STEROWANIE PROCESEM WYTWARZANIA PARY PRZEGRZANEJ STANOWISKO DYDAKTYCZNE W LabVIEW

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 60 Politechniki Wrocławskiej Nr 60 Studia i Materiały Nr automatyzacja pomiarów, LabVIEW, wizualizacja, Krzysztof PODLEJSKI *, Jarosław RAK * STEROWANIE PROCESEM WYTWARZANIA PARY PRZEGRZANEJ STANOWISKO DYDAKTYCZNE W LabVIEW Wysoka efektywność procesu dydaktycznego zależy od stosowanych form kształcenia studentów. Z doświadczeń dydaktycznych wynika, że jedną z najbardziej skutecznych metod są zajęcia projektowo-laboratoryjne, które mogą być prowadzone tradycyjnie lub metodą e-learning. W artykule przedstawiono stanowisko dydaktyczne do przeprowadzania doświadczeń z zakresu sterowania procesami technologicznymi. Zaprezentowano przykład z energetyki dotyczący procesu wytwarzania pary w elektrowni kondensacyjnej. Sprawność tego procesu zależy od efektywności procedur pomiarów, wartości określonych wielkości i reakcji systemu pomiarowo-kontrolnego na zadany algorytm sterowania. Wykonano stanowisko laboratoryjne wykorzystując środowisko LabVIEW i makietę fizyczną symulującą piec, silniki napędu taśmociągu, filtr spalin, działanie młyna kulowego, zawory pary przegrzanej i przenośnik popiołu. 1. WPROWADZENIE I CEL DYDAKTYCZNY Pomiary w zautomatyzowanych procesach sterowania, kontroli, wytwarzania, nadzoru, diagnostyki niosą informacje o aktualnym stanie procesu, jego zgodności z przyjętym algorytmem działania, prognozowania sprawności kolejnych etapów, bieżących i prognozowanych stanach alarmowych, konieczności przejęcia nadzoru i podejmowania decyzji przez operatora. Systemy pomiarowe umożliwiają kontrolowanie obiektów przemysłowych takich jak elektrownie, oczyszczalnie ścieków, kotłownie, fabryki samochodów, fabryki produktów spożywczych i farmaceutycznych oraz * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19, krzysztof.podlejski@pwr.wroc.pl

2 produkcji w tych obiektach. Szczególną rolę zajmują obiekty użyteczności publicznej takie jak multikina, teatry, opery, banki, hipermarkety, hale sportowe, szpitale, sale widowiskowe i kongresowe, obiekty dydaktyczne. Systemy pomiarowe dostarczają danych do sterowania oświetleniem, klimatyzacją, wentylacją. zabezpieczeniem przeciwpożarowym, ewakuacją, zużyciem energii, wody, gazu. Gwarantują możliwość wizualizacji procesu produkcyjnego, stanów kontrolowanego obiektu, prognozowania tendencji zmian, analizowanie danych i ich archiwizowanie, sporządzanie raportów. Istnieje wiele standardów przemysłowych systemów pomiarowo-kontrolnych [2,4,5,6] każdy ma swoje zalety i ograniczenia wynikające z dedykowanego obszaru zastosowań i opracowanego protokołu komunikacyjnego oraz implementowanych warstw modelu ISO/OSI [4,5]. Także wymiana danych pomiędzy nimi ma ograniczony charakter. Podejmowane są próby ujednolicenia standardów przemysłowych systemów kontrolnopomiarowych [1,2,5] ale stale obserwuje się również proces opracowywania odpowiednich aplikacji dla konkretnych potrzeb [12]. Jednak, bez względu na przyjęte rozwiązanie przemysłowego systemu kontrolnopomiarowego, można go odnosić do modelu ISO/OSI lub znanego z literatury metrologicznej modelu systemu pomiarowego [1,7]. System pomiarowy złożony jest z następujących jednostek funkcjonalnych: grupy czujników, przetworników pomiarowych, układów kondycjonujących, przetworników analogowo-cyfrowych, urządzeń do wizualizacji, komputera z oprogramowaniem, urządzeń wykonawczych, zasilaczy i w zastosowaniach przemysłowych stanowi część systemu pomiarowo kontrolnego. Wiele spośród wymienionych jednostek funkcjonalnych zawierają komputerowe karty pomiarowe, które wraz z komputerem i oprogramowaniem tworzą wirtualny przyrząd pomiarowy [1,2,3,7,9]. Przyrząd taki może być częścią systemu pomiarowokontrolnego. Cele dydaktycznym tytułowej pracy to: - poznanie możliwości opracowania przyrządu wirtualnego w środowisku LabVIEW, - poznanie właściwości metrologicznych kart pomiarowych i cyfrowego przetwarzania sygnałów, - poznanie zasad funkcjonowania systemu pomiarowo-kontrolnego i automatyzacji procesu przemysłowego, - zwrócenie uwagi na ergonomiczne zasady wizualizacji danych pomiarowych, - nauczenie podstaw analizy danych pomiarowych. Wybrano symulację fragmentu procesu produkcji pary przegrzanej wykorzystywanej w turbogeneratorach do produkcji energii elektrycznej. Kierowano się takimi czynnikami jak: proces ma zastosowanie rzeczywiste i jest kontrolowany przez nowoczesny system pomiarowy, znajomość zagadnienia wynikająca z odbytej praktyki, możliwość sterowania ręcznego i automatycznego, możliwość zmiany parametrów procesu, łatwe wprowadzanie procesu w stany alarmowe, możliwość przedstawienia zagadnień systemu rozproszonego, stosunkowo prosta zmiana typu czujników temperatury, przejrzystość wizualizacji, szerokie możliwości przetwarzania wyników

