From OpenSCADAWiki
Jump to: navigation, search
This page is a translated version of the page Using/Model Boiler and the translation is 100% complete.

Other languages:
English • ‎российский • ‎українська

Динамическая модель реального времени парового котлоагрегата металлургического комбината
Статус:

Основан: Январь 2007
Версия: 2.0 — BlockCalc.{boiler9,boiler9_cntr,CM*0*}, 2.0 — VCA.Boiler
Участники: Роман Савоченко
  Максим Лысенко(2007-2012), Ксения Яшина(2007-2008)
Описание: Проект посвящён созданию полной динамической модели парового котла №9 Днепровского Металлургического Комбината (ДМК).
Адрес:

  • поставляется пакетом Linux дистрибутива вроде "openscada-model-boiler";
  • непосредственно из репозитория subversion и преобразованное в файлы БД SQLite путём:
$ wget http://oscada.org/svn/trunk/OpenSCADA/data/ModelsDB/Boiler/Model.sql
$ sqlite3 -init Model.sql Model.db .exit
Model Boiler so gen ru.png

Объектом моделирования данного проекта, по созданию полной динамической модели реального времени, является многотопливный паровой котлоагрегат Днепровского Металлургического Комбината (ДМК) №9. Отличительной особенностью данного котлоагрегата является именно его многотопливная природа и, как следствие — особенности в оптимизации управления его топливной нагрузкой.

1 Назначение

Функционально, разработка предназначена для создания динамической модели реального времени многотопливного котлоагрегата металлургического комбината.

Эксплуатационным назначением разработки является:

  • тестирование алгоритмов управления АСУ ТП;
  • тестирование адекватности функционирования SCADA системы;
  • обучение технологического персонала;
  • "живая" демонстрация функций и пример проекта в SCADA-системе OpenSCADA, как фактическая, и на данный момент конечная, цель.

2 Разработка

С целью ускорения, использования опыта предыдущих разработок, а также для совершенствования технологии и инструментария разработки полных динамических моделей реального времени принято решение строить модель в среде открытой SCADA-системы OpenSCADA. OpenSCADA имеет достаточно мощный механизм пользовательского программирования, а также наработки для создания полных динамических моделей реального времени, которые позволяют быстро создавать большие динамические модели реального времени. Больше смотрите в концепции-библиотеке моделей аппаратов технологических процессов.

Концептуально, комплексные модели технологических процессов делятся и состоят из трёх чётко-определённых структурных единиц, которые так-же чётко очерчены в практическом применении и могут использоваться независимо, после совместной отработки, а именно это (с низу на верх):

  • технологический процесс — математическая модель реального времени, которая описывает работу технологического процесса в динамике;
  • Программируемый Логический Контроллер (ПЛК) — фактически это алгоритмы и регуляторы, предназначенные для осуществления контроля за стабильностью технологического процесса в рамках режимов определённых технологическим регламентом, и те которые воспроизводятся комплексной моделью;
  • Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) — диспетчерская система сбора данных, которая непосредственно является окном в технологический процесс, получая данные от ПЛК и выдавая управляющие воздействия.

2.1 Технологический процесс

Перед созданием модели котлоагрегата была сформирована принципиальная схема модели его технологического процесса, основанная на принципиальной схеме реального технологического процесса. Полученная схема изображена на рисунке 1.

Рис.1. Схема технологического процесса котлоагрегата №9 ДМК.

2.2 Моделирование

Для построения модели технологического процесса, на основе доступных моделей аппаратов, была непосредственно использована исходная принципиальная схема и блочный вычислитель (BlockCalc) OpenSCADA. Модели аппаратов технологической схемы добавлялись в блочную схему согласно принципиальной. Часть блоков была добавлена для вспомогательного оборудования, а также узлов потоков. Номера блоков узлов на принципиальной схеме указаны номерами около узлов потоков.

Модель реализована в виде двух блочных схем блочного вычислителя. Состав и свойства блочных схем приведены в таблице 1.

Таблица 1. Блочные схемы модели

Идентификатор Имя Назначение Период исполнения, секунды
boiler9 ДМК Котёл9 Содержит модель котлоагрегата №9 Днепровского Металлургического Комбината. 0.005
boiler9_cntr ДМК Котёл9 Контроллер Содержит модель системы управления котлоагрегата №9 Днепровского Металлургического Комбината. 1

В таблице 2 приведен перечень использованных моделей аппаратов, согласно принципиальной схеме.

