Universitatea Politehnica Bucureşti Facultatea de Automatică şi Calculatoare Departamentul de Automatică şi Ingineria Sistemelor LUCRARE DE LICENŢĂ

Universitatea Politehnica Bucureşti Facultatea de Automatică şi Calculatoare Departamentul de Automatică şi Ingineria Sistemelor LUCRARE DE LICENŢĂ Proiectarea unui sistem de protecție şi control al unui cuptor de încălzire a petrolului Coordonator Conf.dr.ing. Ciprian Lupu Absolvent Adriana Cîrloganu Bucureşti, 2013

Bucureşti, 2013

Cuprins: Introducere 1 Tema lucrării... 1 Organizarea lucrării... 1 Capitolul 1 Analiza arderii... 2 1.1 Combustia... 2 1.2 Analiza combustiei... 3 1.2.1 1.2.2 Randamentul arderii... 3 Reducerea emisiilor... 4 1.2.3 Cresterea sigurantei... 4 1.3 Parametri masurati... 5 1.3.1 Oxigen, monoxid de carbon si dioxid de carbon... 5 1.3.2 Temperatura gazelor evacuate si temperatura aerului de intrare... 6 1.3.3 1.3.4 Tirajul... 7 Oxizii de azot (NOx)... 7 1.3.5 Controlul de NOx... 8 1.3.6 Dioxidul de sulf (SO2)... 8 1.3.7 1.3.8 Hidrocarburile (HC). Compusii organici volatili (VOC)... 9 Funinginea... 9 1.4 Parametri combustiei... 9 1.4.1 1.4.2 Excesul de aer... 9 Calculul concentratiei de dioxid de carbon... 10 1.4.3 Determinarea eficientei arderii... 10 Capitolul 2 Reglarea arderii... 13 2.1 Modele de control in raport... 13 2.1.1 Modelul serie... 14 2.1.2 Modelul parapel... 15 2.2 Ratio control design modele... Error! Bookmark not defined. Capitolul 3 Echipamente Yokogawa... 21 3.1 Hardware STARDOM... 21 3.1.1 FCN Field Control Node... 22 3.1.2 FCN-RTU FCN Remote Terminal Unit... 24 3.1.3 FCJ Field Control Junction... 25 3.1.4 Module Intrari-iesiri si comunicatie... 26 3.2 Software... 26 3.2.1 3.2.2 PLC Programarea controlerului... 27 HMI Dezvoltatea interfetei grafice... 30 Capitolul 4 Cerintele aplicatiei... 35 4.1 Descrierea instalatiei... 35 4.2 Functionarea instalatiei... 36 4.2.1 4.2.2 Secventa de oprire... 36 Secventa de start... 37 4.2.3 Bucle de reglare... 38 4.2.4 Operarea si intretinerea instalatiei... 38 Capitolul 5 Lista de semnale... 40 5.1 Dimensionarea sistemului... 40 5.2 Identificarea semnalelor... 42 5.3 Alocarea semnalelor... 43 Capitolul 6 Typical-urile aplicatiei... 45 6.1 Hardware... 45 6.2 Software... 46 Bucureşti, 2013

6.2.1 Controler... 46 6.2.2 Grafica... 46 Appendix A Typical-uri hardware... 47 A.1 HWDIF-011-D... 47 A.2 HWDIF-020-D... 48 A.3 HWDOF-111-D... 49 A.4 HWDOF-112-D... 50 A.5 HWAIF-210-D... 51 A.6 HWAIF-223-D... 52 A.7 HWAOF-310-D... 53 Appendix B Alocarea I/O... 54 B.1 Safety... 54 B.2 Control... 55 Appendix C Asd...Error! Bookmark not defined. C.1 sdfg... Error! Bookmark not defined. Appendix D qwe...error! Bookmark not defined. D.1 sdfg... Error! Bookmark not defined. Bucureşti, 2013

Lista de figuri: Figura 1-1. Diagrama arderii... 2 Figura 1-2. Pierderi de caldura la boilere... 3 Figura 1-3. Pierderi de caldura la furnale... 4 Figura 1-4. Concentratia gazelor arse in functie de cantitatea de aer teoretica... 6 Figura 1-5. Temperatura gazelor arse vs eficienta combustibilului (%)... 6 Figura 1-6. Eficienta combustiei (%) si excesul de aer (%)... 10 Figura 1-7. Eficienta combustiei %... 11 Figura 2-1. FCN, Field Control Node... 21 Figura 2-2. FCN-RTU, FCN Remote Terminal Unit... 21 Figura 2-3. FCJ, Field Control Junction... 21 Figura 2-4. FCN Single node, single CPU, single IOM... 22 Figura 2-5. FCN Single node, duplex CPU, single IOM... 22 Figura 2-6 FCN Multi node, duplex CPU... 22 Figura 2-7. FCN Multi node, single CPU... 22 Figura 2-8. FCN-RTU Schematic... 24 Figura 2-9. FCN-RTU With extension modules... 24 Figura 2-10. FCN-RTU Well monitoring, instalatia putului... 24 Figura 2-11. FCN-RTU Well monitoring, interfata grafica de operare... 25 Figura 2-12. FCJ Top view... 25 Figura 2-13. FCJ Side view... 25 Figura 2-14. Logic Designer: Device Label Definition (Tag Name)... 28 Figura 2-15. Resource Configurator: IOM list... 28 Figura 2-16. Resource Configurator: Device Label Definition, DI module... 29 Figura 2-17. Resource Configurator: Device Label Definition, AI module... 29 Figura 2-18. Arhitectura de principiu... 30 Figura 2-19. Engineering Module... 32 Figura 2-20. Exemplu de cod... 33 Figura 2-21. Exemple grafice... 33 Bucureşti, 2013

Lista de tabele: Tabelul 1-1. Module I/O si comunicatie... 26 Tabelul 1-2. MTL database, minimal information for allocation... 27 Tabelul 3-1. Total A/ D, DCS... 40 Tabelul 3-2. Total A/ D, SIS... 40 Tabelul 3-3. Total A / D, Sistem... 40 Tabelul 3-4. Total semnale / typical HW... 41 Tabelul 3-5. Nodul Safety... 41 Tabelul 3-6. Nodul Control... 41 Tabelul 3-7. Rezerva de I/O-uri pe nodul de Safety... 42 Tabelul 3-8. Rezerva de I/O-uri pe nodul de Control... 42 Tabelul 3-9. Rezerva totala de I/O-uri si pe subsisteme... 42 Tabelul 4-1. Configuratia typical-urilor hardware... 45 Bucureşti, 2013

