كنترل هوشمندسيستم كولينگ ژنراتورنيروگاه حرارتي

مقدمه:

سيستم كولينگ روغن هر واحد گازي مجهز به 6 الكتروفن خنك كننده با توان 15KW و سيستم كولينگ آب ژنراتور نيز مجهز به 10 الكترو فن خنك كننده مجزا با توان 15KW مي‌باشد.هر يك از فن‌ها بطور جداگانه داراي 4 سيگنال خروجي جهت مانيتورينگ با نام‌هاي AL,FAN,TRIP,DO ONبودند كه هر يك از اين سيگنال‌ها وضعيت يكي از كليدهاي مربوطه را به سيستم DCS ارسال مي نمود.از طرفي مدار فرمان هر فن داراي يك سيگنال ورودي جهت ارسال فرمان ON/OFF به فن مورد نظر بود. در سيستم فبلي فرمان روشن و خاموش هر فن از دو منبع مجزا اعمل مي‌گشت . فرمان اول با نام REMOTE START SIGNAL معرفي شده بود كه اين سيگنال توسط خود سيستم در هنگام TESTART كنترل مي‌گشت و در پايان فرايند RESTART  از كنترل خارج مي‌گشت.(فرماني از سيستم DCS به آن ارسال نمي‌شد.) فرمان دوم از طريق كليد دستي به صورت محلي به فن مربوطه اعمال مي‌گشت، و به واقع تمامي الكتروفنها همواره در سرويس قرار داشت بدون توجه به تغييرات پارامترهاي واحدها .

نيازهاي سيستم كنترل هوشمند:

1 جمع آوري سيگنال‌هاي خروچي هر فن و ارسال آنها به اتاق كنترل

نصب سنسورهاي دما بر روي مخازي آب و روغن به عنوان فيدبك دماي هر مخزن

نصب سنسور دما در محيط جهت اعمال به منطق كنترل فن هاي كولينگ روغن و كولينگ آب ژنراتور

دريافت ميزان بار هر واحد بعنوان يكي از وروديهاي مورد نياز منطق كنترل فن هاي كولينگ روغن و كولينگ آب ژنراتور

اعمال فرمان كنترل با منطق مناسب به هر فن موازي با سيگنالهاي فرمان مورجود مطابق با مقادير دماي مخازن آب و روغن

امكان اعمال فرامين ON/OFF بصورت دستي از اتاق كنترل به هر فنچ

امكان نمايش ، گزارش،تحليل و بررسي مقادير دماي مخازن آب و روغن هر واحد و بررسي عملكرد هر فن

امكان تنظيم SET POINT  مناسب به منطق كنترل مجموعه فن هاي كولينگ روغن و كولينگ آب هر واحد.

ماژول كنترل كننده اصلي: در اين ماژول دو حسگر دمايي بعنوان فيدبك دماي روغن استفاده شده است. استفاده از دو سنسور بدليل امكان استفاده از روشهاي تركيب اطلاعات (DATA FUSION)  جهت افزايش دقت و امنيت سيستم است. سيگنال فرمان هر يك از فن ها نيز بعنوان خروجي اين ماژول به هز يك از فن هاي متصل خواهد شد . بدين ترتيب اين ماژول وظيفه كنترل كليه فن هاي سيستم كولينگ روغن را بر عهده خواهد داشت. دو عدد سنسور دماي محيط نيز به يكي از ماژولهاي كنترلي متصل مي‌گردد. بدليل استفاده از شبكه بدين روش تمامي ماژولهاي كنترلي كليه فيدبكهاي فنهاي مربوط به خود را از طريق شبكه دريافت مي‌نمايند ضمن ايكه مقدار دماي محيط در هر لحظه نيز توسط تمامي ماژولهاي شبه قابل دسترسي مي باشد.(شكل 1)

ماژولREDUNDANT : اين ماژول مشابه ماژول كنترل كننده اصلي است با اين تفاوت كه وظيفه بررسي خضت عملكرد منطق ماژول كنترل كننده اصلي و همچنين تمامي خروجي هاي آنرا بر عهده دارد.در صورت بروز نقص در هر يك از شاخصه هاي ماژول كنترل كننده اصلي، ضمن ارسال پيام خطار متناسب با نقص موجود به سيستم مركزي ، عمليات كنترل را بر عده مي‌گيرد.