Таблица 2. Модели использованных технологических аппаратов

Модель технологического аппарата Аппараты (блоки модели)
Библиотека "Технологические аппараты"
Котёл: барабан (boilerBarrel) boiler9.Drum
Котёл: топка (boilerBurner) boiler9.FireChamber
Компрессор газовый (compressor) boiler9.SEA, boiler9.SEB, boiler9.BFA, boiler9.BFB
Теплообменник (heatExch) boiler9.OhS, boiler9.AH1, boiler9.AH2, boiler9.DS, boiler9.EC1, boiler9.EC2
Клапан (klap) boiler9.3FW, boiler9.5FW, boiler9.7FW, boiler9.5GBF, boiler9.6GBF, boiler9.7GBF, boiler9.8GBF, boiler9.9GBF, boiler9.10GBF, boiler9.3GC, boiler9.4GC, boiler9.6GC, boiler9.5GC, boiler9.3GN, boiler9.4GN, boiler9.5GN, boiler9.6GN, boiler9.4GN3, boiler9.1G, boiler9.2G, boiler9.11G, boiler9.13G
Сеть (нагрузка) (net) boiler9.ParNet, boiler9.Atmosph
Труба 1->2 (pipe1_2) boiler9.Node3, boiler9.Node5, boiler9.Node6, boiler9.Node7, boiler9.Node10
Труба 2->1 (pipe2_1) boiler9.Node1, boiler9.Node2, boiler9.Node9, boiler9.Node12
Труба 3->1 (pipe3_1) boiler9.Node8
Источник (давление) (src_press) boiler9.SrcGBF, boiler9.SrcGC, boiler9.SrcWater, boiler9.SrcNG, boiler9.SrcAir
Библиотека "Функции Complex1"
ПИД регулятор (pid) boiler9_cntr.TCA1, boiler9_cntr.F_air_gas, boiler9_cntr.QAC151, boiler9_cntr.LC121, boiler9_cntr.PCA51, boiler9_cntr.FC101, boiler9_cntr.FC102, boiler9_cntr.FC103, boiler9_cntr.FC104, boiler9_cntr.FC105, boiler9_cntr.PSA76
Библиотека "Котёл К9" (JavaLikeCalc.lib_boiler9, с этим проектом)
Делитель (Divider) boiler9_cntr.Air_Gas
Суммарный расход топлива в котле (Fsum) boiler9_cntr.Fsum
Инверсия (Inversion) boiler9_cntr.5FW_inv

Благодаря использованию библиотеки моделей аппаратов и концепции построения динамических моделей была получена динамическая модель, из которой можно получить параметры в любой точке принципиальной схемы как для изучения, так и для отработки алгоритмов управления.

Для получения информации о технологическом процессе были созданы параметры (таблица 3), которые представляют данные из отдельных узлов модели.

