Когда я был подростком, друг отца, радиолюбитель, подсунул мне книгу Е. Айсберга «Радио?.. Это очень просто!». Книгу эту я читал, бросал, начинал снова, снова бросал… В итоге прочитал.
И понял, что радио — это непросто, но очень интересно, и разобраться с этим можно, даже если тебе 13 лет. Потом записался в радиокружок. Потом стал радиоинженером. Потом 25 лет конструировал АСУ ТП (автоматизированные системы управления технологическим процессом). И сегодня я хочу рассказать вам про то, что АСУ ТП — это тоже очень интересно, и достаточно просто. Точно проще, чем радио. Вдруг вам 13 лет, или вы задумываетесь о смене деятельности.
Рассуждать будем не отвлеченно, а на примере вполне конкретного объекта — небольшой, но симпатичной котельной на 2 МВт, работающей без персонала. То есть автоматически, под управлением АСУ ТП. Давайте заглянем внутрь и посмотрим, как это все устроено. Или, говоря формальным языком, будем двигаться от частного к общему.
Если вас интересуют только бытовые котельные, то вам тоже сюда — автоматика что многомегаваттных городских котельных, что бытовых, устроена примерно одинаково.
Сразу представлю: котельную эту построила и обслуживает компания из г. Екатеринбурга «Феррон-строй», специализирующаяся на такого рода объектах. С оборудованием Wiren Board они работают пятый год, а вообще строительством котельных и других сооружений энергетики занимаются больше 20 лет.
Ребята выполняют полный цикл работ:
разрабатывают проектную и рабочую документацию;
строят здание;
монтируют оборудование и трубопроводы;
подводят и подключают наружные сети;
собирают щиты управления;
разводят кабельную систему, подключают оборудование АСУ ТП;
программируют все программируемое,
прои��водят пуско-наладку.
Также в компании есть сервисный отдел, который занимается гарантийным и сервисным обслуживанием котельных. Поэтому компанию можно смело назвать экспертом в своем деле. Ну а мы с интересом подсматриваем, что и как они делают. И вам рассказываем.
Сама котельная газовая, обеспечивает теплом и горячей водой здание санатория. Нам она интересна в первую очередь тем, что вся автоматика в ней построена на нашем оборудовании и нашем софте, только датчики и силовое оборудование стороннего производства. И это типовое решение, в настоящее время работает уже десять подобных котельных, что косвенно свидетельствует о том, что мы производим неплохое оборудование. Котельная, кстати, уже отработала два отопительных сезона, этот — третий.
Заходим внутрь. Сначала я вам покажу всю аппаратную начинку, а потом поговорим про программное обеспечение.
Первое, что бросается в глаза — ярко-желтые трубы.
Это внутренний газопровод.
Безопасность
Газ опасен. Точнее — взрывоопасен. И продукты сгорания газа опасны для жизни. Поэтому контроль загазованности — одна из важнейших функций автоматики котельной.
Требования к контролю загазованности жестко регламентированы: при достижении концентрации горючего газа (СН4) в воздухе выше 10% НКПР (нижний концентрационный предел распространения пламени) должен быть закрыт главный газовый клапан (ГГК).
И не просто закрыт, а за время не более 1 с. И обязательно должен быть передан аварийный сигнал об этой ситуации ответственному сотруднику (обычно это охранник, а сигнал называется уведомлением).
Подобные же требования и к загазованности угарным газом (CO): при концентрации 20 мг/м3 формируется предупредительный сигнал, а при 100 мг/м3 — закрывается ГГК.
Еще ГГК должен закрыться при высоком давлении газа. И по сигналу о пожаре.
Безусловно, в котельной должны быть кнопки для ручного закрытия/открытия ГГК. И если кто-то закрыл газ вручную, уведомление об этом тоже должно быть сформировано.
Смотрим, как реализовано управление ГГК и сигнализация загазованности. Для контроля загазованности выпускаются специальные, сертифицированные сигнализаторы загазованности.