Introducere Introducere Tema lucrării Lucrarea de fata isi propune ca subiect abordarea proiectarii unui sistem de protectie si de control al unui cuptor de incalzire a petrolului. Astfel de aplicatii se gasesc in industrie ca instalatii ce preceda coloanele de cracare /distilare in care produsul brut, cum ar fi petrolul, este mai intai prelucrat termic inainte de separarea sa in fractii componente sau produse petroliere finite. Aplicatia data este mai mult un studiu teoretic decat o aplicatie cu cerinte specifice unui anume caz dat, ea cuprinzand mai multe module ce in realitate se construiesc diferit in functie de necesitati. Varietatea cazurilor practice este foarte mare, astfel ca prezenta lucrare va studia doar un caz dintre acestea. Lucrarea abordeaza atat perspectiva protectiei in functionare a cuptorului cat si perspectiva controlului optim al acestuia. Organizarea lucrării Capitolul 1 prezenta notiuni generale despre ardere. Totodata arata si ideile de inceput in abordarea regalrii si a parametrilor ce trebuie folositi in reglare Capitolul 2 prezenta metode de reglare specifice controlului combustiei si anume controlul in cascada cu un bloc de raport pentru ceile doua componente ale arderii: aerul si combustibilul feedforward control / ratio control. Capitolul 3 prezenta echipamentele Yokogawa folosite in aceasta aplicatie. Este prezentata atat partea hardware STARDOM, cat si interfata grafica softul SCADA numit FAST/Tools. Capitolul 4 face referire la cerintele aplicatiei, incercand pe cat posibil sa fie cat mai apropiat de narativele de control ale unei instatii reale. Capitolul 5 incepe proiectarea sistemului prin alcatuirea mai intai a unei liste de semnale si alcatuirea unei baze de date de lucru ce va fi folosita ca referinta pe parcursul intregii lucrari. Identificarea semnalelor se va face in functie de fiecare echipament. Baza de date cuprinde atat semnalele ce intra in componenta partii de control cat si partea de siguranta in exploatare. Aceasta va fi folosita ulterior pentru dimensionarea sistemului si alocarea semnalelor. Capitolul 6 prezenta componentele de baza ale aplicatiei typical-urile (sabloanele) identificate si alocate fiecarui semnal conform cu baza de date. Folosirea typical-urilor duce la pastrarea consistentei aplicatiei si la o mentenanta mai usoara. De asemenea, conduce la cresterea productivitatii dezvoltarii aplicatiei. Typicalurile folosite sunt atat pentru hardware cat si pentru software-ul aplicatiei din controler sau interfata grafica (HMI), intre aceastea existand o relatie unica si bine determinata. 1

Capitolul 1 Analiza arderii Capitolul 1 Analiza arderii 1.1 Combustia Fenomenul de combustie are loc atunci cand combustibilii fosili cum ar fi gazele naturale, petrolul, carbunele sau benzina, reactioneaza cu oxigenul din aer si produc caldura. Caldura produsa din reactia cu oxigenul este folosita in procesele industriale, incalzirea imobilelor sau pentru a mari volumul de gaze intr-un cilindru in vederea deplasarii unui piston. Combustibilii fosili sunt hidrocarburi (compusi din carbon si hidrogen). Atunci cand combustibilii fosili sunt implicati intr-un proces de ardere, dioxidul de carbon (CO 2 ) si apa (H 2 O) sunt principalele produse chimice rezultate. Un bun exemplu il prezinta reactia metanului (CH 4 ) cu oxigenul din aer. Atunci cand reactia este echilibrata, fiecare molecula din metan reactioneaza cu doua molecule de O 2 formand o molecula de CO 2 si doua molecule de H 2 O. Cand ecuatia ajunge la echilibru, energia este eliberata sub forma de caldura. Reactanti => Produsi de reactie + caldura In procesele de combustie reale, pe langa CO 2 se formeaza si alti produsi de reactie. In figura de mai jos, sunt prezentati principalii produsi de reactie rezultati in urma arderii. Figura 1-1. Diagrama arderii 2

Capitolul 1 Analiza arderii Pentru un proces de ardere cat mai eficient, este necesara o anumita temperatura de activare si un timp sufiecient pentru ca reactantii sa ajunga sa intre in contact unul cu altul. Daca acestea nu sunt asigurate, se formeaza produsi nedoriti. De exemplu monoxidul de carbon (CO) si funinginea se formeaza datorita cantitatii mici de combustibil sau de oxigen. Atunci cand temperatura flacarii produsa de arzator este prea ridicata, se formeaza noxele. (NO, NO 2 ). 1.2 Analiza combustiei Este un proces ce urmareste sa imbunatateasca economia de combustibil, sa reduca emisiile nedorite si sa creasca siguranta in exploatare a echipamentelor de ardere. Analiza combustiei incepe cu masurarea concentratiilor si a temperaturii gazelor de ardere si poate include si masurarea presiunii tirajului si a volumului de cenusa. Pentru masurarea concentratiilor gazelor, se introduce o proba pe cosul de evacuare si se extrage o mostra de gaze. Temperatura gazelor de iesire se masoara cu un termocuplu pozitionat la cota cea mai buna pentru masura celei mai mari temperaturi a cosului. Volumul de cenusa se masoara tot cu o proba preluata de pe evacuare, iar tirajul se determina ca o presiune diferentiala dintre interiorul si exteriorul cosului. Odata facute aceste masuratori, datele sunt interpretate prin calcularea unor parametri de ardere, cum ar fi randamentul arderii si excesul de aer. O analiza mai amanuntita poate lua in considerare si concentratia produsilor nedoriti mentionati anterior. 1.2.1 Randamentul arderii Figura 1-2. Pierderi de caldura la boilere 3

Capitolul 1 Analiza arderii Cele mai importante cauze ale pierderilor de caldura sunt prezentate in figura precedenta. Energia termica ce paraseste sistemul prin cosul de evacuare este de cele mai multe ori pierderea de energie datorata consumului ineficient de combustibil si este compusa din pierderile gazului uscat si pierderile din caldura latenta (de condensare). Desi unele pierderi sunt inevitabile, un echipament de optimizare a arderii, prin analizarea acesteia poate reduce de cele mai multe ori pierderea din aceasta sursa si deci poate reduce costurile pe combustibil doar prin imbunatatirea eficientei echipamentului cu 5%. 1.2.2 Reducerea emisiilor Figura 1-3. Pierderi de caldura la furnale Monoxidul de carbon, dioxidul de sulf si oxizii de azot si pulberile sunt emisii nedorite asociate cu arderea combustibililor fosili. Acesti compusi sunt toxici, contribuind la formarea de ploi acide, ceata si fum si pot cauza probleme respiratorii. Legile statelor guverneaza asupra ratelor de emisii permise pentru acesti poluanti in conformitate cu standardele EPA (Enivironmental Protection Agency). Structurile statale si locale isi pot exercita autoritatea in vederea reglementarii si controlului emisiilor acestor poluanti. 1.2.3 Cresterea sigurantei Bunele practici de mentenanta, ce includ si analiza arderii, dau posibilitatea operatorului sa verifice si sa mentina specifiicatiile de operare ale echipamentului pentru o siguranta crescuta si o operare eficienta. Multi constructori de echipamente de ardere sugereaza ca analiza gazelor de ardere sa fie efectuata cel putin lunar. Parametrii care afecteaza arderea tind sa se modifice in timp. Conditiile de vant si schimbarile climatice ale temperaturii si presiunii barometrice pot cauza exces de aer in sistem, ce poate fluctua cu cateva procente. O micsorare a surplusului de aer poate cauza in schimb o crestere rapida a monoxidului de carbon si a gazelor explozive rezultand intr-o deteriorare rapida a sigurantei si eficientei sistemului. Presiuni scazute ale tirajului pe cos pot cauza acumulari ale acestor gaze in camera de ardere sau ventilarea lor in spatii inchise. Pe de alta parte, presiuni excesive ale tirajului pe cos pot cauza turbulente in sistem. Acest lucru determina arderi incomplete si migrarea gazelor explozive catre cos 4