Таблица 3. Параметры технологического процесса

Шифр Описание Свойства Источник
ДМК Котёл9 (BlockCalc.boiler9)
LC121 Уровень воды в барабане котла Drum.Lo
LСA122, LSA124 Уровень воды в чистом отсеке барабана, справа  %, (0;100), Точность 0 Drum.Lo
LSA123 Уровень воды в чистом отсеке барабана, слева  %, (0;100), Точность 0 Drum.Lo
LCVG121 Положение 3ВПл  %, (0;100), Точность 0 3FW.l_kl1
LCVG122 Положение 3ВПп  %, (0;100), Точность 0 3FW.l_kl2
G_11SH Положение 11Ш 11G.l_kl1
G_12SH Положение 12Ш 11G.l_kl2
G_13SH Положение 13Ш 13G.l_kl1
G_14SH Положение 14Ш 13G.l_kl2
l_5FW Положение 5ВП(1) 5FW.l_kl1
l_5FW_2 Положение 5ВП(2) 5FW.l_kl2
l_7FW Положение 7ВП 7FW.l_kl1
l_4GN Положение 4ГП 4GN.l_kl1
l_5GN Положение 5ГП 5GN.l_kl1
l_7GBF Положение 7ГД 7GBF.l_kl1
l_8GBF Положение 8ГД 8GBF.l_kl1
FCVG102 Положение 5ГП 5GN.l_kl1
FCVG103 Положение 7ГД 7GBF.l_kl1
FCVG104 Положение 8ГД 8GBF.l_kl1
FCVG105 Положение 4ГК 4GC.l_kl1
TCVG1_1 Положение 7ВП 7FW.l_kl1
TCVG1_2 Положение 5ВПл 5FW.l_kl1
PCVG76 Производительность ДСА об/мин, (0;100), Точность 1 SEA.N
PCVG77 Производительность ДСБ об/мин, (0;100), Точность 1 SEB.N
FCV106 Производительность ДВА об/мин, (0;100), Точность 1 BFA.N
FCV107 Производительность ДВБ об/мин, (0;100), Точность 1 BFB.N
PCA51 Давление пара после ГПЗ ат, (0;50), Точность 2 4GN3.Po
PSA52 Давление пара в барабане котла ат, (0;40), Точность 2 Drum.Po1
PCA52 Давление пара в барабане котла ат, (0;50), Точность 2 Drum.Po1
PSA52_1 Давление пара в барабане котла ат, (0;40), Точность 2 Drum.Po1
PSA53 Давление ГП до регулирующей заслонки ат, (0;40), Точность 2 3GN.Po
PSA53_1 Давление ГП перед диафрагмой ат, (0;40), Точность 2 3GN.Po
PSA53_2 Давление ГП перед диафрагмой ат, (0;40), Точность 2 3GN.Po
PSA54 Давление ГП после регулирующей заслонки ат, (0;1.5), Точность 3 5GN.Po
PA55 Давление ГП перед левой горелкой ат, (0;40), Точность 2 6GN.Po
PA56 Давление ГП перед правой горелкой ат, (0;40), Точность 2 6GN.Po
PSA57_1, PSA57_2 Давление ГД на общем трубопроводе ат, (0;2), Точность 2 Node3.Pi
PSA59 Давление ГД после заслонки на левом газопроводе ат, (1;2), Точность 3 10GBF.Po
PSA60 Давление ГД после заслонки на правом газопроводе ат, (1;2), Точность 3 9GBF.Po
P61 Давление ГД перед левой горелкой ат, (0;1.6), Точность 2 9GBF.Po
P62 Давление ГД перед правой горелкой ат, (0;1.6), Точность 2 10GBF.Po
PSA63_1 Давление ГК после 5ГК ат, (0;2), Точность 2 5GC.Po
PSA63_2 Давление ГК после 3ГК ат, (0;2), Точность 2 3GC.Po
PSA64 Давление ГК после регулирующего клапана ат, (0;2), Точность 3 4GC.Po
P65 Давление ГК перед левой горелкой ат, (0;1.6), Точность 2 6GC.Po
P66 Давление ГК перед правой горелкой ат, (0;1.6), Точность 2 6GC.Po
P67 Давление воздуха до первой ступени В/П слева. ат, (0;1.2), Точность 2 Node9.Po
P68 Давление воздуха до первой ступени В/П справа ат, (0;1.2), Точность 2 Node9.Po
PSA70 Давление воздуха после второй ступени воздухо-подогревателя ат, (0;1.2), Точность 2 AH2.Po2
PSA71 Давление воздуха после второй ступени воздухо-подогревателя ат, (0;1.2), Точность 2 AH2.Po2
P72 Давление воздуха на верхнем ярусе левой горелки ат, (0;1.2), Точность 2 Node2.Po
P73, PSA73 Давление воздуха на верхнем ярусе правой горелки ат, (0;1.16), Точность 2 Node2.Po
P74 Давление воздуха на нижнем ярусе левой горелки ат, (0;1.16), Точность 2 Node2.Po
P75, PSA75 Давление воздуха на нижнем ярусе правой горелки ат, (0;1.16), Точность 2 Node2.Po
PCSA76 Разрежение в топке слева ат, (0.9;1), Точность 3 FireChamber.Po
PCSA77 Разрежение в топке справа ат, (0.9;1), Точность 3 FireChamber.Po
P78 Разрежение перед "ДС-А" ат, (0.9;1), Точность 2 1G.Po
P79 Разрежение перед "ДС-Б" ат, (0.9;1), Точность 2 2G.Po
PSA80 Давление ВП по левой питательной линии ат, (0;60), Точность 2 SrcWater.Po
PSA81 Давление ВП по правой питательной линии ат, (0;60), Точность 2 SrcWater.Po
PSA85 Давление воздуха после воздухонагревателя ат, (0;2), Точность 3 AH2.Po2
P103 Давление ГД на диафрагме слева ат, (0;2), Точность 2 Node3.Po2
P104 Давление ГД на диафрагме справа ат, (0;2), Точность 2 Node3.Po1
Src_GN_Pi Входное давление на источнике ГП SrcNG.Pi
P_GN_S Давление ГП после источника SrcNG.Po
P_4GN Давление ГП после 4ГП 4GN.Po
l_3FW_1 Положение 3ВП(1) 3FW.l_kl1
l_3GN Положение 3ГП 3GN.l_kl1
l_6GN_1 Положение 6ГП_1 6GN.l_kl1
