Universitatea POLITEHNICĂ din Bucureşti Facultatea de Energetică Catedra Sisteme Electroenergetice
Anclanşarea automată a rezervei în reţele electrice de distribuţie
Conducător ştiinţific: ştiinţific :
Prof.dr.ing. Burlacu Cristian
– Bucureşti 2008 – 2008 – 3
Cuprins
Introducere .................................................................................................................................... 3 Capitolul I. Locul instalaţiilor de anclanşare automată a rezervei (AAR) în
ansamblul măsurilor pentru asigurarea continuităţii în alimentarea cu energie electrică .......................................................................................................................................... 6 1.1 Categorii de consumatori şi nivelul de asigurare asigurare a rezervei ............................................... 6
1.2 Asigurarea rezervei în proceselor tehnologice de producere a energiei electrice........... 10 Capitolul II. Dispozitive şi scheme pentru AAR .................................................................... 14 Capitolul III. Condiţii generale de funcţionare a instalaţiilor AAR ....................................... 20 3.1 Condiţiile de demaraj ale instalaţiilor de AAR ............................................................... AAR ............................................................... 21
3.1.1 Dispariţia tensiunii pe bara rezervată ..................................................................... 22 3.1.2 Schimbarea stării unui întreruptor pe alimentarea normală ................................... 25 3.1.3 Prezenţa tensiunii pe calea de rezervă.................................................................... rezervă.................................................................... 26 3.2 Pauza de AAR ................................................................................................................ 29 Capitolul IV. Implementarea instalaţiilor de AAR cu ajutorul automatelor programabile (AP) ...................................................................................................................... 33
4.1 Rolul şi locul automatelor programabile ......................................................................... 33 pro gramabile......................................................................... 4.2 Proiectarea automatelor cu stări finite în logica cablată şi logica programată p rogramată ............... 36 4.3 Strategii şi metode de abordare a proiectării şi realizării unui AAR ............................. 38 4.3.1. Strategii de concepere .................................................. .......................................................................................... ........................................ 40 4.3.2. Strategii de realizare ............................................................................................. 42 4.3.3. Metode de realizare .............................................................................................. 44 Capitolul V. Studiu de caz: AAR la o linie de rezervă .......................................................... 49 Concluzii ...................................................................................................................................... 71 Bibliografie .................................................................................................................................. 72 Anexă. Normativ PE 501 /85 ...................................................... ....................................................................................................... ................................................. 73
4
INTRODUCERE În sistemele electrice au loc procesele de producere, transformare, transport, distribuţie şi consum al energiei electrice, procese complexe şi caracterizate de prezenţa unor particularităţi specifice, care le deosebesc de procesele desfăşurate d esfăşurate în instalaţiile din alte ramuri ale producţiei. Printre cele mai importante particularităţi se pot distinge următoarele: următoarele: a) efectele scurtcircuitelor şi în general inf1uenţa proceselor tranzitorii pot fi resimţite pe mari porţiuni ale sistemelor electrice, în fracţiuni foarte mici de timp; b) producerea şi consumul energiei electrice se efectuează practic simultan, în prezent electrică la scara necesară necesară unui sistem nefiind încă posibilă asigurarea unor rezerve de energie electrică electric; ca urmare, puterea produs produsăă de agregate trebuie să să urmărească în permanenţă variaţiile puterii cerute de consumatori ; c) orice întrerupere în alimentarea cu energie electric electricăă determină determină mari perturbări în pierderi grave pentru economia naţională. funcţionarea consumatorilor şi produc producee pierderi naţională. Asigurarea electrică şi lichidarea cât rapidă a defectelor din sistemele continuităţii alimentării alimentării cu energie electrică cât mai rapidă electrice pentru restabilirea unui regim normal de funcţionare al al acestor sisteme au o importanţă primordială primordială; d) sistemele electrice ocupă ocupă spaţii foarte întinse, generatoarele, staţiile de transformare şi consumatorii conectaţi prin linii în cadrul unui sistem aflânduaflându -se la distanţe de zeci sau sute de kilometri. Particularităţile enunţate impun un grad foarte ridicat de siguranţă în funcţionarea funcţionarea sistemelor electrice şi, deci, echiparea lor cu dispozitive de protecţie prin relee, care au rolul de a asigura în mod automat deconectarea instalaţiei electrice protejate în cazul apariţiei unui defect sau a unui regim anormal, periculos pentru instalaţie, instalaţie, precum şi rolul de semnalizare. Lichidarea defectelor prin acţiunea protecţiei trebuie să se efectueze într-un mod optim, fiind asigurate anumite performanţe performanţe impuse funcţionării protecţiei. multă vreme pe scara cea mai largă largă în Automatizarea prin protecţia cu relee este folosită de multă instalaţiile electrice. Ea are în general două funcţiuni principale : 5
- separarea elementului avariat de restul instalaţiilor electrice şi asigurarea funcţionării în continuare a acestora, în condiţii normale; - sesizarea regimurilor anormale (nepermise) de funcţionare a instalaţiilor electrice şi semnalizarea lor, pentru a se preveni apariţia unor avarii. Instalaţiile sistemelor electrice, protejate de dispozitivele automate de protecţie prin relee, formează un ansamblu deosebit de complex şi lichidarea în condiţii optime a defectelor apărute necesită prelucrarea extrem de rapidă a unui mare număr de informaţii asupra regimurilor de funcţionare ale instalaţiilor protejate, prelucrare efectuată în stadiul actual de dispozitivele de protecţie instalate în numeroase puncte ale sistemului electric (la fiecare întrerupător a cărui declanşare este comandată automat). În prezent se tinde la prelucrarea informaţiilor cu calculatoare electronice montate în serie cu fluxul de informaţii "on-line", ceea conduce la schimbări importante în realizarea şi funcţionarea echipamentelor de protecţie. Folosirea calculatoarelor electronice pentru proiectarea şi coordonarea dispozitivelor de protecţie din diverse puncte are în prezent o mare extindere. În funcţie de rezultatul prelucrării informaţiilor primite, dispozitivele de protecţie prin relee, în conformitate cu programul introdus prin alcătuirea schemei de protecţie şi prin determinarea reglajelor elementelor componente, stabilesc dacă este necesară comanda declanşării întrerupătoarelor instalaţiei protejate şi, în cazul când această decizie este luată, transmit comanda de declanşare. Datorită complexităţii sistemului electric protejat şi rapidităţii cu care trebuie prelucrate informaţiile şi adoptată decizia de declanşare, principiile automaticii de sistem găsesc o importantă aplicare
pentru asigurarea unei funcţionări optime a dispozitivelor
de protecţie. Rolul
principal
al
automatizărilor
şi
al
protecţiei
prin
relee
folosite
în
electroenergetică constă în limitarea efectelor avariilor apărute şi în asigurarea alimentării fără întrerupere cu energie electrică a consumatorilor. Prin AAR se înțelege totalitatea dispozitivelor care, în cazul deconectării din orice cauză a alimentării normale sau de serviciu, determină conectarea automată a alimentării de rezervă. O alimentare de rezervă poate fi comună pentru mai multe alimentări de serviciu, urmând a fi conectată automat pentru înlocuirea elementului ieșit din funcțiune, cât mai repede posibil. 6
În actuala configurație a sistemelor și rețelelor electrice, schemele de alimentare cu energie electrică trebuie astfel concepute sau alese încât, indiferent de importanța consumatorului, să existe posibilitatea unei alimentări de rezervă în cazul unei avarii sau a unei întreruperi a sursei normale de alimentare. Soluția dublei alimentări permanente prin două linii sau două transformatoare in funcționare permanentă se aplică doar la consumatorii strategici, find neeconomică, determinând reducerea impedanței la scurtcircuit și creșterea puterii de scurtcircuit pe bare, ceea ce conduce la creșterea solicitărilor termice și electrodinamice ale aparatajulul, la care se adaugă complicarea soluțiilor de protecție și automatizare.
7
CAPITOLUL I Locul instalaţiilor de anclanşare automată a rezervei (AAR) în
ansamblul măsurilor pentru asigurarea continuităţii în alimentarea cu energie electrică Activitatea de furnizare a energiei electrice presupune livrarea către consumator a energiei electrice cu respectarea indicatorilor calitativi ai acesteia (tensiune, frecvenţă etc.) în limitele de abatere faţă de valorile nominale impuse de prescripţiile în vigoare. Printre indicatorii de natură neelectrică care caracterizează calitatea energiei electrice livrate, o importanţă deosebită are gradul de asigurare a continuităţii în alimentare a consumatorului:
unde: este intervalul de timp în cadrul unui an calendaristic în care consumatorul solicită
criteriul siguranţei; T n
este durata posibilă de nealimentare a consumatorului în perioada considerată.
Gradul de asigurare (C) poate fi determinat pentru diferite nivele de putere cerută. 1.1 Categorii de consumatori şi nivelul de asigurare a rezervei
Un consumator poate dispune de una sau mai multe căi de alimentare cu energie electrică. Prin cale de alimentare se înţelege totalitatea elementelor înseriate între sursă şi punctul de delimitare, indisponibilitatea oricărui element nerezervat conducând la întreruperea alimentării (o cale de alimentare poate cuprinde liniii aeriene, cabluri, întreruptoare, separatoare, transformatoare, bobine de reactanţă etc.). Două căi de alimentare se consideră independente dacă un defect unic şi (sau) lucrările de reparaţii şi întreţinere la elementele unei căi nu conduc la scoaterea din funcţiune a celeilalte căi.
8
Uneori consumatorii pot avea surse proprii, prin care se înţeleg centrale electrice sau alte mijloace ale consumatorului pentru generarea de energie electrică activă sau reactivă. Dacă necesităţile o impun, consumatorul trebuie să dispună de o sursă de intervenţie care este o sursă proprie de rezervă independentă ce asigură continuitatea alimentării unui grup restrâns de receptoare la căderea celorlaltor surse. Alimentarea din această sursă are drept scop evitarea apariţiei unor fenomene periculoase în instalaţiile consumatorilor, nu obligatoriu continuitatea producţiei. Întreruperea căilor de alimentare a unui consumator se consideră: a) întrerupere simplă, în cazul indisponibilităţii incidentale sau programate a unei singure căi de alimentare; b) întrerupere dublă, în cazul apariţiei incidentale pe o a doua cale de alimentare a consumatorului pe durata în care una din căile de alimentare este întreruptă. Golul de tensiune
este variaţia negativă a valorii eficace a tensiunii unei reţele electrice
având o amplitudine cuprinsă între o valoare minimă sesizabilă (circa 20% U n) şi 100% U n şi o durată de cel mult 3 secunde. Se exclud din noţiunea de gol de tensiune: variaţiile lente ale tensiunii,
perturbaţiile de variaţii ale frecvenţei,
variaţiile ciclice de scurtă durată ale tensiunii (fenomenul de flicker)1
variaţiile de tensiune datorate fenomenelor deformante.
Normativul privind alimentarea cu energie electrică a consumatorilor industriali şi similari PE 124/85 defineşte următoarele nivele de rezervare în căile de alimentare:
nivelul 1:
cu rezervă de 100%, căile de alimentare sunt independente şi sunt
racordate în puncte distincte de delimitare;
1
Prin flicker se înţelege efectul de pâlpâire al surselor de iluminat cauzat de fluctuaţiile de tensiune care însoţesc
funcţionarea unor receptoare (cuptoare cu arc, laminoare, aparate de sudură) şi care produce o senzaţie de jenă fiziologică. 9
nivelul 2:
cu rezervă de 100%, dar căile de alimentare nu sunt în mod obligatoriu
independente şi pot fi racordate în puncte nedistincte de delimitare;
nivelul 3: fără rezervă.
Se admite realizarea unui nivel de rezervare intermediar între zero şi 100% în cazuri speciale, în baza cererii consumatorului. Calităţile nivelelor de rezervare specificate, în ceea ce priveşte consumul asigurat şi durata de nealimentare sunt prezentate în tabelul 1.1. Tabelul 1.1 Calităţile nivelelor de rezervare
Durata de realimentare
Consum Nivelul
asigurat în
de
caz de
rezervare întrerupere simplă 1
Integral
Clasa
Clasa
Clasa
A peste B (7,5 - C (2,5 -
Clasa D sub
50
50)
7,5)
2,5
MVA
MVA
MVA
MVA
3s
3s
3s
3s
Observaţii
Durata de acţionare a automaticii de sistem Durata necesară efectuării de manevre pentru
2
Integral
30 min. 30 min.
