ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Zagadnienia automatyzacji systemu elektroenergetycznego statku

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEII ORSKIEJ W SZCZECINIE IV IĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA EXPLO-SHIP 2006 Roman Śmierzchalski Zagadnienia automatyzacji systemu elektroenergetycznego statku Słowa kluczowe: automatyzacja systemów, system elektroenergetyczny statku, bezpieczeństwo zasilania w energię elektryczną Praca przedstawia ogólne zagadnienia związane z automatyzacją systemu elektroenergetycznego statku [1]. Zawarto w niej opis poszczególnych elementów składowych tego systemu, przedstawiono strukturę sterowania sytemu elektroenergetycznego statku, elementy komputerowej automatyki systemów energetycznych, wymagania oraz funkcje urządzeń wchodzących w skład elektroenergetycznego systemu statku, przy czym uwzględniono dodatkowo wymagania towarzystw kwalifikacyjnych. W części końcowej przedstawiono strukturę zautomatyzowanej elektrowni okrętowej. Problems of the Automation of Ship Electric Power Plant Key words: automation of systems, ship electric power plant, safety of the electrical power energy supply The paper presents general problems connected with the automation of ship electric power system. The author discusses individual components of this system, the structure of control and monitoring, as well as computer-aided automatic system of ship electric power plant. The requirements and functions of the devices included in the system are discussed. Finally, the structure of automated ship power plant is presented. 381

2 Roman Śmierzchalski Wstęp Wprowadzenie nowych rozwiązań technicznych, związanych z rozwojem automatyki i informatyki w układach sterowania i kontroli na statku, pozwoliło na rozszerzenie zakresu automatyzacji procesów. Dąży się do automatyzacji kompleksowej statku, rozumianej jako możliwość sterowania wszystkimi układami i urządzeniami okrętowymi w sposób automatyczny, bez udziału człowieka. Idea ta prowadzi do bezobsługowej pracy wszystkich urządzeń, a zatem eksploatacji statków bez załogi. Jednak, jeśli uwzględni się aspekty ekonomiczne w odniesieniu do statków handlowych, to koncepcja statku bezzałogowego nie jest obecnie uzasadniona, natomiast powszechne zastosowanie znajduje częściowa automatyzacja statku (automatyzacja wybranych systemów), która zapewnia wyposażenie określonych systemów okrętowych w urządzenia automatyki obsługujące maszyny i mechanizmy, rozmieszczone na całym obiekcie, niezależnie od ich funkcji [4]. Wymaga to nowego spojrzenia na zagadnienia systemów komputerowych sterowania i układów automatyki. Do systemów podlegających pełnej automatyzacji zaliczamy między innymi system elektroenergetyczny statku z funkcją wytwarzania oraz użytkowania energii elektrycznej [5, 6, 8]. Uwzględniając podział okrętowego systemu elektroenergetycznego na urządzenia służące do wytwarzania energii elektrycznej, przesyłu, rozdziału wytwarzanej energii i jej odbioru (rys. 1), w pracy są rozpatrywane zagadnienia automatyzacji poszczególnych elementów składowych tego systemu. Zostanie też omówiona struktura sterowania systemu elektroenergetycznego statku, jego parametry i wymogi oraz elementy komputerowe automatyki [7, 9, 10]. Q Q Q Q Q Q Q Q Q Odbiorniki Przesyłanie energii RG ATR GTR S 1 S 2 S 6 S 3 S 4 S 5 Rozdział energii G 1 1 G 2 Zespoły G 3 podstawowe 2 3 Zespół awaryjny G 4 4 Wytwarzanie energii Rys. 1. Schemat systemu elektroenergetycznego z podziałem na funkcje Fig. 1. A diagram of electrical power system divided by functions 382