На данном объекте применен сигнализатор от компании «Аналитприбор». Сенсор CO у него прямо в корпусе сигнализатора, а сенсор CH4 выносной — связано это с тем, что CH4 легче воздуха, а CO — нет, поэтому сенсоры должны располагаться в разных местах. Еще в приборе есть реле, которые переключаются при загазованности горючим и угарным газом.
Давление газа контролируется простым механическим реле давления с регулируемой уставкой (значением, при котором реле переключится).
Какой-то собственной системы автоматической пожарной сигнализации (АПС) и оповещения о пожаре (СОУЭ) в котельной нет, да она и не имеет смысла. Котельная защищена системами АПС и СОУЭ санатория, из которой автоматика котельной получает сигнал о пожаре. Тоже в виде контакта реле, размыкающегося при пожаре.
Кнопки открытия/закрытия ГГК размещены на двери щита автоматики. И это тоже контакты.
В итоге имеем цепочку из пяти контактов, размыкание любого из которых должно привести к закрытию ГГК. Конечно, можно пр��пустить цепь питания ГГК через эти контакты, как это делали еще в Советское время. Но тогда надо что-то придумывать для отправки уведомлений. Еще вариант — завести все эти сигналы на контроллер и написать скрипт управления ГГК. Но тогда при обновлении программного обеспечения (ПО) контроллера, рестарте его драйверов и служб придется закрывать ГГК, ибо оставлять газопровод без контроля дольше 1 с нельзя. Нужно более изящное решение.
И оно было найдено. Релейные Modbus-модули Wiren Board имеют входы, и у них есть встроенные в прошивку функции управления выходами. Пользователь может настраивать, какие функции к каким входам/выходам привязать. Подключаем все приборы безопасности на входы (схема подключения есть на наклейке), настраиваем отключение выхода при недопустимом состоянии входов, и вопрос управления ГГК решен. А контроллер по Modbus прочитает состояния всех входов и передаст соответствующие уведомления.
На этом объекте использовали шестиканальный модуль WB-MR6C v.2. У него семь входов, поэтому и выбран. Используются входы 0 — 6 (Пожар, Неисправность СТГ, Загазованность CO пороги 1 и 2, Загазованность CH, Высокое давление газа, кнопка «Закрыть ГГК»). К выходу 1 подключен ГГК.
Настраивается модуль в веб-интерфейсе контроллера, просто мышкой. Подробнее о настройках мы поговорим позже, а пока посмотрим на уже настроенный модуль.
Нам нужно, чтобы при размыкании контактов, подключенных к входам 0, 1, 3, 4, 5, 6 выход 1 отключался. Такой режим управления называется mapping-матрицей. Сами настройки просты: выбираем режим работы у каждого входа «Управлять по mapping-матрице» и указываем, в какое состояние должны перейти выходы при замыкании/размыкании входа. На иллюстрации выше видно, что при размыкании входа 0 (сигнал о пожаре) выход 1 будет выключен и ГГК закроется. И так для каждого из используемых входов.
Безопасный режим
У релейных модулей Wiren Board еще есть настройка, позволяющая установить необходимое состояние выходов при подаче питания на модуль, еще до получения команд от контроллера. И при потере связи с контроллером. Называется это безопасным режимом, и настраивается на соответствующей вкладке. Но в котельной этот режим не используется — нет такой необходимости.
Возвращаемся к газопроводу. Еще на нем установлено реле минимального давления газа. Такое же, как для максимального, но с меньшей уставкой. Нужно оно только для уведомлений — в котлах есть собственные реле минимального давления газа, и их горелки блокируются при отсутствии газа самостоятельно.
Вот и все про газ. Опускаем взгляд ниже, смотрим на котлы.
Управление котлами
В котельной используются газовые конденсационные водогрейные котлы THERMEX Coloss M, 4 штуки.
Котлы оснащены собственными панелями управления, которые обеспечивают их безопасную работу, и поддерживают необходимую температуру на выходе, управляя модулируемой горелкой (т.е. мощность горения изменяется плавно, в широком диапазоне).
