Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

Vývoj zařízení ke zkoušení páry v kritickém stavu pomocí softwaru a hardwaru NI

Firma Captronic Systems Pvt. Ltd. měla za úkol vyvinout distribuovaný systém řízení a sběru dat v reálném čase ke zkoušení páry v kritickém stavu. Zamýšlený systém měl být schopen získávat množství dat z analogových a digitálních vstupů a výstupů a pro­vozovat několik proporcionálně-integračně-derivačních (PID) regulačních smyček. Uži­tím platformy NI CompactRIO a programů NI LabVIEW a DIAdem byl vytvořen robust­ní distribuovaný systém s velkou dostupností. Systém NI Scan Engine pomohl zkrátit dobu potřebnou k programování hradlových polí FPGA, zatímco systém DIAdem po­mohl urychlit vývoj programu pro generování sestav.
 

Požadavky na systém řízení a sběru dat

 
Přední výrobce parních turbín postavil zkušební zařízení pro zkoumání termody­namického chování páry v kritickém stavu. Tento výrobce se obrátil na firmu Captronic Systems Pvt. s požadavkem na zautomati­zování tohoto zařízení. Řešitelé zvolili plat­formu CompactRIO, modul LabVIEW DSC (Datalogging and Supervisory Control) a software pro správu dat DIAdem a pomo­cí těchto prostředků vytvořili automatizova­ný systém. Požadavkem zákazníka bylo, aby byl systém schopen získávat data z více než 400 senzorů a měl přes stovku digitálních zpětnovazebních bodů, aby monitoroval a za­znamenával více než sto procesních alarmů a na jejich základě spouštěl různé akce. Měl být schopen zaznamenávat data celé měsíce a provozovat 22 distribuovaných PID smy­ček. Zákazník chtěl mít možnost monitoro­vat a řídit zkoušky ze vzdálených míst, vyža­doval softwarově řešené bezpečnostní bloko­vání spuštění systému. Systém měl provádět v reálném čase výpočty procesních parame­trů a na základě výsledků vykonávat nezbyt­né akce a také provádět složité analýzy zís­kaných dat. Zákazník chtěl také dodatečně připojovat další výpočty, aniž by musel mo­difikovat nebo ovlivňovat aplikační software. Důležité bylo, aby systém odolával horkému a vlhkému prostředí, v němž je instalován.
 
Cílem bylo, aby systém s těmito funkce­mi vykonával distribuovaná měření, snadno se integroval do serverů pro záznam dat a do distribuovaných řídicích jednotek, podporoval operační systémy reálného času a různé typy vstupů a výstupů. Na základě odolné hardwa­rové platformy měl být navržen systém, který by zajišťoval dostatečný výpočetní výkon řídicí jednotky. Pro rychlé vytvoření tohoto systému bylo nutné využít vhodné softwarové nástroje.
 
Zařízení ke zkoumání kritické páry se skládá z těchto subsystémů:
  • zkušební sekce – výparník a předehřívače 1 a 2,
  • obvod napájecí vody – pístové čerpadlo, oběhové čerpadlo, akumulátor, kompen­zátor objemu a zásobník napájecí vody,
  • regenerační výměník tepla a míchací zaří­zení,
  • systém chlazení vodou – chladicí věže, chladicí ventilátory a výměníky okolního tepla,
  • systém pro úpravu vzduchu – kompresor vzduchu.
Oběhové čerpadlo zajišťuje průtok demi­neralizované vody regeneračním výměníkem tepla. Zde se předává teplo z výstupu na pří­vod do zkušební sekce. Pak voda protéká pře­dehřívačem 1 a 2, které jsou ovládány PID regulací tak, aby byla teplota na vstupu do zkušební sekce udržována na nastavené hod­notě (550 °C).
 

Realizace řídicího systému

 
Řídicí systém se skládá ze čtyř provoz­ních řídicích jednotek (FCU – Field Control Unit). Každá z nich je tvořena jedním nebo několika systémy CompactRIO. Ke každé jednotce FCU je připojen jeden server a je­den klientský terminál. Server a klientské ter­minály pořizují, zobrazují a zaznamenávají data do databáze Citadel. Pro každý modul CompactRIO byla použita knihovna proměn­ných sdílená v reálném čase a tyto knihovny byly navázány na sdílené proměnné v termi­nálech klientských PC. Tím byla zajištěna spolehlivá komunikace v reálném čase.
 
Každý modul CompactRIO provozuje je­den nebo několik obvodů, mezi které patří obvody pro sběr dat, převod jednotek, regu­laci PID, generování analogového a digitál­ního výstupu, blokování spouštění a pro ak­tualizaci sdílených proměnných. Systém je složen z různých subsystémů, které jsou ří­zeny jednotlivými jednotkami FCU (obr. 1).
 