3 Zagadnienia automatyzacji systemu elektroenergetycznego statku 1. Problemy zasilania w energię elektryczną na statku Urządzenia i systemy okrętowe na współcześnie budowanych jednostkach wymagają zasilania energią elektryczną o określonej jakości. Jakość wytwarzanej energii elektrycznej opisują następujące parametry: dopuszczalny zakres zmian wartości napięcia i częstotliwości w sieci w stanach ustalonych (statycznych) oraz nieustalonych (przejściowych), a także dopuszczalne odkształcenia przebiegu napięcia sinusoidalnego. Proces regulacji częstotliwości i dopuszczalne uchyby przedstawia rysunek 2 [7]. f f(+)= 10% f zn Dla 0-100% obciążenia znamionowego +5% f zn f zn -5% f zn +/-1% f zn Dla % obciążenia znamionowego t r = 5 s Zdjęcie obciążenia t = 0 Rys. 2. Regulacja częstotliwości i dopuszczalne uchyby Fig. 2. Frequency control and permissible deviations Wartości dopuszczalnych odchyleń parametrów energii elektrycznej podają przepisy towarzystw klasyfikacyjnych. Regulacja częstotliwości i napięcia w sieci w zakresie dopuszczalnych zmian jest szczególnie trudna w warunkach ciągłej zmiany obciążenia w systemie elektroenergetycznym statku. Do wytwarzania napięcia w sieci elektroenergetycznej na statkach stosowane są powszechnie prądnice synchroniczne samowzbudne, bezszczotkowe. Regulację częstotliwości przy zmiennym obciążeniu uzyskuje się poprzez zmianę dawki paliwa silnika napędowego prądnicy [2]. Odbywa się to za pomocą regulatora prędkości obrotowej, zwykle hydraulicznego, np. firmy Woodward, lub coraz częściej stosowanego regulatora elektronicznego. Regulację wartości napięcia zapewniają tyrystorowe regulatory napięcia [1, 3, 12]. Jeśli chodzi o zachowanie sinusoidalnego nieodkształconego przebiegu napięcia, wprowadzenie do eksploatacji dużych prostowników sterowanych, prądnic wałowych z przetwornicami częstotliwości itp. w sposób istotny wpływa na zniekształcenie tego przebiegu [11]. Powstawanie wyższych harmonicznych przy pracy tych urządzeń może spowodować zakłócenia w pracy ważnych dla eksploatacji statku odbiorników. Wymaga to stosowania odpowiednich filtrów, układów dławiących oraz posługiwania się metodami sterowania układami elektronicznymi. t 383

4 Roman Śmierzchalski W systemie elektroenergetycznym statku główne trudności z zachowaniem jakości energii elektrycznej wynikają z małej mocy prądnic w stosunku do mocy odbiorników, dużych zmian obciążenia i przypadkowego charakteru zmian oraz zwartości systemu. Analizując poszczególne czynniki wpływające na jakość energii elektrycznej, należy uwzględnić w systemie również ich charakter łączny. Przechodząc do analizy mocy prądnic w stosunku do mocy odbiorników, należy zauważyć, że charakterystyczną cechą okrętowego systemu elektroenergetycznego jest porównywalność mocy pojedynczych odbiorników dużej mocy z mocą prądnic. Do odbiorników dużej mocy zalicza się stery strumieniowe, urządzenia wyładunkowe (np. kontenerów), silniki wciągarek kotwicznych itp. Znaczący wpływ na zmianę parametrów energii elektrycznej mają również silniki elektryczne takich urządzeń, jak pompy olejowe, pompy wody morskiej i słodkiej, sprężarki chłodnicze oraz systemy pomocnicze siłowni. Porównując system elektroenergetyczny (SE) okrętowy i lądowy, można stwierdzić, że