Уставку температуры котлам можно задать по-разному:
вручную, с панели котла;
по интерфейсу;
аналоговым сигналом 0-10 В.
Если бы у котлов были интерфейсы OpenTherm или eBUS, то в контроллер можно было бы встроить модули расширения WBE2-I-OPENTHERM или WBE2-I-EBUS, для них есть соответствующие слоты.
Но на котлах таких интерфейсов нет, поэтому управление организовано через аналоговый сигнал 0-10 В. 0 В — минимальная температура, 10 В — максимальная. Соответствие напряжений и температур настраивается в котле.
Само значение напряжения вычисляется контроллером, и отправляется через модуль аналогового вывода WB-MAO4.
Модуль четырехканальный, и его одного хватает на все котлы. Подключается как батарейка: GND к минусу входа, выход — к плюсу.
Котлы настроены так, что при значении 0 В на входе отключаются. Но еще есть возможность принудительной блокировки горелки, для этого у котла есть специальный вход типа «сухой контакт», к которому можно подключить любой наш релейный модуль. И эта возможность также используется, дополнительная блокировка котла осуществляется модулем с дискретными выходами WBIO-DO-SSR8. Схема подключения тоже есть на наклейке, и она тривиальна.
Блокировку задействовали, чтобы иметь больше степеней свободы. Например, котел можно настроить так, что при значении входного сигнала ниже определенного порога котел будет поддерживать фиксированную температуру на своем выходе, а не выключаться. Это может быть полезно, и тогда б��окировка сухим контактом окажется как нельзя кстати.
Также у каждого котла есть выход аварии, если на нем появляется 230 В — у котла проблемы. Производитель подразумевает, что на этот выход будет подключен световой и/или звуковой сигнализатор, поэтому 230 В. Этот выход подключен на вход модуля дискретного ввода WBIO-DI-WD-14 через промежуточное реле.
В итоге при помощи трех модулей контроллер управляет четверкой котлов и получает от них обратную связь. И остается еще десять свободных дискретных входов и четыре дискретных выхода. Они тоже используются, об этом ниже.
Управление насосами
Вот чего больше всего в котельной, так это насосов. Здесь их 16 штук: 13 циркуляционных, 2 подпиточных и дозирующий.
Циркуляционные насосы обеспечивают движение теплоносителя по трубам. Работают они в основном парами, один в роли основного, второй — резервного. Основной работает, резервный включается при неисправности основного. Называется это автоматическим вводом резерва (АВР). И каждые сутки насосы ролями меняются, чтобы моторесурс вырабатывался одинаково.
Цирку��яционные насосы здесь все относительно небольшой мощности, плавного пуска им не нужно. И расход теплоносителя через них не меняется в широких пределах, поэтому частотники (регуляторы оборотов двигателя) тоже не нужны. А вот без чего нельзя обойтись — так это без устройств, определяющих, нормально работает основной насос, или пора переходить на резервный.
Обычно для определения этого используют механические устройства. Например, реле протока.
Или реле перепада давления.
Но механические устройства ненадежны, их характеристики «едут» со временем. Да и отловить небольшой перепад давления механическим устройством очень непросто, а в контурах отопления одиночного здания перепад всегда небольшой. Плюс надо сделать врезки в трубопроводы, а это бобышки, краны, работа сварщика... И попробуй найди еще место под них, учитывая, что перед и после такой врезки нужен прямой участок для успокоения течения жидкости, а современные котельные очень компактные, и места там совсем немного. Короче — проблемно.
Еще можно измерять давление на входе и выходе насосов датчиками, и вычислять перепад давления. И часто можно даже сэкономить, если измерять перепад давления относительно одного общего датчика — насосы одной своей стороной, как правило, подключены к общему коллектору. Но опять возникает стоимость датчиков + врезки и все вышеперечисленное. А нельзя ли вообще обойтись без всего этого?