3 pomiarów oraz tworzenia własnych algorytmów sterowania piecem, rozwijanie programu i makiety przez wprowadzenie czujników innych wielkości. 2. KONSTRUKCJA STANOWISKA POMIAROWEGO Oprogramowanie utworzono w środowisku LabVIEW współpracującym z kartą pomiarową NI M6221. Produkcja pary przegrzanej symulowana jest za pomocą specjalnej makiety zawierającej układy: pieca, silniki napędu taśmociągów z paliwem, młyn kulowy, filtr spalin z wentylatorem, taśmociąg z popiołem, zawór pary przegrzanej oraz czujniki temperatury (rys.1). Elementy makiety załączane są w momentach określonych programem co jest sygnalizowane diodami LED. Rys. 1. Stanowisko dydaktyczne Fig. 1.The Didactic stand Makieta, widoczna w prawej dolnej części rysunku symuluje układ taśmociągów

4 dostarczających paliwo do młyna kulowego oraz układ piec-kocioł wytwarzający parę. Piec jest połączony z filtrem odprowadzającym spaliny do komina. Symulatorem pieca jest żarówka halogenowa, której jasność świecenia ( i mierzonej temperatury) jest regulowana sygnałem PWM, sterującym kluczem tranzystorowym poprzez układy transoptorów. Odpowiednie wyjście analogowe karty pomiarowej wykorzystano do sterowania prędkością obrotową silników napędu taśmociągów i filtra spalin. Makieta wizualizuje obroty silników. Działanie elementów makiety zapewnia zasilacz zewnętrzny Ogólna wizualizacja procesu widoczna jest na płycie czołowej makiety. Ten sam obraz widoczny jest na ekranie komputera jako panel główny (rys.2) z dodatkowymi opcjami. Efektywność działania procesu zapewnia karta pomiarowa ze złączem SCSI. Rys. 2. Panel główny procesu Fig. 1. The main window of the process Program umożliwia pracę w trybie automatycznym lub w trybie ręcznym. Oba tryby wymagają opracowania odpowiedniego algorytmu sterowania procesem. Określenia temperatury pieca (zadawanie mocy grzania ), sposobu włączania transportu paliwa do pieca zależnego od zapełnienia leja, sterowania młynem

5 kulowym i silnikiem filtra spalin, sposobu reakcji na spadek temperatury zależnego od analizy danych pomiarowych (oceny właściwości parametrów dynamicznych czujników temperatury). 3. WYBRANE ELEMENTY PROGRAMU Schemat blokowy (rys.3) przedstawia automatyczne działania pieca zrealizowane według algorytmu uwzględniającego rejestrację wyników pomiarów temperatury, na podstawie których załączany lub wyłączny jest taśmociąg popiołu, młyn kulowy, filtr OBSŁUGA SYGNAŁU PWM AUTOMATYKA PIECA OBSŁUGA KOMUNIKATÓW CZUJNIKÓW I LEJA REJESTRACJA DANYCH I WYŚWIETLANIE WYKRESÓW OBSŁUGA ZAPISU DANYCH DO PLIKU OBSŁUGA IMPORTU DO ARKUSZA OBLICZENIA STATYSTYCZNE Rys. 3. Schemat blokowy programu Fig. 3. Block diagram of the program spalin, zawór pary przegrzanej, kontrolowane zapełnienie leja, włączane sygnalizacje alarmowe przy zdefiniowanych zakresach temperatur. Program zawiera także procedury rejestracji danych pomiarowych, np. wykresy czasowe zmian temperatury, obliczania wartości średnich, odchylenia standardowego, eksportu danych do arkusza kalkulacyjnego, rejestrację wartości ekstremalnych. Dostępna jest wizualizacja w postaci wykresów obrazujących tendencje zachowania się procesu w

6 postaci wykresów obrazujących tendencje zachowania się procesu w zależności od przyjętego algorytmu sterownia. Pętla generowania sygnału PWM jest przeznaczona do sterowania mocą grzania pieca w zakresie od 0,001% do 99,99% generuje sygnały na wyjściu układu czasowolicznikowego karty pomiarowej sterujące mocą żarówki Przedstawiony na Rys. 4 diagram wykorzystany jest do sterowania silnikami. Rozruch silnika sterowany jest wartością zadanego napięcia zależną od czasu rozruchu zdefiniowanego programowo. Po czasie rozruchu silnik sterowany jest wartością napięcia proporcjonalną do ustawionej mocy grzania. Rys. 4. Sterowanie silnikami Fig. 4. Program control of the motors