5 Capitolul 1 Analiza arderii sau pot cauza coliziuni sau fluctuatii ale flacarilor ce pot degrada camera de ardere si materialul schimbatorului de caldura. 1.3 Parametrii masurati Analiza arderii implica masuratori ale concentratiilor gazelor, temperaturi si presiuni pentru acordarea regulatoarelor, verificari ale emisiilor si imbunatatirea sigurantei in exploatare. Parametrii care sunt examinati cel mai adesea sunt: Oxigenul (O 2 ) Monoxidul de carbon (CO) Dioxidul de carbon (CO 2 ) Temperatura gazelor evacuate Temperatura aerului de ardere Tirajul Oxidul nitric (NO) Dioxidul de azot (NO 2 ) Dioxidul de sulf (SO 2 ) 1.3.1 Oxigen, monoxid de carbon si dioxid de carbon Combustia simpla implica reactia oxigenului din aer cu carbonul si hidrogenul din combustibil si formeaza dioxidul de carbon si apa si produce caldura. In conditii ideale, singurele gaze prezentela evacuare sunt CO 2 si vaporii de apa si N 2 din aerul de combustie. La aparitia oxigenului in gazele evacuate, inseamna ca mai mult aer a fost alimentat decat era necesar unei arderi complete (20,9%=O 2 ). O parte din O 2 ramane nears, cu alte cuvinte, cantitatea de O 2 de la evacuare, indica un exces de aer folosit in reactie. Cand introducem prea putin aer in arzator, nu exista suficient O 2 pentru a forma complet CO 2 din tot carbonul existent in combustibil. In schimb, o parte din oxigen se combina cu carbonul si formeaza monoxidul de carbon (CO), care este un gaz toxic asociat cu arderile incomplete si de aceea trebuie minimizata formarea sa. Acest efort este echivalent cu imbunatatirea eficientei arderii si reducerea funinginei. Cea mai eficienta ardere are loc atunci cand concentratia de CO 2 din produsii de reactie este maxima. Acest lucru are loc atunci cand in aerul ce participa la procesul de combustie, avem cantitatea potrivita de O 2. Aceasta cantitate este numita cantitatea de aer teoretic. Cantitatea de aer teoretic folosita in combustie depinde atat de compozitia combustibililor cat si de debitul acestora. In aplicatiile reale, cantitatea de aer necesar este influentata si de modul in care arzatoarele sunt proiectate precum si de conditiile in care acestea sunt folosite. Cantiatea de aer teoretic este insuficienta pentru o ardere completa. In figura urmatoare este prezentata relatia dintre O 2 din aerul folosit ca produs de reactie si concentratia de CO si CO 2 rezultati. Astfel, putem observa ca odata cu cresterea cantitatii de aer folosit, avem o scadere rapida a concentratiei moleculelor de CO si o crestere a concentratiei de CO 2, deoarece moleculele de CO reactioneaza cu

Capitolul 1 Analiza arderii moleculele de oxigen aflate in exces si formeaza CO 2. Valoarea maxima de CO 2 depinde de tipul de combustibil folosit. Figura 1-4. Concentratia gazelor arse in functie de cantitatea de aer teoretica 1.3.2 Temperatura gazelor evacuate si temperatura aerului de intrare Caldura produsa de gazele arse nu este utilizata in proces ceea ce duce la scaderea eficientei folosirii combustibilului. Deoarece caldura produsa de gazele arse este proportionala cu temperatura lor, eficienta combustibililor scade odata cu cresterea temperaturii. Figura 1-5. Temperatura gazelor arse vs eficienta combustibilului (%) 6

Capitolul 1 Analiza arderii Pentru a determina pierderea de caldura din gazele arse, trebuie sa scadem temperatura aerului folosit pentru procesul de combustie din temperatura gazelor arse, obtinand astfel temperatura neta ce determina cantitatea de caldura pe care aerul trebuie sa i-o asigure sistemului. O metoda de recuperare a caldurii pierdute este folosirea gazelor arse pentru a preincalzi aerul ce intra in proces. Trebuie sa avem in vedere totusi ca unele pierderi de caldura sunt inevitabile deoarece trebuie mentinuta temperatura gazelor arse destul de ridicata astfel incat sa evite condensarea in camera de combustie. 1.3.3 Tirajul Tirajul se refera la fluxul gazelor prin echipamentul de producere de caldura, incepand de la alimentarea arzatoarelor cu aer. Odata ce procesul de combustie are loc, gazele incalzite parasesc camera de combustie, trec prin schimbatoarele de caldura si ies pe cos. In functie de echipament, tirajul poate fi natural sau fortat (fluxul aerului in sistem este asigurat de un ventilator). Excesul de gaze care circula in sistem poate preveni transferul de caldura catre sistem si astfel sa creasca temperatura gazelor arse. Temperatura gazelor arse este invers proportionala cu cantiatea de aer folosita si direct proportionala cu presiunea tirajului.. Astfel, temperatura lor va scadea odata cu cresterea cantitatii de aer folosita pentru ardere si respectiv, odata cu scaderea presiunii fluxului de gaze, permitand astfel vaporilor de apa sa condenseze si sa provoace avarii sistemului. 1.3.4 Oxizii de azot (NOx) Oxizii de azot, in special monoxidul de azot (NO) si dioxidul de azot (NO 2 ) sunt gaze nocive ce contribuie la formarea stratului de ozon, de ploi acide, de ceata sau de fum. Oxizii de azot apar atunci cand oxigenul intra in reactie cu azotul din aer sau cu cel prezent in combustibil. Atunci cand temperatura flacarii este ridicata, se formeaza NO. Monoxidul de carbon format, oxideaza mai departe, iar la temperaturi mai scazute, in stiva de evacuare sau dupa ce a iesit din proces, formeaza compusii de NO 2. Concentratia de NO 2 se masoara ca fiind un procent de 5% din totalul de noxe. Sunt trei mecanisme fundamentale diferite de formare a oxizilor de azot: Mecanismul principal al formarii NO x in combustia gazelor naturale este NO x termal (reactia la temperature mari). Acesta are loc in disocierea termala si in reactia urmatoare a moleculelor de azot (N 2 ) si oxigen (O 2 ) in combustia aerului. Cea mai mare parte a NO x format prin mecanismul termal NO x se afla in flacara cu temperatura cea mai mare, langa arzatoare. Formarea NO x -ului termal este afectata de: concentratia de oxigen, temperatura de varf si timpul de expunere la temperatura de varf. Odata ce acesti trei factori cresc, nivelul de emisie de NO x 7

Capitolul 1 Analiza arderii creste. Nivelele de emisie variaza considerabil odata cu tipul si marimea arzatorului si cu conditiile de operare. (temperatura aerului incalzit, nivelul de exces de oxigen etc.) Al doilea mecansim al formarii de NO x, care se numeste mecanismul NO x prompt are loc in reactiile rapide ale moleculelor de azot in combustia radicalilor din aer si din hidrocarburi din combustibil. Reactiile prompte de NO x ce au loc in interiorul flacarei, sunt neglijabile atunci cand sunt comparate cu cantitatea de NO x fomata in mecanismul NO x termal., insa pot avea valori semnificative atunci cand in proces sunt arzatoare de NO x ultra-low. Mecanismul NO x prompt, are loc la combustie cu temperaturi mai reduse. Al treilea mecanism al formarii de NO x, numit NO x combustibil, provine de la evolutia si reactia legaturilor compusilor de azot cu oxigen. Datorita nivelului scazut de azot din gazele naturale, formarea de NO x, prin mecanismul NO x combustibil, este insignifianta. NO x combustibil este important in arderea cu ulei si carbune 1.3.5 Controlul de NOx In prezent cele mai folosite tehnici de control ale arderii, folosite pentru a reduce emisiile de NO x din cazanele de ardere a gazelor naturale, sunt recircularea gazelor arse (FGR) si arzatoarele cu NO x redus. Intr-un sistem FGR, o portiune a gazelor arse este reciclata din stiva in camera din jurul arzatorului, unde trebuie sa fie mentinuta o presiune pozitiva a aerului. La intrarea in aceasta camera, gazul recirculat este amestecat cu aerul de ardere, inainte de a fi alimentat la arzator. Sistemele FGR reduc emisiile de NO x prin doua mecanisme. Primul, gazul recirculat se comporta ca un solvent pentru a reduce temperaturile de ardere. FGR reduce de asemenea si formarea de NO x prin scaderea concentratiei de oxigen in zona primara de flacara. Cantitatea de gaze arse recirculate este un parametru-cheie ce influenteaza ratele de emisie de NO x pentru aceste sisteme. Un sistem FGR este folosit in combinatie cu un arzator cu NO x redus special creat astfel incat sa fie capabil sa sustina o flacara stabila cu un debit crescut de gaz inert, care rezulta din utilizarea de FGR. Cand arzatoarele de NO x redus si FGR sunt folosite impreuna, aceste tehnici sunt capabile sa reduca emisiile NO x de la 60% la 90%. Arzatoarele cu NO x redus, reduc cantitatea de NO x prin realizarea in etape a procesului de ardere. Impartirea procesului de ardere in etape, intarzie procesul de ardere, rezultand o flacara mai rece care suprima formarea NO x -ului terma 1.3.6 Dioxidul de sulf (SO2) Oxizii de sulf intra in reactie cu vaporii de apa rezultati in urma arderii si formeaza un strat de vapori de acid sulfuric. Dioxidul de sulf este coroziv si foarte daunator pentru mediul inconjurator. Apare atunci cand combustibilul folosit pentru ardere contine sulf (in cele mai multe cazuri, atunci cand sunt folosite gaze naturale neprocesate). 8

