Nové technologie pro řízení ve vodárenství Ing. Miroslav Tomek VODING HRANICE spol. s r. o. ÚVOD Automatizační prostředky jsou nedílnou součástí provozních technologických zařízení a v praxi se uplatňuje i řízení procesů počítačem. Cílem této přednášky je poskytnout účastníkům konference základní informace z procesů systémů řízení vodárenských objektů. Poskytnout informace o nových prvcích a jejich možnostech. Logické řízení Řízení technologických procesů v sobě zahrnuje kromě regulace i automatické provádění operací v určité posloupnosti, rozhodování o dalším postupu podle výsledku předchozího kroku apod. Hovoříme o logickém řízení. Logické řízení pracuje s dvouhodnotovými signály, které jednak přenášejí informace o stavu procesu do řídicího systému, jednak povely z řídicího systému do procesu. Podobně komunikuje (v nejjednodušším provedení) logický řídicí systém i s obsluhou (operátorem), tj. informace jí předává prostřednictvím dvouhodnotových signálů (např. systém vizualizace technologického procesu na obrazovce, změna barvy prvku, pípnutí ) a povely od ní přijímá rovněž prostřednictvím dvouhodnotových signálů (tlačítka, spínače, na PC ovládaných pomocí kurzoru a myši). Sekvenční logické řízení je takové, kdy hodnota výstupů nezávisí pouze na okamžitých hodnotách vstupů, ale ještě i na předchozích hodnotách vstupů a výstupů, čili na tzv. stavu procesu. (Např. dostatek vody v akumulaci pro regeneraci filtrů). Programovatelné logické automaty Zkratkou PLC (Programmable Logic Controler). Je jimi řešena naprostá většina řídicích aplikací i technologie ÚV. Jejich technické možnosti jsou různé. Jednoduché přístroje mohou pracovat pouze s dvouhodnotovými signály a provádět pouze logické operace, složitější mohou zpracovávat i analogové informace a provádět numerické operace a obvykle mívají už zabudované i číslicové regulační algoritmy, takže mohou být zapojeny přímo do regulačních smyček. I jednoduché automaty jsou běžně vybaveny komunikačními jednotkami, které umožňují jejich propojení mezi sebou navzájem nebo s nadřazenými řídicími úrovněmi. Hlavním účelem využívání řídicích a informačních systémů pro řízení technologie je zajistit co nejdokonalejší dodržování technologických podmínek, maximální využití kapacity technologického zařízení a kvalitu produkce a pokud možno co nejvíce eliminovat nespolehlivý lidský faktor z procesu řízení. (Dávkování chemikálií, udržování požadované hodnoty ph vody ) 97
Postup při návrhu a realizaci řídícího systému 1. vymezení cíle řízení jaké jsou výchozí podmínky, souhrn funkcí, úrovně řízení 2. volba řídicí struktury počet uzlů, hierarchická struktura, vzájemné vazby 3. volba technických prostředků realizovatelnost, spolehlivost, rozšiřitelnost, cena 4. koncepce programového vybavení a jeho realizace tvorba na míru každé realizace 5. instalace systému a zkušební provoz komplexní vyzkoušení všech funkcí 6. personální zabezpečení profese operátor technologie, technik systému STRUKTURA MODERNÍCH DISTRIBUOVANÝCH ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ Současný vývojový trend technického vybavení řídicích systémů směřuje k dalšímu stupni distribuce technických prvků a zároveň integrace informací. Schématicky je taková struktura naznačena na blokovém schématu systému řízení ÚV Kouty nad Desnou. ÚPRAVNA VODY - VIZUALIZACE DISPEČINK ŠUMPERK STÁVAJÍCÍ RÁDIOVÉ SPOJENÍ STÁVAJÍCÍ SPOJENÍ ADSL SWITCH SOUPIS VSTUPŮ A VÝSTUPŮ ŘÍDÍCÍ PRACOVIŠTĚ Rozváděč PLC DI DO AI AO Celkem 1RM NF1 155 84 12 251 3RM NF3 76 37 5 118 4RM NF4.0 94 19 6 119 4RM NF4.10 7 4 12 6 29 5RM NF5 52 24 8 84 6R NF6 4 2 6 RK NFK 24 14 4 42 Celkem 412 182 49 6 649 VELÍN UPS ÚPRAVNA VODY - PRŮMYSLOVÉ AUTOMATY SWITCH TEHERNET TEHERNET GRAFICKÝ PANEL GRAFICKÝ PANEL PLC1 - NF3 PLC1 - NF1 RIO - NF4.0 VDJ RIO - NFK OPTICKÝ KABEL 160m OPTICKÝ KABEL 50m BUS-X CHEMIE KOTELNA RS 485 MODBUS STROJOVNA SEPARACE RS 485 MODBUS RIO - NF4.10 VDJ ATV61 INDUKČNÍ PRŮTOKOMĚRY VÁPNO RIO - NF6 ATV61 ATV61 ATV61 NÁHRADNÍ ZDROJ SC1000 - ANALYZÁTORY PRACÍ VDJ ATV61 ATV61 RH 3RM 1RM 4RM MONITORY SÍTĚ CIRCUTOR CVM-96 TEHERNET OPTICKÝ KABEL RS 485 MODBUS RIO - NF5 AKUMULACE INDUKČNÍ SC100 PRŮTOKOMĚR ANALYZÁTOR