2 ore
2-8 ore
izolarea defectului şi realimentarea pe calea de rezervă
3
Nimic
Se va stabili de la caz la caz, în funcţie de condiţiile locale şi structura schemei de alimentare.
Durata de realimentare în cazul nivelului 2 de rezervare s-a considerat:
30 minute prin comandă manuală din staţiile cu personal permanent;
2 ore la comandă manuală din staţiile fără personal permanent; 10
2-8 ore pentru consumatorii dispersaţi.
În instalaţiile consumatorilor pot exista următoarele categorii de receptoare în funcţie de natura efectelor produse de întreruperea în alimentarea cu energie electrică: Categoria zero (specială)
la care întreruperea alimentării poate duce la explozii, incendii
sau distrugeri de utilaje şi pierderi de vieţi omeneşti. Utilajele şi agregatele încadrate în această categorie nu vor fi acţionate electric decât în cazul în care nu se dispune de alte forme de energie sau acestea sunt prohibitive economic. În astfel de situaţii se vor preciza măsurile de ordin tehnologic prevăzute pentru asigurarea securităţii oamenilor şi utilajelor în caz de întreruperi în alimentarea cu energie electrică. Categoria I
la care întreruperea alimentării conduce la dereglarea proceselor tehnologice
în flux continuu, necesitând perioade lungi pentru reluarea activităţii la parametrii cantitativi şi calitativi existenţi în momentul întreruperii sau la rebutuuri importante de materii prime, materiale auxiliare, scule tehnologice semifabricate etc. şi (sau) pentru care, de regulă, nu se poate recu pera producţia nerealizată. Categoria II
la care întreruperea alimentării conduce la nerealizări de producţie, practic
numai pe durata întreruperii, iar producţia nerealizată poate fi de regulă recuperată. Categoria III cuprinde receptoarele care nu se încadrează în categoriile precedente.
Se stabilesc categoriile de receptoare ţinându-se seama de : a) cerinţele de continuitate a receptoarelor; b) cerinţele speciale în ceea ce priveşte calitatea tensiunii şi frecvenţei din sistemul de alimentare; c) indicatorii valorici ai daunelor provocate de întreruperea în alimentarea cu energie electrică. Categoriile de receptoare trebuiesc precizate în chestionarul energetic prin care se cere acordul în prealabil şi care constituie anexa la tema de proiectare, fiind semnat de consumatori în calitate de beneficiari.
11
Niciun proiectant de instalaţii de anclanşare automată a rezervei nu poate trece la conceperea unei instalaţii fără să aibe foarte clar definite volumul consumului care trebuie rezervat, categoria receptoarelor şi nivelul de rezervare preconizat.
1.2.
Asigurarea rezervei în proceselor tehnologice de producere a energiei electrice
Instalaţiile din cadrul procesului tehnologic de producere a energiei electrice sunt alimentate cu energie electrică din instalaţia de servicii proprii de curent alternativ. Instalaţiile de servicii proprii reprezintă instalaţia care asigură alimentarea cu energie electrică a mecanismelor şi utilajelor necesare desfăşurării procesului de producţie, de transformare a energiei conţinute în combustibil în energie electrică şi termică precum şi a altor mecanisme şi receptoare auxiliare ca: instalaţii de redicat, ateliere, laboratoare, iluminat etc. Normativul pentru proiectarea instalaţiilor electrice de servicii proprii de curent alternativ ale centralelor termoelectrice şi de termoficare, PE 113 /77, defineşte următoarele categorii de surse de alimentare pentru servicii proprii: Sursa de alimentare normală
(de lucru) este acea sursă de alimentare care preia total sau
parţial alimentarea receptoarelor în regimul normal de funcţionare a schemei de alimentare. Sursa de alimentare de rezervă
este acea sursă de alimentare care preia total sau parţial
alimentarea receptoarelor racordate la sursa de alimentare normală în cazul ieşirii acesteia din funcţiune. În cazul în care sursa de alimentare de rezervă nu este afectată de defectele sursei de alimentare normale pe care trebuie s-o înlocuiască (sau este afectată, dar în limitele admise de condiţiile de funcţionare prescrise în prezentul normativ, atât în ceea ce priveşte cantitatea, cât şi calitatea energiei livrate), aceasta se consideră sursă de rezervă independentă.
12
Sursa de alimentare de siguranţă
este acea sursă de rezervă independentă (autonomă) care
are destinaţia de a prelua în cel mai scurt timp posibil alimentarea receptoarelor din categoria 0 în cazul în care sursele lor de alimentare normală şi de rezervă au ieşit din funcţiune. Sursa de alimentare de rezervă distinctă
este acea sursă care serveşte exclusiv ca sursă de
rezervă, ea nealimentând în regim de funcţionare normal niciun consumator. La stabilirea schemelor de alimentare ale serviciilor proprii urmează a se ţine seama de gradul de siguranţă în funcţionare cerut de acestea. Sub acest aspect, receptoarele se împart în următoarele categorii: 1) Categoria 0 (vitală) care cuprinde: 0.a. – toate
receptoarele a căror întrerupere în alimentare mai mare de 1 secundă
conduce la declanşarea blocului, turbinei sau cazanului; 0.b. – toate
receptoarele care nu permit decât întreruperi de scurtă durată (de
ordinul 10-20 secunde), în caz contrar putându-se produce accidentarea persoanelor sau avarierea gravă a agregatelor principale din centrală (cazan, turbină). În această categorie se încadrează receptoarele care trebuie să funcţioneze neapărat în perioadele de oprire de avarie a blocurilor cazan-turbină (de exemplu: anumite circuite de comandă şi automatizare, unele pompe de ulei, anumite vane electrice, iluminatul de siguranţă, staţiile de reducere-răcire). 2) Categoria I (principală) care cuprinde toate receptoarele la care întreruperea alimentării pe durate mai mari de 3 secunde, afectează direct regimul de funcţionare a blocurilor cazanturbină-generator şi poate conduce la oprirea funcţionării lor (de exemplu: pompe de alimentare cu apă, cazane, ventilatoare de gaze şi cazane, inclusiv auxiliarele acestora, transformatoarele pentru alimentarea sistemului de excitaţie etc.). 3) Categoria II (secundară) care cuprinde receptoarele a căror întrerupere temporară de ordinul 15-20 minute nu afectează imediat regimul de funcţionare a centralei (de exemplu: instalaţiile de descărcat, de concasat, de transportat etc.).
13
4) Categoria III (auxiliară) include toate receptoarele necuprinse strict în structura serviciilor proprii şi care nu afectează regimul de funcţionare al centralei (de exemplu: instalaţii de ridicat, ateliere, laboratoare etc.). Pentru receptoarele vitale de categoria 0.a, PE 113-77 stipulează a se prevedea cel puţin două alimentări normale din bateria de acumulatoare, prin aparate de convertire a curentului (invertoare) şi alimentări de rezervă de la barele ce c.a. ale receptoarelor de categoria 0.b. Pentru receptoarele vitale de categoria 0.b. se prevăd trei surse de alimentare, din care una va fi sursa normală, a doua o sursă de rezervă independentă şi o a treia ―sursă de alimentare de siguranţă‖ (de exemplu: grup Diesel cu intrare automată în funcţiune). Pentru receptoarele vitale de categoria I-a (principală) se va asigura alimentarea de la o sursă normală şi de la una de rezervă independentă cu anclanşarea automată a sursei de rezervă în cazul căderii sursei normale. Pentru receptoarele de categoria a II-a (secundară) se va prevedea în funcţie de importanţa şi specificul instalaţiilor alimentate, o sursă de alimentare normală şi o sursă de rezervă. Pentru receptoarele de categoria a III-a (auxiliară) urmează să se prevadă o singură sursă de alimentare. Pentru asigurarea unui grad cât mai înalt de siguranţă în funcţionarea receptoarelor de servicii proprii din termocentrale se va stabili oportunitatea folosirii instalaţiilor automate de anclanşare a surselor de rezervă (AAR) şi deconectarea automată a unor consumatori în funcţie de tensiune (DAS-U). De regulă, fiecare instalaţie de distribuţie la care sunt racordate receptoare de categoria 0 si I (sau secţii ale acestor instalaţii) vor fi prevăzute cu AAR.
Fac excepţie următoarele cazuri, în care se admite neprevederea unor astfel de instalaţii: a) Când la instalaţia de distribuţie respectivă (sau a o anumită secţie a acesteia) sunt racordate numai receptoare de categoria a II-a sau a III-a.
14
b) Când receptoarele racordate la instalaţiile de distribuţie de joasă tensiune pot rămâne fără tensiune în cazul în care instalaţia de distribuţie de înaltă tensiune de la care sunt alimentate rămâne şi ea fără tensiune. c) Când receptoarele sunt rezervate tehnologic. În cazul în care rezultă totuşi necesară instalaţia de AAR, aceasta va di concepută să funcţioneze netemporizat. Instalaţiile AAR trebuiesc prevăzute a fi folosite şi pentru comutarea voită a surselor de alimentare. Pe lângă comutarea voită a surselor prin AAR, se va prevedea şi posibilitatea de comutare voită de pe o sursă pe alta, fără întreruperea alimentării receptoarelor. În cazul în care cele două surse ce se comută pot să fie nesincrone între ele, se va prevedea comutarea prin sincronizare (automată sau manuală). În mod similar, pentru asigurarea unui grad mai înalt de siguranţă în funcţionarea receptoarelor de servicii proprii din hidrocentrale, fiecare instalaţie de distribuţie principală şi secundară (sau secţii ale acestor instalaţii) va fi prevăzută cu AAR – dacă instalaţia respectivă are racordaţi consumatori de categoria a II-a sau de o categorie superioară. Se poate renunţa la dispozitivele de AAR în următoarele cazuri: a) Când instalaţia de distribuţie alimentează receptoare care pot rămâne un timp relativ scurt fără tensiune – timp în care personalul de exploatare poate să repună sub tensiune instalaţia (cazul de la anumite obiective exterioare: baraje, castele de echilibru etc.) sau când acest lucru se poate face prin comenzi la distanţă. b) Când receptoarele racordate la instalaţiile de distribuţie de joasă tensiune sunt f ie de categoria a III-a, fie admit întreruperi până la intervenţia personalului de exploatare. Instalaţiile AAR vor fi prevăzute cu posibilitatea comutării voite de pe o sursă pe alta, fără întreruperea alimentării receptoarelor. În cazul în care cele două surse ce se comută pot să nu fie sincrone, între ele se va prevedea comutarea prin sincronizare. Se admite în acest caz depăşirea puterii de scurtcircuit limitat pe durata strict necesară efectuării manevrelor de trecere de pe o sursă pe alta.
15
CAPITOLUL II
Dispozitive şi scheme pentru AAR Schemele de AAR se aplică în instalațiile de distribuție cât și în cele de producere a energiei electrice, de exemplu la serviciile proprii ale centralelor electrice (CE). Datorită complexității instalațiilor dintr -o unitate de producere a energiei electrice se realizează o întrepătrundere între automatizările electrice și cele pe partea mecanică a centralei. De exemplu, la scăderea presiunii apei în conducta principală de alimentare a cazanului, se comandă conectarea automată a motorului electric care antrenează pompa de alimentare de rezervă, sau la ieșirea din funcționare a electropompelor (la scăderea frecvenței) se recurge la conectarea automată a turbopompelor de rezervă acționate cu abur. Schema bloc generală pentr u un dispozitiv de AAR (Figura 2.1.) conține un element de pornire (1) care acționează la scăderea tensiunii sub valoarea tensiunii reziduale pe bare de 0.3 Un, un element de control (2) care condiționează funcționarea de prezența tensiunii de alimentare la bornele dinspre linie ale transformatorului TT2 de pe alimentarea de rezervă, un element de temporizare (3) care poate lipsi și un element de blocaj (4) la acționări repetate.