Capitolul 1 Analiza arderii 1.3.7 Hidrocarburile (HC). Compusii organici volatili (VOC) Compusii organici apar in urma procesului de ardere datorita arderii incomplete. Hidrocarburile (HC), sau compusii organici volatili (VOC) sunt redusi mentinand un raport optim de aer si combustibil. Totodata, pentru reducerea emisiilor de VOC sunt necesare temperaturi mari de ardere si timp suficient de mare de stationare la aceste temperaturi. 1.3.8 Funinginea Funinginea este un fum negru ce apare atunci cand in procesul de ardere sunt folositi carbuni sau petrol. Funinginea in exces indica ineficienta arderii si scade transferul de caldura prin formarea de depuneri pe suprafetele de transfer. Funinginea reprezinta carbonul nears si se formeaza datorita cantitatii insuficiente de aer sau a temperaturii scazute a flacarii. 1.4 Parametri combustiei Pentru a evolua performanta unui furnal sau cazan, trebuie sa calculam urmatorii parametri: Excesul de aer Dioxidul de carbon Eficienta combustiei Referinta de O 2 Conversia emisilor 1.4.1 Excesul de aer Insuficienta aerului de combustie scade eficienta arderii, produce funingine si monoxid de carbon toxic. Pentru a ne asigura ca avem suficient oxigen pentru a avea un proces de combustie cat mai bun, intodeauna alimentam cu un exces de aer. Excesul de aer reprezinta cantitatea de aer in procente (in cele mai multe cazuri 15%), ce este folosita in plus fata de cantitatea de aer necesara din punct de vedere teoretic pentru realizarea arderii complete. Excesul de aer necesar este calculat cu urmatoarea formula: In formula poate aparea si monoxidul de carbon, in cazul in care avem o concentratie prea mare. Excesul de aer reduce insa eficienta arderii deoarece duce la scaderea temperaturii si astfel, la utilizarea unei cantitati mai mari de combustibil. Trebuie luat in considerarea si faptul ca azotul, ce formeaza aproximativ 80% din aer nu are niciun rol 9

Capitolul 1 Analiza arderii in producerea de caldura, dar care mareste cantitatea de gaz ce trebuie sa absoarba energie. Figura 1-6. Eficienta combustiei (%) si excesul de aer (%) 1.4.2 Calculul concentratiei de dioxid de carbon Dioxidul de carbon (CO 2 ) se formeaza atunci cand carbonul existent in combustibil intra in reactie cu O 2 din aerul de combustie: Folosirea concentratiei de O 2 pentru a determina concentratia de CO 2 prezinta anumite avantaje fata de masurarea concentratiei de CO 2 direct. Dupa cum vedem si in fig. 1-4, in cazul in care masuram doar cantitatea de CO 2, nu putem spune daca avem concentratia de gaze arse la stanga sau la dreapta varfului curbei de CO 2. Daca avem la stanga curbei de CO 2 nivele mari de CO atunci sistemul opereaza in conditii periculoase. Detectand cantitatea suficienta de O 2 din gazele arse, reactia de ardere este la dreapta curbei de CO 2, minimizand astfel formarea de CO. 1.4.3 Determinarea eficientei arderii Eficienta combustiei inseamna cat de eficient este convertita energia din combustibil in energie folositoare. Eficienta combustiei este determinata prin scaderea caldurii produsa de gazele arse (reprezentate in procent din capacitatea de incalzire a combustibilului), din potentialul de producere de caldura al combustibilului (100%). Pierderile de caldura din cos provin din gazele arse (CO 2, N 2, O 2 ) si din vaporii de apa formati datorita reactiei H 2 din combustibil cu O 2 din aer. Atunci cand are loc procesul de evaporare al apei, apa absoarbe o mare cantitate de caldura din proces. Aceasta caldura numita si caldura latenta, nu este recuperata. De aceea, de cele mai multe ori in zilele racoroase, putem observa un nor alb deasupra cosului, atunci cand vaporii de apa reactioneaza cu aerul atmosferic si cedeaza caldura. 10

Capitolul 1 Analiza arderii In tabelul urmator avem prezentata eficienta combustiei atunci cand folosim petrolul ca si combustibil in diferite conditii: Figura 1-7. Eficienta combustiei % 1.4.4 Referinta de O2 Aerul in exces este adaugat in procesul de ardere pentru a ne asigura ca avem destul oxigen care sa reactioneze complet cu combustibilul. Excesul de aer este masurat in gazele arse ca un procent de O 2. Acest exces de aer dilueaza concentratia altor gaze masurate. De obicei, se cere sa fie diminuate efectele pe care le are excesul de aer asupra NO, NO 2, CO si SO 2. Cantitatea de aer in exces este data de concentratia de O 2 din gazele arse. Concentratia de O 2 masurata, impreuna cu valoarea referintei de O 2 este folosita in ecuatia de mai jos pentru a obtine concentratia de gaz corectata. Valorile referintei de O 2 de 3 sau 6 % sunt folosite deseori, obtinand astfel concentratia de gaz corectata echivalenta cu concentratiile de O 2 la 3 si 6%. Cand folosim referinta de O 2 de zero, inseamna ca avem o concentratia de gaz nediluata sau care nu contine aer. Pentru a obtine concentratia referintei de O 2 a gazelor arse, se foloseste urmatoarea ecuatie: 1.4.5 Conversia emisiilor O masurare a concentratiei gazelor toxice in parti/million (PPM) sau in procente, nu indica cantitatea de poluanti ce intra in atmosfera. EPA solicita conversia poluantilor in Kg/Joul combustibil consumat. Acest lucru se realizeaza pentru a putea determina imediat cantitatea de poluanti din concentratia de poluanti si debitul combustibilului folosit. 11