l_6GN_2 Положение 6ГП_2 6GN.l_kl2
l_5GC Положение 5ГК 5GC.l_kl1
Pdrum Давление в барабане котла Drum.Po1
TCA1 Температура пара после ГПЗ 4GN3.To
F_3FW Расход воды после 3ВП 3FW.Fo
F_5FW Расход воды после 5ВП 5FW.Fo
F_7FW Расход воды после 7ВП 7FW.Fo
Fdrum Расход воды в барабан Drum.Fi1
F_Node8 Расход воды после Уз8 Node8.Fo
FC101 Расход пара из котла т/ч, (0;100), Точность 2 4GN3.Fo
FC102 Расход природного газа 3GN.Fo
FC102_0 Расход природного газа после источника SrcNG.Fo
FC102_1 Расход природного газа после 4ГП 4GN.Fo
FC102_2 Расход природного газа после 5ГП 5GN.Fo
FC102_3 Расход природного газа после 6ГП 6GN.Fo
FC103 Расход ГД по левому газопроводу 5GBF.Fi
FC104 Расход ГД по правому газопроводу 6GBF.Fi
FC105 Расход коксового газа после 5ГК 5GC.Fo
FC106 Расход воздуха на левую горелку т/ч, (0;100), Точность 1 Node2.Fi1
FC107 Расход воздуха на правую горелку т/ч, (0;100), Точность 1 Node2.Fi2
FA108 Расход воздухо-перегревателя по правой питательной линии т/ч, (0;200), Точность 2 SrcWater.Fo
F109 Расход воды на терморегулятор т/ч, (0;200), Точность 2 7FW.Fo
FA110 Расход воздухо-перегревателя по левой питательной линии т/ч, (0;200), Точность 2 SrcWater.Fo
QA151 Содержание кислорода в ДГ после пароперегревателя  %, (0;20), Точность 2 FireChamber.O2
QA152 Содержание CO в ДГ после пароперегревателя  %, (0;20), Точность 2 FireChamber.CO
QA153 Содержание кислорода в уходящих ДГ  %, (0;20), Точность 2 FireChamber.O2
T2 Температура природного газа град.К, (223;323), Точность 2 3GN.To
T3 Температура ГД град.К, (273;373), Точность 2 5GBF.Ti
T5 Температура ГК на котел град.К, (273;373), Точность 2 4GC.To
T7 Температура воздуха после второй ступени воздухо-перегревателя слева град.К, (273;773), Точность 2 AH2.To2
T8 Температура воздуха после второй ступени воздухо-перегревателя справа град.К, (273;773), Точность 2 AH2.To2
T13 Температура ДГ перед пароперегревателем слева град.К, (273;1027), Точность 2 Drum.To2
T14 Температура ДГ перед пароперегревателем справа град.К, (273;1027), Точность 2 Drum.To2
T15 Температура ДГ перед второй ступенью экономайзера слева град.К, (273;873), Точность 2 OhS.To1
T16 Температура ДГ перед второй ступенью экономайзера справа град.К, (273;873), Точность 2 OhS.To1
T17 Температура ДГ после второй ступени экономайзера слева град.К, (273;873), Точность 2 EC2.To1
T18 Температура ДГ после второй ступени экономайзера справа град.К, (273;873), Точность 2 EC2.To1
T19 Температура ДГ перед первой ступенью воздухо-перегревателя слева град.К, (273;873), Точность 2 EC1.To1
T20 Температура ДГ перед первой ступенью воздухо-перегревателя справа град.К, (273;873), Точность 2 EC1.To1
T21 Температура ДГ перед второй ступенью воздухо-перегревателя слева град.К, (273;873), Точность 2 EC2.To1
T22 Температура ДГ перед второй ступенью воздухо-перегревателя справа град.К, (273;873), Точность 2 EC2.To1
T23 Температура ДГ перед первой ступенью экономайзера слева град.К, (273;873), Точность 2 AH2.To1
T24 Температура ДГ перед первой ступенью экономайзера справа град.К, (273;873), Точность 2 AH2.To1
TA25 Температура ДГ перед "ДС-А" град.К, (273;673), Точность 2 1G.To
TA26 Температура ДГ перед "ДС-Б" град.К, (273;673), Точность 2 2G.To
T35 Температура воздухо-перегревателя по левой питательной линии град.К, (273;473), Точность 2 3FW.To
T36 Температура воздухо-перегревателя по правой питательной линии град.К, (273;473), Точность 2 3FW.To
T37 Температура воды после экономайзера слева град.К, (273;673), Точность 2 EC2.To2
T38 Температура воды после экономайзера справа град.К, (273;673), Точность 2 EC2.To2
ДМК Котёл9 Контроллер (BlockCalc.boiler9_cntr)
TCA1 Температура пара на выходе К, (273;800), Точность 0 TCA1.*
QAC151 Процент кислорода в дымовых газах  %, (0;15), Точность 1 QAC151.*
LC121 Уровень в барабане котла  %, (0;100), Точность 1 LC121.*
5FW  %, (0;100), Точность 1 5FW_inv.OVar
FC101 Расход пара из котла т/ч, (0;150), Точность 0 FC101.*
FC102 Расход природного газа т/ч, (0;6), Точность 1 FC102.*
FC103 Расход доменного газа по левому газопроводу т/ч, (0;70), Точность 1 FC103.*
FC104 Расход доменного газа по правому газопроводу т/ч, (0;70), Точность 1 FC104.*
FC105 Расход коксового газа т/ч, (0;10), Точность 1 FC105.*
PSA76 Разрежение в топке ат, (0.9;1), Точность 3 PSA76.*

