Устройство для управления паровыми и водогрейными котлами

Полезная модель относится к средствам управления объектами теплоэнергетики, в частности, к устройствам автоматизации процесса контроля и управления паровыми и водогрейными котлами. Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание комплекса оборудования, обеспечивающего автоматический контроль за состоянием любых котлоагрегатов, а также самонастройку устройства при изменении режима работы оборудования. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в использовании итерационного метода настройки (метода последовательных приближений). Поставленная задача решается тем, что по окончании процедуры настройки будут соблюдены следующие параметры переходного процесса: =0.95, Т_сис/Т_и=2.8. Также тем что, устройство для управления паровыми и водогрейными котлами содержит контроллер, представляющий собой корпус с размещенными в нем печатными платами. Печатные платы контроллера выполняют функции дискретных входов и выходов, аналогово-цифрового преобразователя, процессорной платы, экрана и клавиатуры; при этом дискретные входы предназначены для подключения к датчикам, установленным на котле, релейные выходы контроллера предназначены для подключения исполнительных механизмов регулирующих органов и отсечных устройств системы защиты котла. При этом контроллер выполнен с возможностью адаптации настройки программными средствами устройства при изменении режима работы котла. 1 независ. п. ф-лы, 3 илл., 1 табл.

Полезная модель относится к средствам управления объектами теплоэнергетики, в частности, к устройствам автоматизации процесса контроля и управления паровыми и водогрейными котлами. В настоящее время схемы управления водогрейными котлами большой мощности (имеющими 10-20 горелок) в основном предусматривают регулирование температуры воды за котлом путем воздействия на общий расход газа (на все горелки одновременно). При уменьшении нагрузки происходит отключение соответствующих горелок (Ротач В.Я. Теория автоматического управления. М. Издательство МЭИ., 2004 г.). Здесь же рассмотрены теоретические вопросы адаптивной настройки систем управления.

Из уровня техники известны решения, касающиеся управления и контроля розжига горелок котлоагрегатов. Так, известно микроконтроллерное устройство автоматического контроля и управления процессом розжига горелки и горением, которое состоит из горелки, устройства для запуска, отсечного клапана, датчика наличия пламени, высоковольтного трансформатора. В устройство введены микроконтроллер, связанный через его нулевую линию (по нулевому разряду) нулевого порта с устройством для запуска, выполненного в виде кнопки "Пуск" устройства, а через его нулевую (по нулевому разряду), первую (по первому разряду), вторую (по второму разряду) и третью (по третьему разряду) линии первого порта связанный соответственно с первыми входами блока управления высоковольтного трансформатора, блока управления отсечным клапаном, блока коммутации двигателя нагнетания воздуха и блока управления подачей питания, вторые выходы которых соединены соответственно с блоками диагностики высоковольтного трансформатора, отсечного клапана, двигателя и подачи питания, а выходы блоков диагностики связаны с микроконтроллером через его первую (по первому ряду) и четвертую (по четвертому ряду) линии нулевого порта соответственно. Микроконтроллер соединен через третий его порт с блоком связи с ЭВМ верхнего уровня. Первая линия (по первому разряду) этого порта является соединением выхода микроконтроллера с входом блока связи, а нулевой линией (по нулевому разряду) этого порта микроконтроллер связан своим входом с первым выходом блока связи с ЭВМ верхнего уровня, второй выход которого связан двухпроводной витой парой с ЭВМ верхнего уровня. Питание всего устройства осуществляется от стандартного источника питания, путем соединения нуля и фазы источника со вторым и третьим входами блока управления подачей питания, а постоянным напряжением источника запитываются микроконтроллер и другие элементы схемы. Изобретение направлено на повышение надежности контроля за процессом розжига и горения горелки, улучшения качества управления газовой горелкой, а также на расширение функциональных возможностей системы управления за счет введения новых элементов (патент РФ на изобретение 2211406).

В известном устройстве микроконтроллер предназначен для повышения надежности контроля за процессом горения и розжига горелки, а также повышения качества управления горелкой, что является достаточно узкой задачей. Использование такого устройства не обеспечивает полноценного контроля за состоянием всего котлоагрегата.