Capitolul 1 Analiza arderii 12

Capitolul 2 Reglarea arderii Capitolul 2 Reglarea arderii Din capitolul precedent deducem dependenta CH 4 O 2 ca fiind un raport. Din calculele teoretice putem deduce dependenta exacta a acestora si anume caracteristica statica dintre cele doua elemente data de raportul stoechiometric al ecuatiei chimice. Totusi acest raport nu este suficient pentru o ardere eficienta, pentru aceasta fiind necesar un aport suplimentar de oxigen calculat mai sus sub forma unei cantitati de aer teoretic ce vine in completarea curbei de mai sus. Dar si aceasta cantitate este dependenta de cantitatea de combustibil, de unde deducem neliniaritatea raportului dintre cele doua elemente ce trebuiesc amestecate intr-un raport cat mai constant. Natura si fenomenul arderii in sine, prin felul in care elementele se combina, este un proces destul de usor perturbabil (instabil pe termen scurt). Pentru un amestec corect, cele doua substante trebuie sa petreaca impreuna o anumita perioada de timp pentru a se asigura o dispersie suficient de buna pentru ca fiecare molecula sa aiba aceleasi sanse de reactie ca si celelalte. Apoi mixtura trebuie sa aiba o anumita temperatura optima inainte de ardere (de obicei vorbim de un interval optim al temperaturii amestecului). Arderea in sine este un fenomen destul de imprevizil si violent (ajungand pana la fenomene de explozii ce nu mai pot fi considerate o ardere efectiva) ceea ce o face destul de dificil de controlat dupa un anume criteriu de performanta. Avand in vedere multitudinea de factori perturbatori ce pot afecta arderea continua, putem totusi implementa un mecanism de echilibrare a celor doi parametri reglati (combustibilul si oxigenul) printr-un control in raport, suprapus peste un mecanism clasic de reglare cu doua bucle de reglare in cascada cu reglarea temperaturii produsului la iesire). Cum aceasta reglare clasica este destul de grosiera, mecanismul raportului uneori nu da cele mai bune performante, el contribuind pe o perioada scurta la amplificarea temporara a perturbaiilor, sau nu raspunde prompt pentru unul din parametrii reglati atunci cand celalalt parametru sufera perturbatii. De aceea, reglarea in raport trebuie sa aiba un efect corectiv al reglarii feedbackward de baza, deci sa fie parte componenta a unei bucle feedforward. Urmatorul capitol trateaza cateva modele si metode ale reglarii in raport ca parte a unei reglari feedforward pornind de la metodele clasice feedbackward. 2.1 Modele de control in raport Problemele controlului proceselor sunt rezolvate traditional cu regulatoare PID. In ciuda simplitatii lor acestea se dovedesc a fi suficient de performante pentru o gama larga de procese. Pentru a ajuta operatorii sa indeplineasca cerintele de control cu un minim de efort de proiectare, au fost decoperite o multime de reguli de acordare impreuna cu metodologii de implementare a acelor cerinte suplimentare, cum ar fi: antiwindup, actiune feedforward, planificarea suprareglajului, control adaptiv si asa mai departe, ce fac din adoptarea algoritmilor PID de baza o alegere de succes in cazurile practice. De cele mai multe ori controlerele PID sunt componente fundamentale in scheme mai complexe in care sunt exploatate cuplajele dintre sistemele de control mai simple. Un exemplu important din acest caz il reprezinta controlul in raport. Obiectivul unui 13

Capitolul 2 Reglarea arderii sistem de control in raport este de a mentine un raport constant intre marimile y 1 si y 2 a doua procese, aceasta fiind considerata o cerinta suplientara de control, indiferent de modificarile referintelor sau de perturbatiile asupra sarcinii. (Åström, and Hägglund, 1995; Visioli, 2006). Sunt multe aplicatii industriale in care aceasta cerinta este critica. De exemplu este folosita pentru ajustarea raportului optim aer-combustibil; sau mentinerea unui raport constant dintre fluxul de vapori si fluxul de apa dintr-un absorber; controlul aditivilor dintr-un proces de amestec pentru mentinerea compozitiei unui produs. Dupa cum vedem controlul in raport este necesar pentru asigurarea compozitiei sau conditiei unui produs finit. 2.1.1 Model cu statie de raport (serie) Figura 2-1. Control cu statie de raport aplicata iesirii y 1 Controlul in raport este obtinut uzual prin folosirea unor statii de raport (ratio stations RS) ca in fig 2-1. Raportul dorit poate fi mentinut pe perioada starii de stabilitate a sistemului. Dezavantajul principal al acestei scheme se observa in regimul tranzitoriu. Mentinerea raportului dorit in aceasta faza este o sarcina dificila cand se schimba referinta r 1 din moment ce iesirea y 2 este in mod necesar intarziata fata de iesirea y 1 datorita dinamicii in bucla inchisa a buclet a II-a. Pentru a depasi acest neajuns, in general, bucla cu dinamica cea mai mare este aleasa ca fiind a doua bucla. Totusi, pentru mentinerea raportului aproape de valoarea dorita, ar putea fi necesara destabilizarea primei bucle. In plus, daca avem o modificare a sarcinii in bucla a doua, prima bucla nu va raspunde pe masura pentru pastrarea raportului dorit. 14

Capitolul 2 Reglarea arderii 2.1.2 Model cu statie de raport (paralel) Figura 2-2. Control cu statie de raport aplicata referintei r 1 O alta metoda de abordare pentru rezolvarea neajunsurilor in raspunsul tranzitoriu este folosirea unei statii de raport pentru setarea referintei r 1, in locul masurii y 1, dupa cum se vede in fig 2-2. A doua iesire y 2 nu mai este intarziata in comparatie cu iesirea principala y 1 ca in abordarea anterioara. Comportamentul in regim tranzitoriu este determinat de ambele bucle. Prin acordarea controlerelor in asa fel incat sa aiba aproape acelasi comportament dinamic in bucla inchisa, raportul y 2 /y 1 poate fi pastrat constant chiar si in cazul schimbarii referintei. Pe de alta parte, exista un dezavantaj semnificativ in solutia propusa in fig. 2-2 si anume solutia este o abordare in bucla deschisa. Daca dinamica unei bucle se schimba, la fel se schimba si raportul y 2 /y 1. In plus, raportul nu poate fi pastrat constant daca o perturbatie a sarcinii apare in oricare din bucle. De aceea, in sistem vom avea fie deficit, fie exces al unei componente (Hagglund,2001). 15

Capitolul 2 Reglarea arderii 2.1.3 Modele cu statie de amestec Figura 2-3. Control cu statie de amestec Pentru a depasi acest dezavantaj al acestei structuri de control in raport, Hagglund a propus o noua arhitectura numita statie de amestec (BS), ca in fig 2-3 (Hagglund 2001). In statia de amestec, a doua referinta este determinata conform cu ecuatia: Amplificarea γ este un factor de echilibrare (cuplaj), ce determina relatia dintre referinta r 1 si iesirea principala y 1 in calculul referintei r 2. Alegand γ=0, obtinem structura standard RS data in fig 2-1. Pe de alta parte, cand γ=1, obtinem structura din figura2. Deoarece γ determina raportul de amestec a doua semnale, r1 si y1, el va avea valori cuprinse intre 0 si 1. Statia de amestec da posibilitatea combinarii avantajelor primelor doua abordari din fig. 2-1 si fig. 2-2. Totusi, raportul a nu va fi pastrat constant cand exista o perturbatie in bucla a doua. Se propune o noua arhitectura imbunatatita de control in raport ce extinde ideea statiei de amestec prin substituirea parametrului constant γ din ec. 1 cu un sistem dinamic F(s) (Visioli, 2005). Schema de control este data in fig 2-4. Acesta noua arhitectura este deasemenea proiectata pentru a furniza performante imbunatatite la schimbarea referintei si modificarii sarcinii doar din prima bucla. (1) 16

Capitolul 2 Reglarea arderii Figura 2-4. Control in raport propus de Visioli, 2005 In literatura exista doar un singur studiu ce se ocupa de pastrarea raportului constant cand o perturbare a sarcinii apare in oricare din bucle (Visioli si Veronesi, 2004). Schema de control in raport este data in fig 2-5. Figura 2-5. Control in raport propus de Visioli si Veronesi, 2004 Aceasta lucrare propune o noua structura de control in raport cu doua statii de amestec (Yesil, Guzelkaya, Eksin). 17

