Автоматизоване керування котельною установкою на основі операційних процедур

Abstract

У дисертаційній роботі вирішується завдання підвищення ефективності та безпеки експлуатації котельних установок шляхом впровадження процедурного та стано-орієнтованого керування. Проведено аналіз котельної установки як об'єкта керування, визначено основні елементи технологічної системи, їх взаємодію та особливості функціонування в умовах змінних режимів. Виконано декомпозицію об'єкта та його складових частин, що дозволило створити передумови для застосування підходів процедурного керування. Розроблено структуру автоматизованої системи керування котельною установкою, що включає модулі керування процедурами та ручним обладнанням. Побудовано структурні моделі пристроїв, обладнання та операційних процедур із використанням мови SysML, що забезпечило можливість формалізованого опису процесів керування. Запропоновано алгоритми прийняття рішень для реалізації задач процедурного керування з урахуванням штатних і нештатних режимів роботи котельної установки. Керування основними режимами роботи котла відбувається на основі графу станів, а прийняття рішень в період виникнення аварійних ситуацій відбувається на основі матриці відповідності з визначеними пріоритетами, переліком можливих аварійних ситуацій та процедур які необхідні для її усунення. Розроблено алгоритмічне та програмне забезпечення системи керування процедурами, орієнтоване на своєчасне виявлення та обробку нештатних ситуацій шляхом динамічного вибору відповідних процедур із урахуванням поточного стану системи. Розроблено модуль керування ручним обладнанням, який забезпечує візуальний контроль стану ручних виконавчих механізмів котельної установки в режимі реального часу на основі технологій комп’ютерного зору. Застосовуючи обробку зображень і аналіз положення міток на руків’ях або штурвалах вентилів, модуль автоматично визначає фактичний стан обладнання (відкрито, закрито, проміжне положення) без встановлення додаткових датчиків. Інформація про стан передається до системи керування через промислові комунікаційні протоколи для забезпечення інтеграції в загальну архітектуру управління процесами, підвищення надійності експлуатації та зниження впливу людського фактору. Розроблено людино-машинний інтерфейс системи керування з використанням інструментального програмного забезпечення. В якості апаратного забезпечення системи керування використовується ПЛК, станції віддаленого вводу/виводу, мережеве обладнання. Одержані результати дослідження можуть бути використані в розробці та впровадженні нових або вдосконаленні існуючих систем керування котельними установками на різних виробничих об’єктах. Результати пройшли дослідну перевірку на котельнях ПАТ «Сумський завод продтоварів» та ТОВ «Агрофірма ім. Горького», в результаті впровадження програмно-технічних рішень за підтрики ТОВ «Енікон». This dissertation addresses the problem of enhancing the efficiency and safety of boiler plant operations through the implementation of procedural and state- oriented control approaches. A comprehensive analysis of the boiler plant as a control object was performed, identifying key elements of the technological system, their interactions, and functional features under transitional operating modes. The object and its components were decomposed, creating the foundation for applying procedural control methods. An architecture of the automated control system for the boiler plant was developed, incorporating modules for procedural management and manual equipment supervision. Structural models of devices, equipment, and operating procedures were constructed using the SysML modeling language, enabling a formalized representation of control processes. Decision-making algorithms were proposed to implement procedural control tasks under both normal and abnormal operating conditions. The control of the boiler’s primary operating modes is based on a state graph, while the response to emergency events is managed via a correspondence matrix that considers defined priorities, a list of possible incidents, and the relevant recovery procedures. Control software was developed to ensure timely detection and handling of abnormal conditions by dynamically selecting appropriate procedures based on the current system state. A dedicated module for manual equipment control was implemented, enabling real-time visual monitoring of manual actuators using computer vision technologies. Through image processing and the analysis of marker positions on valve handles or handwheels, the system automatically determines the actual equipment state (open, closed, intermediate) without the need for additional sensors. The status data is transmitted to the control system via OPC UA, facilitating integration into the overall automation architecture, improving operational reliability, and reducing human-factor risks. A human-machine interface (HMI) was developed using Siemens TIA Portal software. The control system is implemented on Siemens hardware, including PLCs, remote I/O stations, and network equipment. The results of this research can be applied in the development and modernization of automated control systems for boiler installations at various industrial facilities. The proposed software and hardware solutions have been successfully pilot-tested at the boiler plants of PJSC "Sumy Food Products Plant" and LLC "Agrofirm named after Gorky", and were implemented by Enicon LLC.