Известна система сигнализации и защиты газопотребляющего оборудования, содержащая последовательно соединенные блок датчиков, блок управления с коммутатором режима работы и исполнительное устройство, при этом блок управления выполнен электронным. Блок датчиков содержит двухпороговый датчик давления газа и датчик давления воздуха на входе горелки, датчики разряжения и наличия пламени в топке, датчики давления и температуры воды в водогрейном котле (патент РФ на полезную модель 21949).

Данное устройство содержит комплект датчиков контроля состояния котла, воздействующих на сигнализацию и клапан отсечки газа, при этом блок управления выполнен отдельно и не обеспечивает возможности самонастройки системы.

Известно микропроцессорное устройство управления котлоагрегатом, содержащее преобразователь сигналов, коммутаторы налоговых и дискретных сигналов, аналого-цифровой преобразователь, устройства гальванической развязки, установленные в цепях измерения, панель управления и сигнализации, микроЭВМ, пускатель электродвигатель вентилятора. Устройство дополнительно содержит соединенные последовательно устройства гальванической развязки, усилители, три группы семисторов, причем входы устройств гальванической развязки соединены с выходами микроЭВМ, выходы первой группы симисторов соединены с входами пускателя электродвигателя вентилятора, выходы второй группы симисторов соединены с однофазными и трехфазными нагрузками котлоагрегата, выходы третьей группы симисторов соединены с устройствами подачи топлива, при этом входы питания симисторов третьей группы соединены с выходами пускателя электродвигателя, датчики контроля состояния симисторов третьей группы, входы которых соединены с выходами семисторов третьей группы, а выходы их соединены с входами коммутатора дискретных сигналов, устройство контроля функционирования микроЭВМ, расположенное на выходе микроЭВМ, ключ питания, входы которого соединены с выходом устройства контроля функционирования микроЭВМ и источником питания, а выход соединен с входами устройств гальванической развязки, индикатор работы микроЭВМ, вход которого соединен с выходом ключа питания, а выход его соединен с шиной "Земля" (патент РФ на полезную модель 4805).

Данное устройство управления котлов содержит преобразователи сигналов, коммутаторы аналоговых и цифровых сигналов, устройство гальванической развязки и т.д., однако, данный комплект оборудования не обеспечивает возможности самонастройки устройства в процессе его эксплуатации.

Известен контроллер для управления двумя системами теплоснабжения Waterheat-S1 (отопления, ГВС или воздухонагревателей приточных установок) (http://www.raut-automatic.kiev.ua/products/controllers/engineering-sys-build/engine-hearting/waterheat-s1.html). Контроллер управляет 2-мя системами теплоснабжения, каждая из систем настраивается из меню контроллера для работы по одному из вариантов: система 1 - зависимая система отопления; независимая система отопления без подпитки; независимая система отопления с подпиткой, система 2 - зависимая система отопления; независимая система отопления без подпитки; система ГВС. Кроме этого, каждая из систем отопления может перенастраиваться под систему приготовления теплоносителя для воздухонагревателей приточных установок (по постоянной температуре или по сетевому графику).

