ANALIZA DE SISTEM IN VEDEREA INFORMATIZARII UNEI CENTRALE TERMO-ELECTRICE 1. Elaborarea temei de realizare Aceasta tema va cuprinde baze de elaborare a temei de proiectare cerintele si restrictiile globale pentru realizarea sistemului informatic, precum si o justificare a necesitatii si oportunitatii realizarii acestui sistem 1.1. Identificarea cerintelor si restrictiilor globale ale sistemului obiect pentru realizarea sistemului informatic Sistemul obiect = centrala termoelectrica 1. Supravegherea instalatiilor exploatate - inregistrarea si afisarea marimilor de stare, a semnalizarilor si evenimentelor - verificarea incadrarii marimilor in limite - estimarea starii instalatiilor 2. Asigurarea exploatarii optime - realizarea unei egalitati permanente intre debitul de abur livrat de cazan si cel consumat de turbina. - mentinerea unei egalitati intre puterea activa generata si cea ceruta de consumatori. - trebuie sa se regleze in mod permanent sarcina reactiva a grupului, - asigurarea aspiratiei pompelor de condensat, concomitent cu mentinerea vidului (prin ejectoarele condensatorului) si cu evitarea cresterii excesive a nivelului de condensat in condensator. - mentinerea unei temperaturi constante a apei preincalzite, la preincazitoarele de apa - asigura degazarea apei si evacuarea gazelor rezultate, precum si asigurarea aspiratiei pompei de alimentare - in cazul statiilor de reducere racire se impune asigurarea uni debit de abur la valorile cerute de consumator, respectiv o temperatura constanta a aburului la iesirea din statie. 3. Telecomanda agregatelor 4. Supravegherea starii instalatiilor componente ale sistemului informatic din dotare. 1
1.2. Delimitarea ariei de aplicabilitate a SI (problemele ce vor fi solutionate) Scopul sistemului informatic este de a facilita supravegherea instalatiilor, comanda acestora si a asigura exploatarea optima a acestor, inclusiv a componentelor sistemului de automatizare si a sistemului informatic, in conditii de siguranta. Sistemul informatic conceput va putea fi utilizat pentru sisteme obiect similare si reconfigurat sau dezvoltat cu functii suplimentare. 1.3. Justificarea necesitatii si oportunitatii realizarii sistemului Pentru buna functionare si siguranta in exploatarea a unor sisteme obiect de o asemenea complexitate se impune conceperea/proiectarea si implementarea unui sistem informatic. Caietul de sarcini.. 2
2. Justificarea strategiilor folosite pentru conceperea si realizare unui sistem informatic Pornind de la caracteristicile sistemului obiect se pot asocia caracteristicile sistemului informatic. Acest demers este util pentru selectionarea strategiilor utilizate pentru conceperea si realizarea sistemului informatic. Caracteristici sistem obiect Noutatea domeniului problemelor supuse informatizarii in raport cu domenii / probleme deja informatizate Centralele electrice contin o serie de procese ce au fost deja informatizate anterior Complexitatea domeniului / problemelor abordate Centralele electrice sunt procese complexe Caracterul restrictiv al domeniului / problemelor Procesele din centralele electrice sunt procese ce se desfasoara in timp real iar siguranta in functionare este un deziderat important. Caracteristici produs informatic Originalitatea produsului informatic, exprimata prin: - originalitatea solutiei (arhitectura, algoritm) - originalitatea facilitatilor oferite Produsul informatic nu are un caracter original in ansamblul lui, doar pentru anumite probleme punctuale pot fi utilizati algoritmi speciali (reglare predictiva fuzzy pentru procesele cu incertitudini) Complexitatea produsului informatic : - aria functionala: - complexitatea legaturilor logice intre functiuni; - gradul de integrare al componentelor; - dimensiunea programelor Caracterul critic al software-ului: - performanta si calitate software; - fiabilitate suport software In concluzie avem de conceput un sistem informatic nu foarte original, dar complex si cu componente critice. Din punct de vedere al alegerii strategiei de concepere a SI avem : Sistem original strategia inovatoare Sistem nu foarte complex strategia ameliorativa Sistem complex - strategia adaptiva 3