Capitolul 2 Reglarea arderii 2.1.4 Structura de control propusa Structura propusa data in fig. 2-6 implica doua statii de amestec si reprezinta versiunea generalizata a structurii data in fig. 2-3. Cele doua statii de amestec (BS), sunt obtinute prin substituirea parametrului constant gama din ec.3 cu sistemele dinamice F 1 (s) si F 2 (s). Arhitectura data in fig. 2-4 are performante bune asupra raportului dorit cand perturbatia sarcinii apare in primul proces. Daca perturbatia sarcinii apare in al doilea proces, iesirea primului proces nu urmareste mentinerea raportului. Structura propusa ofera o solutie in pastrarea raportului constant chiar si in cazul in care perturbatia sarcinii apare in al doilea proces. Figura 2-6. Control (generalizat) in raport cu doua statii de amestec Sa consideram ca exemplu doua procese cu urmatoarele functii de transfer: Cele doua controlere primare sunt alese ca fiind de tip PI si au urmatoarele functii de transfer: (2) (3) (4) Unde: Kc factorul proportional, Ti factorul de integrare (5) 18

Capitolul 2 Reglarea arderii Scopul principal al primului controler C(s) este rejectarea rapida a perturbatiilor. Cei doi parametri ai controlerelor C(s), sunt: Din ecuatia 6, este evident ca λ este singurul parametru ramas la alegerea proiectantului. De aceea, in loc de acordarea a doua controlere, este suficienta gasirea unui singur parametru. Filtrul F IMC (s) este un filtru trece jos definit de utilizator, de obicei ales ca: Unde: n=1 Constanta de timp a filtrului IMC (λ), realizeaza un compromis adecvat intre performanta si robustete in proiectarea sistemelor de control. O valoare mica a λ determina un raspuns rapid in bucla inchisa, dar determina variabila manipulata de control sa fie mai abrupta, in timp ce o valoare mai mare a lui λ detemina un raspuns mai incet dar mai fin si un efort de control mai mic. In acest exemplu, pentru determinarea parametrului λ este folosita maximul functiei de sensibilitate, determinata ca: Maximul functiei de sensibilitate se defineste ca: Ms este inversul celei mai scurte distante de la punctul critic (-1,0) la curba Nyquist. Valoarea aproximata a lui Ms este in domeniul 1,3-2. Cand parametrul controlerului este ales pentru valori mai mari decat Ms, iesirea sistemului este rapida dar oscilatorie pentru schimbari ale referintei si raspuns rapid la perturbatia sarcinii. Pentru proiectarea controlerului primar C(s), am setat ca obiectiv principal rejectarea cat mai buna a perturbatiilor. Din acest motiv am ales o valoare mare a lui Ms. Functiile de transfer in bucla inchisa ale fiecarei bucle din fig. 2-6 sunt: (6) (7) (8) (10) (11) (9) De asemnea, din analiza schemei de control din fig. 2-6 putem deduce ca: si (12) 19

Capitolul 2 Reglarea arderii functiile de transfer F 1 (s) si F 2 (s) sunt determinate in asa fel incat functia de transfer de la r 1 la y 1 sa fie aceeasi cu functia de transfer de la r 1 la y 2, amplificata cu factorul de raport. Dupa calcule obtinem expresiile: (14) (13) F 2 (s): La inlocuirea ecuatiilor 10 si 11 in ec. 14, se poate obtine relatia dintre F 1 (s) si (15) Substituind ecuatiile 2,3,4 si 5 in ec. 15, obtinem: In cele din urma, cand parametri controlerelor PI dati in ec. 6 sunt inlocuiti in ecuatia16, expresia se simplifica dupa cum urmeaza: Unde (17) (18) (16) Constantele de timp in bucla inchisa, λ 1 si λ 2, sunt alese pentru a obtine functia de senzitivitate Ms=2, in scopul de a avea un raspuns rapid in rejectia perturbatiilor dupa cum am mentionat. In metoda propusa, dinamica F 1 (s) este aleasa constanta si numita "k". De aceea, cat avem o perturbatie d 2 in a doua bucla inchisa, referinta primei bucle inchise este formata ca un amestec dintre referinta dorita si a doua iesire. Cand "k" este ales unitar, atunci prima bucla nu va rapunde la perturbatii. Valorile recomandate pentru "k" sunt in domeniul 0,5-0,8. Structurile de control in raport prezentate in cazurile anterioare se concentreaza asupra unei performante ridicate la urmarirea referintei sau a perturbatiei sarcinii d 1. In cazul nostru, structura propusa tinde sa aiba o performanta buna si atunci cand avem o perturbare a sarcinii d 2 in bucla a doua. Mai mult, structura propusa poate fi interpretata si ca o structura de control 2- DOF, in care fiecare statie de amestec actioneaza ca un prefiltru. Concluzie: Structura de control propusa cu doua statii de amestec este capabila sa asigure o performanta buna a raportului in cazul schimbarilor ambelor referinte si in cazul perturbatiei sarcinilor ce pot aparea in oricare din cele doua bucle de reactie. 20

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa Capitolul 3 Echipamente Yokogawa 3.1 Hardware STARDOM Linia de echipamente hardware STARDOM consta din 3 variante: FCN (Field Control Node) controller autonom de tip modular continand module CPU si de intrari-iesiri (IOM) si altele ce pot fi adaugate in functie de necesitati. Figura 3-1. FCN, Field Control Node FCN-RTU (FCN Remote Terminal Unit) controller autonom de consum redus de tip modular, ce contine un CPU cu consum foarte mic, sursa de alimentare cu o plaja larga de tensiuni si module intrari-iesiri ce pot fi adaugate in functie de necesitati. Figura 3-2. FCN-RTU, FCN Remote Terminal Unit FCJ (Field Control Junction) controller autonom compact (te tip all-in-one) cu intrari si iesiri incorporate. Figura 3-3. FCJ, Field Control Junction 21

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa 3.1.1 FCN Field Control Node In figurile urmatoare sunt prezentate cateva arhitecturi tipice de conectare modulara in varinata standard (single) si varianta redundanta (duplex) cu unul sau mai multe noduri. Figura 3-4. FCN Single node, single CPU, single IOM Figura 3-5. FCN Single node, duplex CPU, single IOM Figura 3-6 FCN Multi node, duplex CPU Figura 3-7. FCN Multi node, single CPU 22

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa Varianta modulara se este recomandata aplicatiilor de dimensiuni medii sau mari in care volumul de procesare si necesitatile de control sunt mai mari. FCN este un echipament modern in care informatia este incapsulata unitar prin folosirea de structuri de date complexe ce includ toate datele asociate unui singur dispozitiv intr-o singura entitate usor referentiabila oriunde in programul aplicatiei. Aceasta forma de organizare interna reprezinta si o cerinta actuala a standardului industrial respectat IEC 61131-3, dar si o evolutie naturala de la Centum DCS-ul dedicat al Yokogawa. Astfel, datele interne ale unui regulator PID sunt usor accesibile: modul de functionare (AUT, MAN, CAS, TRK, OOS, etc) alarmele calculate (HI, LO, HH, LL, IOP+, IOP-, etc) calitatea interna a datelor (BAD, QST, IOMT, PTPF, IOCN, CERR, etc) In PLC-urile de generatie veche se folosesc adresari directe ale memoriei (in general limitata) iar datele nu sunt unitar grupate astfel incat sa defineasca o singura entitate (sursa) informationala, cum ar fi de exemplu un traductor din camp sau un regulator. Astfel, este sarcina programatorului sa-si organizeze inclusiv folosirea memoriei interne, o sarcina ce poate fi administrativa destul de complexa uneori (in functie de cerintele aplicatiei). Prin gruparea datelor in spatele un tag (eticheta, nume sau variabila interna), programatorul se concentraza mai mult pe aplicatia de control de baza fiind astfel scutit de a gandi o arhitectura interna a programului care sa-i permita sa incorporeze toate necesitatile sale, in cazul STARDOM-ului aceasta arhitectura fiind administrata intern chiar de catre PLC. PLC-ul dispune si de interfete si functii moderne ce-l fac foarte usor de incorporat in arhitecturi de sistem complexe ce includ si echipamente ale altor terti: Web Browser pentru mentenanta si chiar monitorizarea parametrilor de proces chiar si remote. FTP transfer independent de fisiere, inclusiv fisiere de configurare SNTP sincronizarea timpului cu restul echipametelor din retea Email server minimal de email pentru alarme, loguri si alte date (inclusiv SMS) Java aplicatiile jar pot rula si independent de aplicatia de control de baza. Sepot realiza inclusiv interfete HMI locale pentru o flexibilitate maxima HTML/XML atat ca format intern de configurare cat si de export de date sau acces remote folosing terminale mobile Login acces remote securizat la resursele interne 23

