстанциях. Разработан алгоритм работы основного, резервного насосов и жокей-насоса. Была разработана функциональная схема автоматизации объекта в соответствии с ГОСТ 21.208-2013.
Проведены расчеты для создания математической модели, которые включают в себя: расчет коэффициентов ПИД-регулятора, звена, отражающего
трубопровод, звена, отражающего электропривод. По итогам расчетов была разработана математическая модель электропривода жокей-насоса с помощью Matlab Simulink. Приведены результаты моделирования типовых режимов
работы электропривода жокей-насоса, так как он является элементом системы, который поддерживает рабочее состояние системы в режиме отсутствия пожара. Согласно результатам моделирования, были сделаны выводы, что система показывает быструю реакцию на возмущающее воздействие и переход в устойчивое состояние.
В рамках третьей главы была разработана программа управления с помощью средств TIA Portal. Программа включает в себя реализацию ручного и автоматического режима работы. Под ручным режимом в данном случае подразумевается управление с HMI-панели оператора, при этом непосредственно на самом шкафу переключатель, отвечающий за режим управления, переведен на положение «Авто». Реализована индикация работы и неисправности основного, резервного и жокей-насоса, индикация выбранного режима работы. Были разработаны аварийные сообщения для отображения на HMI-панели оператора, в их составе: неисправность основного оборудования, наличие сухого хода, наличие пожара.
Для системы визуализации были разработаны следующие экраны: главный экран с разграничением доступа к системе управления пожарной насосной станцией, экран режима ручного управления с управляющими элементами в виде кнопок и индикацией состояния основного оборудования, экран режима автоматического управления, аналогичный экрану ручного управления, за исключением отсутствия управляющих элементов, экран предупреждений и аварий.
В рамках четвертой главы были разработаны электрические принципиальные схемы шкафа управления и организации питания пожарных насосов и жокей - насоса. Было реализовано два режима управления автоматический и ручной, при автоматическом режиме управление производится непосредственно контроллером, при ручном режиме управление производится в данном случае с непосредственно шкафа управления с помощью управляющих элементов в виде кнопок и переключателей, расположенных на лицевой части шкафа управления. Также на лицевой части шкафа управления была предусмотрена индикация 86
состояния основного оборудования. Итогом данной главы было создание 3 D- модели шкафа с помощью созданных электрических схем.
С помощью вышеописанных работ в совокупности была разработана система управления пожарной насосной станцией, которая отвечает выдвинутым в первом разделе требованиям.
Использование подобной системы повышает уровень автоматизации рассматриваемого объекта и поддерживает уровень его пожарной безопасности, предотвращая развитие пожара. Также система позволяет уменьшить износ оборудования, затраты на электроэнергию, а также количество обслуживающего персонала.
Благодаря наличию HMI-панели реализовано управление с рабочего места оперативного персонала. Наличие HMI-панели повышает наблюдаемость системы, это позволяет заблаговременно обнаружить неисправность основного и вспомогательного оборудования, предотвращая при этом возможность того, что система не сработает или выйдет из строя в процессе пожаротушения.
Все задачи, поставленные в ВКР выполнены, а цель достигнута.
Внедрение подобной системы несет большую практическую значимость, так как позволяет снизить затраты на электроэнергию и износ оборудования.
Согласно задачам ВКР был проведен анализ технологического процесса пожарной насосной станции, были изучены типы установок пожаротушения, приведены их достоинства и недостатки.
Проведен анализ существующей документации, устанавливающей нормы и правила проектирования автоматических установок пожаротушения. Согласно проведенному анализу были выдвинуты требования к системе автоматизации, основному и вспомогательному оборудованию, наличия резервирования системы. Основными требованиями к резервированию оказались: резервирование пожарных насосов и резерв питания. Из ключевых требований к системе автоматизации можно выделить: наличие ручного и автоматического режима управления, индикацию состояния основного оборудования.
Было проанализировано существующее оборудование на рынке, произведены расчеты для выбора основного и резервного насоса. Выбрано защитное оборудование с учетом особенностей требований к пожарным насосным установкам.
Была разработана архитектура автоматизации с учетом особенностей создания АСУ ТП на подстанциях. Разработан алгоритм работы основного, резервного насосов и жокей-насоса. Была разработана функциональная схема автоматизации объекта в соответствии с ГОСТ 21.208-2013.
Проведены расчеты для создания математической модели, которые включают в себя: расчет коэффициентов ПИД-регулятора, звена, отражающего
трубопровод, звена, отражающего электропривод. По итогам расчетов была разработана математическая модель электропривода жокей-насоса с помощью Matlab Simulink. Приведены результаты моделирования типовых режимов
работы электропривода жокей-насоса, так как он является элементом системы, который поддерживает рабочее состояние системы в режиме отсутствия пожара. Согласно результатам моделирования, были сделаны выводы, что система показывает быструю реакцию на возмущающее воздействие и переход в устойчивое состояние.
В рамках третьей главы была разработана программа управления с помощью средств TIA Portal. Программа включает в себя реализацию ручного и автоматического режима работы. Под ручным режимом в данном случае подразумевается управление с HMI-панели оператора, при этом непосредственно на самом шкафу переключатель, отвечающий за режим управления, переведен на положение «Авто». Реализована индикация работы и неисправности основного, резервного и жокей-насоса, индикация выбранного режима работы. Были разработаны аварийные сообщения для отображения на HMI-панели оператора, в их составе: неисправность основного оборудования, наличие сухого хода, наличие пожара.
Для системы визуализации были разработаны следующие экраны: главный экран с разграничением доступа к системе управления пожарной насосной станцией, экран режима ручного управления с управляющими элементами в виде кнопок и индикацией состояния основного оборудования, экран режима автоматического управления, аналогичный экрану ручного управления, за исключением отсутствия управляющих элементов, экран предупреждений и аварий.
В рамках четвертой главы были разработаны электрические принципиальные схемы шкафа управления и организации питания пожарных насосов и жокей - насоса. Было реализовано два режима управления автоматический и ручной, при автоматическом режиме управление производится непосредственно контроллером, при ручном режиме управление производится в данном случае с непосредственно шкафа управления с помощью управляющих элементов в виде кнопок и переключателей, расположенных на лицевой части шкафа управления. Также на лицевой части шкафа управления была предусмотрена индикация 86
состояния основного оборудования. Итогом данной главы было создание 3 D- модели шкафа с помощью созданных электрических схем.
С помощью вышеописанных работ в совокупности была разработана система управления пожарной насосной станцией, которая отвечает выдвинутым в первом разделе требованиям.
Использование подобной системы повышает уровень автоматизации рассматриваемого объекта и поддерживает уровень его пожарной безопасности, предотвращая развитие пожара. Также система позволяет уменьшить износ оборудования, затраты на электроэнергию, а также количество обслуживающего персонала.
Благодаря наличию HMI-панели реализовано управление с рабочего места оперативного персонала. Наличие HMI-панели повышает наблюдаемость системы, это позволяет заблаговременно обнаружить неисправность основного и вспомогательного оборудования, предотвращая при этом возможность того, что система не сработает или выйдет из строя в процессе пожаротушения.
Все задачи, поставленные в ВКР выполнены, а цель достигнута.