Figura 2.1. Schema bloc de elemente pentru un dispozitiv de AAR, în general 16
O declanșare a întreruptorului I2 blochează AAR -uI deoarece pune în evidență un defect permanent. Comanda de execuție a AAR a fost trecută prin bloc-contactele de acționare a întreruptorului I2 pentru ca schema să nu pornească decât dacă întreruptorul de pe calea de alimentare normală a fost declanșat, evitându-se astfel punerea în paralel a două tensiuni defazate sau nesincrone. În figura 2.2. se prezintă o schemă de AAR aplicată la serviciile interne ale unei centrale. Întreruptoarele deschise în funcționarea normală care urmează să conecteze rezerva sunt marcate printr-un dreptunghi negru hașurat, iar întreruptoarele care sunt închise în funcționarea normală sau de regim sunt marcate printr-un dreptunghi alb nehașurat. În figura 2.2.a. transformatorul de rezervă (T2) se conectează la anclanșarea întreruptoarelor I3 și I4 prin comandă de la AAR, atunci când (T1) iese din funcțiune. În figura 2.2.b. AAR conectează consumatorii de la o secție de bare (S1 sau S11), la secția î nvecinată, prin acționarea întreruptorului ICT. În figura 2.2.c. există un singur transformator de rezervă (T3) ce urmează a fi conectat prin comandă de la AAR, pe una din secțiunile de bare rămasă fără alimentare, iar în figura 2.2.d tot un singur transformator de rezervă (TR) servește pentru alimentarea de rezervă, pentru oricare din secțiile de bare SI, SII sau SIII. Un caz aparte îl reprezintă reanclanșarea automată pe buclă deschisă pentru o stație electrică de transformare (Figura. 2.2.e.), în care întreruptoarele I3 și I4 sunt deschise, I1 și I2 închise, iar T2 este transformatorul de rezervă. Întreruptorul cuplei transversale ICT poate fi deschis sau închis. AAR acționează asupra întreruptorului ICT dar și asupra întreruptoarelor I3 și I4. Se disting astfel următoarele situații: a) T1-în funcțiune, T2-în rezervă, cupla transversală conectată; b) T1-în funcțiune, T2-în rezervă și întreruptorul ICT deconectat; c) T1,T2 - în funcțiune ICT deconectat; d) T1 - în rezervă, T2-în funcțiune și ICT deconectat. În cazul rețelelor electrice de distribuție (Figura 2.3.) dispozitivul de AAR comandă fie conectarea unei linii de rezervă L2 (Figura 2.3.a.), fie preluarea automată a sarcinii de la două sau 17
mai multe puncte de alimentare PA, prin închiderea întreruptorului I de pe cablul de echilibru (Figura 2.3.b.), fie prin conectarea liniilor de ajutor L1, L2 dintre posturile de transformare PT (Figura 2.3.c.).
Figura 2.2 AAR pentru serviciile interne ale unei centrale electrice (în stația electrică a centralei)
18
Evident că la dimensionarea liniilor sau transformatoarelor din schema cu sarcina preluării unor consumatori suplimentari este necesar să se țină seama de încărcarea maximă la care acestea trebuie să facă față.
Figura 2.3.
În varianta din figura 2.4 AAR anclanșează instantaneu pentru că odată cu declanșarea întreruptorului I1 se excită bobina releului intermediar RI și se emite comanda de pornire a AAR.
Figura 2.4.Pornirea netemporizată a schemei de AAR pentru servicii proprii ale unei centrale electrice
19
O schemă de AAR pentru servicii proprii de bloc dintr-o centrală este cea din figura 1.6.
Figura 2.5. Schemele de principiu și desfășurate pentru AAR la serviciile proprii de bloc dintr -o CTE Schema AAR pentru un întreruptor de cuplă longitudinală
În Figura 2.6 s-a reprezentat schema principială restrânsă pentru un AAR aplicat întreruptorului de cuplă longitudinală ICL. Schema este cu curent operativ continuu și acționare asupra întreruptorului de cuplă longitudinală ICL. Releele minimale de tensiune 1A și 1B sunt alimentate din secundarul TT1 racordat la prima secție de bare. În cazul unui defect pe linia L1 și a scăderii tensiunii pe barele secției 1, releele 1A si 1B își închid contactele și transmit plusul la releul de timp 3 cu contact normal deschis cu temporizare la închidere. Circuitul bobinei releului 3 stabilește prin contactul releului maximal de tensiune 2 alimentat din secundarul transformatorului de tensiune TT2 prin care se controlează existența tensiunii pe secția de bare de rezervă 2. La închiderea cu temporizare a contactului releului 3, se produce declanșarea întreruptorului I stabilindu-se circuitul de declanșare prin BD la închiderea contactului auxiliar C1. Odata cu declanșarea lui I se deschide C2 și se închide C3. 20
Se întrerupe alimentarea releului intermediar 4 care are un contact cu o mică temporizare la deschidere de 0.6-0.8 s.
Figura 2.6. Schema de AAR pentru întreruptorul cuplei longitudinale ICL Odată ce s-a închis C3 se închide circuitul contactorului de anclanșare CA al ICL și se alimentează bobina de anclanșare a acestuia. La deschiderea contactulul C4 se întrerupe circuitul bobinei contactorului CA. Ca urmare a comutării efectuate, consumatorii de pe liniile L3 și L4 alimentați mai înainte de linia L1 cu ICL deschis, vor fi acum alimentați de către L2 cu ICL închis. Releul intermediar 4 evită repetarea ciclului de AAR datorită deschiderii contactului său după cele 0.6-0.8 s.
21
CAPITOLUL III
Condiţii generale de funcţionare a instalaţiilor AAR Condiţiile generale de funcţionare ale dispozitivelor AAR sunt prevăzute în PE 506 /85. Este necesar să se prevadă dispozitivele de AAR în toate centralele, staţiile şi posturile de transformare în care pentru alimentarea consumatorilor există o cale de alimentare normală şi una de rezervă, în scopul de a asigura continuitatea în alimentarea cu energie electrică. Intrarea în funcţiune a dispozitivelor AAR se va face temporizat sau rapid în momentul dispariţiei tensiunii pe barele care trebuiesc asigurate şi anume: a) Temporizat, la scăderea tensiunii pe bara alimentată sub valoarea de reglaj. Timpul de acţionare al dispozitivului AAR (pauza AAR) se alege în funcţie de anumiţi factori. b) Rapid, la declanşarea intempestivă sau prin protecţie a căii de alimentare normală, (transformator, linie etc.). Schema de AAR va permite acţionarea dispozitivului, numai dacă a fost deconectată, în prealabil, calea alimentării normale şi dacă tensiunea pe calea de rezervă are valoarea minimă de funcţionare admisă. În foarte multe situaţii dispozitivele de AAR combină ambele principii expuse mai sus acţionând după caz, temporizat sau rapid (accelerat). Schema de AAR va fi astfel realizată, încât pornirea dispozitivului de AAR să nu se producă în oricare din următoarele situaţii: a) ca urmare a arderii unei siguranţe din circuitele de tensiune care alimentează releele de minimă tensiune pentru pornire; b) existenţa unui defect pe bara asigurată prin AAR sau când această bară alimentează un defect neeliminat pe unul din elementele conectate la barele respective; această prevedere nu se consideră obligatorie în cazul dispozitivelor de AAR ale instalaţiilor de joasă tensiune.
22
În cazul în care la barele asigurate prin AAR sunt conectate motoare, se va prevedea comanda declanşării prin protecţie a acestora odată cu separarea principală, înaintea conectării sursei de rezervă. În scopul evitării unor comutări repetate ale întreruptoarelor comandate de instalaţia de AAR, se vor lua măsuri ca instalaţia de AAR să funcţioneze numai un singur ciclu. În cazul în care calea normală de alimentare este prevăzută la capătul opus cu reanclanşarea automată rapidă (RAR) sau cu dispozitiv AAR, acţionarea AAR pe bara asigurată se va face cu temporizare. Instalaţia AAR va fi prevăzută cu un comutator pentru punerea şi scoaterea sa din funcţiune precum şi cu următoarele semnalizări:
AAR în funcţiune;
AAR funcţionat.
Protecţia montată la întreruptorul prin care se realizează AAR se va prevedea, în caz de nevoie, cu accelerare după efectuarea comutării. Condiţiile suplimentare privind realizarea AAR în cadrul serviciilor proprii interne ale centralelor electrice sunt indicate în normativele PE 113/77 şi PE 137 /75. 3.1 Condiţiile de demaraj ale instalaţiilor de AAR
În conformitate cu normativul PE 113/77 la serviciile interne din termocentrale, demarajul instalaţiilor de AAR prin minimă tensiune se va prevedea, de regulă, numai pentru surse de rezervă independente. În situaţia în care sursele de rezervă independente sunt afectate într -o măsură oarecare de defectele pe sursa normală, se va analiza, de la caz la caz, oportunitatea demarajului de minimă tensiune, deoarece un asemenea demaraj prezintă ca inconveniente: mărirea timpului de AAR şi posibilitatea funcţionării intempestive a instalaţiei. Pentru AAR la secţiile de medie tensiune şi la tablourile principale de joasă tensiune se ve prevedea controlul tensiunii pe sursa de rezervă. La tablourile secundare de joasă tensiune această prevedere nu este obligatorie.
23
Pentru AAR la instalaţiile de înaltă tensiune şi la instalaţiile de distribuţie principale de joasă tensiune se va prevedea controlul tensiunii pe bara de rezervă. La toate dispozitivele de AAR prin condiţii de demaraj se înţeleg acele elemente de stare din instalaţia rezervată care determină şi delimitează intrarea în acţiune a dispozitivului AAR şi anume:
dispariţia tensiunii pe bara rezervată;
schimbarea stării unui întreruptor pe alimentarea normală;
prezenţa tensiunii pe calea de rezervă.
3.1.1 Dispariţia tensiunii pe bara rezervată
Dispariţia tensiunii pe bara rezervată este unul din criteriile cele mai folosite pentru demarajul dispozitivelor AAR. Sesizarea lipsei tensiunii se face cu ajutorul releelor de minimă tensiune care pot fi legate în următoarele scheme de conexiuni:
conexiune triunghi;
conexiune stea;
conexiune în V.
Primele două conexiuni de conectare utilizează trei relee de tensiune minimă şi supraveghează existenţa pe toate cele trei faze. Ultimul mod de conectare (conexiunea în V) utilizează numai două relee de tensiune minimă, fiind din acest punct de vedere mai economic. Dezavantajul nesesizării dispariţiei tensiunii pe faza mediană este neesenţial în schemele dispozitivelor AAR, motiv pentru care această conexiune este în general preferată şi utilizată în majoritatea instalaţiilor AAR. Tensiunile utilizate pentru alimentarea releelor de tensiune minimă se aleg în funcţie de modul în care este concepută schema dispozitivului AAR.
24
În cazul în care dispozitivele de AAR din instalaţiile de înaltă tensiune se întâlnesc, de regulă, două variante de alimentare a releelor de tensiune minimă: 1. Alimentarea grupului de relee de tensiune minimă din bucla de tensiune a unei celule de măsură; 2. Alimentarea grupului de relee de tensiune minimă din circuitele de tensiune ale unui element din staţie (linie, transformator etc.).
Figura 3.1. Scheme de conectare a releelor de tensiune minimă; a-conexiune triunghi; b-conexiune stea; c-conexiune în V.
Prima modalitate de alimentare a grupului de relee de tensiune minimă impune un caracter rigid schemei de AAR în sensul că se poate controla prin respectivul grup de relee în exclusivitate tensiunea unui singur sistem de bare. În cazul instalaţiilor electrice cu sistem dublu de bare la care un element (linie, transformator) poate fi racordat la oricare din cele două bare, este preferabilă cea de-a doua modalitate de alimentare a grupului de relee de tensiune minimă. Această a doua modalitate de alimentare a grupului de relee de tensiune minimă conferă schemei de AAR un caracter de elasticitate în sensul că prin acelaşi grup de relee de tensiune minimă se poate controla (dar nu simultan) tensiunea a două sisteme de bare. Este vorba de sistemul de bare la car e este racordat elementul primar (linie, transfomator etc.) din a cărui circuite de tensiune este alimentat grupul de relee de tensiune minimă respectiv. Alegerea convenabilă a tensiunilor este realizat de releele
25
intermediare d161, d162 din figura 3.3 care sunt relee de multiplicare a poziţiei separatoarelor de bare a elementului primar. În cazul dispozitivelor de AAR din instalaţiile de joasă tensiune alimentarea releelor de tensiune minimă poate fi realizată în două variante: 1. Alimentarea grupului de relee de tensiune minimă de la tensiunea existentă de 0,4 kV rezervată (deci după întreruptorul general de alimentare); 2. Alimentarea grupului de relee de tensiune minimă de la barele de racord ale întreruptorului general de alimentare (spre sursă).