Strategia adaptiva Principiu general Introducerea PI nu produce perturbatii importante in cadrul SO prin schimbari drastice. PI raspunde atat cerintelor informationale actuale imediate, cat si celor de perspectiva ale SO (schimbari nefundamentale ale acestuia), printr-o adaptare flexibila. Etapizare : a) analiza sistemului obiect in ansamblu pt a identifica functiile globale sau activitatile ce pot fi preluate de SI (primul nivel informational). b) detalierea cerintelor informationale ale SO pt evidentierea componentelor primitive. Aceasta etapa permite o regandire a structurii primului nivel, reajustari minore, pentru a evita incompatibilitatile ce ar rezulta la asamblarea componentelor realizate individual. c) construirea pe subsisteme a aplicatiei informatice, prioritate acordandu-se, bazei de date. d) punerea in functiune (se poate face esalonat), exploatarea si intretinerea PI e) modificari sau/si realizari de noi componente, in functie de noile cerinte informationale ale SO Avantaje - realizarea de PI cu flexibilitate ridicata, deci cu longevitate mare, fapt ce conduce la amortizarea integrala a investitiei si la obtinerea de beneficii; - PI prezinta un grad ridicat de integrare interna prin date, ceea ce conduce la performante ridicate in exploatare; - utilizatorul se familiarizeaza cu noul PI ca urmare a intrarii esalonate in functiune a PI; - integrarea si acceptarea usoara a PI in (si de catre) SO. Dezavantaje - necesitatea ca baza de date a aplicatiei sa fie realizata de un grup restrins de specialisti cu inalta clasa de profesionalism, cu capacitate mare de analiza si sinteza. Aplicabilitate : La conceperea unor sisteme informatice complexe 4
Din punct de vedere al alegerii strategiei de realizare a SI avem urmatoarele criterii : Criterii pentru selectarea Strategia unei strategii clasica 1 2 3 Noutatea domeniului / problemelor supuse informatizarii in raport cu domenii / probleme deja informatizate mica Strategia prototipizarii mare Centrale termo-electrice au fost deja informatizate Gradul de previzibilitate a actiunilor / deciziilor de identificat si / sau modelat Functionarea centralelor termoelectrice este cunoscuta Complexitatea actiunilor / deciziilor de identificat si / sau modelat mediu Gradul de integrare a componentelor (software / hardware) ale produsului informatic Gradul de familiarizare a utilizatorului final cu folosirea tehnicii de calcul mare mica mare mare mic mare mediu / mic mic Operatorul din camera de comanda, inginerul sef de tura au un grad de familiarizare mediu dar care este dezvoltat pe parcurs Efortul pentru stabilirea solutiei mic mare Gradul de familiarizare al echipei realizatoare cu mare mic sistemul obiect Echipa de realizare trebuie sa includa si specialisti in proiectare/exploatarea instalatiilor Experienta echipei in realizarea de produse informatice mare mica similare Existenta conditiilor de experimentare prototip nu da Gradul de fiabilitate, flexibilitate, eficacitate, portabilitate a produsului informatic inalt scazut Insumarea criteriilor indeplinite in cea mai mare proportie indica utilizarea unei strategii clasice de realizare a sistemului informatic. 5
Strategia clasica se poate utiliza in doua variante, iar pentru alegerea variantei optime sunt evaluate urmatoarele criterii : Criterii de stabilire a modului de realizare a PI Realizare integrala a PI Realizare PI prin incrementare functionala Complexitatea PI mica / medie mare Dimensiunea PI mica / medie mare Dimensiunea personalului de specialitate implicat Existenta / instalarea la utilizator a tuturor echipamentelor din configuratia specificata Resursele umane ale utilizatorului pentru a prelua in exploatare PI Existenta unor instrumente de asistare a procesului de realizare mare / mediu da mari da mediu / mic nu / partial mici / medii nu / in mica masura Insumarea criteriilor indeplinite in cea mai mare proportie indica utilizarea unei strategii clasice de realizare a sistemului informatic, prin incrementare functionala. 6