Недостатками этих устройств является то, что здесь отсутствуют попытки адаптивного подхода к управлению процессом при работе систем в переменных режимах.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является система автоматического регулирования, контроля, технологической защиты и сигнализации котлоагрегата, содержащая контур регулирования разрежения в топке котла, состоящий из последовательно соединенных отборного устройства, импульсной линии, датчика разрежения в топке котла, регулятора разрежения и исполнительного устройства, установленного в дымоходе котла, контур регулирования соотношения «топливо-воздух», состоящий из последовательно соединенных отборного устройства на трубопроводе подачи воздуха в топку котла, импульсной линии, датчика давления воздуха, регулятора соотношения и исполнительного устройства, установленного на трубопроводе подачи воздуха в топку котла, последовательно соединенных отборного устройства на трубопроводе подачи топлива в топку котла, импульсной линии, датчика давления топлива, выход которого подключен ко второму входу регулятора соотношения, показывающие приборы разрежения в топке котла, давления воздуха, подаваемого в топку котла, давления топлива в трубопроводе подачи топлива в топку котла, соединенные через импульсные линии с соответствующими отборными устройствами, а также сигнализирующие приборы разрежения в топке котла, давления воздуха, подаваемого в топку котла, давления топлива в трубопроводе подачи топлива в топку котла, соединенные через импульсные линии с отборными устройствами, прибор контроля факела в топке котла, блок технологической защиты и сигнализации, входы которого связаны с выходами сигнализирующих приборов и прибора контроля факела, а выходы - с входами устройства звуковой сигнализации и предохранительного запорного клапана на трубопроводе подачи топлива в топку котла. Дополнительно система содержит не менее одного демпфера, установленного в импульсных линиях перед входами датчика разряжения, показывающего и сигнализирующего приборов разрежения в топке котла и не менее одного демпфера, установленного в импульсных линиях перед входами датчиков давления, показывающих и сигнализирующих приборов давления воздуха на трубопроводе подачи воздуха в топку котла (патент РФ на полезную модель 74691).

Недостатками этих устройств также является то, что здесь отсутствуют попытки адаптивного подхода к управлению процессом при работе систем в переменных режимах.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание комплекса оборудования, обеспечивающего автоматический контроль за состоянием любых котлоагрегатов, а также самонастройку устройства при изменении режима работы оборудования.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в использовании итерационного метода настройки (метода последовательных приближений).

Поставленная задача решается тем, что по окончании процедуры настройки будут соблюдены следующие параметры переходного процесса: =0.95, Т_сис/Т_и=2.8. Также тем что, устройство для управления паровыми и водогрейными котлами содержит контроллер, представляющий собой корпус с размещенными в нем печатными платами. Печатные платы контроллера выполняют функции дискретных входов и выходов, аналогово-цифрового преобразователя, процессорной платы, экрана и клавиатуры; при этом дискретные входы предназначены для подключения к датчикам, установленным на котле, релейные выходы контроллера предназначены для подключения исполнительных механизмов регулирующих органов и отсечных устройств системы защиты котла. При этом контроллер выполнен с возможностью адаптации настройки программными средствами устройства при изменении режима работы котла.

Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 схематично представлен контроллер - вид спереди.

На фиг.2 представлена схема подключения заявляемого устройства в систему с водогрейным котлом.

На фиг.3 представлена схема размещения печатных плат в контроллере заявляемого комплекса.

Позициями на чертежах обозначены:

1. датчик термосопротивления,

2, 5. Исполнительные механизмы регулирующих органов,

3, 6. датчики перемещения регулирующих органов,

4. лямбда-датчик для контроля кислорода,

7. фотоэлемент,

8, 9. датчики давления газа и воздуха,

10. дисплей,

11. клавиатура,

12. плата дискретных входов,

13. плата релейных выходов,

14. плата аналогово-цифрового преобразователя (АЦП),

15. процессорная плата,

16. плата экрана и клавиатуры,

17. ЦИТ-РУС - контроллер.