Figura 3.2. Schema de alimentare a releelor
Figura 3.3. Schemă de alimentare a releelor de
de tensiune minimă de la bucla de
tensiune minimă din circuitele de tensiune ale
tensiune a unei celule de măsură
unui element din staţie
În varianta a doua de alimentare este necesară combinarea obligatorie a criteriului de demaraj de tensiune minimă cu criteriul schimbării stării întreruptorului general de alimentare. În caz contrar există posibilitatea rămânerii fără tensiune a barei rezervate, în cazul declanşării intempestive a întreruptorului general de alimentare. 26
Soluţia adoptată pentru verificarea dispariţiei tensiunii pe bara rezervată îmbracă mai multe variante, funcţie de nivelul barei rezervate (înaltă tensiune sau joasă tensiune). Pentru instalaţiile de joasă tensiune se utilizează, de asemenea, varianta de schemă cu două relee de tensiune minimă, dar se mai întâlnesc şi alte variante constructive: a) utilizarea de întreruptoare de joasă tensiune pe alimentarea normală prevăzute cu bobină de tensiune minimă (temporizată sau netemporizată); b) utilizarea de contactoare de curent alternativ. Variantele menţionate pot fi utilizate în instalaţii de importanţă mai redusă datorită în principal deficienţei legate de imposibilitatea asigurării unui reglaj al tensiunii minime de demaraj. Instalaţiile de AAR care asigură preluarea alimentării unei bare (sau mai multe bare) rezervate dintr-un grup electrogen trebuie să aibă în vedere în mod obligatoriu verificarea dispariţiei tensiunii atât pe bara sau barele rezervate, cât şi pe calea de rezervă. În acest fel se elimină pornirile repetate ale grupului electrogen în situaţia când dispariţia tensiunii pe bara sau barele rezervate se corectează prin alte mijloace. 3.1.2
Schimbarea stării unui întreruptor pe alimentarea normală
În foarte multe scheme de instalaţii AAR, funcţionarea AAR are loc în momentul declanşării întreruptorului alimentării normale. Constatarea stării momentane a unui întreruptor se realizează prin intermediul contactelor de semnalizare auxiliare ale întreruptorului (C.S.A). Pentru corecta înţelegere a modului de reprezentare a acestor contacte, în toate schemele de AAR (ca de altfel în toate schemele de comandă, protecţie şi semnalizare) este necesar a se face precizarea că ele sunt figurate pentru cazul întreruptorului în stare „deconectat‖. În conformitate cu prevederile PE 501/85, funcţionarea dispozitivului AAR în momentul declanşării intempestive sau prin protecţie a căii de alimentare normală va putea avea loc numai dacă tensiunea pe calea de rezervă are valoare minimă de funcţionare admisă.
27
3.1.3
Prezenţa tensiunii pe calea de rezervă
Verificarea prezenţei tensiunii pe calea de rezervă este necesară pentru funcţionarea cu succes a dispozitivului AAR. Soluţia adoptată pentru realizarea acestui deziderat îmbracă mai multe variante constructive funcţie de nivelul tensiunii barei rezervate (înaltă sau joasă tensiune), sau de schema de conexiuni a instalaţiei. Astfel, în instalaţiile de joasă tensiune, o soluţie foarte utilizată pentru verificarea prezenţei tensiunii pe calea de rezervă o reprezintă asigurarea tensiunii operative în schema de AAR din calea de rezervă. În configuraţiile cu două bare de joasă tensiune care se rezervează reciproc printr -un întreruptor de cuplă şi constituie o baretă de tensiune operativă alimentată prioritar dintr -una din barele principale. După cum rezultă din figura 3.4., în mod normal, bareta de tensiune operativă estte alimentată din bara 1 (R1). Într-adevăr, din cele două relee intermediare d141 şi d142, interblocate între ele prin contactul normal închis d141 (3-5), este excitat releul d141. Prin seria de contacte d141 (2-4) şi d142 (3-5), bareta operativă primeşte tensiunea R1. La dispariţia tensiunii pe bara 1 se dezexcită releul d141 şi în cazul existenţei tensiunii pe bara 2 se excită releul d142, astfel că prin seria de contacte d142 (2-4) şi d141 (7-9), bareta operativă primeşte tensiunea R2. În instalaţiile de înaltă tensiune, dispozitivele de AAR realizate pentru două bare care se rezervează reciproc printr -un întreruptor de cuplă (figura 3.5.) utilizează pentru verificarea existenţei tensiunii o schemă care elimină prezenţa unor relee maximale de tensiune suplimentare utilizate în acest scop. După cum rezultă din figura 3.5, prin contactele normal închise 12-13 ale releelor de tensiune minimă e101 şi e102, se alimentează bobina releului intermediar d141. În mod similar, de la contactele releelor e103 şi e104 se alimentează releul d142. În regim normal de funcţionare, 28
când există tensiune pe ambele bare rezervate 1 şi 2, releele d141 şi d142 sunt dezexcitate.
Figura 3.4. Realizarea baretei de tensiune o perativă alternativă pentru o instalaţie de AAR cu două bare ce se rezervează reciproc
La dispariţia tensiunii pe bara 1 se excită releul d141. Dacă există tensiune pe bara 2, atunci releul d142 este în continuare dezexcitat. Prin seria de contacte d141 (3-5) şi d142 (11-8) se poate dezexcita releul de timp d201 care asigură pauza AAR. Dacă nu ar fi existat tensiune pe bara de rezervă (în cazul în speţă bara 2) releul de timp d201 nu se putea excita şi dispozitivul AAR nu ar fi funcţionat. Situaţia este similară pentru cazul
dispariţiei tensiunii pe bara 2. Soluţiile prezentate mai sus prezintă dezavantajul esenţial de a nu permite o reglare independentă a valorii tensiunii pe alimentarea de rezervă la care instalaţia AAR să funcţioneze.
29
Figura 3.5. Verificarea prezenţei tensiunii într -o instalaţie AAR cu două bare ce se rezervează reciproc prin utilizarea releelor de demaraj de tensiune minimă
30
Pentru soluţia prezentată în figura 3.4 este absolut necesar ca releele intermediare d141, d142
să aibă tensiunea de acţionare superioară tensiunii minime de acţionare a aparatajului din
schema AAR (relee de timp, dispozitive de acţionare, întreruptoare etc.). în caz contrar, funcţionalitatea dispozitivului AAR va eşua prin neexecutarea comenzilor de către elementele sale componente ca urmare a tensiunii operative scăzute. Pentru soluţia prezentată în figura 3.5, valoarea minimă a tensiunii pe bara de rezervă la care instalaţia de AAR mai lucrează, corespunde valorii tensiunii de revenire a releelor de tensiune minimă. Această tensiune este posibil să nu satisfacă consumatorul, mai ales că printre receptoare se află motoare cu condiţii grele de autopornire. Pentru asigurarea unui grad sporit de siguranţă al dispozitivului AAR reclamat de exigenţe majore impuse de consumator, se va proceda la utilizarea de relee de tensiune distincte pentru măsurarea valorii tensiunii pe bara de rezervă.
3.2 Pauza de AAR
Pauza de AAR reprezintă timpul de acţionare al dispozitivului de AAR. Din punctul de vedere al timpului de funcţionare al AAR se deosebeşte:
AAR rapid;
AAR lent.
Se consideră că AAR este rapid, atunci când comutarea surselor se face la un timp suficient de scurt pentru ca diferenţa vectorială între tensiunea reziduală pe barele deconectate şi tensiunea sursei ce se anclanşează să fie mai mică de (1-1,4) U n, respectiv decalajul între cele două tensiuni să fie de maxim 60-90°. Se consideră că AAR este lent, atunci când condiţia de mai sus nu este îndeplinită, fie că se prevede temporizarea AAR. În cazul folosirii unui AAR rapid, este necesară prevederea dispozitivelor pentru controlul unghiului de defazaj.
31
AAR rapid nu va fi folosit în cazurile în care sursele ce se comută nu sunt sincrone între ele. AAR rapid va fi prevăzut şi cu un dispozitiv de temporizare care va fi introdus automat în cazul în care cuplarea rapidă nu poate fi efectuată, datorită unei creşteri prea rapide a unghiului de defazaj. În cazul AAR lent, este necesar ca, comutarea surselor să se producă la un timp în care diferenţa vectorială a tensiunilor reziduale şi a sursei ce se anclanşează să aibă o valoare minimă de (1,2-1,4) U n , ceea ce se obţine în general după minimum 0,8 s de la deconectarea sursei. În acest scop este necesar ca AAR să fie prevăzut cu un dispozitiv de temporizare sau cu un dispozitiv de control al diferenţei vectoriale a tensiunilor, ultima soluţie fiind preferabilă. Se admite folosirea AAR fără temporizare şi controlul diferenţei vectoriale a tensiunilor în cazul în care motoarele racordate nu sunt periclitate de şocul de curent ce poate să apară la cuplare, când diferenţa vectorială a celor două tensiuni este egală cu 2 U n. În cazul existenţei mai multor instalaţii de AAR în cascadă, timpii de restabilire în urma acţionării AAR trebuiesc corelaţi cu timpii maximi de lipsă a tensiunii, admişi pentru autopornirea receptoarelor ce rămân racordate la dispariţia temporară a tensiunii. Pentru situaţiile în care calea normală de alimentare este prevăzută la capătul opus cu RAR sau cu un dispozitiv AAR, acţionarea AAR pe bara asigurată se va face cu temporizare şi anume numai după ce dispozitivele de RAR sau AAR din amonte au lucrat şi nu au reuşit să menţină calea normală sub tensiune. În cazul când barele rezervate prin AAR sunt racordate grupuri sau centrale electrice de mică putere, funcţionarea AAR temporizată sau rapidă (accelerată) trebuie să realizeze separarea acestor plecări înaintea anclanşării sursei de rezervă. Pentru situaţiile când la barele de înaltă tensiune rezervate, sunt racordate baterii de condensatoare pentru îmbunătăţirea factorului de putere, se recomandă deconectarea acestora înaintea conectării sursei de rezervă. În orice caz, funcţionarea accelerată a dispozitivului AAR fără deconectarea prealabilă a bateriilor de condensatoare este contraindicată, putând duce la deteriorări ale condensatoarelor. 32
Unii consumatori preferă instalaţiile de AAR rapide în locul celor lente. În această situaţie, creşte numărul întreruperilor neselective şi scade siguranţa în alimentare a consumatorului, deoarece în mod deliberat se renunţă la posibilitatea rezolvării întreruperii în alimentarea acestuia prin funcţionarea AAR din amonte. Opţiunea are la bază necesitatea evitării golurilor de tensiune de lungă durată impuse de pauza lungă de AAR care sunt suportate cu dificultate de anumite categorii de receptoare. În cadrul dispozitivelor AAR, pauza AAR se realizează, de regulă, cu ajutorul unor relee de timp de curent continuu sau alternativ, în funcţie de natura tensiunii operative utilizate. Excitarea releului de timp are loc, de regulă, după ce în prealabil în cadrul schemei AAR sa verificat îndeplinirea condiţiilor de demaraj şi de configuraţie (dacă e cazul).
Figura 3.6. Realizarea pauzei de AAR prin utilizarea unei scheme cu condensator şi rezistenţă reglabilă
Releele de timp utlizate pot fi de tipul cu temporizare la acţionare sau cu temporizare la revenire. Releele cu temporizare la revenire se prevăd mai frecvent în schemele de pornire a grupurilor electrogene de rezervă care pregătesc aceste grupuri pentru preluarea sarcinii sau comandă reoprirea grupului dacă a avut loc reapariţia tensiunii înainte de preluarea sarcinii pe grup.
