- Аннотация
- Введение
- 1. Основная часть
- 1.1. Логика работы автоматики
- 1.2. Алгоритмизация функционирования схемы
- 2. Электрическая схема котельной автоматики
- 3. Характерные неисправности
- 4. Требования техники безопасности
- 5. Требования Регистра для автоматизированных котлов
- 6. Недостатки системы автоматизации
- Список литературы
В пояснительной записке дан обзор существующих в настоящее время систем и принципов автоматизации судовых технологических механизмов, их достоинства и недостатки. Также, дан анализ существующей системы автоматизации запуска и работы вспомогательного парового котла, рассмотрены логические принципы работы автоматики в различных режимах, в том числе и в аварийных. По существующей принципиальной схеме реального блока автоматики разработана логическая и функциональная схема. Также, рассмотрены современные тенденции автоматизации различных процессов управления технологическим оборудованием на судах. Сделано предложение о замене одного из узлов блока автоматики на узел, соответствующий современным технологиям и элементной базе и проанализированы положительные и отрицательные стороны подобной замены.
Логика работы автоматики
Котельная установка, работающая в качестве водогрейного котла, содержит: вентилятор и топливный насос, приводимые одним электродвигателем; топочное устройство с форсункой, предназначенное для создания распыленного потока топливо-воздушной смеси (факела); катушку зажигания с электродами, предназначенную для воспламенения топливного факела, формируемого форсункой; реле температуры, предназначенное для поддержания заданной температуры теплоносителя; реле горения, предназначенное для фиксации факта воспламенения и горения топливной смеси; электромагнитные клапаны, предназначенные для открытия топливной магистрали при нагреве теплоносителя; механизм перемещения газовой заслонки, предназначенный для работы водогрейного котла при утилизации остаточного тепла выхлопных газов ЦСУ; щит автоматики; циркуляционные насосы с электродвигателями и пусковой аппаратурой.
При работе форсуночной части котла топливо из расходной цистерны через фильтр-отстойник поступает к топливному насосу и под давлением через электромагнитный клапан подается к форсунке. Распыленное форсункой топливо воспламеняется вследствие искрового разряда на электродах. Воздух, необходимый для горения, подается центробежным вентилятором.
Реле горения предназначено для автоматической защиты топки от заливания топливом при погасании факела или не воспламенении топлива, а также для отключения системы зажигания при воспламенении топлива. Температура горячей воды в котле поддерживается в заданных пределах с помощью реле температуры, которые управляют форсуночной и утилизационной частью.
Логика работы системы автоматики словесно описывается следующим алгоритмом:
а) (S0) при необходимости запуска котла в работу все его части и устройства приводятся в первоначальное «нулевое» положение, (температура теплоносителя менее 95°С, магистраль топливоподачи перекрыта, двигатель топливного насоса форсунки обесточен, в котел не подается воздух, датчик горения (фоторезистор) имеет высокое сопротивление, цепь поджига обесточена, циркуляционные насосы обесточены);
б) (A1) запускается электродвигатель топливного насоса и продувочного вентилятора (электрически представляет собой один двигатель);
в) (A2) котел определенное время продувается чистым воздухом для устранения паров несгоревшего топлива, могущих привести к взрыву в момент поджига;
г) (A3) запускается (при первоначальном запуске; при циклическом подогреве работает постоянно (P1)) один из двух циркуляционных насосов;
д) после окончания времени продувки открывается электро-магнитный клапан форсунки и подается напряжение на высоковольтный блок поджига, факел распыленного топлива поджигается;
е) если, по какой-либо причине, факел не поджегся (P2) (искровой промежуток залит топливом, загрязнен сажевыми отложениями, оборвана высоковольтная обмотка катушки, и т.п.), то, блок автоматики, через 9-10сек, снимает напряжение с катушки зажигания, закрывает клапан подачи топлива, и обесточивает двигатель топливного насоса и продувочного вентилятора (A4) и отключается (Sk).
ж) если, процесс поджига топливного факела прошел успешно, фоторезистор зафиксировал появление пламени, то основное управление переходит к цепи фиксации необходимой температуры теплоносителя.