Strategia clasica Elaborare tema de realizare realizare integrala realizare prin incrementare functionala Proiectare I (produs informatic) Proiectare III (componente) Proiectare II Proiectare II Componente 1 Componente 2 Elaborare program Realizare programe Realizare programe componente 1 componente 2 Integrare si testare Integrare si testare Componente 12 Componente 3 Integrare si testare Componente 123. Fiecare etapa are ca obiect realizarea unui produs (tema de realizare, specificatie de produs, etc) cu o structura si continut bine definit. Etapele se termina cu o faza de control care presupune verificarea si validarea produsului intermediar elaborat in cadrul fiecarei etape. De regula, solutia obtinuta la nivelul unei etape prin produsul acesteia este "inghetata", eventualele modificari ce pot fi solicitate la nivelul unei etape netrebuind sa afecteze decat, cel mult, produsul (produsele) intermediar elaborat in etapa anterioara. Utilizarea strategiei clasice permite realizarea SI in doua moduri: - integral si consta in identificarea si specificarea cerintelor informationale, a celor de performanta si de calitate la nivelul produsului informatic, se proiecteaza arhitectura SI si apoi toate componentele sale sint elaborate si testate in paralel, iar integrarea lor se face intr-o singura etapa. Etapele procesului tehnologic de realizare sunt parcurse secvential, iar eventualele intoarceri se fac numai la etapa anterioara; - prin incrementare functionala: totul decurge similar pana in faza in care componentele sunt elaborate si testate, care aici se face gradat in timp, integrarea facandu-se treptat, pe masura ce o noua componenta este finalizata: SI este realizat deci printr-un proces tehnologic care presupune parcurgerea iterativa a etapelor de proiectare de detaliu, realizarea de programe, integrare si testare, cu eventuale reintoarceri numai la etapa anterioara. 7
Adoptand strategia adaptiva pentru conceperea SI, prima etapa in proiectarea de ansamblu a SI este analiza sistemului obiect in ansamblu pt a identifica functiile globale sau activitatile ce pot fi preluate de SI (modelul infologic). 3. Proiectarea de ansamblu Intocmirea unui proiect de ansamblu presupune existenta unor date de intrare, rezultate din tema de realizare sau din aplicarea anumitor metode si tehnici de realizare de tipul celor enumerate: studiu documentar, interviul, chestionarul, etc.. Acestora li se adauga metoda HIPO, tabelele de decizii, metoda top-down-bottom-up, etc. 3.1. Analiza sistemului obiect/ procesului tehnologic In aceasta faza, se preiau din tema de realizare scurtele precizari privind organizarea, functiile si relatiile interne si externe functionale si se cauta o determinare mai exacta a cerintelor si restrictiilor cu caracter functional, etapizate, ca si o determinare a restrictiilor si cerintelor cu caracter informational. Descrierea amanuntita care precede codificarea fiecarui element care are acces la sistemul informatic, presupune o cunoastere in detaliu a procesului intern si deci o documentare suplimentara. Actiunea de inventariere a intrarilor si iesirilor spre proces serveste la realizarea unei etape importante din cadrul analizei de sistem, etapa in care se va stabili volumul de automatizare al procesului respectiv. Utilizand o metoda de analiza top-down se poate obtine urmatoarea descriere structurala a instalatiilor dintr-o centrala termo-electrica : focar economizor cazan tambur grupurile cazan-turbina-instalatii anexe turbina grupul 1 grupul 2 turbina vaporizator supraincalzitor grupul 3 degazor grupurile generatoare si din statiile electrice de servicii proprii bloc instalatii anexe condensator SRR centrala termo-electrica statia de evacuare a puterii in SEN statia de tratare chimica a apei gospodaria de combustibil instalatiile de termoficare carbune lichid gazos statia de pompe de incendiu 8