33
O variantă de schemă de AAR în instalaţii de joasă tensiune care utilizează un alt mijloc de temporizare decât releul de timp, este prezentată în figura 3.6 şi a fost realizată de firma ELIN (Austria). După cum rezultă din figura 3.6, bobina de tensiune minimă a întreruptorului este alimentată în curent continuu printr-un redresor trifazat racordat în paralel cu un condensator C serie cu un potenţiometru R. În momentul dispariţiei tensiunii, condensatorul C menţine, timp de câteva secunde la bornele bobinei de tensiune minimă a întreruptorului, o tensiune superioară tensiunii de revenire. Timpul scurs din momentul dispariţiei tensiunii şi până la declanşarea întreruptorului este tocmai pauza de AAR şi el poate fi reglat convenabil cu ajutorul potenţiometrului R. Pentru declanşarea manuală prin butonul BD sau declanşarea prin protecţie (releele termice Rt ),
să nu se producă cu temporizare, contactele respective scot condensatorul C din circuitul
bobinei de tensiune minimă. Schema este prevăzută cu butonul B care permite verificarea periodică a funcţionalităţii circuitului de temporizare. Apăsând butonul B se întrerupe tensiunea provenind din redresor, bobina de tensiune minimă a întreruptorului rămânând alimentată numai din condensatorul C. Se reproduce în acest fel situaţia din momentul dispariţiei tensiunii pe alimentarea barei rezervate. Nu se recomandă realizarea unor astfel de instalaţii de AAR cu mijloace locale, deoarece sunt preferabile alte variante constructive mai fiabile.
34
CAPITOLUL IV Implementarea instalaţiilor de AAR cu ajutorul automatelor programabile (AP) 4.1. Rolul şi locul automatelor programabile
Există dispozitive de AAR mecanice și electrice. Cele mecanice folosesc energia înmagazinată în resoarte comprimate sau greutăți ridicate cu servomotor comandat, iar cele electrice pot fi de tip convențional (cu relee) sau cu microprocesoare și automate programabile (AP). Dintre toate categoriile de dispozitive de AAR, soluţia modernă o reprezintă utilizarea automatelor programabile implementate î n structura instalaţiilor electrice. Sistemele automate de control a proceselor sunt un conglomerat de dispozitive electronice care conferă stabilitate, acurateţe şi performanţă. Sistemele de operare pot avea diverse forme de implementare pornind de la surse de alimentare şi până la maşini. Fiind un rezultat rapid a progresului tehnologic, cele mai complexe operaţii au fost rezolvate prin conectarea în sistem a unor automate programabile şi unităţi centrale de proces. Aceste automate programabile (PLC - Programabille Logic Controller), aşa cum le voi denumi în continuare, pe lângă conexiunile cu instrumentele de măsură şi senzorii din procesul de automatizare, va trebui să permită comanda î ntregului proces şi ceea ce este şi important, să comunice operatorului stările procesului prin semnale vizuale şi sunet şi/sau printr -o reţea de comunicaţie la un computer local. Aceste caracteristici permit exploatarea automatizăr ii la un înalt grad de flexibilitate, prin schimbarea şi monitorizarea mult mai comodă a parametrilor de bază a procesului. Fiecare componentă din sistemul de control a procesului joacă un anumit rol, în concordanţă cu importanţa sa. Spre exemplu, fără niciun senzor, PLC-urile nu ar putea ştii modul de variaţie în timp a parametrilor principali ai procesului (consideraţi parametri de intrare). În sistemele automate, PLC-urile sunt partea centrală a sistemului de control sau a automatizării.
35
Figura 4.1. Locul automatelor programabile într-un sistem SCADA
Prin executarea programului înregistrat în memorie, PLCPLC-ul ul monitorizează în mod continuu stările sistemului prin recepţia semnalelor de la dispozitivele de intrare (senzori). Pe baza logicii implementate în program PLCPLC-ul ul determină ce acţiune trebuie executată pentru a comanda comanda un instrument. Pentru a comanda mai multe procese simultan este posibil să conectăm mai multe PLC-uri PLC-uri la o unitate centrală (un calculator). Un astfel de sistem este prezentat în fig.4.1. Figura 4.2. Panou de automatizare modern
Odată
cu
invenţia
automatului
programabil, s-au schimbat foarte multe în proiectarea sistemelor de control automate. Au apărut mai multe avantaje. Spre exemplu, în fig.4.2 este prezentat un panou modern de automatizare cu automat programabil (PLC).
36
Avantajele panourilor de automatizare cu automate programabile se pot prezenta în câteva subpuncte:
În comparaţie cu un panou de automatizare clasic, numărul necesar de conductoare este redus cu cel puţin 50%; 50%;
Consumul este foarte mult redus deoarece PLC-ul consumă consumă mult mai puţin decât releele din panoul de automatizare convenţional;
Funcţia de detectare a erorilor din automatul programabil este foarte rapidă şi foarte uşor de utilizat;
oces la proces Schimbarea secvenţelor de operare din cadrul aplicaţiei este diferită de la pr oces şi poate fi făcută foarte uşor înlocuind sau modificând programul scris în automatul programabil cu ajutorul unui PC (această (această acţiune nu necesită schimbarea conductoarelor sau recablarea panoului de automatizare – aşa cum se întâmpla la panourile panourile de automatizare clasice – ci se rezumă doar la interconectarea dispozitivelor necesare la intrarile şi/sau ieşirile PLC-ului); PLC -ului);
Panourile de automatizare cu PLC necesită câteva piese de schimb;
tizare clasic, deoarece fiind Este mult mai ieftin în comparaţie cu un sistem de automa automatizare dotat cu un număr larg de intrări intrări--ieşiri, se poate conecta un număr mare de periferice atunci când se doreşte realizarea unor funcţii complexe;
Repunerea în funcţie a unui PLC se face mult mai repede şi uşor decât orice releu electromecanic sau de timp.
Dintre dezavantajele lucrului cu automate programabile putem menţiona:
aplicaţii “fixe”: unele aplicatii nu au nevoie de automat programabil datorită gradului
rii unui automat foarte mic de complexitate neexistând astfel necesitatea achiziționă achiziționării programabil relativ sofisticat;
probleme de mediu: în
unele medii există temperaturi ridicate sau alte condiții care
pot duce la deteriorarea automatelor programabile astfel că acestea sunt greu sau chiar imposibil de utilizat;
37
dacă nu apar schimbări în cadrul procesului de multe ori funcţionare “fixă”: dacă folosirea automatului poate fi mai costisitoare.
4.2. Proiectarea automatelor cu stări finite în logica cablată şi logica
programată Sistemele de conducere cu stări finite pot fi reprezentate în logică cablată sau în logică programată. Sistemele realizate în realizate în logică cablată se caracterizează prin: -
funcţia realizată depinde de conexiunea dintre module, deci de cablaj;
-
orice modificare a funcţiei realizată de sistemul de conducere condu cere necesită modificări hardware. O abordare fundamentală fundamentală deosebită de sinteză a sistemelor de conducere cu stări finite se numeşte logică programată. În această categorie intră toate sistemele ce funcţionează pe baza unui program înscris într-o memorie. Sistemele care operea operează ză pe bază de program sunt universale, universale, în sensul că pot implementa orice funcţii fără a necesita modificări de hardware. În a acest caz pentru fiecare temă de proiectare activitatea constă în programarea memoriei sistemului. Sistemele care lucrează pe bază de program conţin:
-
unitatea centrală care execută instrucţiunile programului;
-
memorie în care se păstrează programul;
-
circuite de interfaţă cu ajutorul cărora sistemul de conducere comunică co munică cu procesul. Etapele procesului de proiectare a sistemelor de conducere
Deşi logica programată se extinde tot mai mult în raport cu logica cablată, fiecare dintre ele prezintă avantaje şi dezavantaje, astfel alegerea lor nu este una uşoară. Sistemele de logică programată pot rezolva probleme de mare complexitate pentru care se prelucrează un volum mare de date cu algoritmi complecşi. Sistemele în logică cablată permit obţinerea vitezei maxime de răspuns. Acolo unde apar ambele cerinţe se pot realiza sisteme mixte care să conţină atât parte de logică programată , cât şi parte logică cablată.
38
Etapele proiectării unui astfel de sistem pot fi reprezentate in diagrama următoare:
START Definirea problemei. Divizarea sistemului în logică cablată şi în logică
Partajarea blocurilor.
Alegerea configuraţiei sistemului.
Sinteza blocurilor cu logică cablată.
Proiectare program.
Implementarea cu circuite logice.
Scrierea programului sursă.
Testarea blocurilor componente.
Asamblarea programului.
Testarea programului. nu
Lucrează corect?
Testare prototip.
da nu
Satisface performanţele impuse?
nu
Lucrează corect?
nu
Este corect?
da
da
da
Proiectare produs final
Înscrie programul în PROM. Elaborarea documentaţiei.
39
La proiectarea şi realizarea sistemelor în logică programată se parcurg etapele: 1. Alegerea configuraţiei microcalculatorului, care se va face pe baza analizei de sistem. În această etapă se determină numărul porturilor de intrare şi a celor de ieşire, numărul dispozitivelor de transmisie a informaţiilor, capacitatea memoriei, tipul şi numărul dispozitivelor de interfaţă cu procesul. Tot în această fază se face o analiză preliminară a performanţelor sistemului şi a măsurilor speciale care se iau în vedere în obţinerea acestora. 2. Proiectarea programului, ce constă într-o descriere schematică a operaţiilor pe care sistemul de calcul trebuie să le execute pentru a rezolva sarcinile ce-i revin. 3. Scrierea programului sursă se face în limbaj de asamblare sau în limbaj de asamblare superior. 4. Asamblarea programului – fază executată automat într -un sistem de calcul şi are drept rezultat obţinerea programului în cod maşină. 5. Testarea programului este o f ază ce are drept scop asigurarea că programul execută corect sarcinile ce i-au fost impuse. Ciclul de scriere, asamblare şi testare a programului se parcurge de obicei de mai multe ori până la obţinerea unui program în cod maşină care funcţionează corect. În final trebuie verificat dacă programul scris satisface perfomanţele impuse prin tema de proiectare. Se verifică îndeosebi viteza de răspuns a sistemului. Dacă sistemul nu corespunde, în anumite condiţii, cerinţelor impuse, se î ncearcă optimizarea sistemului. Dacă nici în această situaţie nu se obţin rezultatele dorite, se reia analiza sistemului şi se determină ce sarcini ale sistemului în logică programată pot fi relativ uşor rezolvate în logica cablată.
4.3. Strategii şi metode de abordare a proiectării şi realizării unui AAR
Finalizarea unui produs informatic implică parcurgerea a două activităţi majore: o activitate de concepţie sau concepere (sinonimă, în parte, cu noţiunea de proiectare) şi o activitate de realizare. Înainte de a examina aspectele legate de conţinutul procesului de concepţie şi realizare a unui produs tehnic, în particular a unui produs informatic, vom face câteva precizări absolut necesare legate de partea procedurală (formală) a produsului de concepere. 40
Încă din antichitate s-au centralizat două modalităţi logice de gândire, două dialectici: o dialecticaă ascendentă (modalitate bottom-up), prin care se formează conceptele, şi o dialectică descendentă (modalitate top-down) sau operaţia de diviziune logică a conceptelor. Unirea celor două modalităţi într-un singur complex, complexul top-down-bottom-up, poate fi reprezentat schematic în fig. 4.3.
CONCEPT Dialectică
Dialectică
descendentă
ascendentă
SET DE OBIECTE
SET DE OBIECTE
ABSTRACTE
NATURALE Fig. 4.3. Complexul top-down-botom-up
Se poate constata că într-o primă etapă are loc un proces de abstractizare; punctul de plecare este reprezentat de un set de obiecte naturale, punctul terminus fiind un obiect abstract, conceptul. Urmează o a doua etapă în care, pornindu-se de la concept, printr-un proces de divizare, se ajunge la identificarea unui set de obiecte abstracte care reprezintă "oglinda" setului de obiecte naturale. Această a doua etapă nu are o finalitate practică imediată, fiind doar un proces de adâncire a cunoaşterii. Aplicarea complexului top-down-bottom-up la obţinerea produselor informatice, a produselor tehnice în general, este schiţată în fig. 4.4., cu precizarea că obiectul abstract, conceptul, se consideră ca existent apriori, nef ăcându-se precizări asupra modului în care s-a ajuns la obţinerea acestui obiect.
Modul de identificare a setului de obiecte artificiale este un proces top-down, care în situaţia de faţă nu mai este o etapă f ără finalitate, un proces contemplativ, din contră, este un proces activ prin care sunt create obiecte artificiale analoage cu cele naturale.
41
Menţionăm o etapizare care ne conduce de fapt de la concept la produsul informatic, etapizare pe care o admitem ca o ipoteză de lucru:
tema de proiectare (realizare, determinarea utilizării) căreia îi corespunde în practica curentă: studiul preliminar, studiul de fezabilitate, studiul tehnicoeconomic, etc.
proiectarea logică de ansamblu şi detaliu - proiectare logică - prin care se determină cerinţele şi restricţiile logic-funcţionale globale, respectiv de detaliu, acţiune finalizată în modelul logic.
proiectare tehnică de ansamblu şi detaliu - proiectare tehnică sau de execuţie determină cerinţele şi restricţiile tehnice globale, respectiv de realizare de detaliu, finalizare modelul tehnic.
realizare produs.