2.3 Регулирование

Сама по себе динамическая модель без регулирования может быть неустойчивой. Например, параметр уровня в барабане не обладает саморегуляцией и уходит в крайние точки, в случае отсутствия баланса в регулирующих параметрах, что является типичным для чистого интеграла. По этой причине, а также для создания самодостаточной модели, способной работать автономно и без ПЛК в роли регулятора, был создан объект контроллера регуляторов для модели котла согласно схем регулирования на рисунке 2-4.

Рис.2. Регулирование уровня в барабане и температуры пара.
Рис.3. Регулирование разрежения в топке.
Рис.4. Регулирование расходов пара и газов.

3 Интерфейс пользователя

Пользовательский интерфейс модели содержит одиннадцать объектов сигнализаций (рис.5). Каждый объект сигнализации содержит по несколько мнемосхем, груп графиков, груп контуров и груп обзоров.

Рис.5. Общий вид окна интерфейса пользователя.

3.1 Объект сигнализации "Пусковая"

Рис.6. Мнемосхема объекта сигнализации "Пусковая".
Рис.7. Группа графиков объекта сигнализации "Пусковая".
Рис.8. Группа контуров объекта сигнализации "Пусковая".
Рис.9. Группа обзоров объекта сигнализации "Пусковая".

3.2 Объект сигнализации "Розжиг"

Рис.10. Мнемосхема объекта сигнализации "Розжиг".
Рис.11. Группа графиков объекта сигнализации "Розжиг".
Рис.12. Группа контуров объекта сигнализации "Розжиг".
Рис.13. Группа обзоров объекта сигнализации "Розжиг".