با توجه به مطالب فوق مشخصات فني هر يك از ماژول هاي پيشنهادي عبارتند از :

-        ماژول مانيتورينگ:

-        حداقل 48 ورودي ديچيتال ايزوله

-        2 فركانس فيلد باس

ماژول كنترل كننده اصلي و REDUNDANT :‌

-        حدافل 3 ورودي آنالوگ(جهت اتصال سنسورهاي دمايي)

-        حداقل 1 ورودي 4-20Ma (جهت خوانده بار هر واحد)

-        حداقل 12 خروجي ديجيتال (سيگنال فرمان هر يك از فن ها)

-        حداقل 3 حلقه PED  مستقل

-        2 كانال فيلد باس

در جدول لسست تمامي سيگنال هاي لازم در سيستم كنترلي پيشنادي هر واحد ارائه گرديده است.

جدول 1

با توجه به مطالب فوق كميته بهينه ساز مصرف انرژي شركت مديريت توليد برق قم طرح پيشنهادي خود را ارائه مي‌دهد.

طرح سيستم كنترل و مانيتورينگ دماي كولينگ آب ژنراتور و كولينگ روغن واحدهاي گازي نيروگاه قم

با توجه به آنكه منطق كنترل فن هاي كولينگ روغن مستقل از منطق مورد نياز فن هاي كولينگ آب ژنراتور مي‌باشد لذا در اين طرح دو سيستم كنترلي مجزا جهت كنترل هر يك از آنها در نظر گرفته شده است.

1-   سيستم كنترل دماي كولينگ روغن

در اين طرح جهت جمع آوري سيگنال هاي مانيتورينگ فن هاي سيستم كولينگ روغن و دماي مخزن روغن و همچنين اعمال فرامين كنترلي مورد نياز به هر يك از فن هاي مربوطه از 3 ماژول مستقل استفاده مي گردد.

-    ماژول مانيتورينگ: اين ماژول با هدف جوع آوري وضعيت سيگنال هاي AL TRIP , FAN DO ON  هر يك از فن ها طراحي و نصب مي گردد.

2-   سيستم كنترل دماي كولينگ آب:

سيستم كنترل دماي كولينگ آب ژنرانور كاملا شبيه به سيستم كنترل دماي روغن است. تنها تفاوت آنها در طراحي و اجراي منطق كنترلي لازم متناسب با ماهيت فيزيكي سيستم هاي فوق است . در اينجا بايد يادآور شد كه در هر يك از ماژول هاي پيشنهادي پورت هاي اضافي جهت كاربردهاي بعدي پيش‌بيني شده است.

در اين طرح ارتباط كليه ماژول ها با يكديگر از طريق شبكه فيلد باس صورت ميگيرد شبكه فيلد‌باس پيشنهادي در اين طرح شبكه DEVICE NET است كه يكي از فيلدباس هاي مطرح اروپاست.

معرفي استاندارد DEVICE:

استاندارد مورد نظر جهت انتقال اطلاعات، يك شبكه صنعتي است كه اطلاعات را به صورت سريال و از طريق تنها يك زوج سيم منتقل ميكند . بنابراين در صورت پياده سازي چنين شبكه اي تنها يك كابل بين كليه واحدهاي گازيكشيده خواهد شد و همين كابل نيز تا اتاق فرمان امتداد خواهد يافت و اطلاعات تمامي واحدها از طريق آن منتقل مي گردد. به اين پروتكل ها ( شبكه‌هاي صنعتي ) در اصطلاح كلي فيلدباس (FIELDBUS) گفته مي شود. استاندارد فيلدباس مورد نظر در اينجا ، استانداردDEVICE NET مي باشد كه يكي از پركارترين و قدرتمندترين استاندارد هاي فيلدباس موجود است. اما در ادامه به مزاياي استفاده از اين استاندارد در اين پروژه اشاره مي‌شود.