Nu s-au amintit în contextul acestui capitol etapele de testare omologare, exploatare, întreţinere, etc. Problema care se ridică într-o analiză de sistem, în general în domeniul creativităţii tehnice, constă în faptul că, deşi literatura de specialitate consemnează o serie de metode şi tehnici pentru obţinerea mai intâi sub forma abstractă a modelului logic, apoi a modelului tehnic şi în cele din urmă pentru realizarea fizică a acestui produs, totuşi aceste metode şi tehnici nu pot fi general valabile. Ele sunt particularizate în funcţie de experienţa dobândită de către analistul de sistem în funcţie de calităţile acestuia, cum ar fi: puterea de analiză şi sinteză, spiritul de abstractizare, creativitatea, etc. Având în vedere afirmaţiile de mai sus, metodele şi tehnicile, precum şi etapizările în procesul de elaborare o unui produs informatic, le consider orientative, proiectantul urmând a le adopta în funcţie de complexitatea problemei abordate, de cerinţele beneficiarului, resursele disponibile, etc. 4.3.1 Strategii de concepere
Dacă se priveşte acest proces de concepere prin prisma celui care elaborează produsul informatic, estimează şi utilitatea sa, putem distinge următoarele tipuri de strategii de concepere: strategia ameliorativă, strategia inovatoare şi strategia adaptivă. Strategia adaptivă a fost adoptată în acest proiect. Introducerea unui sistem informatic sau
produs program nu trebuie să introducă perturbaţii importante în cadrul sistemului obiect prin schimbări drastice: noua aplicaţie informatică trebuie să răspundă atât cerinţelor informaţionale 42
actuale imediate, cât şi celor de perspectivă ale sistemului obiect, acest lucru realizându-se printro adaptare flexibilă. Strategia adaptivă se caracterizează prin aceea că noua aplicaţie informatică trebuie să se adapteze foarte uşor la schimbările posibile, nefundamentale însă, ale sistemului obiect, deci la cerinţele informaţionale în evoluţie. Ea s-a dezvoltat pe baza experienţei câştigate în aplicarea strategiei inovatoare, în special, pe baza eşecurilor de aplicare a acestora din urmă. Daca strategia inovatoare urmăreşte să producă, odată cu introducerea noii aplicaţii informatice, şi modificări în sistemul obiect, strategia adaptivă îşi propune să faciliteze doar anumite schimbări ale sistemului obiect, să adapteze uşor la aceste schimbări aplicaţia informatică, dar nu numai la acestea, ci şi la alte schimbări ce se pot ivi pe parcurs. Această strategie poate fi aplicată în următoarea etapizare: - cunoaşterea sistemului obiect în ansamblul său pentru a se putea determina cerinţele informaţionale globale. În acest fel se poate structura aplicaţia informatică pe un prim nivel, punându-se în evidenţă interfaţa cu sistemul obiect (* Etapa aceasta permite sugerarea, nu impunerea unor schimbări la nivel global ce se pot realiza odată cu implementarea aplicaţiei informatice). - prin detalierea cerinţelor informaţionale ale sistemului obiect se poate trece şi la o detaliere succesivă ale componentelor de pe primul nivel ale aplicaţiei informatice (sistem informatic sau produs program) până la punerea în evidenţă a componentelor primitive. Acest lucru permite o regândire a structurii primului nivel, reajustări minore, pentru a evita incompatibilităţile ce ar rezulta la asamblarea componentelor realizate individual. - construirea pe subsisteme a aplicaţiei informatice, prioritate acordându-se, ca şi în cazul precedent, bazei de date. - exploatarea şi întreţinerea aplicaţiei informatice, aplicaţie ce poate intra în funcţiune eşalonat. Etapa aceasta durează până la apariţia unor schimbări în sistemul obiect. De remarcat este faptul că aceste schimbări nu afectează substanţial baza de date. - modificări sau/ şi realizări de noi componente, diferite de baza de date, în funcţie de noile cerinţe informaţionale ale sistemului obiect. Strategiile adaptive prezintă deci o serie de avantaje evidente, cum ar fi: - realizarea de aplicaţii informatice cu flexibilitate ridicată, deci cu longevitate mare, fapt ce conduce la amortizarea integrală a investiţiei şi la obţinerea de beneficii; 43
- aplicaţia informaţională prezintă un grad ridicat de integrare internă prin date, ceea ce conduce la performanţe ridicate în exploatare; - nu necesită personal de înaltă calificare, în special informaticieni cu bogată experienţă în exploatarea unor sisteme obiect de tipul celui studiat; - utilizatorul se familiarizează cu noua aplicaţie informatică ca urmare a intrării eşalonate în funcţiune a acestuia; - integrarea şi acceptarea uşoară a aplicaţiei în (şi de către) sistemul obiect. Dintre puţinele dezavantaje ale strategiei adaptive menţionăm pe aceea care constă în necesitatea ca baza de date a aplicaţiei să fie realizată de un grup restrâns de specialişti cu înaltă clasă de profesionalism, cu capacitate mare de analiză şi sinteză. Strategiile adaptive î şi dovedesc aplicabilitatea, în special, la conceperea unor sisteme informatice. 4.3.2 Strategii de realizare
Pe baza identificării şi specificării cerinţelor informaţionale, de performanţă şi de calitate ale produsului informatic şi având în vedere o posibilă soluţie tehnică de aplicat, există două strategii de realizare a unui produs informatic: - strategia clasică; - strategia prototipizării. Selectarea strategiilor de realizare se poate face, orientativ, urmărind criteriile de alegere din tabelul 4.1. Strategia prototipizarii,
folosită în acest proiect, este o strategie de structurare a
procesului de realizare a unui produs informatic care presupune respectarea următoarelor principii: - desfăşurarea procesului de realizare prin construirea uneia sau mai multor prototipuri parţiale, care sunt de fapt modele ale viitorului produs informatic, extinse doar la un set semnificativ de funcţiuni/ facilităţi ale acestuia: de obicei se iau în considerare funcţiuni/ facilităţi critice (care se caracterizează prin aceea că dacă nu sunt realizate corect afectează puternic funcţionalitatea întregului produs informatic);
44
Tabelul 4.1. Selectarea strategiilor de realizare Criterii pentru selectarea unei strategii
Strategia clasică
1
2
3
Noutatea domeniului / problemelor supuse informatizării în raport cu domenii / probleme deja informatizate
mică
mare
Gradul de previzibilitate a acţiunilor / deciziilor de identificat şi / sau modelat Complexitatea acţiunilor / deciziilor de identificat şi / sau modelat Gradul de integrare a componentelor (software / hardware) ale produsului informatic Gradul de familiarizare a utilizatorului final cu folosirea tehnicii de calcul Efortul pentru stabilirea soluţiei
mare
mic
mică
mare
mare
mediu/mic
mare
mic
mic
mare
Gradul de familiarizare al echipei realizatoare cu sistemul obiect Experienţa echipei în realizarea de produse informatice similare Existenţa condiţiilor de experimentare prototip
mare
mic
mare
mică
nu
da
Gradul de fiabilitate, flexibilitate, eficacitate, portabilitate a produsului informatic
înalt
scăzut
Strategia
prototipizării
- realizarea prototipului produsului final în urma experimentării şi/ sau dezvoltării prototipurilor parţiale; - definitivarea produsului informatic final în urma experimentării prototipului său. Trebuie menţionat de la bun î nceput că în funcţie de complexitatea produsului informatic pot exista unul sau mai multe prototipuri parţiale, disjuncte funcţional, pentru acelaşi produs informatic. În general prototipul parţial sau echipamentul (dispozitivul) pilot trebuie să fie un model al comportării produsului final, produs care să fie realizat rapid, f ără cheltuieli mari pentru a fi dat cât mai repede în exploatarea utilizatorului. Exploatarea prototipului parţial de către utilizator permite precizarea cerinţelor sau stabilirea soluţiilor reale şi complete pentru produsul informatic final. 45
Utilizatorii prototipului parţial pot fi: - utilizatorii finali ai produsului informatic, care în acest fel î şi pot preciza şi definitiva cerinţele faţă de produsul informatic. - cei care elaborează produsul informatic pentru a alege soluţiile cele mai eficiente pentru realizarea acestuia. Realizarea de prototopuri parţiale se recomandă în următoarele două situaţii: - pentru precizarea şi definirea cerinţelor faţă de produsul informatic; - pentru alegerea soluţiei de elaborare a produsului informatic. Dupa realizare, produsul informatic este pus în funcţiune (integral sau componentă cu componentă), experimentat, iar după acceptare, omologarea lui intră în exploatare/ utilizare curentă. Principalele obiective ale acestei strategii sunt: - diminuarea numărului de modificări din categoria celor cauzate de proaste definiri sau înţelegeri a cerinţelor sau soluţiilor necesare de operat după livrarea produsului informatic; - folosirea prototipului parţial pentru ca utilizatorul să obţină experienţă în folosirea tehnicii de calcul şi în stabilirea totodată a unor cerinţe de utilizare mai elaborate (mai rafinate). Odată folosit ca experienţă, prototipul parţial poate fi abandonat sau convertit în produsul informatic dorit sau în prototipul final. O organigramă generală a strategiei prototipizării este prezentată în fig. 4.5. 4.3.3. Metode de realizare
Metodele de realizare folosite în mod frecvent sunt:
metoda "TOP-DOWN",
metoda "OUTSIDE-IN",
metoda "INSIDE-OUT",
metoda "BOTTOM-UP",
metoda "MOST-CRITICAL-COMPONENT-FIRST",
metoda MIXTĂ.
46
Fig. 4.5. Organigrama generală a strategiei prototipiz ării
Elaborare temă de realizare Proiectare Elaborare programe (prototip parţial)
Control
Testare (prototip parţial)
Control
„abandonare‖
„convertire‖ prototip parţial
Elaborare programe
Control
Integrare şi testare
Control
47
Realizarea produselor informatice prin metoda clasică
Metoda "TOP-DOWN"
Realizarea produselor informatice este abordată pornind de la produsul considerat în ansamblul sau către fiecare componentă în parte. Produsul informatic sau componentele sale sunt descompuse pe niveluri de structurare de sus în jos din treaptă în treaptă, din aproape în aproape. Metoda top-down este folosită atât la proiectarea produselor informatice, cât şi la elaborarea strategiilor de testare (specificaţia de testare). În ceea ce priveşte testarea, metoda top-down implică utilizarea de module fictive pentru a simula efectul rutinelor aflate pe un nivel imediat inferior nivelului testat. Testarea prin această metodă permite o minimizare a efortului de testare a sistemului, precum şi posibilitatea localizării erorilor. Principial, strategia top-down presupune parcurgerea următoarelor etape principale: - analiza obiectivelor generale şi specifice sistemului obiect , restricţiilor şi a relaţiilor cu mediu; - identificarea activităţ ilor principale desf ăşurate în cadrul sistemului obiect şi a legăturilor dintre acestea; - identificarea pe fiecare nivel de conducere a principalelor decizii şi ac ţ iuni, a timpilor de informaţii necesare pentru fiecare decizie şi acţiune la nivelul fiecărei activităţi sau grupuri de activităţi (funcţiuni); - definirea modelului de ansamblu al sistemului informatic; - descompunerea pe subsisteme sau module funcţionale, definirea deciziilor şi a cerinţelor de informaţii şi definirea interfeţelor dintre aceste componente; - stabilirea priorităţ ilor în ceea ce priveşte baza de date a subsistemelor.
Metoda prezintă o serie de avantaje:
există posibilitatea de definire a obiectivelor generale ale sistemului informatic şi a celor specifice subsistemelor de o manieră care să conducă la o planificare a resurselor şi la un control riguros al proiectului;
produsul informatic prezintă un înalt grad de integrare, ceea ce asigură o creştere a utilităţii sistemului cât şi performanţe superioare în exploatare;
48
se evită într-o mare masură reproiectările succesive (de genul celor determinate de strategia evolutivă) datorită definirii din primele etape a obiectivelor, funcţiunilor şi a interfeţelor.