з) если (P3) температура теплоносителя ниже 95°С (с учетом температурного гистерезиса датчика температуры) система автоматики заново переходит к выполнению п.п. б) (A1), пропуская выполнение п.п. д) (A3), т.к. насосы продолжают работать.
и) при достижении теплоносителем температуры 95°С, обесточивается цепь питания топливного насоса и продувочного вентилятора (A6). Циркуляционные насосы остаются включенными, обеспечивая прокачку холодной воды через теплообменник котла. Блок автоматики переходит в режим ожидания по п.п. з) (P3).
Таким образом, завершается полный цикл работы автоматики водогрейного котла. Котел будет осуществлять подогрев теплоносителя до тех пор, пока будет осуществляться подача топлива, или пока блок автоматики не будет отключен вручную. Т.к. в алгоритме работы блока автоматики отсутствует счетчик циклов, то автомат не имеет условия выхода из цикла, что является грубейшей ошибкой в теории цифровых автоматов, а практически, в данном конкретном случае, является допустимым. Т.е. котел будет работать столько времени, насколько хватит топлива, либо, пока не будет отключен вручную.
По пункту г) существует следующее замечание: при аварии одного из циркуляционных насосов система автоматики должна включать транспарант «Авария насоса1» или «Авария насоса2» и самостоятельно переключаться на резервный исправный насос, что в данном блоке автоматики не предусмотрено, переключение осуществляется только вручную и нет реакции на неисправность двигателя насоса, например, обрыв обмотки возбуждения!
По пункту е) существует следующее замечание: автоматически возобновить работу блок не имеет возможности, сигнализация об аварии запуска отсутствует, необходимо вмешательство оператора и повторный запуск с ручным переводом всего блока в положение «Отключено» - «Включено», что не представляется рациональным. Желательно, чтобы блок автоматики самостоятельно осуществлял несколько попыток запуска, прежде, чем требовалось бы вмешательство оператора.
Алгоритмизация функционирования схемы
Логическая схема алгоритма записывается как последовательность логических и арифметических операторов. У логического оператора стоит внизу стрелка с номером, причем одноименная стрелка стоит вверху у какого-то другого оператора.
Логическая схема работает по следующим правилам:
1) если арифметический оператор сработал, то работает следующий член схемы;
2) если логическое условие выполнено, то работает член справа;
3) если условие не выполнено, то работает тот член, при котором стоит стрелка с тем же номером, что и при данном логическом условии.
Логические схемы алгоритмов, предложенные А.А. Ляпуновым, можно изобразить при помощи блок-схемы. Арифметический оператор имеет один вход и один выход, логический оператор — один вход и два выхода. Выход каждого оператора может быть соединен с одним входом, но вход — с несколькими выходами. Принято, что в логическом операторе Pi срабатывает правый выход, если Pi выполнено, и левый — в противном случае.
Граф состояний отражает конечное (дискретное) число возможных состояний системы S1 , S2 , … , Sn . Каждая из вершин графа соответствует одному из состояний.
Поведение автомата моделируется как последовательное перемещение по графу от вершины к вершине с учетом ориентации связывающих их дуг.
Для автомата должны выполняться следующие обязательные условия:
а) состояние, в которое может перейти объект, определяется только его текущим состоянием и не зависит от предыстории;
б) в каждый момент времени автомат может находиться только в одном из своих состояний. При этом, автомат может находиться в отдельном состоянии как угодно долго, если не происходит никаких событий;
в) время нахождения автомата в том или ином состоянии, а также время достижения того или иного состояния никак не специфицируются;
г) количество состояний автомата должно быть конечным и все они должны быть специфицированы явным образом. Отдельные псевдосостояния могут не иметь спецификаций (начальное и конечное состояния). В этом случае их назначение и семантика полностью определяются из контекста модели и рассматриваемой диаграммы состояний;
д) граф автомата не должен содержать изолированных состояний и переходов. Для каждого состояния, кроме начального, должно быть определено предшествующее состояние, а каждый переход должен соединять два состояния автомата;
е) автомат не должен содержать конфликтующих переходов, когда объект одновременно может перейти в два и более последующих состояния (кроме случая параллельных подавтоматов).