Заявляемое устройство представляет собой аппаратно-вычислительный комплекс, обеспечивающий измерение параметров котлоагрегата, автоматическое управление техпроцессом, адаптацию настройки системы управления. Основным элементом заявляемого устройства является контроллер 17, выполненный по принципу модульно-слотовой аппаратуры. Контроллер 17 содержит до 6 различных модулей и представляет собой корпус с размещенными в нем печатными платами дискретных входов 12, релейных выходов 13, аналогово-цифрового преобразователя 14, процессорной платой 15 с электронными элементами, экрана и клавиатуры 16 и разъемами для соединения плат, разъемами для крепления линий связи с внешним оборудованием. Контроллер установлен в металлическом шкафу, на дверце которого выполнено отверстие для размещения передней панели контроллера, которая содержит клавиатуру 11 и жидкокристаллический дисплей 10, на который выдается вся информация о значении параметров состояния котла, исполнительных механизмов, датчиков, наличии нештатных ситуаций и др. Жидкокристаллический дисплей 4-хстрочный, по 20 знаков в каждой строке, имеет подсветку. Клавиатура соединена с платой жидкокристаллического дисплея. Разъемы для подключения кабелей располагаются на верхней и нижней стенках контроллера. Между собой платы соединены плоскими жгутами. Шкаф имеет открывающуюся дверцу с замком. На задней стенке шкафа на DIN-рейке закреплены кабели связи с внешним оборудованием, а также блок питания контроллера. Питание шкафа осуществляется от сети переменного тока 50 Гц 220 В. На лицевой панели контроллера расположена клавиатура, которая соединяется с платой жидкокристаллического дисплея, находящейся за лицевой панелью контроллера. Процессорная плата 15 расположена за платой экрана, которая отвечает за управление клавиатурой, дисплеем, платой АЦП, платой дискретных вводов и платой релейных выходов. Процессорная плата 15 отвечает за обработку информации от аналоговых и дискретных сигналов внешнего оборудования, а также за формирование выходных двухпозиционных сигналов. Для контроля, управления и автоматической защиты котла используют следующие датчики, подключенные к контроллеру: датчик термосопротивления 1, предназначенный для контроля температуры воды в котле, датчики перемещения регулирующего органа 3, 6, обеспечивающие сигналы обратной связи от исполнительных механизмов котла, лямбда-датчик 4, предназначенный для контроля кислорода в уходящих газах, фотоэлемент 7 для контроля пламени, датчик небольших давлений и разряжений 5, представляющий собой тягонапоромер для контроля давления (расхода) газа и воздуха на котел. Сигналы от этих датчиков преобразуются преобразователями в соответствующие токовые или потенциометрические сигналы и подаются на платы дискретных входов и АЦП контролера.

Заявляемый комплекс работает следующим образом.

Закон регулирования системы управления и алгоритмы адаптации их настройки реализуются с помощью процессорной платы контроллера 17. В заявляемом устройстве реализуется ПИ-закон регулирования. Процесс адаптивной настройки его начинается с установки малого значения коэффициента усиления К_р и большого значения времени «изодрома» - Т_и . Дается изменение задания регулируемой величины и фиксируется переходный процесс в системе управления. Как только при увеличении К_р процесс будет колебательным, фиксируется степень затухания, =0,95 и степень колебательности Т_сис/Т_и =2,8, где Т_сис - время колебательности процесса. Если эти показатели не соответствуют заданным, то устанавливается новое значение Т_и=Т_сис/2,8. Данные Т _и можно считать близким к оптимальному значению. Контролируем переходный процесс при новом значении и прежнем К_р. в результате уточняем . Если колебательность больше, чем заданная (т.е. - меньше 0,95), то уменьшаем Кр и наоборот. В результате используя метод последовательных приближений (итерационный) достигаем того, что будет равен 0,95.

Выходные сигналы контроллера через плату релейных выходов коммутируют переменный ток до 10А при напряжении до 250 В. Эти сигналы предназначены для управления газовой заслонкой, направляющим аппаратом вентилятора, запальником, клапаном безопасности (отсечки) и другими регулирующими органами.

Ввод значений параметров, управление техпроцессом и другие операции производятся с клавиатуры лицевой панели контроллера. В таблице приведено основное функциональное назначение клавиш лицевой панели.

Таблица
Клавиша	Функциональное назначение клавиши
ПУСК	автоматический пуск котла;
СТОП	автоматический останов котла;
РЕЖИМ	переход в меню выбора режима управления (автоматический, ручной);
ВВОД	вход в подразделы выбранного раздела меню; сохранение числового значения введенного параметра;
	выбор разделов основного и дополнительных меню, перевод курсора на одну строку вверх;
	выбор разделов основного и дополнительных меню, перевод курсора на одну строку вниз;
#	в данном исполнении не используется;
ОТМЕНА	в данном исполнении не используется;
0÷9	ввод числового значения параметра;
ВЫХОД	переход в предыдущее меню;
	просмотр журнала из основного экрана

При нажатии на клавишу ПУСК контроллер производит автоматический пуск котла, при нажатии на клавишу СТОП - автоматический останов.