Dar există şi o serie de dezavantaje:
definirea modelului de ansamblu presupune o cunoaştere exactă a sistemului obiect, atât din punct de vedere static, cât şi dinamic, precum şi subsistemele constituente şi a relaţiilor între ele: descompunerea în subsisteme este etapa cea mai dificilă;
metoda presupune o creştere a timpului de realizare, după care utilizatorul va putea beneficia de produsul informatic.
Metoda "BOTTOM-UP" (evolutivă sau
ascendentă)
Induce o ordine de abordare a produselor informatice pornind de la componente de nivel inferior spre cele de nivel superior, ajungând în final la întregul produs informatic. Componentele de pe nivelul de bază sunt agregate succesiv de jos în sus. Realizarea unui nivel de agregare implică şi o integrare a componentelor/ modulelor de nivel inferior, agregarea fiind considerată terminată când se obţine o unică componentă la acel nivel. Obţinerea întregului produs informatic se obţine printr-o procedură iterativă. Această metodă asistă proiectarea dublată de precizarea strategiei de testare a produsului informatic. Strategia de testare în această situaţie este o strategie ascendentă. Ea constă în testarea modulelor şi subsistemelor prin simulare iterativă. Metoda se aplică la proiectarea şi elaborarea programelor, precum şi la integrarea şi testarea produsului informatic. Strategia bottom-up este parcursă, principial, în următoarele etape: -
se realizează aplicaţii independente, cu fişiere independente, aplicaţii legate de anumite
activităţi; - integrarea fişierelor între care există legături logice într -o bază unică de date, cu un sistem
adecvat de gestiune a bazei de date care să realizeze gestionarea şi controlul centralizat al datelor; se pot realiza noi facilităţi pentru interogarea bazei de date; -
conceperea şi adăugarea unor module sau proceduri noi de decizie şi planificare, necesar
nivelului conducerii tactice (se iau în considerare numai informaţiile din baza de date concepută mai sus);
49
-
diversificarea modelelor de decizie şi planificare incluse în sistem şi extinderea bazei de
date care să cuprindă şi informaţiile necesare noilor modele concepute; -
abordarea nivelului conducerii strategice, atât prin conceperea de module sau proceduri
de decizie şi planificare destinate acestui nivel, cât şi prin refolosirea celor deja existente: noile cerinţe informaţionale determină extinderea bazei de date sau crearea uneia noi destinată acestui nivel. Avantajele acestei strategii sunt:
dezvoltarea treptată a sistemului în corelaţie cu cerinţele utilizatorului ce pot fi determinate mai uşor şi mai precis;
extinderile se pot face după o analiză mai atentă, cu luarea în considerare a tuturor implicaţiilor;
acomodarea mai uşoară a utilizatorului cu noul sistem, cu implicaţiile lui, el putând beneficia mai rapid de primele rezultate: creşte şi gradul de participare a utilizatorului în realizarea produsului;
acomodarea corespunzătoare şi a echipei de analişti cu problematica unităţii utilizatoare;
se reduce riscul unui sistem de amploare care la punerea în funcţiune se dovedeşte neoperativ.
Dintre dezavantajele metodei menţionăm:
gradul de integrare şi performanţele mai reduse ca urmare a lipsei iniţiale a concepţiei de ansamblu asupra obiectivelor şi funcţiunilor sistemului în forma finală;
fiecare pas nou, fiecare funcţie nouă, conduce la reproiectarea aplicaţiei deja elaborate la pasul anterior, ceea ce duce la eforturi şi costuri suplimentare;
durata mare a ciclului de realizare, face să nu se poată face decât o evaluare globală a duratelor de realizare a întregului sistem şi la necorelări sau nesincronizări în echipa de proiectare dacă componenta sa se modifică pe parcurs.
Observatie:
Metodele de realizare cele mai des folosite î n practică sunt top-down, bottom-up sau combinaţii ale acestora. 50
CAPITOLUL V
Studiu de caz: AAR la o linie de rezervă Prezentarea pachetului Simatic S7-300
Automatele programabile (AP, PLC) sunt echipamente electronice destinate realizării instalaţilor de comandă secvenţiale în logica programată. Din punct de vedere al complexităţii automatele programabile sunt situate între echipamentele clasice cu contacte sau cu comutaţie statică, ale instalaţiilor de comandă şi calculatoarelor electronice. Utilizând o logică programată, circuite logice integrate şi elemente semiconductoare de putere, automatele programabile, în comparaţie cu sistemele logice secvenţiale, bazate pe logica cablată prezintă avantajele: - gabarit redus; - consum redus de energie electrică; - facilităţi la punerea în funcţiune; - fiabilitate ridicată; - consum redus de conductoare de conexiuni şi de cablaj; - reducerea ciclului proiectare, execuţie şi punere în funcţiune prin posibilitatea
supravegherii unor faze. Primul pas în rezolvarea unei aplicaţii este definirea acesteia. Ajutându-se de câteva întrebări, figura următoare oferă o imagine de ansamblu asupra procedurii de rezolvare a unui task. Ce proces se doreşte a fi controlat? Ce cerinţe trebuie să îndeplinească procesul? Ce măsuri de siguranţă trebuiesc luate ?
Ce alte măsuri trebuie aplicate? De ce adrese este nevoie pentru îndeplinirea task-ului? 51
Structura şi funcţionalitatea PLC-ului
Componentele automatelor ce necesită o programare sunt: elemente de control logic, funcţii de stocare, numărătoare, ceasuri. Diferenţele dintre PLC-uri rezultă din diferenţele dintre următoarele: - Intrări şi ieşiri - Zone de memorie - Numărătoare - Ceasuri - Funcţii de memorare - Funcţii speciale - Viteze de operare - Tipuri de limbaje de programare
Sistemele de control de dimensiuni mari sunt rezultatul combinaţiilor modulare ale unor componente individuale în funcţie de aplicaţie şi cerinţe. Rezultatul este exprimat printr-o mare flexibilitate cu posibilitate de extensie şi conversie. Pentru a acoperi şi aplicaţii cu cerinţe minime se oferă sisteme de control ce sunt echipate cu un număr flexibil de intrări şi ieşiri.
Un automat programabil operează în interacţiune cu: • Senzori (întrerupătoare, bariere de lumină) • Elemente de acţionare (motoare de frecvenţă)
52
Un automat programabil este compus din următoarele elemente de bază: Componenta
Func ţie
Şina
Funcţionează ca un element de montare pentru S7-300
Sursa de tensiune (power suply)
Converteşte curentul din 120/230 V c.a. în 24 V c.c. (tensiunea de operare a lui S7300)
CPU (central processing unit) Opţional poate conţine şi o baterie de rezervă
Execută programele utilizatorului: comunică prin intermediul cablului MPI (interfaţa multiport) cu alte calculatoare ori cu dispozitivul de programare/PC
Cablu MPI
Interfaţa de legătură dintre modulul de programare/PC şi CPU Configurare, atribuire de parametri, execuţie de programe şi testare pe automatul programabil S7-300
Consola de programare (PG) cu slot pentru MPI şi soft STEP7 preinstalat Calculator cu o interfaţă MPI şi cu soft STEP 7 instalat
Configurare, atribuire de parametri, execuţie de programe şi testare pe automatul programabil S7-300
53
Figura
Figura 6.1. Modul de operare al automatului programabil Modul de operare al AP-ului
În prima etapă se citesc toate intrările înregistrate. În urma acestui proces se realizează o aşa numită ―imagine a procesului‖. După aceasta procesul se va executa pas cu pas. După ultima instrucţiune ―imaginea procesului‖ este transferată către ieşiri, urmând ca procesul să fie executat de la început. Acest tip de procesare este numită ―procesare ciclică‖.
Citeşte „Imaginea intrărilor în proces‖
Executarea programului Instrucţiunea 1
Instrucţiunea n
Transferă „Imaginea ieşirilor în proces‖
54
Structura proiectului
STEP 7 reprezintă softul de programare pentru SIMATIC S7, deci şi pentru S7-300. Step 7 oferă întregul suport pentru configurare, programare, atribuirea parametrilor pentru S7 – 300. Acest soft oferă un sprijin efectiv în rezolvarea unei probleme date. Softul se porneşte foarte uşor printr-un dublu clic pe iconiţa de Simatic Manager. Rezultat: Se va deschide fereastra pentru un nou proiect al lui Simatic Manager.
Simatic Manager este interfaţa de programare cu STEP 7. Acesta ne oferă o reprezentare ierarhică a tuturor obiectelor dintr-un proiect, făcând astfel posibil accesul la toate funcţiile necesare rezolvării unui task în automatizare. Pornind de la Simatic Manager putem: • configura şi atribui parametrilor lui S7-300. • programa automatul S7-300.
55
Pentru a putea oferii soluţii de automatizare trebuiesc stabilite următoarele informaţii de bază: • Ce obiecte ne sunt necesare pentru a lucra cu Step 7? • Cum se poate lucra cu aceste obiecte? În tabelul de mai jos sunt prezentate obiectele cu care lucrează Step 7.
Simbol
Obiect
Descriere
Subordonat
Proiect
Intrarea tuturor datelor şi programelor a unei soluţii automate. O instalaţie hard cu unul sau mai multe module programabile. Un modul programabil (CPU).
Se găseşte în vârful ierarhiei de obiecte.
Program S7
Conţine blocuri şi fişiere sursă.
Modul Programabil sau proiect
Blocuri
Conţine programele folosite de utilizator.
Programe S7
Bloc (offline) Bloc(online)
Pot fi, de exemplu, blocuri logice (OB şi FC)
Blocuri
Staţie 300 Simatic Modul Programabil
Proiect
Staţie 300 Simatic
Crearea de obiecte: Puteti crea obiecte precum proiecte urmând comanda File -> New. Aceste obiecte pot conţine la rândul lor altele precum programe sau blocuri. Ele se pot atribui proiectului prin comanda Insert din meniu. Blocurile nu mai pot conţine alte obiecte. Primul lucru cerut la deschiderea unui bloc este atribuirea unui limbaj pentru editarea conţinutului blocului respectiv.
56
Un proiect conţine intreaga bază de date pentru soluţia de automatizare a unui task. Crearea unui proiect sau a structurii proiectului este un lucru esenţial în folosirea lui Step 7. Figura următoare indică structura unui proiect:
Crearea unui nou proiect
1. Se deschide Simatic Manager apăsând dublu click pe iconiţa de pe Desktop. 2. Din meniu programului se dă clic pe comanda FILE -> New -> Project în Simatic Manager sau pe iconiţa reprezentativă din bara de unelte. 3. În următoarea căsuţă de dialog se introduce numele proiectului, î n cazul nostru ―Proiect AAR‖ şi se dă clic pe OK pentru crearea unui nou proiect. 4. Adăugarea unei staţii la un proiect existent, deschis, se realizează fie din meniu, prin comanda Insert-> Hardware-> Simatic 300 Station, fie printr-un clic pe semnul ―+‖ din faţa proiectului dacă staţia nu este afişată.
57
Configurarea hardware
Configurarea reprezintă aranjarea modulelor într-un tabel. Modulele se aranjează pe un stativ folosind STEP 7, exact ca în sistemul real. Modulele se selectează dintr -un catalog electronic şi apoi se introduc în poziţia corespunzătoare din tabelul de configurare. Stativul din tabelul de configurare trebuie să corespundă celui real. Step 7 atribuie adrese fiecărui modul din tabelul de configurare. Atribuirea presupune stabilirea caracteristicilor şi comportamentului modulelor. Anterior descărcării unei noi configuraţii, trebuie mai întâi efectuată o resetare a CPU-ului, pentru a ne asigura că nu există alte blocuri vechi în memoria acestuia. Procedura de bază pentru configurarea şi atribuirea parametrilor este prezentată în figura de mai jos: Resetarea memoriei CPU-ului Confi urarea i atribuirea arametrilor CPU-ului Salvarea tabelului de confi urare Descărcarea confi ura iei în S7-300
58
În continuare se vor indica paşii ce urmează să fie parcurşi pentru a configura hardware a automatul programabil: a. Pe staţia SIMATIC 300 se execută dublu click pe simbolul ―Hardware‖ pentru a deschide programul de configurare HW. b. Se foloseşte meniul ―View/Catalog‖ pentru a deschide catalogul hardware. c. Meniul ―Profil‖ poate fi folosit pentru a seta catalogul hardware individuale. În structura arborescentă se pot selecta componentele pentru configurarea şi parametrizarea lui Step 7. Componentele de acelaşi fel sunt combinate în aceleaşi fişiere pentru a obţine o structură bine definită ierarhic în această secţiune. Componentele sunt indicate printr-un acronim (ex: CPU). Modulul corect se aleg folosind numărul versiunii. d. Se deschide fişierul ―Simatic 300‖ aflat în partea dreaptă a ecranului în catalogul hardware. e. Se deschide subfişierul ―Rack‖ şi se face dublu click pe intrarea ―Mounting rail‖. Această componentă se poate adauga şi prin operaţiunea drag-and-drop în aria de lucru a HW Config.