Переключательной функцией называется такая функция от нескольких аргументов, все аргументы которой являются высказываниями, и значение которой также является высказыванием. (Иначе говоря, это логическая функция от логических аргументов)
Переключательная функция однозначно задаётся своей таблицей истинности.
Электрическая схема котельной автоматики
Электрическая схема котельной автоматики на постоянном токе приведена на рис.1. Рассмотрим работу котла на топливе. Поставим выключатели QS1 и QS2 в положение «Включено», а переключатель SAI в положение А — «Автоматическое управление». Питание подается на схему управления форсуночной частью и схему циркуляционных насосов. Один из них является основным, а другой — резервным. Для пуска электродвигателей М2, МЗ циркуляционных насосов применен один пускатель постоянного тока, состоящий из контактора КМ2, реле К6, К7, пусковых и экономических резисторов R4—R8. Включение того или иного электродвигателя возможно лишь при согласованном положении выключателей SA3, SA4 с переключателем SA5.
При включении выключателя SA3 его контакты SA3.1, SA3.2 присоединяют обмотку возбуждения LM2 и обмотку якоря М2 к плюсовой шине источника питания. Переключатель SA5 ставим в верхнее положение «Насос 1», контактор КМ2, получив питание, замыкает контакты КМ2.1, КМ2.2, и электродвигатель М2 запускается в работу через 2 ступени пусковых резисторов R4, R5. В случае подачи напряжения на схему управления форсуночной частью срабатывают реле К2 и К3, при условии, что котел холодный и контакты реле температуры SK1 и SK2 замкнуты. Реле К2 замыкает контакты К2.1 и К2.2 в цепи реле времени КТ1 и катушки зажигания TV. Реле КЗ замыкает контакты К3.2 и К3.3 в цепи реле времени КТ1, шунтирует SKI и размыкает К3.1 в цепи реле К1.
Реле времени КТ1, получив питание, начинает срабатывать на замыкание контактов КТ1 через промежуток времени, равный времени продувки котла и времени, отводимого на воспламенение топлива. Реле Kl, обесточившись, замыкает контакты К1.1 и К1.2 в цепи контактора КМ1 и катушки зажигания TV. Контактор КМ1 замыкает свои контакты КМ1.1, КМ1.2 и подает питание на электродвигатель M1 вентилятора и топливного насоса. В топку поступает воздух, котел продувается. С включением электродвигателя одновременно получает питание реле- времени КТ2, которое через время, равное времени продувания, замыкает свои) контакты КТ2 в цепи электромагнитного клапана YA1, который; открывает доступ топлива в топку.
Так как контакты Kl-2 и К2.2 замкнуты, то между электродами появляется искровой разряд, воспламеняющий топливо. Мощность дуги определяется током разряда, который устанавливается регулирующими резисторами R1 и R2. При возникновении факела в топке увеличивается освещенность и сопротивление фоторезистора BL падает, а ток в цепи увеличивается и реле К4 срабатывает, размыкая свои контакты К4 в цепи реле К2. Реле К2, обесточившись, размыкает свои контакты К2.1 и К2.2 в цепи реле времени КТ1 и катушки зажигания TV; вода в котле нагревается.
В случае повышения температуры воды в котле выше 95°С контакты реле температуры SK2 размыкаются, реле КЗ обесточивается и его контакты К3.1 замкнутся в цепи Kl, а контакты К3.2 и К3.3 разомкнутся в цепи реле времени КТ1 и в своей цепи. Реле Kl срабатывает и размыкает свои .контакты К1.1 и К1.2 в цепи контактора КМ1 и питания катушки зажигания TV. Электродвигатель M1 и электромагнитный клапан YAl обесточиваются, горение в топке прекращается.