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa 3.1.2 FCN-RTU FCN Remote Terminal Unit Aceasta varianta nu poate fi folosita in modul duplex dar este maximizata pentru conectivitate, astfel poate ingloba foarte multe alte subsiteme locale putand fi folosit ca si gateway local de control. De asemenea, are un consum extrem de redus max 3W, putand fi alimentat chiar de la un panou solar local, ceea ce-l face extrem de atractiv pentru aplicatii in general mici si mai ales dispersate geografic sau in care trebuiesc adunate date de la foarte multe subsisteme ce nu poseda capacitatii avansate de control Capacitatile acestui CPU sunt: Figura 3-8. FCN-RTU Schematic Figura 3-9. FCN-RTU With extension modules 64MB SDRAM, 1MB SRAM, Flash Memory 64MB on board Ethernet 10M/100M 1port, RS232 3ports, RS422/485 1port 12-AI:1-5V, 1-AI:0-32V, 2-AO, 16-DI, 8-DO, 2-PI (pulse input) Alimentare 10 30 VDC Acest controller include toate librariile de DCS ale modelului precedent. Figura 3-10. FCN-RTU Well monitoring, instalatia putului 24

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa Figura 3-11. FCN-RTU Well monitoring, interfata grafica de operare 3.1.3 FCJ Field Control Junction Dupa cum spune si numele acest controler se poate instala chiar si intr-o cutie de jonctiuni datorita dimensiunilor sale foarte reduse. Este aplicabil pentru instalatii locale de dimensiuni foarte mici sau modulare. Capacitatile sale sunt: 24 V DC ±10%; 6-AI, 2-AO, 16-DI, 16-DO Ethernet duplex Contine toate functiile si librariile modelelor anterioare Figura 3-12. FCJ Top view Figura 3-13. FCJ Side view 25

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa 3.1.4 Module Intrari-iesiri si comunicatie Analog I/O Modules NFAI141 Analog Input Module (4 to 20 ma, 16-Channel, Non-Isolated) NFAV141 Analog Input Module (1 to 5 V, 16-Channel, Non-Isolated) NFAV142 Analog Input Module (-10 V to +10V, 16-Channel, Non-Isolated) NFAI841 Analog I/O Module (4 to 20 ma Input, 4 to 20 ma Output, 8-Channel Input/8- Channel Output, Non-Isolated) NFAB841 Analog I/O Module (1 to 5 V Input, 4 to 20 ma Output, 8-Channel Input/8-Channel Output, Non-Isolated) NFAV542 Analog Output Module (-10 V to +10 V, 16-Channel, Non-Isolated) NFAI143 Analog Input Module (4 to 20 ma, 16-Channel, Isolated) NFAI543 Analog Output Module (4 to 20 ma, 16-Channel, Isolated) NFAV144 Analog Input Module (-10 V to +10V, 16-Channel, Isolated) NFAV544 Analog Output Module (-10 V to +10 V, 16-Channel, Isolated) NFAT141 Thermocouple/mV Input Module (*1) (16-Channel, Isolated) (*1) NFAR181 RTD Input Module (12-Channel, Isolated) NFTR8S NFAI135 Analog Input Module (4 to 20 ma, 8-Channel, Isolated Channels) NFAI835 Analog I/O Module (4 to 20 ma, 4-Channel Input/4-Channel Output, Isolated Channels) NFAP135 Pulse Input Module (8-Channel, Pulse Count, 0 to 10 khz, Isolated Channels) NFAF135 Frequency Input Module (8-channel, Contact ON/OFF, Voltage pulse, 0.1 Hz to 10 khz, Isolated channels) NFDV151 NFDV157 NFDV161 NFDV141 NFDV142 NFDV532 NFDV551 NFDV557 NFDV561 NFDR541 NFLC121 NFLF111 NFLP121 NFLR111 NFLR121 Digital I/O Modules Digital Input Module (32-Channel, 24 V DC) Digital Input Module (32-Channel, 24 V DC, Pressure Clamp Terminal Support Only) Digital Input Module (64-Channel, 24 V DC) Digital Input Module (16-Channel, 100-120 V AC) Digital Input Module (16-Channel, 200-220 V AC) Pulse Width Output Module (4-channel: Up Pulse/Down Pulse, 24 V DC, Isolated) Digital Output Module (32-Channel, 24 V DC) Digital Output Module (32-Channel, 24 V DC, Pressure Clamp Terminal Support Only) Digital Output Module (64-Channel, 24 V DC) Relay Output Module (16-Channel, 24 to 110 V DC,100 to 240 V AC) Communication Modules CANopen Communication Module (1-port, 10kbps to 1Mbps) Foundation Fieldbus communication module (4-port) PROFIBUS-DP Communication Module (1-port, 9.6kbps to 12Mbps) RS-232-C Communication Module (2-port, 300 bps to 115.2 kbps) RS-422/RS-485 Communication Module (2-port, 300 bps to 115.2 kbps) Tabelul 3-1. Module I/O si comunicatie 3.2 Software 26

Tag Name Description I/O Type I/O Module Station Unit Slot Channel Range Min Range Max Eng Unit Capitolul 3 Echipamente Yokogawa Pentru implementarea aplicatei avem nevoie de programarea controlerului folosind utilitarele Logic Designer si Resource Configurator. Pentru interfata cu utilizatorul se va folosi programul FAST/Tools. 3.2.1 PLC Programarea controlerului Cele 2 medii de inginerie ale controlerului sunt total independente, astfel productivitatea dezvoltarii aplicatiei creste datorita independentei de lucru a echipei de hardware si cea software, singurul punct comun fiind acela că elementele definite in ambele parti trebuie sa fie comune. In STARDOM aceste elemente definesc semnalele (DLD Device Label Definitions) ca unic identificator al unei informatii ce provine dintrun parametru de proces (din camp). De aceea se recomanda ca Tag Name-ul din baza de date sa fie indexul primar al acesteia (totodata si pentru a mentine consistenta aplicatiei). In urmatorul tabel avem un exemplu cu informatia minimala dintr-o baza de date ce trebuie pentru o alocare corecta in Logic Designer si Resource Configurator. TI_101 Tank Inlet, Temperature Indicator AI NFAI143 STN01 1 3 1 0 100 C FI_205 Tank Inlet, Flow Indicator AI NFAI143 STN01 1 3 3 0 250 l/min TCV_311 Tank Burner, Temperature Control Valve AO NFAI543 STN01 1 5 2 120 373 C FCV_357 Tank Outlet, Flow Control Valve AO NFAI543 STN01 1 5 4 20 300 l/min ZSC1537 Valve XV-1537, Status Close DI NFDV151 STN01 2 1 1 - - - ZSO1537 Valve XV-1537, Status Open DI NFDV151 STN01 2 1 2 - - - XSA1537 Valve XV-1537, Status Remote DI NFDV151 STN01 2 1 4 - - - XVC1537 Valve XV-1537, Command Close DO NFDV551 STN01 2 3 1 - - - XVO1537 Valve XV-1537, Command Open DO NFDV551 STN01 2 3 2 - - - Tabelul 3-2. MTL database, minimal information for allocation Logic Designer Logica de control defineste tipurile de date ale variabilelor defineste parametri interni si tipurile de semnale indiferent de cum sunt acestea alocate pe resursele fizice se construieste aplicatia de control folosind librariile standard sau cele specifice proiectului (create tot cu acest utilitar), sau se pot include librarii dedicate din portofoliul de aplicatii ale STARDOM-ului. 27