HIP: Ing. Pavel Adler, CSc. INVETOR: VODOHOSP. ZAŘÍZ. ŠUMPERK a.s. ZODP. PROJEKTANT: Ing. Tomek MÍSTO OBEC: KOUTY n./desnou voding KRAJ: OLOMOUCKÝ Hranice spol. s r.o. AKCE: ZAK. ČÍSLO 13 785 REKONSTRUKCE ÚPRAVNY VODY ARCH. ČÍSLO ŠU - 44-1135 KOUTY NAD DESNOU STUPEŇ ZAD. DOK. DATUM 04/2007 PŘÍLOHA: ČÁST ELEKTROTECHNICKÁ LISTŮ: VÝKRES ČÍSLO: BLOKOVÉ SCHÉMA ASŘ D-2.3.8 Základem těchto systémů je digitální komunikace po standardizované sběrnici, ke které lze připojit jednak počítačové prvky (procesní počítače, pracovní stanice, servery), jednak všechny polní přístroje vybavené mikropočítači (inteligencí), např. čidla, akční členy, dálkově ovladatelné regulátory. Takto vybavené přístroje zajišťují jednak automatickou kontrolu sama sebe, diagnostiku chyb a kalibraci, jednak mohou plnit i další funkce, např. pracovat jako regulátory. 98
K procesním počítačům a regulátorům se mohou polní přístroje připojovat standardním způsobem, např. u analogových signálů proudovou smyčkou. V tom případě lze použít standardních i inteligentních přístrojů. Na komunikační sběrnici se také lze v podstatě kdekoliv připojovat servisním počítačem (servis MaR) a provádět kontrolu a údržbu systému za jeho provozu. Přínosem využití prostředků s datovým komunikačním rozhraním je především více informací, které takto získáme, jednoduché zapojení, snadná rozšiřitelnost, doplnění přístrojového vybavení. Nezanedbatelným přínosem, je i rychlost odezvy, zejména u složitějších technologických celků jakým úpravna vody je. SNÍMAČE Důležitou úlohu v automatizaci má i měřicí technika. V této oblasti plní měřicí technika dvoje poslání. Jednak získává informace o chování řízeného procesu, bez těchto informací nemůže samočinné řízení vůbec probíhat. Dále získává informace o vlastnostech jednotlivých členů řídicího systému, bez těchto informací by nebylo možno regulační obvod navrhnout, realizovat a seřizovat. Ve vodárenství jsou to především snímače průtoků, tlaků, hladin, teploty a analyzátory vody, popřípadě detektory ovzduší při použití chloru, ozonu, chlordioxidu Měření průtoků a možnosti snímačů Podrobněji rozeberu moderní snímače průtoků vody a jejich možnosti. Jedná se především o možnosti využití datové komunikace připojení na řídící systém. jednoduché zapojení snadná rozšiřitelnost rychlá odezva vyšší spolehlivost U vodoměrů se jedná o snímače, které mají impulsní výstup, navíc je možno přenášet i stav počítadla, číslo měřidla, identifikační přidělené číslo měření. Moderní indukční průtokoměry mají možnost kompaktního i odděleného provedení a převodníku i s datovou komunikací s PLC. Charakteristické vlastnosti těchto průtokoměrů jsou: vynikající přesnost (0,3% z měřené hodnoty v rozsahu střední rychlosti proudění 1,5 až 12 m/s), opakovatelnost a dlouhodobá stabilita měření vysoké měřicí rozpětí 1:400 (chyba 1% v rozsahu rychlostí 20 mm/s až 8 m/s) zanedbatelná tlaková ztráta krátké požadované rovné úseky před a za průtokoměrem (3DN před a 1 DN za průtokoměrem) referenční elektroda, u plastových potrubí nebo potrubí s vnitřním nevodivým povlakem není nutno používat zemnicí kroužky díky optimalizaci tvaru zúžené měřicí trubice tlaková ztráta typicky 0,6 kpa při rychlosti proudění 2 m/s napájecí napětí 230VAC, 24V DC a také bateriové napájení se životností až 15 let místní ukazování okamžitého průtoku, součtového množství, diagnostických hodnot a trendu na grafickém ukazateli (m 3 /h, l/min nebo l/s, popř. další jednotky) proudový výstup (aktivní nebo pasivní), pulzní výstup, stavový výstup obousměrné měření interní diagnostika 99