Aceasta descompunere a sistemului, din punct de vedere tehnologic, consta in identificarea sistemelor similare, de sine statatoare si descompunerea lor in subsisteme, In functie de complexitatea lor si apartenenta la executarea anumite functii. Astfel descompunerea structurala poate devenii o descompunere pe grupe functionale. O grupa functionala contine programe de pornire, oprire, reglare, protectie, blocaje tehnologice si afisarea starii interne. In functie de complexitatea ei, o grupa functionala poate fi subimpartita in mai multe subgrupe functionale, in cadrul carora sunt rezolvate toate problemele legate de comanda directa a mecanismelor. Subgrupele nu au in general legaturi directe intre ele, coordonarea activitatii lor realizandu-se prin grupa functionala. GRUPE FUNCTIONALE SUBGRUPE FUNCTIONALE cazan conversie energie chimica in energie mecanica grupurile cazan-turbina-instalatii anexe turbina grupul 1 grupul 2 turbina grupul 3 degazor conversie energie mecanica in energie electrica siconsum intern energie grupurile generatoare si statiile electrice de servicii proprii bloc instalatii anexe condensator SRR producerea de energie electrica si termica evacuare energie electrica statia de evacuare a puterii in SEN tratatare chimica agent termic preparare combustibil evacuare energie termica statia de tratare chimica a apei gospodaria de combustibil instalatiile de termoficare carbune lichid gazos 3.1.1. Conceptii de conducere. Structuri de conducere Conceptia actuala de organizare a conducerii operative in centrale consta in descentralizarea functionala. Materializarea acestei conceptii si-a gasit expresia in sistemul de organizare a automaticii in centrale prin grupe functionale. Solutia de conducere pe grupe functionale, in raport cu cea centralizata, pune in evidenta o serie de avantaje a celei dintai. Astfel, o defectiune in instalatie afecteaza un volum limitat de comenzi automate si permite o depanare rapida, precum si etapizarea punerilor in functiune. Datorita faptului ca exista o repetabilitate in functiuni, fiecare element trebuie sa fie automatizat independent, insa sunt necesare legaturi intre 9
elementele individuale. Astfel echipamentele sunt distribuite si fiecare functie este realizata din punct de vedere hard si soft cu elemente care pot functiona independent sau nu. Sistemele distribuite de conducere concepute in ideea descentralizarii functionale, sunt formate din module realizate cu microprocesoare si memorii ce permit implementarea functiilor de reglare si comanda pentru instalatiile individuale si organizarea lor intr-un sistem ierarhic de conducere. In aceasta situatie, calculatorul, instalat pe cel mai inalt nivel de ierarhie a comenzii, va avea rolul de supraveghere a procesului si modificare a consemnelor la regulatoare dupa strategii de conducere sofisticate (conducere optimala, estimare, adaptare). Prin utilizarea sistemelor distribuite; in acest caz sistemul de conducere coordonator (SCC) comunica pe una sau mai multe magistrale de date seriale. In functie de necesitate, traficul pe magistrale este coordonat de un director de trafic (DT) ce are rolul de a directiona informatiile. S C C SC1 P1 DT... SCn Pn M1 M2 10
3.1.2. Stadiul informatizarii sau automatizarii sistemului obiect/procesului tehnologic Automatizarea diferitelor elemente ale unui bloc se realizeaza astfel: automatizarea turbinei si a cazanului se realizeaza separat - trebuie realizate standarde de inalta siguranta si fialibilitate, precum si imbunatatirea calitatii dinamice a procesului (astfel in cadrul automatizarii turbinei sunt necesare bucle de reglare rapide iar la cazan este necesar un sistem cu un grad mare de redundanta materiala), automatizarea celorlalte instalatii se va realiza separat de cele anterioare in partea de automatica clasica. O schema termomecanica simplificata a unei centrale termoelectrice impreuna cu sistemele de reglare aferente este data in figura urmatoare: SRAC -- CZ SRR -- -- SRAV TURBINA ECO SRAT S -- SRAP S SRAT PIP SRAP d -- apa adaos SRAH cd -- CD SRAH P DEGAZOR PJP -- SRAH P SRAH d EPA Pentru identificarea informatiilor disponibile din procesul tehnologic se considera fiecare subgrupa si grupa functionala in parte sub forma unui model intrare iesire pentru identificarea parametrilor tehnologici masurati, acolo unde este cazul se specifica buclele de reglare necesare (valorile variabilelor de referinta, tipul regulatoarelor si a structurilor de reglare), limitele admise pentru fiecare parametru tehnologic masurat, nivelul de alarmare, semnalizari de stare sau comenzi. 11