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa Figura 3-14. Logic Designer: Device Label Definition (Tag Name) Resource Configurator Alocarea este folosit pentru a defini structura hardware a unei statii, respectiv numarul de noduri defineste alocarea fizica a cardurilor pe sloturi defineste alocarea fizica a semnalelor pe canale indiferent de cum depind semnalele unele de altele din punct de vedere logic Figura 3-15. Resource Configurator: IOM list 28

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa Figura 3-16. Resource Configurator: Device Label Definition, DI module Figura 3-17. Resource Configurator: Device Label Definition, AI module 29

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa 3.2.2 HMI Dezvoltatea interfetei grafice FAST/Tools (Flexible Advanced System Techniques) este un pachet complex de utilitare ce permit dezvoltarea oricaror interfete grafice din toate domeniile industriale cum ar fi petrol si gaze (productie, rafinare, stocare), producere si distributia curentului electric (centrale clasice, turbine eoliene, parcuri de panouri solare etc), monitorizarea infrastructurilor (apeducte, gazoducte, oleoducte), dar si in aplicatii civile cum ar fi BMS (building management system), aeroporturi, ambarcatiuni maritime etc. Cele 3 componente importante sunt: Engineering Module arhitectura de sistem Edit module editarea grafica Operator interface operarea instalatiei FAST/Tools prezinta urmatoarele caracteristici: Poate functiona pentru multe tipuri de procese Sisteme de control bazate pe PLC / RTU O zona extinsa de comunicare Control logic secvential Flexibiliatea de a combina diferite tipuri de sisteme pentru a oferi solutii hibride In arhitectura de sistem un PC ce are instalat FAST/Tools poarta numele de nod. Nodul este definit prin nume, numar, licenta si functii specifice. Un sistem SCADA poate fi format din mai multe noduri ce comunica in retea. Fiecare masina pe care este instalat FAST/Tools-ul poate avea si rol de HMI (Human-Machine Interface). Figura 3-18. Arhitectura de principiu Totodata, cu ajutorul acestui soft se poate asigura un management cat mai bun al alarmelor precum si un istoric al tuturor actiunilor realizate in program. Un mare avantaj al FAST/Tools-ului este independenta sa de hardware. 30

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa Arhitectura interna a FAST/Tools -ului Bus/FAST este pachet folosit pentru trimiterea de mesaje, pentru comunicarea in proces, pentru managementul erorilor si pentru facilitiatile de debugging Equipment/FAST asigura comunicarea cu dispozitivele de intrari/iesiri. Totodata face si conversia din valori reale in unitati ingineresti Item/FAST stocheaza toate item-urile in memorie, controleaza accesul la acestia si recunoaste evenimentele Database/FAST este un mediu in care data din camp este stocata. History/FAST administreaza toate datele din istoric Audit/Fast stocheaza toate evenimentele din process Process/FAST contine functii logice, clase si obiecte, actoveaza si dezactiveaza obiectele Alarm/FAST controleaza si supervizeaza alarmele. Permite definirea limitelor de alarmare, a conditiilor si a textelor care sa fie afisate atunci cand apare o alarma. Report/FAST este un instrument ce este folosit pentru a crea rapoarte ale aplicatiei. Este foarte flexibil si usor de utilizat (foloseste un limbaj foarte asemanator cu SQL) User/FAST are o interfata arborescenta. Este folosit pentru definirea utilizatorilor, a conditiilor de logare si controlul permisunii utilizatorilor sa faca anumite tipuri de actiuni Access/FAST permite accesul folosind interfe OPC si ODBC 31

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa Figura 3-19. Engineering Module Engineering Module Engineering Module este un soft ce se foloseste pentru definirea semnalelor de intrare si de iesire din proces. Cu ajutorul acestui soft putem modifica pentru simulare intrarile si iesirile din proces, putem alege limitele senzorilor pentru alarmare, putem alege prioritatile alarmelor, putem alege echipamentul si tipul PLC-ului. Engineering Module foloseste un limbaj de tipul clasa-obiect prin intermediul caruia putem determina anumite actiuni la schimbarea valorii semnalelor. Obiectele specifica relatia dintre un numar de intrari si de iesiri de variabile de proces. Clasele au mai multi parametri: nume, descriere, prioritate (obiectele din clasa ce au o prioritate mai mare vor fi executate primele) si metoda. Metoda reprezinta sursa clasei si defineste variabilele de proces la care se conecteaza obiectele, precum si comportamentul acestora cand obiectele sunt active. Clasele contin un prolog si un corp. Prologul este executat de fiecare data cand un obiect este creat. Poate folosi cuvinte ca: attribute, signal, constant, contains, var, make etc. Constant este folosit pentru definirea range-ului, Signal este folosit pentru a conecta obiectele de itemi, VAR pentru a defini o variabila interna, Attribute pentru a defini o variabila externa, Contains se foloseste atunci cand o clasa include o alta clasa, iar pentru generarea de itemi atunci cand un obiect este inserat putem folosi MAKE. 32

Capitolul 3 Echipamente Yokogawa Corpul contine metode echivalentul functiilor / procedurilor din programare. Figura 3-20. Exemplu de cod Obiectele au urmatorii parametri: nume (installation.unit.tag), descriere, clasa, prioritate si itemul de control (optional). Trigger group-specifica un interval de timp in care o clasa sau un obiect trebuie sa fie executat. Grupul de activare are ca parametri: nume, descriere, timpul de start in care s-a efectuat activarea si intervalul activarii. Obiectele ce fac parte din grupul de activare, sunt activate odata sau la intervale egale de timp de catre acest grup. Clasele ce fac parte din grup, vor activa toate obiectele derivate din ele, in afara de cele ce fac deja parte dintr-un grup de activare. Edit module Se foloseste pentru reprezentarea grafica a elementelor din proces. Cu ajutorul acestui program putem reprezenta butoane, valve, senzori etc. Fiecare pagina creata se numeste display si este salvata ca fisier xml. Ca si in celelalte medii de dezvoltare, si in acest program avem typical-uri grafice numite simboluri. Simbolurile create in Edit Module pot fi folosite in display-uri de mai multe ori. Ele pot fi statice si dinamice. In cele statice nu exista nicio schimbare, simbolul nu este conectat la niciun element. Proprietatile simbolurilor dinamice se schimba in functie de intrarile si iesirile din proces, prin conectarea item-urilor si a obiectelor. Pentru a simula procesul, variabilele (item-urile) definite in Engineering Module trebuie sa fie conectate la elementele ce compun obiectul din interfata grafaica. De exemplu daca vrem sa modificam culoarea unei pompe la pornirea ei, trebuie sa conectam item-ul la Fill Paint, cu atributul Status Color. Pe acest principiu putem insera si un text care sa se schimbe la o anumita actiune (ex start, stop), un cursor care sa isi schimbe pozitia, un bazin care sa se umple sau sa se goleasca etc. Figura 3-21. Exemple grafice 33