7 Diagram formowanie raportu (rys.5) zapewnia zapisywanie danych pobieranych z czujników w określonych odstępach czasu. Dane te są zapisywane z określoną precyzją. i ułożone w zdefiniowane komunikaty (także konwertowane na tekst) możliwe do wyeksportowania do innych programów z rozszerzeniem txt lub doc. Rys. 5. Diagram formownia raportu Fig. 6. Diagram of the formation report Program obliczeń statystycznych ( obliczenia wartości średniej, maksymalnej i minimalnej, odchylenia standardowego i wariancji) zrealizowany jest identycznie dla sterowania automatycznego (PID) i ręcznego (rys.6). W obu przypadkach celem jest analiza skuteczności regulacji temperatury, to znaczy realizowanie algorytmu zmiany zadawanych wartości i utrzymywanie tych wartości w określonych przedziałach czasu. Wyniki regulacji prezentowane są na odpowiednich wykresach obrazujących wyliczane parametry w funkcji czasu. Wyniki te mogą być zapisane do utworzonych plików lub eksportowane do wybranych arkuszy. Rejestracja wyników odbywa się za pomocą węzłów właściwych (Property Node) oraz zmiennych lokalnych. Zastosowanie w tym przypadku rejestracji przez przesuwanie danych (Shift

8 nie w tym przypadku rejestracji przez przesuwanie danych (Shift register)jest nieskuteczne ze względu na problemy z kasowaniem danych w tablicy. Rys. 6. Diagram obliczeń statystycznych Fig. Diagram of the statistical calculating Poza przedstawionymi diagramami program zawiera inne elementy: pętlę sterowania całym procesem wytwarzania pary, tablicę sterująca blokiem zapisu danych do portów wyjściowych, program regulacji automatycznej (PID) zadanej temperatury sterujący grzaniem i chłodzeniem pieca, podprogramy włączania i wyłączania przenośnika popiołu, młyna kulowego, napędu taśmociągu, otwierania i zamykania zaworu pary przegrzanej, podprogram alarmowania i generowania wykresów na podstawie danych archiwizowanych co określony odcinek czasu zależny od właściwości dynamicznych zastosowanych czujników temperatury. 4. PODSUMOWANIE

9 Zrealizowanie założonych celów dydaktycznych wymagało przygotowania odpowiedniego stanowiska obrazującego system pomiarowo-kontrolny. Wybrano proces sterowania produkcją pary przegrzanej w elektrowni. Opracowano przykładową instrukcję zawierającą zadania zawiązane z: - sterowaniem procesu w trybie automatycznym i ręcznym, w którym decyzje podejmuje operator (ze szczególnym uwzględnieniem komunikatów alarmowych). Rejestrowane wyniki zależą od algorytmu dobieranego przez ćwiczących, związanego z właściwościami dynamicznymi zastosowanych czujników, - obserwacją cech dynamicznych pieca a także właściwości regulatora typu PID poprzez zmianę jego parametrów, - oceną wpływu parametrów różnych czujników temperatury na kontrolowany proces, - akwizycją i analizą wyników pomiaru temperatury, - wpływem właściwości kart pomiarowych na realizację systemu pomiarowokontrolnego, - możliwością wprowadzenia do systemu dodatkowych czujników wybranych wielkości fizycznych, - oceną ergonomicznych zasad projektowania systemów człowiek-maszyna. LITERATURA [1] CIEPŁOUCH J., Podstawy metrologii, Łódź, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, [2] LESIAK P.T., Inteligentna technika pomiarowa, Radom, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, [3] NAWROCKI W., Komputerowe systemy pomiarowe, Warszawa, WkiŁ, [4] MICHTA E., Modele komunikacyjne sieciowego systemu pomiarowo-kontrolnego, Zielona Góra, Wydawnictwo Politechniki Zielonogórskiej, [5] PODLEJSKI K., BRUNICKI K., Zagadnienie komunikacji między sieciami przemysłowymi, W: Zagadnienia maszyn, napędów i pomiarów elektrycznych, L. Antal (red.), Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, [6 ] PODLEJSKI K., KAŁWAK A., Wirtualny most do komunikacji międzysieciowej, Zagadnienia maszyn, napędów i pomiarów elektrycznych, L. Antal (red.), Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, [7] TLAGA W., WINIECKI W., Systemy pomiarowe, W: Współczesna metrologia, J. Borzykowski (kier.), Warszawa, WN-T, 2004, [8] TŁACZAŁA W., Środowisko LabVIEW w eksperymencie pomiarowym, Warszawa, WN- T, [9] ŚWISULSKI D., Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych, Warszawa, Agencja Wydawnicza PAK-u, 2005.

10 [10] WINIECKI W, NOWAK J., STANIK S., Graficzne zintegrowane środowiska programowe do projektowania komputerowych systemów pomiarowo-kontrolnych, Warszawa, Wydawnictwo MIKOM, 2001 [11] [12] SUPERHEATED STEAM CONTROL THE DIDACTIC STAND The article presents possibilities of the utilization of the LabVIEW and DAQ Boards to the superheated steam control. The software for communication between the resistive transducer, or another, and the client enabling the remote control of the process.