ten pierwszy jest podatny na zmiany obciążenia, natomiast drugi ma charakter sztywny, tzn. włączane odbiorniki nie mają znacznego wpływu na jakość energii elektrycznej. Występujące na statku, głównie duże i przypadkowe, zmiany obciążenia powodują znaczne odchylenia parametrów energii, szczególnie w stanach przejściowych. Przykładem może być załączanie sprężarki powietrza w razie spadku ciśnienia w instalacji poniżej określonej wartości granicznej. Z kolei zwartość systemu związana jest ze stosunkowo krótkimi liniami kablowymi doprowadzającymi energię do odbiorników. ała rezystancja okablowania powoduje brak ograniczenia prądu podczas rozruchu, przy zmianie obciążenia czy zwarciu. Wpływa to w sposób udarowy na pracę prądnic i powoduje duże wahania częstotliwości oraz napięcia, a także komplikuje konstrukcję zabezpieczeń prądnic. Z tego względu w sytuacji zwarcia urządzenia zabezpieczające muszą działać tak, jakby nie występowały elementy ograniczające prądy zwarciowe. Jednocześnie przy obliczaniu prądów zwarciowych uwzględnia się impedancje prądnicy oraz efekt łuku. Zachowanie parametrów energii elektrycznej jest warunkiem podstawowym i niezbędnym stabilnej pracy wszystkich systemów statku, a szczególnie urządzeń odpowiedzialnych za bezpieczeństwo statku i zachowanie przezeń własności manewrowych. Do urządzeń ważnych pod względem zasilania energią elektryczną zalicza się: wszystkie urządzenia elektroniczne (takie jak odbiorniki satelitarne, urządzenia nawigacyjne, układy energoelektroniczne, systemy kontrolno-sterujące, komputerowe układy automatyki), silniki pomp systemów pomocniczych silnika głównego i pomp maszyny sterowej. 2. Struktura systemów sterowania i kontroli Budowę okrętowego systemu sterowania i kontroli z rozproszonymi mikroprocesorowymi układami opiera się na wielopoziomowej strukturze sterowania 384

5 Zagadnienia automatyzacji systemu elektroenergetycznego statku (rys. 3) [1], w której wyróżnia się powiązane siecią komunikacyjną poziomy zarządzania, sterowania i obiektów. W naszym wypadku systemu elektroenergetycznego statku obiektami są zespoły prądotwórcze oraz odbiorniki połączone z siecią energetyczną, za pośrednictwem rozdzielnicy głównej. Poziom zarządzania Poziom sterowania Poziom obiektów (wejść/wyjść) Rys. 3. odel poziomów sterowania systemu Fig.3. Levels of control of the system W systemie rozproszonym (zdecentralizowanym) przetwarzanie wartości stanu procesu, funkcje kontroli i sterowania są rozdzielone pomiędzy kilka przestrzennie rozproszonych komputerów zwykle sterowników programowalnych (paneli lokalnych). Sterowniki te wyposażone są w karty wejść i wyjść analogowych oraz cyfrowych, umożliwiające pomiar wielkości i sterowanie poszczególnymi urządzeniami siłowni za pośrednictwem członów pomiarowych i elementów wykonawczych. Sterowniki, wykorzystując zdwojoną sieć (w celu zapewnienia bezpieczeństwa przesyłania informacji w czasie awarii), komunikują się z nadrzędnym komputerem (stacją roboczą), odpowiedzialnym za koncentrację sygnałów i wysyłanie sygnałów zadających do sterowników. Ponadto komputer nadrzędny nadzoruje pulpit operatorski. W komputerowych systemach sterowania prawidłowe funkcjonowanie systemu jako całości zależy od tego, czy urządzenia poszczególnych poziomów spełniają określone wymagania w sposób właściwy. Chodzi mianowicie o liczbę przesyłanych informacji, czas odpowiedzi na sygnał oraz częstotliwość transmisji. Ze względu na wymagania techniczne, bezpieczeństwo, dyspozycyjność systemu, niezawodność współpracujących urządzeń oraz ekonomikę rozwiązań, konfiguracja rozproszona ma obecnie powszechne zastosowanie w systemach automatyki okrętowej. Sterowanie systemami okrętowymi i urządzeniami odbywa się z wykorzystaniem rozproszonych i przypisanych do tych urządzeń mikroprocesorowych układów programowalnych tzw. sterowników swobodnie programowalnych. Dotyczy to różnego rodzaju urządzeń i instalacji 385