Оказалось, можно, опираясь только на электрические параметры насоса. Конкретнее — на коэффициент мощности. Подробно об этом я писал в статье «Подсмотрено: WB-MAP и управление насосами», там и физика процесса описана, и реализация, и даны схемы подключения. Скажу только, что в линии электропитания каждого насоса стоит измеритель параметров электрической сети WB-MAP3ET, по данным которого контроллер и определяет «здоровье» насоса.
И никаких врезок, сварщика и прямых участков. А бонусом можно оценить рабочую точку насоса (расход/давление), и подсчитать, сколько кВт*ч «съедает» каждый насос.
В монтаже эти модули тоже удобны. Измерительные трансформаторы тока закреплены непосредственно на модуле, а сам модуль по ширине соответствует ширине трехфазного автоматического выключателя. Если расположить модуль между автоматическим выключателем и контактором, все будет компактно.
Если такое расположение неудобно, можно использовать многоканальный измеритель — WB-MAP12E.
К нему подключаются выносные (разъемные или неразъемные) измерительные трансформаторы тока, которые можно повесить на провода уже где угодно.
А для управление пускателями насосов используются релейные модули WBIO-DO-R1G-16.
Этот модуль шестнадцатиканальный, и его одного хватает на все насосы котельной.
Итак, WB-MAP3-ET на каждый насос и один WBIO-DO-R1G-16 на котельную — и вопрос управления насосами с АВР решен. Но котельная — это не только насосы.
Управление контурами отопления
Контур отопления (или теплоснабжения, или ГВС …) — это насос (или пара) и все, что подключено между его выходом и входом (нагнетающим и всасывающим патрубками).
Если нагрузкой котельной является всего один контур, то температуру в нем регулируют, управляя температурой котлов. Если же несколько — контуры делают смесительными, т.е. температура понижается непосредственно в них, за счет регулируемого подмеса воды из их «обратки» в их же подачу.
Делается это при помощи трехходового клапана (вентиля) с электроприводом.
В данной котельной используются ротационные клапаны, т.е. привод шток клапана вращает, а не поднимает/опускает. Для этого подаются сигналы «больше/меньше» на клеммы привода, необходимой длительности. Длительность импульса вычисляется контроллером и составляет от 200 мс до 120 с (полный ход клапана от одной крайней точки до другой).
Существуют приводы с аналоговым управлением, сигналами 4-20 мА или 0-10 В. В них 4 мА (0 В) — это одно крайнее положение, 20 мА (10 В) — другой. Но такие приводы ощутимо дороже, и купить их сложнее, поэтому чаще применяют «трехточечные», т.е. с управлением «больше/меньше».
Формально для формирования таких импульсов можно применить и модули с механическими реле, но лучше использовать полупроводники, как в этой котельной. У них и длительность импульса задается точнее, и ресурс не сравнить. В данном случае используется модуль дискретного вывода WBIO-DO-SSR-8 с оптореле на выходах. Тот же самый, который используется для блокировки котлов, его свободные четыре выхода. В данной котельной два контура: отопления и ГВС (горячего водоснабжения). Соответственно, четырех выходов достаточно.
Напряжение на выходе WBIO-DO-SSR-8 ограничено значением в 30 В. Если бы приводы были с двигателями на 24 В, то можно было бы их подключать непосредственно. Но такие приводы тоже более дорогие и дефицитные, и в котельной установлены приводы на 230 В. Поэтому используются промежуточные твердотельные реле (ТТР). Модуль управляет ТТР, те коммутируют сетевое напряжение. Четыре выхода — четыре ТТР.
Вот и все, что нужно для управления температурой теплоносителя в контуре… Хотя нет, не все, нужно же еще измерять эту температуру!
Датчики
Тут тоже никаких хитростей. В котельной есть датчики для измерения только двух физических величин — температуры и давления. А больше ничего и не нужно.
Высокой точности измерения температуры здесь тоже не нужно, это не жестко регламентированный учет тепла, поэтому используются стандартные медные термосопротивления. В принципе, можно использовать даже накладные датчики температуры (в бытовых котельных так и делают), но здесь используются погружные.