Ниже представлен алгоритм работы заявляемого устройства, подключенного к водогрейному котлу, работающему под наддувом.

При изменении температуры горячий воды за котлом сигнал от датчика температуры - термосопротивления 1, установленным на трубопроводе горячей воды за котлом, подается на плату дискретных входов АЦП контроллера. После преобразования в цифровой сигнал он подается на процессорную плату, где реализуется ПИ-закон регулирования. Этот контроллер, в соответствии с законом регулирования подает сигнал в цифро-аналоговый преобразователь на выходе контроллера и воздействует на исполнительный механизм (МЭО), являющийся приводом клапана газа в котел 2, который будет менять расход газа на грелку.

Одновременно с изменением расхода газа сигнал об этом определяется тягонапоромером, установленным на газоходе котла 9, Этот сигнал преобразуется в потенциометрический и подается на плато АЦП и далее на процессорную плату. Сюда же поступает сигнал и от датчика расхода воздуха 9, также преобразованный в АЦП для передачи на процессорную плату. На процессорной плате эти два сигнала сравниваются между собой в измерительном устройстве ПИ-регулятора подачи воздуха. В результате ПИ-регулятор выявляет ошибку рассогласования между расходами газа и воздуха. Сигнал от ПИ-регулятора подается на ЦАП и он воздействует на исполнительный механизм расхода (МЭО) воздуха - 5. Это осуществляется до тех пор, пока расходы воздуха и газа не придут в соответствие друг с другом. На этом процесс управления заканчивается.

В том случае, если датчик расхода воздуха не установлен, то можно для контроля воздуха использовать лямбда-датчик - 4, контролирующий содержание уходящего газа O₂ в газоходе за котлом. Сигнал от него также преобразуется в АЦП в цифровой вид и через ПИ-регулятор будет воздействовать на МЭО воздуха - 5, обеспечивая заданное отношение газ-воздух.

1 Запуск контроллера осуществляется переключением тумблера СЕТЬ шкафа в положение ВКЛ. После чего загорается дисплей контроллера, на котором указывается текущая температура воды на выходе из котла, а также заданная температура (по умолчанию 70°С).

Основной экран при включении контроллера имеет следующий вид:

Основной экран в рабочем режиме контроллера (режим регулирования) имеет следующий вид:

Для изменения заданной температуры (режим регулирования по умолчанию - автоматический) необходимо в режиме основного экрана нажать одну из цифровых кнопок, после этого сразу начинается ввод температуры начиная с нажатой цифры (надпись «Тзад» мигает), после ввода температуры сохранить значение нажатием кнопки ВВОД, при нажатии кнопки ОТМЕНА ввод значения отменяется. При вводе значения температуры меньше 45 или больше 115 градусов на экране высветится сообщение о неправильном вводе.

2 Для запуска котла необходимо нажать кнопку ПУСК, при запуске котла доступ ко всем меню запрещен, пока котел не перейдет в режим «КОТЕЛ В РАБОТЕ». Запуск и работа котла происходит согласно временным диаграммам работы котла. Доступ в меню наладчика осуществляется из основного экрана.

После нажатие кнопки ПУСК начинается контроль отклонения следующих технологических параметров от нормы:

- давление газа высокое;

- давление газа низкое;

- давление в топке высокое;

- давление воздуха низкое;

- давление пара или воды высокое;

- давление пара или воды низкое;

- температура воды высокая;

- контроль пламени;

при отклонении хотя бы одного параметра от нормы происходит аварийный останов котла.