مزاياي استفاده از شبكه DEVICE NET در اين پروژه به اين شرح است:

1. نصب شبكه اي بسيار مطمئن جهت جمع آوري اطلاعات با سرعت 500 كيلو بيت در ثانيه

1. امكان بستن حلقه كنترلي بر روي شبكه (DISTRIBUTED LOOP CONTROL)
2. امكان مانيتورينگ مركزي همزمان سيگنال هاي موجود در تمامي واحدها.
3. امكان افزودن سيگنال هاي جديد به شبكه و مانيتور نمودن آنها بدون لزوم اعمال تغييرات جديد در سيستم.
4. ايزوله بودن شبه DEVICE NET از تمامي تجهيزات موجود در واحدها(سيگنال هاي DCS و ساير تجهيزات الكترونيكي).
5. امكان طراحي نرم افزارهاي مانيتورينگ بر اساس نياز متخصصين نيروگاه.
6. امكان اعمال مديريت همزمان و متمركز بر روي كليه واحدها.
7. صرفه جويي در مصرف كابل.
8. نصب و پيكربندي آسان،تعمير و نگهداري ساده و شناسائي و رفع عيب آسان.
9. به روز رساني كم هزينه اجزاء.
10. كاهش زمان و هزينه نصب.
11. عدم نياز به تخصص خاص كاربر.
12. امكان جمع آوري و ذخيره اطلاعات بر روي كامپيوتر صنعتي(IPC) .
13. امكان كنترل از راه دور‌(AUTOMATION) .

لدا با توجه به اهميت RELIABILITY سيسم ،شبكه فيلدباس پيشنهادي نيز بصورتREDUNDANT طراحي شده است به طوريكه ارتباط بين ماژول هاي كنترل كننده اصلي و REDUNDANT همزمان از دو مسير مجزا امكان پدير است تا در صورت بروز هر گونه مشكل در يكي از باس ها ارتباط بين اجزا از مسير شبكه دوم ميسر گردد.

سيستم كنترل و مانيتورينگ مركزي:

از آنجائيكه كليه ارتباطات بر روي شبكه فيلدباس طراحي شده است لذا ارتباط اتاق كنترل نيز با كليه ماژول ها از طريق فيلدباس خواهد بود. در اين طرح هر يك از شبكه هاي فيلدباس به يك كامپيوتر مجزا متصل خواهند شد. اين دو IPC  به دو روش با هم در ارتباطند.

. روش اول از طريق شبكه فيلدباس

از آنجائيكه اين دو IPC بعنوان REDUNDANT MASTER , MASTER در نظر گرفته شده‌اند لذا وظيفه آنها جمع آوري موازي اطلاعات ماژولهاي واحدهاي گازي خواهد بود. نرم‌افزار SCADA بر روي كامپيوتر  MASTER  اجرا مي‌گردد. بنابر اين كاربران عمليات كنترلي و مانيتورينگ خود را بر روي  MASTER‌انجام مي‌دهند.در صورت خارج شدن  MASTER ‌از سرويس ادام عمليات توسط  REDUNDANT MASTER‌انجام خواهد شد.

.روش دوم از طريق شبكهETHERNET

اطلاعات جمع آوري شده از سيستم هاي كنترلي بر روي پايگاه داده اي  SQL SERVER‌ذخيره مي گردد. به منظور سنكرون كردن پايگاه داده اي كامپيوترهاي  MASTER‌و  REDUNDANT‌از شبكه  ETHERNET استفاده مي گردد.

نرم افزار  SCADA

در شبكه هاي فيلدباس همواره يكي از تجهيزات بعنوان  MASTERشبكه استفاده مي گردد كه وظيفه پيكربندي شبكه و ارتباط با كليه تجهيزات را بر عهده دارد. در طرح پيشنهادي يكي از كامپيوترهاي  IPC نصب شده  MASTER‌شبكه خواهد بود مهمترين وظايف  MASTER عبارتند از :

1-    پياده سازي پروتكل  DEVICE NET

2-    ‌پيكربندي كليه ماژول هاي موجود.