Датчики устанавливаются в гильзы, которые, в свою очередь, вкручиваются в бобышки, ввариваемые в трубы. Нужен такой бутерброд в основном для того, чтобы можно было заменить датчик без остановки котельной, сбрасывания давления и т.д.
Измеряет сопротивление датчика и пересчитывает его в температуру модуль аналоговых входов WB-MAI6.
Это многоканальный модуль, рассчитанный на работу с самыми разными датчиками, все они перечислены прямо на этикетке. В прошивке «зашиты» НСХ (таблица соответствия сопротивления датчика и температуры) большинства используемых термосопротивлений, поэтому модуль сразу отдает температуру.
Термосопротивления к нему можно подключать как по двухпроводной схеме, так и по трехпроводной.
Недостаток двухпроводной — сопротивление проводов, идущих к датчику, снижает точность измерения температуры. Трехпроводная схема исключает влияние проводов.
По трехпроводной схеме к модулю можно подключить шесть датчиков, по двухпроводной — 12. То есть на одну котельную одного модуля может быть достаточно.
Только если вы выбираете двухпроводную схему, то и датчики выбирайте с сопротивлением побольше, типа Pt1000 или NTC 10K, чтобы неучтенное сопротивление проводов вносило минимальные искажения в измерения.
Помимо пересчитанного значения температуры модуль отдает контроллеру и «сырое» значение сопротивления. Так что можно подключить и датчики, незнакомые прошивке модуля, и пересчитывать сопротивление в температуру своими силами, скриптами на контроллере. Но о скриптах ниже.
Для измерения давления теплоносителя тоже используются вполне стандартные, недорогие датчики, с токовым выходом 4-20 мА.
Ток в давление (как и сопротивление в температуру) пересчитывает WB-MAI6. Математика тут даже проще, чем с датчиками температуры — у токовых датчиков выходная характеристика линеаризована, т.е. достаточно знать давление при 4 мА и при 20 мА, а все промежуточные значения определяются линейной интерполяцией. Эти два давления задаются при настройке WB-MAI6 (про настройки мы поговорим ниже).
Так, а для чего нам давление измерять? На это есть сразу две причины:
1. Надо защищать котлы и циркуляционные насосы от работы «всухую», без теплоносителя;
2. Надо управлять подпиткой.
Эти задачи и решаются при помощи двух датчиков давления. А два их потому, что котловой контур от тепловой сети отделен теплообменником, одним не обойтись.
Часто дополнительные датчики давления устанавливают на границе котельная/тепловая сеть. Или на входе/выходе насосов, чтобы видеть развиваемый ими напор. Но в данном случае и котельная, и все сети принадлежат одной организации, спорных ситуаций типа «это у вас напор недостаточный — нет, это у вас сопротивление сети низкое» не возникает. А рабочую точку насоса здесь оценивают по электрическим параметрам насоса, я об этом писал выше. Поэтому и измерений давления минимум.
А дальше опять все просто. Контроллер видит, что давление упало до порога 1 — отправляет уведомление персоналу (о передаче уведомлений подробнее напишу ниже). Упало до порога 2 — отключает соответствующие котлы и/или насосы.
Ну а система подпитки живет своей жизнью.
Подпитка
Посмотрите на это фото.
Большой синий бак и насосы под ним — это и есть система подпитки. Запас воды в котельной необходим на случай серьезной аварии на водопроводе — отопление должно работать всегда. Поэтому предусмотрен довольно большой бак запаса воды. Он должен быть всегда полным — это первая задача автоматики. Вторая задача — включать насосы, которые подают воду в контуры котельной (подпитывать), когда давление там снижается.
Самое сложное из перечисленного — управлять парой насосов с АВР, но это мы с вами уже разобрали выше, здесь используются те же самые технические решения. А оставшиеся задачи банальны.
Для определения уровня воды в баке используется кондуктометрический метод — измеряется электрическая проводимость между электродами, погруженными в воду.
Используются пять электродов. Один — общий, относительно него измеряется проводимость остальных электродов. Еще два — это верхний и нижний аварийные уровни. Еще два — верхний и нижний рабочие уровни. От наладчика требуется только подрезать контрольные электроды до нужного уровня.