3.3 Объект сигнализации "Дым.газы"

Рис.14. Мнемосхема объекта сигнализации "Дым.газы".
Рис.15. Мнемосхема 2 объекта сигнализации "Дым.газы".
Рис.16. Группа графиков объекта сигнализации "Дым.газы".
Рис.17. Группа контуров объекта сигнализации "Дым.газы".
Рис.18. Группа обзоров объекта сигнализации "Дым.газы".

3.4 Объект сигнализации "Дренажи"

Рис.19. Мнемосхема объекта сигнализации "Дренажи".
Рис.20. Группа графиков объекта сигнализации "Дренажи".
Рис.21. Группа контуров объекта сигнализации "Дренажи".
Рис.22. Группа обзоров объекта сигнализации "Дренажи".

3.5 Объект сигнализации "ГД"

Рис.23. Мнемосхема объекта сигнализации "ГД".
Рис.24. Группа графиков объекта сигнализации "ГД".
Рис.25. Группа контуров объекта сигнализации "ГД".
Рис.26. Группа обзоров объекта сигнализации "ГД".

3.6 Объект сигнализации "ГП"

Рис.27. Мнемосхема объекта сигнализации "ГП".
Рис.28. Группа графиков объекта сигнализации "ГП".
Рис.29. Группа контуров объекта сигнализации "ГП".
Рис.30. Группа обзоров объекта сигнализации "ГП".

3.7 Объект сигнализации "ГК"

Рис.31. Мнемосхема объекта сигнализации "ГК".
Рис.32. Группа графиков объекта сигнализации "ГК".
Рис.33. Группа контуров объекта сигнализации "ГК".
Рис.34. Группа обзоров объекта сигнализации "ГК".

3.8 Объект сигнализации "ПАР"

Рис.35. Мнемосхема объекта сигнализации "ПАР".
Рис.36. Группа графиков объекта сигнализации "ПАР".
Рис.37. Группа контуров объекта сигнализации "ПАР".
Рис.38. Группа обзоров объекта сигнализации "ПАР".

3.9 Объект сигнализации "ВП"

Рис.39. Мнемосхема объекта сигнализации "ВП".
Рис.40. Группа графиков объекта сигнализации "ВП".
Рис.41. Группа контуров объекта сигнализации "ВП".
Рис.42. Группа обзоров объекта сигнализации "ВП".

3.10 Объект сигнализации "Экономайзер"

Рис.43. Мнемосхема объекта сигнализации "Экономайзер".
Рис.44. Группа графиков объекта сигнализации "Экономайзер".
Рис.45. Группа контуров объекта сигнализации "Экономайзер".
Рис.46. Группа обзоров объекта сигнализации "Экономайзер".

3.11 Объект сигнализации "ВЗП"

Рис.47. Мнемосхема "ВЗП" объекта сигнализации "ВЗП".
Рис.48. Мнемосхема "ВЗП-УПР" объекта сигнализации "ВЗП".
Рис.49. Группа графиков объекта сигнализации "ВЗП".
Рис.50. Группа контуров объекта сигнализации "ВЗП".
Рис.51. Группа обзоров объекта сигнализации "ВЗП".

4 Результаты

Результатом разработки стала полноценная динамическая модель технологического процесса многотопливного парового котлоагрегата на высокое давление и большую производительность. Данная модель доступна на трёх языках и включена в дистрибутивы OpenSCADA для демонстрации функций и возможностей.

Модель предусматривает возможность управления ТП от лица оператора, включая операции:

  • управление регуляторами:
    • изменение режима регулятора: "Автомат", "Ручной" или "Каскад";
    • установка нужного значения задания или ручного выхода исполнительного механизма;
    • настройка параметров ПИД-регулятора.

В целом, в схеме управления, полноценно участвуют следующие регуляторы:

  • LC121 — уровень воды в барабане котла;
  • PSA76 — разрежение в топке котла;
  • FC101 — расход пара в паровой коллектор;
  • FC102 — расход природного газа;
  • FC103, FC104 — расход доменного газа;
  • FC105 — расход коксового газа;
  • QAC151 — процент кислорода в дымовых газах;
  • TCA1 — температура пара.

В прикладном смысле модель позволила отработать алгоритмы управления подачей нескольких родов топлива.

Ресурсоёмкость модели в целом, к центральному процессору Athlon 64 3000+ (2000МГц) составляет 22%, к центральному процессору 800 МГц составляет 70%.

5 Ссылки