3-    چك كردن صحت كاركرد هر يك از ماژول ها.

4-    دريافت و نسبت كليه اطلاعات موجود در هر يك از ماژول ها به تفكيك ماژول و نوع اطلاعات هر ماژول.

5-    ارسال فرامين كنترلي كاربر از قبيل  SET POINT و .... به هر يك از ماژول‌هاي كنترلي مورد نظر كاربر.

6-    كنترل حلقه هاي كنترلي توزيع شده در شبكه

7-    كنترل كليه آلارم هاي سيستم و پاسخ دهي به تمامي آنها.

بنابر تعاريف فوق نرم افزار پروتكل شبكه با نام Device Master Protocol بر روي كامپيوتر Master نصب خواهد شد. جهت ارتباط كاربران با شبكه با سطوح دسترسي متفاوت نياز به نرم افزار ديگريست كه به آن (Supervisor Control & Data Acquisition) SCADA گفته ميشود.

اين نرم افزار به عنوان واسط كاربر (User Interface) عمل كرده كه كاربران مي توانند با استفاده از آن، فرامين كنترلي خود را به ماژولهاي مربوطه ارسال نمايند و مقادير هر يك از سيگنالها را به تفكيك به صورت بلادرنگ (Real Time) مشاهده نمايند.

مهمترين قابليتهاي نرم افزار DeviceNet SCADA عبارت است از:

1. مشاهده مقادير كنوني دماي هر يك از واحدها به صورت On Line و همچنين نمودار روند تغييرات آنها بر روي كامپيوتر.

1. مشاهده وضعيت عملياتي كنوني تجهيزات ابزار دقيق از جمله تمامي فنهاي هر واحد گازي بر روي كامپيوتر.
2. اعمال فرامين كنترلي دلخواه (روشن يا خاموش) به هر يك از عملگرهاي صنعتي موجود در هر يك از واحدها به صورت مركزي و از طريق كامپيوتر و يا به صورت دستي در محل.
3. امكان كنترل هوشمند و اتوماتيك كليه فنهاي موجود بدون دخالت كاربر.
4. امكان بستن حلقه هاي كنترلي توزيع شده در واحدها. (براي مثال دماي محيط يكي از پارامترهاي ورودي سيستم كنترلي است كه تنها از يك منبع خوانده شده و به ماژولها ارسال مي گردد).
5. استفاده از دقيق ترين و كامل ترين الگوريتمهاي كنترلي با قابليت اطمينان بالا مطابق استانداردهاي سيستم اتوماسيون صنعتي (PLC).
6. امكان انتخاب كنترل دستي يا اتوماتيك تمامي فنهاي هر يك از واحدها و سوئيچ بين كنترل دستي و اتوماتيك در هر لحظه توسط كاربر.
7. تنظيم محدوده دمايي مطلوب در هر يك از واحدها و كاليبره كردن هر يك از تجهيزات ابزار دقيق (Transmitter، Thermocouple و RTD) به صورت مركزي توسط كاربر.
8. امكان كنترل گروهي تجهيزات فرمان پذير از جمله كنترل گروهي فنهاي صنعتي به صورت آنالوگ.
9. نمايش زمان تغيير وضعيت هر يك از تجهيزات كنترلي بر روي مانيتور (روشن، خاموش، خراب و ...).
10. ايجاد آلارم سخنگو در ازاي بروز هر گونه مشكل در كاركرد تجهيزات كنترلي به صورت اتوماتيك در تمام ساعات شبانه روز هم به صورت مركزي و هم بر روي كامپيوتر.
11. ايجاد آلارم سخنگو در صورت خارج شدن مقادير دما و رطوبت از محدوده تنظيم شده توسط كاربر.
12. نمايش كليه آلارمهاي رخ داده در سيستم به تفكيك نوع آلارم در هر بازه زماني دلخواه.
13. نمايش مدت زمان كاركرد و درصد فعاليت هر يك از تجهيزات كنترلي يك سالن در هر بازه زماني.
14. امكان نمايش ميانگين، حداقل و حداكثر نوسانات دماي روغن و آب ژنراتورها در هر بازه زماني و مقايسه آنها به يكديگر.
15. امكان نمايش و تحليل اثر پارامترهاي كنترلي (حداقل تعداد فن، محدوده دمايي مناسب) در ميزان مصرف انرژي و بار هر واحد و همچنين مقايسه همه واحدها با يكديگر در هر بازه زماني دلخواه.
16. نمايش ميزان مصرف انژي فنهاي يك واحد خاص به صورت مجزا و مقايسه آنها با يكديگر در هر باز زماني دلخواه.
17. امكان مشاهده جزئيات چگونگي كاركرد الگوريتم كنترلي اعمال شده به واحدها و تحليل عملكرد كل سيستم.