CAZANUL CU ABUR Din punct de vedere sistemic cazanul de abur este un sistem multivariabil, diversele dependente intrare iesire evidentiindu-se din punct de vedere dinamic. Nu toate interactiunile sunt puternice si din acesta cauza sistemul poate fi descompus in subsiteme, acestea fiind tratate cvasindependent din punct de vedere al automatizarii. B G W A W INJ W P D T D CAZAN CU CN B p T H p CZ W A SAL p T B - debitul de combustibil; G - debitul de gaze de ardere; W - debitul de apa; A - debitul de aer; W INJ - debitul de injectie; W P - debitul de purja; D T - debitul de abur la turbina; D - debitul de abur al cazanului; p - presiunea aburului viu; T - temperatura aburului viu; H - nivelul apei in tambur pcz - depresiunea in focarul cazanului; p T - presiunea in tambur; SAL salinitatea apei in tambur. Se poate aborda separat problema automatizarii principalelor circuite de reglare ale unui cazan tinand cont de urmatoarele conditii impuse SRA al cazanului : a) Realizare egalitatii intre debitul de abur cerut de turbina (D T ) si cel produs de cazan (D), in conditiile mentinerii constate a presiunii si temperaturii aburului viu. Reglarea lui D functie de D T se numeste reglarea sarcinii termice. b) Asigurarea unei arderi optime in focar se realizeaza dand o anumita cantitate de aer A, proportional cu cantitatea de combustibil B introdusa. Reglarea procesului de ardere. c) Realizarea egalitatii intre debitul de gaze arse produse in focar prin arderea combustibilului si cel evacuat din cazan G. Reglarea debitului de gaze arse. d) Mentinerea unui nivel H constant in tambur este foarte importanta la cazanele cu circulatie naturala. Reglarea alimentarii cu apa. e) Pastrarea unei anumite concentratii a salinitatii apei in tambr SAL, prin actionarea debitului de purja, eventual tinand cont si de perturbatia de sarcina D (care influenteaza W si implicit salinitatea) Reglarea salinitatii apei. f) Temperatura aburului supraîncălzit trebuie menţinută între anumite limite bine precizate. Reglarea temperaturii aburului supraincalzit 12
Scheme principiale de reglare a procesului de ardere pentru un cazanul cu circulaţie naturală cu combustibil gazos (CH 4 ) funcţionând pe conductă colectoare cu turbina: a) reglarea sarcinii; b) reglarea combustiei şi a depresiunii în focar d/dt Tr p T Tr D p 0 =ct p la celelalte RST RP x F Tr p RST Tr B EE B Transforma- -rea caldurii FOCAR Q cb Q vap D V p T D Arderea Producerea Acumulare Abur produs de in focar aburului viu presiune in cazan tambur W D T Acumulare presiune in canal p O 2 de B Tr O 2 O 2 de A %O 2 =ct RO 2 RA EE Proces A Tr A p CZ =ct d/dt RG EE G Proces p CZ de A p CZ Tr p CZ Schema funcţională de reglare a alimentării cu apă a cazanelor cu tambur Wp θ de W θ H de θ H 1 H 0 =ct H RH RW EE Tr W Tr D W D H de W H de D H 2 H 3 H Tr H 13
Schema funcţională de reglare a temperaturii aburului supraîncălzit D T ies de D T 1 T ies0 =ct H RT1 RT2 EE (servo ventil de reglare) Tr T dupainj Instalatia de injectie T p T dupa inj Q T ies de Q T ies de T dupa inj T 2 T 3 T ies Tr T ies la celelalte RST x F d/dt ref RP PC TAMBUR (H, p T, SAL) PT FT spre TURBINA (D T ) conducta colectoare abur (D, p, T) Y PT SI purja (Wp) FC RST FT VAPORIZATOR ECO EPA VA apa alimentare (W) combustibil (B) FOCAR (p CZ ) PT PI aer ref PC FT FC RG RA VG aer (A) gaze de ardere (G) CT C RO 2 ref Y d/dt Schema tehnologică cu automatizări a procesului de ardere pentru un cazanul cu circulaţie naturală cu combustibil gazos (CH 4 ) funcţionând pe conductă colectoare cu turbina Din schema tehnologica cu automatizari se pot evidentia subsistemele (actionarile) ce necesita semnalizari de stare: arzatoare, ventilatoare de aer (VA), ventilatoare de gaze arse (VG), preincalzitoare rotative de aer (PAR), electrofiltre, ventile pe abur viu iesire cazan, etc 14