После нажатия кнопки ПУСК контроллер переходит в интервал времени Т1 и устанавливает МЭО (механизм электрический однооборотный) воздуха в положение 5%, время это либо равно полному времени хода МЭО, либо меньше в зависимости от исходного состояния. Далее происходит запуск вентилятора и в интервале времени Т2 контроллер устанавливает МЭО воздуха в положение 100%, МЭО газа в положение 0%, время это либо равно полному времени хода МЭО, либо меньше в зависимости от исходного состояния, контроль наличия давления воздуха производится по истечении 5 секунд после включения вентилятора. Далее контроллер переходит в интервал времени Т3 и производит продувку котла от 1 до 99 минут (задается наладчиком в меню). После продувки контроллер переходит в интервал времени Т4, в котором устанавливает МЭО воздуха в положение 5%, МЭО газа в положение 0%. Далее в интервале времени Т5 происходит ожидание в течение 10 секунд успокоения воздушного потока. В интервале времени Т6 контроллер включает клапан запальника и трансформатор, время работы трансформатора от 1 до 8 секунд (верхний предел задается наладчиком из меню), при срабатывание датчика контроля пламени контроллер включает клапан безопасности, ПЗК1, ПЗК2 (предохранительный запорный клапан) и переходит в интервал времени Т7. При переходе в интервал Т7 начинается контроль наличия пламени, в этом интервале времени происходит прогрев котла от 1 до 99 минут (задается наладчиком из меню). По завершению прогрева контроллер переходит в режим регулирования технологических параметров котла в интервал времени Т8 (2 минуты), по окончанию которого контроллер выключает клапан запальника и переходит в интервал времени Т9, в котором и остается в течение всего процесса регулирования.

Останов котла осуществляется в любом из интервалов времени Т1-Т9 при нажатии кнопки СТОП или при срабатывании A3.

При останове котла происходят следующие операции.

Контроллер выключает клапан безопасности, ПЗК1, ПЗК2 и переходит в интервал времени Т10, где устанавливает МЭО воздуха в положение 100%, МЭО газа в положение 0%. Далее контроллер переходит в интервал времени Т11, где производит продувку котла (60 секунд), если останов произошел после подачи газа в котел, далее контроллер выключает вентилятор и переходит в интервал времени Т12. В интервале времени Т12 контроллер устанавливает МЭО воздуха в положение 5%.

При аварийном останове котла на экране отображается первопричина аварии. Включается аварийная сирена. Отключение аварийной сигнализации производится путем нажатия на любую кнопку клавиатуры. Сброс аварийной ситуации после останова котла производится нажатием кнопки ОТМЕНА, после чего котел можно запускать заново.

Архив аварийных ситуаций доступен из первоначального экрана при нажатии на кнопку.

3 Алгоритм предусматривает возможность работы котла без постоянного обслуживающего персонала (в том числе адаптивной настройки его при работе на переменных нагрузках).

4. Работа котла сопровождается следующими сообщениями на экране в каждый интервал времени:

Т0 -
Т1 -

Т2 -
Т3 -

где XX - время в секундах.

Т4 -
Т5 -
Т6 -
Т7 -

где XXX - время в секундах.

Т8 -
Т9 -

Если останов был инициирован оператором до времени Т6, то устанавливается режим Т12:

Т12 -

Если останов был инициирован оператором после времени Т6, то устанавливается режим Т10:

Т10 -
Т11 -

где XX - время в секундах.

Т12 -

Если останов был инициирован аварией:

Т10 -

где «XXX» - наименование параметра аварии.

Т11 -

где «XXX» - наименование параметра аварии,

XX - время в секундах.

Т12 -
Т0 -

Устройство для управления паровыми и водогрейными котлами, содержащее контроллер, представляющий собой корпус с размещенными в нем печатными платами, выполняющими функции дискретных входов и выходов, аналогово-цифрового преобразователя, процессорной платы, экрана и клавиатуры; при этом дискретные входы предназначены для подключения к датчикам, установленным на котле, релейные выходы контроллера предназначены для подключения исполнительных механизмов регулирующих органов и отсечных устройств системы защиты котла, отличающееся тем, что контроллер выполнен с возможностью автоматической адаптации настройки устройства программными средствами путем итерационного метода подбора параметров ПИ-закона регулирования для обеспечения оптимальной степени затухания переходного процесса при изменении режима работы котла.