مراحل اجراي پروژه:

مراحل اجراي پروژه را به اين صورت تقسيم بندي مي‌كنيم:

1. مطالعه و شناخت سيستم كولينگ روغن و آب ژنراتور واحدهاي گازي و طراحي مقدماتي منطق مورد نياز:

مطالعه و شناخت سيستم، حياتي ترين مرحله هر پروژه اي مي باشد كه در آن علاوه بر شناخت سيستم و تعيين استراتژي، با نيازهاي كارفرما و امكانات موجود نيز به خوبي آشنايي به عمل مي آيد. در ضمن اين مرحله بايد شناخت كاملي از مجموعه سيگنالهاي موجود صورت گيرد. اين شناخت از سيگنالها در درك چگونگي پياده سازي شبكه محلي كمك به سزايي مي كند.

1. طراحي اوليه و تعيين توپولوژي شبكه فيلد باس:

يكي از مقدمات اساسي در شبكه هاي صنعتي فيلد باس طراحي توپولوژي شبكه و محاسبه چگونگي ارتباط عناصر شبكه با يكديگر مي باشد. به دليل محدوديتهاي منابع سيستمهاي فيلد باس (اقتصادي، حداكثر طول شبكه و ترافيك شبكه و...) طراحان اين گونه شبكه ها بايد ملاحظات تكنولوژيكي مناسب را در نظر گيرند كه اين ملاحظات تابعي از شرايط محيطي و مكاني عناصر شبكه مي باشد. لذا طراحان شبكه پس از بررسي منابع و همچنين محدوديتهاي سيستم، نقشه و گراف شبكه مورد نياز را طراحي خواهند نمود.

1. طراحي اوليه تجهيزات سخت افزاري و نرم افزاري مورد نياز و تهيه نقشه و دياگرام بلاكي ارتباط تجهيزات با يكديگر:

در اين مرحله با توجه به شناخت سيستمي كه در مراحل قبل به عمل آمده است، تجهيزات سخت افزاري و نرم افزاري مورد نياز شبكه با توجه به شناخت سيستم حاصل و نيازمندي‌هاي اعلام شده توسط كارفرما، طراحي خواهند شد و كليه مستندات طراحي شده جهت تأييد به كارفرما ارائه خواهد شد.

1. طراحي نهايي و نصب سخت افزارهاي مورد نياز:

پس از آنكه تمامي نيازمندي‌هاي سيستم به صورت دقيق استخراج گرديد و طراحي هاي اوليه مورد تأييد كارفرما قرار گرفت، سخت افزارهاي مورد نياز نصب خواهند شد. اين تجهيزات سخت افزاري شامل مدارهاي ابزار دقيق و جمع آوري كننده اطلاعات عناصر فيلد، سخت افزارهاي متناظر با شبكه فيلد باس مي‌باشد.

1. تهيه و پيكربندي نرم افزارهاي مربوطه:

همزمان با طراحي و پياده سازي سخت افزارهاي سيستم، نرم افزارهاي مورد نياز نيز طراحي و پياده سازي مي شوند. تمامي پروژه هاي مبتني بر فيلد باس داراي چهار دسته نرم افزار مستقل مي باشد. سيستم عامل بكار رفته در كامپيوترهاي صنعتي مورد استفاده كه نقش Master را ايفا مي كنند، Windows XP خواهد بود.