При невоспламенении топлива за заданное время, реле времени КТ1 замыкает контакты КТ1 в цепи реле К1, который размыкает, как уже говорилось, цепь контактора КМ1 и цепь питания катушки зажигания TV, электродвигатель останавливается, а электромагнитный клапан перекрывает топливо. Для повторного пуска необходимо переключатель SAI поставить в положение «Отключено», а затем повторить включение, при этом реле времени КТ1 и КТ2 вернутся в первоначальное положение.
В ходовом режиме судна, при работе котла на выпускных газах также обеспечивается автоматическое управление. Выключатель QS2 ставится в положение «Включено», а переключатель SA2 в положение «А» и в зависимости от положения контактов реле-температуры SK2, SK3 будет открываться или закрываться электромагнитный клапан YA2, который управляет приводом газовой заслонки. На случай выхода автоматики из строя, форсуночной и утилизационной частями можно управлять вручную.
Характерные неисправности
При эксплуатации блока автоматики могут возникать различные неисправности, некоторые можно отнести к разряду «типовых», или «характерных». Четкое знание принципов функционирования блока и знание характерных неисправностей позволяет значительно упростить и ускорить поиск неисправностей при ремонте блока.
1) Во-первых, поиск неисправностей следует начинать с визуального осмотра блока, особое внимание обратив на наличие мест перегрева, состояние индикаторов предохранителей, оплавленные провода, следы искрения и дуговых разрядов.
2) Если визуальный осмотр не выявил явных повреждений, следует проверить наличие питающих напряжений 24в и 110в на подводящих шинах и целостность предохранителей FU1, FU2, FU3 и FU4 при отсутствии на них специальных индикаторных окошек.
3) Исправность блока поджига проверяется при принудительном запуске с помощью кнопки SB. При нажатой кнопке SB и вращении переменного резистора R1, должна меняться окраска и интенсивность искры в искровом промежутке.
4) Переводом тумблера SA1 в положение «Ручное» должен безусловно запуститься электродвигатель форсунки и продувочного вентилятора М1.
5) Замыканием внешней перемычкой выводов фоторезистора BL добиваются принудительного срабатывания реле К4 и появления искры поджига. Если, при визуальном наличии топливного факела и искры, через 9-10сек происходит погасание факела, с отключением топливного насоса и продувочного вентилятора, то неисправен фоторезистор BL.
6) Кратковременным переводом тумблера SA2 при работающем топливном насосе и продувочном вентиляторе в положение «Р» проверяем исправность электромагнитного клапана топлива.
Требования техники безопасности
При проведении ремонтно-профилактических работ и текущего ТО к работам может допускаться только персонал, имеющий необходимую квалификацию и квалификационную группу по технике электробезопасности не ниже третьей. При проведении работ, связанных с необходимостью использования установок, находящихся под напряжением, необходимо проведение подобных работ совместно с напарником, имеющим квалификационную группу по технике электробезопасности не ниже второй.
Недостатки системы автоматизации
Как уже было отмечено выше (Введение, Логика работы автоматики) существующий блок котельной автоматики наряду с неоспоримыми преимуществами имеет и ряд существенных и, порой, принципиальных недостатков, связанных, например, с примененной элементной базой. При использовании блоков автоматики с питанием от сети постоянного тока представляется целесообразным использование в качестве коммутационных элементов твердотельных реле, например 5П20.10G1-40-6. Также, использование фоторезистора например, непосредственно в цепи управления реле запрещено условиями эксплуатации фоторезисторов, т.к. мощность рассеивания в цепи обмотки реле превышает мощность рассеивания фоторезистора.
Одной из типичных неисправностей и является обрыв в цепи фоторезистора из-за превышения мощности рассеивания. Поэтому, целесообразно использовать схему отдельного фотодатчика с протекающим током через фоторезистор порядка единиц миллиампер, что заведомо не превысит рассеиваемую мощность и приведет к увеличению срока службы фотодатчика. Выход фотодатчика подключается непосредственно к входу твердотельного реле типа 5П20.10G1-40-6, что исключает использование механических релейных контактов, подверженных обгоранию. Одна из возможных схем фотодатчика изображена на рис. 2
Рис. 2. Схема фотодатчика