6 Roman Śmierzchalski mechanicznych oraz elektrycznych (np. pomp, zaworów, przekaźników). Przykładową konfigurację zintegrowanego systemu sterowania z rozproszonymi mikroprocesorowymi układami sterownikami programowalnymi przedstawia rysunek 4. Struktura ta ma charakter hierarchiczny. Rozproszone sterowniki programowalne (PLC ang. Programming Logic Controllers) zajmują najniższe miejsce w hierarchii decyzyjnej tej struktury. Sterowniki wraz z elementami wykonawczymi i z czujnikami pomiarowymi znajdują się w pobliżu obiektu sterowania. Obsługa operatorska Zadajniki ręczne Panele Opertorskie Zintegrowany system sterowania Sterowanie nadrzędne procesem Komunikacja Koncetracja sygnałów CK Sieć LAN OSTEK Poziom zarządzania i nadzoru Centralne komputerowe stacje operatorskie Zdwojone sieci komputerowe Lokalne komputerowe stacje procesorowe Rozproszony system sterowania Sterowanie i kontrola obiektów Sterowanie lokalne Poziom sterowników Poziom obiektów Sterowniki programowalne PLC i specjalizowane Układy bezpieczeństwa Rys. 4. Komputerowy system sterowania struktura Fig. 4. The computer control system and its structure Czynności sterujące wchodzące w skład sekwencyjnych instrukcji sterownika realizowane są w obrębie układu czujnik sterownik urządzenie wykonawcze. Sygnały i rozkazy o większej wadze decyzyjnej (wartości zadane, 386

7 Zagadnienia automatyzacji systemu elektroenergetycznego statku parametry), pochodzą z wyższych poziomów sterowania. Istnieje również ograniczona możliwość wpływania na przebieg procesu poprzez bezpośrednie zadanie wartości sterujących w sterowniku. Rozwiązanie takie stosuje się w sytuacji awaryjnej, np. podczas przerwy w komunikacji z centralnym komputerem nadrzędnym lub w celach konserwacyjno-naprawczych. Kolejny stopień w tej hierarchii stanowią lokalne stacje procesorowe, połączone ze sterownikami programowalnymi PLC interfejsami transmisji np. szeregowej (RS-232, RS-422, RS-485). Zadaniem stacji procesorowych jest obróbka informacji docierających z podlegającej im grupy sterowników oraz informacji odbieranych przez te sterowniki. Jednak trzeba zaznaczyć, że część urządzeń okrętowych np. regulowane napędy elektryczne wymagają specjalizowanych sterowników. W tym wypadku sterownik PLC stanowi element koncentrujący sygnały i zadający sygnały wejściowe do sterownika specjalizowanego. Stacje procesorowe sprawują nadzór nad działaniem PLC oraz nad sterownikami specjalizowanymi i koordynują ich współpracę. Aby zwiększyć niezawodność, stosuje się rozwiązania z pełną redundancją, uzyskiwaną przez zdublowanie stacji procesorowych. Najwyższy poziom sterowania poziom zarządzania i nadzoru zajmują centralne komputery. Zwykle są to dwa komputery pracujące w systemie aster-slave, połączone magistralą z siecią (np. Profibus, CAN) wraz z pulpitami operatorskimi umieszczonymi w CK oraz na mostku w sterówce. Umiejscowienie pulpitów oraz komputerów zależy od