نرم افزارهاي استاندارد FieldBus-Master: كه وظيفه مديريت و كنترل تمامي عناصر موجود در شبكه و ارتباط با تجهيزات Master بر عهده آنها مي باشد.

نرم افزارهاي FieldBus-Slave: وظيفه اين نرم افزارها ارتباط با كامپيوتر مركزي (Master) و پياده سازي تمامي ملاحظات موجود در استانداردهاي فيلد باس مي باشد.

نرم افزارهاي جمع آوري داده (Data Gathering & Data Acquisition): اين نرم افزار بر خلاف نرم افزارهاي گفته شده در بالا كه مستقل از زمينه هاي كاربردي مي باشند و در تمامي پروژه هاي فيلد باس به صورت يكسان بكار برده مي شوند. همواره بر اساس زمينه هاي كاربردي طراحي و پياده سازي مي گردد. در اين پروژه و در كامپيوتر مركزي، وظيفه تفسير و واكشي داده هاي ارسالي متناظر با عناصر فيلد، بر عهده اين نرم افزار مي باشد. با توجه به منابع اطلاعاتي موجود در نيروگاه، اطلاعات دريافتي از تمامي واحدها در كامپيوتر مركزي تفسير شده و در اختيار سيستم مانيتورينگ قرار داده مي شود. اين نرم افزار به صورت توزيع شده (Distributed) بر روي تجهيزات Master و ماژولهاي كنترل واحدها (Slave) قرار خواهد گرفت.

نرم افزار SCADA: اين نرم افزار خود به دو قسمت تقسيم مي گردد. بخش اوليه وظيفه پيكربندي و تنظيم عناصر شبكه و پشتيباني شبكه را توسط كاربران فني سيستم بر عهده دارد كه در تمامي پروژه هاي مبتني بر فيلد باس يكسان مي باشد. بخش دوم بر اساس زمينه هاي كاربردي طراحي مي گردد، كه شامل Trend Viewing‌ و ... مي باشد.

1. اجراء، نصب و راه اندازي تجهيزات شبكه:

شبكه فيلد باس عمومي نيازمند تجهيزات اصلي و جانبي از جمله كامپيوتر مركزي، تجهيزات جانبي كامپيوتر مركزي مانند پرينتر و ...، كارت Master، Repeater، Power، Ups و ... مي باشد كه با نصب شبكه و كابل كشي سيستم و ارتباط آنها با يكديگر شبكه فيلد باس نصب و راه اندازي خواهد شد.

1. تست و رفع عيب سيستم: در اين مرحله با توجه به نيازمندي هاي كارفرما تمامي نواقص احتمالي پروژه شناسايي و رفع خواهند شد.

1. آموزش سيستم و انتقال تكنولوژي: از ويژگيهاي ممتاز اين پروژه در مقايسه با نمونه هاي خارجي طراحي تمامي تجهيزات (سخت افزاري و نرم افزاري) توسط گروه صنعتي پارس جهت است. لذا كليه منابع و مستندات پروژه (نقشه هاي سخت افزاري و كابل كشي) به صورت كامل در اختيار كارفرما قرار داده مي شود تا با انتقال اين تكنولوژي به متخصصين نيروگاه و آموزش آنها، در آينده كارشناسان نيروگاه توانايي كامل در پشتيباني و استفاده از سيستم را خواهند داشت.

جدول مقايسه اي توليد و مصرف داخلي قبل و بعد از اجراي پروژه هوشمند كردن

سيستم كولينگ واحدهاي 1 و 2 گازي درماه مهرسالهاي85و86  

توضيح اينكه ميزان توليد مهر ماه 86 نسبت به مهر ماه 85، 4 درصد كاهش داشته است ليكن مصرف داخلي 4/21 درصدكاهش را نشان مي دهد.