provozní hodiny teplota budicích cívek, odpor budících cívek stavová a chybová hlášení diagnostické hodnoty trend okamžitého průtoku odpor elektrod (Re) závisí na elektrické vodivosti kapaliny a ploše elektrod vodivost kapaliny je zajímavá proměnná jak z hlediska procesu tak i diagnostiky o indikace znečištění elektrod (např. tukem nebo olejem) o zobrazení měřené hodnoty na displeji, varování, pokud vodivost poklesne pod nastavenou hodnotu (např. prostřednictvím stavového výstupu). o Pro prázdnou nebo částečně zaplněnou měřicí trubici platí: RE o Při zaplněné měřicí trubici je hodnota RE asi v rozmezí 1 kω 10 MΩ a je měřítkem vodivosti měřené kapaliny. Nová konstrukce indukčního průtokoměru AKČNÍ ČLENY Akční člen je technické zařízení, které přenáší výstupní signál z regulátoru (akční zásah) do regulované soustavy, tj. mění hodnotu technologické veličiny podle hodnoty výstupu z regulátoru. Akční členy mohou být dvoupolohové nebo spojité. Dvoupolohové se mohou nastavovat pouze do dvou poloh, obvykle "otevřeno" a "uzavřeno" a hodí se pouze pro méně náročné regulace a pro logické řízení. Spojité akční členy se mohou nastavovat podle hodnoty řídicího signálu do jakékoli polohy. Například pohony s frekvenčními měniči, regulační armatury. Základním a nejčastějším akčním členem ve vodárenství je servopohon armatury. - uzavírací se stavy otevřeno zavřeno - uzavírací provozovaný i v mezipolohách - regulační 100
Charakteristika servopohonů z hlediska jejich vybavení a použitelnosti A: Základní provedení servopohonu Výhody: nižší pořizovací cena pohonu pro samostatné pohony možnost přímého nahrazení stávajících starších pohonů. Nevýhody: složitější, rozsáhlejší a dražší elektrické příslušenství mimo servopohon pro jeho zprovoznění (reverzační stykače, oddělovací relé, převodníky, pomocné ovládací obvody, ovládače, kabely, větší skříň rozváděč elektro pro připojení k PLC (průmyslový automat), dálkové a automatické řízení nutno další oddělovací relé pro hlášení polohy nutno speciální vstup popřípadě převodník odporu a ukazatel polohy pro místní ovládání nutno doplnit skříň místního ovládání s ovládači. složité propojení napájecích, řídících a oddělovacích obvodů složitější projektování složitější a náročnější montáže elektro a následně i údržba elektro Použití: jednoduché objekty se samostatnými pohony náhrada jednotlivých pohonů starší konstrukce pro objekty do 5 pohonů pro objekty jen s ručním ovládáním pro objekty bez nutnosti automatického a dálkového řízení B: Provedení servopohonu s řídící jednotkou Výhody: jednoduché elektrické připojení (postačuje pouze odjištění napájecího přívodu) kompaktní řídící elektronika pro ovládání servopohonu, připojení vícežilového ovládacího kabelu na malé napětí (24V) integrované místní ovládače místně vypnuto dálkově, otevírej zavírej integrovaný ukazatel stavu, výstup polohy a řízení standartně 4-20mA přímá vazba na PLC vstupy a výstupy, galvanické oddělení optooddělovači v pohonu pomocné napětí pro dálkové ovládání 24VDC Nevýhody: vyšší pořizovací cena u objektů s vyšším počtem pohonů (16 a více) nutno pro PLC rozšiřovací moduly vstupů a výstupů vícežilový ovládací kabel samostatně ke každému pohonu složitější propojení kabelů Použití: složitější objekty s více pohony (až do 20) pro objekty s ručním ovládáním i s vazbou na dálkové a automatické řízení možnost kompaktní i oddělené montáže řídící jednotky pohonu 101
C: Provedení servopohonu s řídící jednotkou a s datovou komunikací Výhody: jednoduché elektrické připojení (postačuje pouze odjištění napájecího přívodu) kompaktní řídící elektronika pro ovládání servopohonu, připojení vícežilového ovládacího kabelu na malé napětí (24V) integrované místní ovládače místně vypnuto dálkově, otevírej zavírej integrovaný ukazatel stavu, výstup polohy a řízení datová komunikace přímá vazba na PLC datová komunikace pouze datový kabel (kroucená stíněná 2-linka) pro plné řízení a monitorování i u vyššího počtu pohonů společná datová linka PLC jednoduché zapojení a opakovatelně použití nastavení prostřednictvím PLC jednoduchá instalace elektro a údržba Nevýhody: vyšší pořizovací cena Použití: složitější objekty s více pohony (16 a více) pro objekty s ručním ovládáním i s vazbou na dálkové a automatické řízení možnost kompaktní i oddělené montáže řídící jednotky pohonu Pneumatické servopohony Jednoduché a levné řešení samostatného pohonu. Při srovnatelném požadavku na řízení pomocí PLC je cena sestavy srovnatelná s elektrickými servopohony. nutné zařízení pro výrobu a úpravu pracovního média stlačený vzduch uzavírací pohony nelze provozovat v mezipoloze, v tomto případě je nutný vždy pozicionér pneumatický servopohon vyžaduje také elektrické napájení Řídící jednotka ke 2 pneupohonům Pneupohony na potrubí ÚV Bzenec 102