3.2. Tipurile de informatii. Volumul de informatii Principalele informatii necesare la nivel de camera de comanda sunt culese pe grupe functionale : 1. din cladirea principala (grupul cazan-turbina-instalatii anexe turbina) - temperatura, presiune si debit abur viu si supraincalzit la iesirea din cazan - temperatura si debit de alimentare apa intrata in cazan ; - presiune focar ; - temperatura si presiune abur la expandor - temperatura si presiune abur viu la intrarea in turbina - temperatura condens si nivel in condensator - debit abur consumuri interne - presiune si debit gaze naturale la arzatoare - temperatura, presiune si debit pacura. semnalizari : - starea de pornit/oprit sau deschis/inchis a urmatoarelor utilaje : arzatoare, ventilatoare de aer, ventilatoare de gaze arse, preincalzitoare rotative de aer, electrofiltre, ventile pe abur viu iesire cazan, clapete de abur intrare turbine, ventilul de inchidere rapida al turbinei, ventile pe plecarile catre consumatorii de abur viu si de apa calda. telecomenzi : porniri/opriri de cazan ; porniri/opriri de turbina telereglaje : - reglarea sarcinii cazanului ; - reglarea debitului de gaze de ardere ; - reglarea alimentarii cu apa a cazanului; - reglarea temperaturii de supraincalzire a aburului - reglarea turatiei turbinei - reglarea presiunii si nivelului in degazor - reglarea nivelului de condensat in condensator - reglarea temperaturii de preincalzire a apei - etc... 15
2. de la grupurile generatoare si din statiile electrice de servicii proprii bloc - putere activa si reactiva pe bloc generator ; - tensiunea si frecventa la bornele generatorului; - tensiunea si/sau curentul de excitatie la generator ; - curentul statoric - puterea activa si reactiva pe transformatoarele de servicii proprii bloc, comune si generale, precum si pe legaturile dintre statiile de servicii proprii ; - puterea activa pe consumatorii importanti ; - tensiunea pe barele de servicii proprii semnalizari : - pozitii intreruptoare - pozitii si actionari automatizari (AAR) 3. din statia de tratare chimica a apei - debit apa bruta - debit apa tratata - PH si conductivitatea apei demineralizate - niveluri in rezervoare. 4. de la gospodaria de carbune - debitele si calitatea carbunelui in stive semnalizari: - starea de disponibilitate a instalatiilor de incarcare si transport in gospodaria de carbune - starea concasoarelor de carbune 5. de la gospodaria de combustibil lichid : - nivelul in rezervoare 6. de la gospodaria de combustibil gazos : - presiuni si debite minime (semnale binare) 16
7. din instalatiile de termoficare : - temperaturi, presiuni, debite pe tur/retur apa calda, tur abur, retur condens semnalizari: - stari CAF (cazan cu apa fierbinte), pompe de termoficare, ventile principale de inchidere. 8. de la statia de pompe de incendiu : - presiune apa in retea - niveluri de apa in rezervor semnalizari: - stare pompe de incendiu - semnalizare incendiu 9. din statia de evacuare a puterii in SEN - puteri active si reactive pe transformatoarele blocurilor genratoare, transformatoare si liniile de legatura cu SEN - puteri active si reactive pe cuple - suma puterilor active si reactivelivrate de cebtrala in SEN - tensiuni si frecvente pe bare semnalizari: - pozitii separatoare si intreruptoare de pe transformatoare, linii, cuple si legaturi la pamant ale neutrilor. - pozitii si actionari automatizari (AAR, RAR...) - avarie in statie La fiecare grupa functionala semnalizarile pot fi de stare, preventive si de alarma (depasiri de limita) sau de incident (avarie in centrala, demaraje si actionari de protectie) Volumul orientativ de informatii necesar pentru un SI - telemasurari : 300-1000 - telesemnalizari : 1000-4000 - telecontorizari : 100-2500 - telecomenzi : 50-700 - telereglaje : 10-500 17