Bezpečné přihlášení

 
Pomocí modulu LabVIEW DSC bylo na­vrženo velmi bezpečné ověřování uživate­lů, které zabraňuje neoprávněným osobám v přístupu k serveru a klientským terminá­lům. Uživatelé jsou při přihlašování zařaze­ni do jedné ze tří kategorií: správce s vyso­kým stupněm oprávnění, kontrolor s oprávně­ním střední úrovně a operátor s oprávněními nízké úrovně. V závislosti na uživatelských oprávněních je systém zabezpečen tak, že jsou ovládací prvky na čelním panelu aktiv­ní, nebo neaktivní, viditelné, nebo neviditel­né. Takto je systém chráněn před přístupem neoprávněných osob.
 

Dálkové řízení, sběr dat a databáze Citadel

 
Prostřednictvím modulu LabVIEW DSC se podařilo do systému začlenit panel zobra­zující schéma celého provozu a jeho subsystémů (mimic panel). Pomocí tohoto panelu lze přecházet z jednoho subsystému do dru­hého a dálkově ovládat zařízení. Dále byl po­mocí systému NI Scan Engine sestaven pro­gram pro sběr dat za použití řídicí jednotky CompactRIO, čímž se snížily celkové nákla­dy a zkrátila se doba potřebná k programo­vání hradlových polí (FPGA) a ke kompila­ci programů. Zkušební zařízení získává data z různých senzorů včetně termočlánků, přijí­má signály o tlaku, poloze hladiny, průtoku, napětí, proudu a také digitální signály. Růz­ná zařízení a systémy jsou řízeny prostřed­nictvím analogových a digitálních výstupních signálů. Databáze Citadel modulu LabVIEW DSC byla využita k zaznamenávání dat, alar­mů a událostí, databáze také usnadňuje načí­tání historických dat.
 

Regulační smyčky PID

 
Soustava byla automaticky řízena pomo­cí systému LabVIEW PID Control Toolkit, který řídí více než deset regulačních smyček PID běžících na jednotkách CompactRIO. Pa­rametry regulace PID lze měnit prostřednic­tvím zmíněného vizualizačního panelu výbě­rem odpovídajícího systému. Uživatel může nastavovat smyčky PID do automatického nebo ručního režimu a snadno nastavovat parametry regulace PID použitím průvodce automatickým nastavováním PID (PID auto tuning wizard).
 

Spouštění a zastavování zkoušek

 
S použitím modulu LabVIEW Statechart Module byly vyvinuty procedury automati­zovaného spouštění a vypínání zkoušek. Při každém kroku je na stavovém řádku zobra­zen odpovídající postup; v krocích vyžadu­jících ruční zásah systém čeká, dokud uživa­tel nestiskne pokračovací tlačítko. Jakmile je vykonána spouštěcí procedura, uživatel může zahájit novou zkoušku.
 
Jestliže uživatel stiskne tlačítko pro spuš­tění zkoušky, systém ho požádá, aby zadal detaily zkoušky, čímž se vyznačí datový sou­bor v databázi pomocí modulu LabVIEW DSC. Uživatel snadno načte data výběrem in­formací ve vyznačeném souboru dat. Po pro­vedení zkoušky uživatel vybere položku „stop test“, a tím zaznamená čas konce zkoušky.
 

Generování sestav pomocí systému DIAdem

 
Prostřednictvím systému DIAdem uživatel vybere určitou zkoušku, u které chce vygene­rovat následný rozbor dat. Systém vygeneru­je různé sestavy podle informací zvolených uživatelem. Pomocí skriptu systému DIAdem může uživatel provádět výpočty a generovat sestavy znázorňující časové průběhy nebo průběh v různých úsecích potrubí.
 

Zkrácení doby vývoje a nákladů pomocí softwaru NI

 
S použitím produktů NI byl úspěšně na­vržen a realizován velmi přesný a spolehlivý systém, který zákazníkovi umožňuje efektiv­ně zkoumat chování páry v kritickém stavu. Moduly a nástroje NI pomohly významně zkrátit dobu vývoje. LabVIEW DSC Module usnadnil vytváření bezpečnostních protokolů a dovolil, aby byly na panelu některé ovláda­cí prvky aktivní a jiné pasivní. Zrychlil také programování komunikace TCP/IP v reálném čase použitím sdílené proměnné zpřístupně­né v síti a programování záznamu dat a alar­mů bylo usnadněno tím, že byly aktivovány možnosti záznamu a alarmů ve sdílených pro­měnných zpřístupněných v síti.
 
NI Scan Engine urychlil programování a kompilování polí FPGA, zatímco DIAdem přispěl ke zkrácení doby na vývoj kódu na generování sestav. Snadno použitelný Lab­VIEW Statechart Module založený na diagra­mech zrychlil vývoj programu pro komplexní spouštěcí a vypínací postupy.
S. Parthiban, M. Anu Kalidas,
Captronic Systems Pvt. Ltd.
 
Obr. 1. Čtyři řídicí jednotky FCU ovládají jednotlivá zařízení
Obr. 2. Schéma komunikace řídicího systému