59
f. Din catalogul hardware se selectează modulele folosite cu Simatic 300:
Sursa de tensiune (PS 307 2A)
CPU (313C)
Rezultatul acestei operaţii va fi apariţia modulelor selectate în liniile corespunzătoare tabelului de configurare. Obs: Tabelul de configurare trebuie să fie completat în conformitate cu configurarea hardware a lui S7-300. Poziţia corespunzătoare în tabelul de configurare este dată de numerotarea modulelor pe şină. În figura următoare este prezentat un exemplu de tabel de configurare:
Crearea programului
Programarea automatului se realizează foarte uşor prin crearea unui program care se descarcă în CPU-ul lui S7-300. Programul creat de utilizator este format din mai multe blocuri care oferă posibilitate de structurare a acestuia.
60
OB – blocuri organizaţionale – reprezintă
o interfaţă între sistemul de operare al CPU-
ului şi programul utilizatorului. Ordinea în care este executat un program este specificată în OB. FC – bloc funcţie – este
un bloc logic f ără memorie. Acest bloc este folosit în special
pentru crearea de funcţii folosite uzual în program. Procedura de bază pentru programarea blocurilor este următoarea: Crearea blocurilor: - creare FC1 şi atribuirea unui limbaj de editare (STL, LAD, FBD)
Programarea blocurilor (în STL, LAD, FBD): - declararea variabilelor şi introducerea programului
Salvarea şi descărcarea blocurilor: - salvarea blocurilor în PC şi încărcarea lor în CPU
În continuare se vor indica paşii ce urmează să fie parcurşi pentru crearea unui program: a. Se deschide proiectul de test din Simatic Manager cu comanda File-> Open Project nume. Rezultat: va apărea fereastra pentru proiectul de test care va fi deschis offline. b. Se deschide continutţul programului de test până la ultimul nivel prin apăsarea pe ―+‖ şi selectaţi ―Blocks‖. Rezultat: OB1 stocat în blocul principal va fi afişat offline. c. Se inserează o funcţie FC1 cu ajutorul comenzii Insert-> S7 Block-> FC (Function) (din meniu). În căsuţa de dialog care va apărea selectaţi limbajul de programare (STL, LAD, FBD) apoi apăsaţi OK. Rezultat: FC1 şi OB1 sunt afişate offline în fereastra proiect.
61
Limbaje de programare STL = Statement list
= este un limbaj de programare textual în Step 7. Sintaxa acestui
limbaj este apropiată de limbajul cod maşina. Instrucţiunile şi operaţiile sunt urmate de adresele corespunzătoare. LAD = Ladder Logic
= este un limbaj de programare grafic în Step 7. Sintaxa acestui
limbaj este asemănaătoare unei diagrame, permiţând astfel o urmărire mai uşoară a fluxului de curent. FBD = Function Block Diagram
= este de asemeni un limbaj grafic de programare în
Step. Sintaxa este reprezentată de blocuri logice similare cu cele din algebra booleană. STL, LAD, FBD
sunt integrate în softul standard al lui Step 7. Astfel, după instalarea lui
Step 7, toate editoarele, compilatoarele şi funcţiile de test pentru STL, LAD, FBD sunt disponibile.
62
Schema AAR la o linie de rezervă
În figura 6.1. este reprezentată schema unui dispozitiv pentru AAR de tip convențional, cu relee, pentru anclanșarea automată a întreruptorului unei linii de rezervă de la sistemul dublu de bare BI, BII. Să presupunem că linia 1L este în funcțiune și linia 2L în rezervă cu separatoarele închise pe sistemul de bare BI. Lampa LS este aprinsă arătând că schema e gata să funcționeze, cheia de comandă este pe poziția din diagrama ultimul rând și se stabilesc contactele marcate cu X. Sunt excitate releele RE si 1RI, după cum urrnează: bareta (+), CA 13-16, 1I2 închis, RE, bareta (-) ; deasemenea, contactul RE închis, 1RI și bareta negativă; dacă întreruptorul I1 este declanșat, releele minimale 1RU si 2RU închid contactele, se excită bobina releului de timp RT, toate celelalte contacte find făcute. Se închide cu temporizare contactul RT și se excită releul intermediar 2R1; acesta închide contactele de la 2RI1 Ia 2RL4, anclanșarea întreruptorului 2I se face prin circuitul: bareta (+), CA 25-28, 2R14 închis, 1I3 închis și 2BA la bareta (-). Daca 2I este declanșat prin protecție evidențiind un defect permanent, schema rămâne blocată pentru că releul RE este dezexcitat ca urmare a faptului ca 1I2 s-a deschis și releele 1RI, RT și 2R1 se dezexcită. Semnalizarea funcționării AAR se face prin releul de semnalizare RS și prin stingerea lampii LS. Daca anclanșarea lui 2I este reușită se comută cheia pe poziția 2L-funcțiune și 1L-rezervă. În urma acestei comutări se reaprinde lampa LS.
63
Figura 6.1. Schema AAR de tip electric cu relee pentru anclanșarea unei linii de rezervă: a)schema monofilară; b) schema circuitului de curent alternativ; c) diagrama cheii de comandă comună pentru AAR, anclanșare și declanșare; d) schema principială desfășurată pentru AAR. Studiul de caz a fost implementat prin limbajul STEP7, simulând funcţionarea
principială a AAR -ului în situaţia prezentată.
În Simatic Manager am introdus următoarele notaţii:
Bara 1 – butonul S1, cu ledul aferent H1
Bara 2 – butonul S2, cu ledul aferent H2 64
Linia 1 – butonul S3, cu ledul aferent H3
Linia 2 – butonul S4, cu ledul aferent H4
Ledul RD (roşu) – AAR dezactivat
Ledul YE (galben) – AAR funcţional, pregătit pentru anclanşare
Ledul GN (verde) – AAR acţionat cu succes.
Tabelul de adevăr corespunzător tuturor stărilor de funcţionare ale schemei este următorul: B1
B2
L3
L4
YE
GN
RD
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
0
0
Conform tabelului de mai sus, am conceput pentru fiecare led de semnalizare diagramele Carnaugh şi am obţinut: ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ) ( ) ( ̅ ̅ ̅ ̅
65
66
Conform rezultatelor obţinute, am creat în Simatic Manager următoarele scheme în FC1:
67
68
69
Am simulat funcţionarea instalaţiei AAR pornind de la ipoteza că ambele bare şi ambele linii sunt alimentate. Deosebim următoarele cazuri: I.
Nu există niciun defect pe nicio bară sau linie, AAR -ul este în stand-by.
Figura 6.1. Vedere asupra standului de lucru în situaţia în care AAR este pregătit să acţioneze
70
II.
Linia 1 declanşată, AAR -ul activat cu succes:
Figura 6.2. Vedere asupra standului de lucru în situaţia în care AAR este intrat in funcţiune la declanşarea liniei 1
III.
Linia 2 declanşată, AAR -ul activat cu succes
Figura 6.3. Vedere asupra standului de lucru în situaţia în care AAR este intrat în funcţiune la declanşarea liniei 1 71
IV.
Ambele linii, L1 şi L2, sunt deconectate, AAR iese din funcţiune
Figura 6.4. Vedere asupra standului de lucru în situaţia în care AAR este deconectat la ieşirea din funcţiune a ambelor linii
72
CONCLUZII Se pot desprinde, în general, următoarele concluzii pentru conducerea funcției de AAR în situaţia examinată. Astfel, utilizarea automatelor programabile în realizarea instalațiilor de AAR prezintă o serie de avantaje cum ar fi: — volumul ocupat de componentele instalației de AAR se reduce cu cel puțin 50%; — numărul de componente și respectiv cablajul electric aferent scade la jumătate; — fiabilitatea instalației în ansamblu crește atât datorită reducerii numărului de componente cât și datorită fiabilității intrinseci mai mari a fiecărei componente; — crește posibilitatea de amplificare (numărul condițiilor de intrare-ieșire) a schemelor logice și din punct de vedere al mărimilor analogice; — apare posibilitatea de validare a mărimilor analogice prin calcularea lor pe baza unor algoritmi specifici. Deci, utilizarea automatelor programabile, a microprocesoarelor și minicalculatoarelor de proces în conducerea instalațiilor electroenergetice nu este specifică și adoptată în exclusivitate — ca soluție optimă — numai pentru anclanșarea automată a rezervei (AAR). Funcțiile logice pe care le realizează, algoritmii de conducere ce pot fi ușor implementați, capacitatea de conlucrare cu sistemele unificate de reglare automată și calculatoarele în regim ,,on line‖ - ,,on real time‖ pentru procesele rapide și cu autoreglare, fac din utilizarea tot mai frecventă a acestora o modalitate de înnoire și optimizare a proceselor pe care acestea le execută, atât î n soluțiile de proiectare a unor instalații moderne cât şi în retehnologizarea unora dintre cele în funcțiune, gama proceselor și aplicațiilor lor lărgindu-se mereu în prezent.
73
BIBLIOGRAFIE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
Dan Mihoc, Sergiu Stelian Iliescu, Ioana Făgărăşan, Gheorghe Ţăranu, George Materi, Automatizarea Sistemelor Electro- şi Termoenergetice, Editura Printech, 2008; Daniel Popescu, Automate programabile, Editura MatrixRom, Bucureşti, 2005; Th. Borangiu, ş.a., Automate programabile, Editura Printech, 2002; ***. Documentaţie SIEMENS Dan Mihoc, Automatizări în energetică, Editura Didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1978 Alexandru Emanoil, Anclanşarea automată a rezervei în instalaţiile electric e, Editura
Tehnică, Bucureşti, 1988 Ştefan Drăgan, Verificarea releelor de protecţie şi automatizare ale sistemelor electrice. Editura Tehnică, 1970 PE 124/85 , Normativ privind alimentarea cu energie electrică a consumatorilor industriali şi similari PE 501/85, Normativ privind proiectarea instalaţiilor de protecţie prin relee şi automatizare. www.shiva.pub.ro, accesat pe 12.05.2010 www.electricianul.ro, accesat pe 15.05.2010 www.elewatt.ro, accesat pe 19.05.2010 www.electrotehnica.ro, accesat pe 20.04.2010
74
ANEXĂ PE 501/85
Normativ pentru proiectarea protecţiilor prin relee şi automatizările instalaţiilor electrice ale centralelor şi staţiilor (extras) 16. Anclanşarea automată a rezervei
16.1. Dispozitivele de AAR se vor prevedea în toate centralele, staţiile şi posturile de transformare, în care, pentru alimentarea consumatorilor de servicii proprii, există o cale de alimentare normală şi una de rezervă, în scopul de a asigura continuitatea în alimentarea cu energie electrică. 16.2. Intrarea în funcţiune a dispozitivului AAR se va face temporizat sau rapid în momentul dispariţiei tensiunii pe barelecare trebuiesc asigurate şi anume: a. temporizat, la scăderea tensiunii pe bara de alimentare cu 20% U n; timpul de acţionare se va alege superior cu o treaptă temporizării protecţiilor liniilor alimentate pe bara asigurată; b. rapid, la declanşarea intempestivă sau prin protecţie a căilor de alimentare normale (transformator, linie, etc.). Schema de AAR va permite acţionarea dispozitivului, numai dacă a fost deconectată, în prealabil, calea alimentării normale şi numai dacă tensiunea pe calea de rezervă are valoarea minimă admisă. 16.3. Schema de AAR va fi, astfel realizată, încât pornirea dispozitivului de AAR să nu se producă în oricare din următoarele situaţii: a. ca urmare a arderii unei siguranţe în circuitele de tensiune care alimentează releele de tensiune minimă pentru pornire. b. existenţa unui defect pe bara asigurată prin AAR sau când această bară alimentează un defect neeliminat pe unul din elementele conectate la barele respective; această prevedere nu se consideră obligatorie în cazul dispozitivelor AAR de joasă tensiune.
75