Электроды подключаются к сигнализатору уровня жидкости от ОВЕН, с четырьмя релейными выходами. Появилась проводимость между контрольным электродом и общим — переключается соответствующее реле.
Эти реле подключены к свободным входам уже упомянутого WBIO-DI-WD-14, от которого, в свою очередь, получает информацию контроллер.
Ну и алгоритм обработки этих сигналов очевиден. Опустился уровень ниже нижнего рабочего электрода — открываем кран, наполняем бак. Поднялся до верхнего рабочего — закрываем кран. Уровень выше верхнего аварийного или ниже нижнего аварийного — отправляем уведомление персоналу, пусть бегут, разбираются. Ну а чтобы вы не пугались, сразу скажу, что в верхней точке бака присоединена труба перелива, то есть пока персонал бежит, увидев сообщение «Переполнение бака», вода будет литься в канализацию, а не на пол.
Кстати, кран там вот такой.
Кран подключен к двум свободным выходам модуля WB-MR6C v.2, про который я писал выше. Только управляется он уже не внутренней логикой модуля, а скриптом на контроллере. Да, так тоже можно — одни выходы могут управляться внутренними алгоритмами модуля, а другие — внешними командами по Modbus. И даже одно реле может одновременно быть под внутренним и внешним управлением, мы это видели на примере управления ГГК. Т.е. можно использовать реле так, как вам удобно.
Еще надо отметить, что для контроля уровня можно использовать поплавковые датчики, или гидростатический датчик давления с токовым выходом. Но специалисты «Феррон-строй» не видят необходимости улучшать то, что и так хорошо работает.
Покажу вам еще сами подпиточные насосы, а то на фото их плохо видно.
Вот такие насосы используются — самовсасывающие. Простые насосы, без затей. Но свою задачу выполняют.
Пожалуй, все оборудование котельной мы с вами обозрели. Теперь можно поговорить о том, как это все управляется.
Органы управления
Хоть котельная и работает без постоянного персонала, в ней регулярно проводятся регламентные работы: приезжает сервисный инженер, обслуживает, все проверяет — действует по чек-листу. Ну и в случае аварий/неисправностей тот же сервисный инженер их исправляет. А для проведения всех этих работ ему нужны органы ручного управления оборудованием котельной. Давайте на них посмотрим.
Что видим? В центре экспозиции мы видим тач-панель, на которую выводится интерфейс АСУ ТП. Про интерфейс мы поговорим отдельно, смотрим дальше.
Слева от панели мы видим кнопки управления ГГК, красную (закрыть) и зеленую (открыть).
Справа от панели — выключатель звуковой сигнализации котельной. Когда приезжает сервисный инженер на аварийный вызов, он первым делом отключает раздражающий звук.
В самом низу — кнопка аварийной остановки котельной. Она отключает все электрооборудование и закрывает ГГК.
Все остальные переключатели предназначены для управления насосами. Почему только насосами? Потому что ручное управление котлами можно активировать на панели котлов, а приводы трехходовых вентилей и кранов имеют специальные кнопку и рычаг для ручного управления.
Каждый насос может быть Включен, Отключен или переведен в Автоматический режим этими переключателями. При включении насоса вручную автоматика уже в управлении им не участвует, и вся ответственность ложится на инженера. Поэтому выключение автоматического режима фиксируется контроллером в специальном журнале событий. А для этого дополнительные контакты этих переключателей подключены к уже дважды упоминавшемуся модулю дискретных входов WBIO-DI-WD-14 (в котельной два таких модуля). И по сигналу от этих контактов блокируются скрипты, управляющие соответствующим насосом.
Вот, пожалуй, и все, что касается железа... Нет, не все, покажу вам еще как выглядит щит управления котельной в целом.
Теперь точно про скучное железо все. В следующей статье поговорим про интересное — про настройку, программирование, интерфейс… Одним словом, про софт, работающий на контроллере, и обеспечивающий работу этой котельной.