konstrukcji i typu jednostki. W CK operator ma dostęp do informacji związanych z pracą siłowni i z systemem energetycznym statku, przy czym istnieje możliwość pełnej ingerencji w system. Natomiast w pozostałych punktach decyzyjnych przewiduje się jedynie możliwość wpływania na parametry bezpośrednio związane z danym stanowiskiem sterowania. Komputery centralne połączone są ze stacjami procesorowymi za pomocą sieci LAN (ang. Local Area Network). W większości obecnie budowanych statków w rozwiązaniach automatyki stosuje się także łącze satelitarne, dzięki któremu parametry techniczne systemu sterowania, na bieżąco lub w postaci plików danych zarejestrowanych przebiegów, przekazywane są do centralnego biura zarządzającego. Całością komputerowego systemu zarządza system operacyjny. Architektura komputerowego systemu operacyjnego zaprojektowana jest zwykle w trzech warstwach. Warstwa pierwsza, na poziomie sterowników, jest stworzona na podstawie znacznej liczby podprogramów sterujących i kontrolujących pojedyncze obiekty sterowania (urządzenia). Realizacja zadań podprogramów na poziomie sterowników jest wynikiem danych otrzymanych z czujników pomiarowych obiektów. Warstwa ta nie obejmuje wykonywania poleceń od operatora, lecz uwzględnia tylko stan, w którym znajduje się obiekt. Warstwa druga to wykonywanie wszystkich podprogramów realizujących polecenia od operatora, z uwzględnieniem stanu obiektu, za pośrednictwem lokalnych stacji procesorowych. Trzecia warstwa obejmuje alarmowanie oraz sygnalizowanie nieprawidłowości i awarii w całym systemie, zbieranie danych o stanie urządzeń, a także, 387

8 Roman Śmierzchalski w zależności od stopnia dostępu do systemu, zdalne sterowanie i zmianę parametrów oraz wartości sterujących. 3. Zautomatyzowana elektrownia statku Elektrownie z układami pełnej automatyki mają za zadanie zapewnienie ciągłości zasilania odbiorników we wszystkich stanach eksploatacji statku (rys. 5) [9, 10]. GTR G 1 Q Q Q Odbiorniki Q Q Q Odbiorniki Q ważne Sekwencyjne załączanie Kolejność po blackoucie załączania 0s 2s 4s 6s S 1 S 2 S 3 U G I G U n, f = 0 U n, f = 0 U n, f = 0 prądnicy Pomiar mocy G 2 U G I G prądnicy Pomiar mocy G 3 U G I G prądnicy Pomiar mocy Kontrola napięcia i częstotliwości U n, f < min silnika spalinowego silnika spalinowego silnika spalinowego Zatrzymanie przy niedociążeniu Uruchamianie Uruchamianie przy przeciążeniu i nieudanym rozruchu Wybór kolejności wyłączania Kontrola obciążenia i układ wyłączający Obciążenie połączone Kontrola włączenia dużych odbiorów Wybór kolejności załączania Układ rozruchowy Odbiorniki Rys. 5. Zautomatyzowana elektrownia statku Fig. 5. Automated electrical power station of a ship Pod pojęciem elektrowni z w pełni zautomatyzowanym układem sterowania, będziemy rozumieli system pracujący bez nadzoru operatora. Elektrownie takie są wyposażone w automatyczne układy sterowania oraz 388

9 Zagadnienia automatyzacji systemu elektroenergetycznego statku kontroli pracy prądnic, napędów, turbiny parowej oraz prądnicy wałowej. Realizują one rozszerzone funkcje elektrowni z samodzielnie pracującymi zespołami prądotwórczymi z zanikiem napięcia typu blackout. Układy automatyki posiadają bloki kontroli parametrów generatora i silnika napędowego, w razie ich przekroczenia zostaje wygenerowany sygnał alarmowy lub wyłączający awaryjnie zespół. Dodatkowo odbywa się ciągła analiza stopnia obciążenia zespołów prądotwórczych: po osiągnięciu określonych poziomów obciążenia zespół dodatkowy zostaje załączony lub zbędny zespół zostaje wyłączony. W układach pełnej automatyki elektrowni, w wypadku wystąpienia zakłócenia pracy systemu (np. zbyt dużego obciążenia, spadku wartości napięcia i częstotliwości w sieci poniżej wartości dopuszczalnych), układ generuje rozkaz uruchomienia dodatkowego zespołu prądotwórczego. Rozkaz będzie przekazany do układu kolejności załączania zespołów, który spowoduje uruchomienie zespołu będącego w rezerwie i będzie tak długo generowany, aż jeden z zespołów rezerwowych rozpocznie pracę. Tym samym nie nastąpi przerwa w zasilaniu na szynach głównych. Załączanie dodatkowego zespołu prądotwórczego może być realizowane w celu odciążenia pracujących zespołów, odciążenia uszkodzonego zespołu i zatrzymania z opóźnieniem lub odciążenia uszkodzonego zespołu i zatrzymania natychmiastowego. Wnioski Na współcześnie budowanych statkach dąży się do automatyzacji kompleksowej statku. Dzięki temu możliwe jest sterowanie wszystkimi układami i urządzeniami okrętowymi w sposób automatyczny. Idea ta prowadzi do bezobsługowej pracy wszystkich urządzeń, a zatem eksploatacji statków bez załogi. Jednak uwzględniając aspekty ekonomiczne w odniesieniu do statków handlowych, powszechne zastosowanie znajduje częściowa automatyzacja statku, czyli automatyzacja wybranych systemów, która zapewnia wyposażenie określonych systemów okrętowych, w tym systemu elektroenergetycznego statku, w urządzenia automatyki obsługujące maszyny i mechanizmy. W wypadku systemu elektroenergetycznego statku pozwala to na zarządzanie mocą systemu oraz zapewnia ciągłość zasilania w energię elektryczną we wszystkich stanach pracy tego systemu. Literatura 1. Droste W., Control of electric power generation, Advanced Ship Power Design and Operation, Fifth WEGET Graduate School, Hamburg

10 Roman Śmierzchalski 2. Grono A., Nowe rozwiązania automatycznych synchronizatorów obiektów elektroenergetycznych, Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej nr 69, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk Hall Dennis T., Practical arine Electrical Knowledge, Second edition, Witherby Kowalski Z., Opis techniczny automatyki siłowni i systemów ogólnostatkowych, Politechnika Gdańska, WEiA, Katedra Automatyki, Gdańsk Kuropatwiński S., Lipski T., Roszczyk S., Wierzejski., Energoelektryczne układy okrętowe, Wydawnictwo orskie, Gdańsk cgeorge H.D., arine Electrical Equipment and Practice, Butterworth- Heinemann, Oxford Polski Rejestr Statków, Przepisy klasyfikacji i budowy statków morskich, część VIII Urządzenia elektryczne i automatyzacja, Gdańsk Sołdek J., Automatyzacja statków, Wydawnictwo orskie, Gdańsk Śmierzchalski R., Automatyzacja systemu elektroenergetycznego statku, Wydawnictwo Gryf, Gdańsk Śmierzchalski R. (pod red.), Automatyzacja systemów energetycznych statku Laboratorium, Akademia orska w Gdyni, Gdynia Wyszkowski J., Wyszkowski S., Elektrotechnika okrętowa napędy elektryczne, Fundacja Rozwoju Wyższej Szkoły orskiej w Gdyni, Gdynia Zatorski W., Figwer J., Układy wzbudzenia okrętowych prądnic synchronicznych, Wydawnictwo orskie, Gdańsk Recenzent dr hab. inż. Andrzej Brykalski, prof. PS Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r. Adres Autora dr hab. inż. Roman Śmierzchalski, prof. A Akademia orska w Gdyni Katedra Automatyki Okrętowej Gdynia, ul. orska 83 tel , fax roms@am.gdynia.pl 390