SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro- og datateknikk 7004 TRONDHEIM Forprosjekt Oppgavens tittel: Kraftverksimulator Project title: Power Simulator Dato: 29.09.2005 Antall sider/bilag: 17/6 Gruppedeltakere: Stig Ove Strand Maxim Kourilenko Veileder: Pål Glimen pal.glimen@hist.no Studieretning: Elkraft/Automatiseringsteknikk Prosjektnummer: 2005/81 Oppdragsgiver: HiST v/pål Glimen Kontaktperson hos oppdragsgiver: Pål Glimen Fritt tilgjengelig Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver Rapporten frigitt etter
INNHOLDSLISTE 1. INNLEDNING... 3 1.1 Bakgrunn... 3 1.2 Definisjoner... 4 1.3 Kort om simulatoren... 4 2. TEKNISK... 5 2.1 Simulatoren... 5 2.2 Montering i skap... 6 2.3 Hvilke måleverdier er interessante... 7 2.4 Hvorfor automatisere simulatoren?... 8 2.5 PLS-styring... 9 2.6 Problemområder... 11 2.7 Prosjektmål... 11 3. ARBEIDSPAKKER... 12 4. PROSJEKTORGANISERING... 13 4.1 Prosjektdeltakere... 13 4.2 Prosjektstyring... 14 4.3 Utstyr og ressurser... 15 4.4 Tids- og kostnadsplan... 16 5. PROSJEKTLEVERANSER... 16 6. KVALITETSSIKRING... 17 7. VEDLEGG... 18 Side 2
1. INNLEDNING 1.1 Bakgrunn Denne forprosjektrapporten er et dokument på planleggingsfasen av faget PO110E/PO500E Hovedprosjekt som studentene ved Høgskolen i Sør-Trøndelag skal gjennomføre siste halvår i studiet. I tillegg er denne rapporten et måldokument som konkretiserer og avgrenser prosjektet. Rapporten fastsetter blant annet organisering, målsetninger og problemstillinger. Prosjektet utgjør 18 studiepoeng, og skal ta utgangspunkt i de kunnskaper studentene har tilegnet seg gjennom studiene. Målet med dette prosjektet er at man skal tilegne bedre kunnskap i tilknytning til studieretningen og få øving i å gjennomføre et større prosjekt ved samarbeid i gruppe. Prosjektet blir utført på oppdrag fra Høgskolen i Sør-Trøndelag med veileder Pål Glimen. Høgskolen i Sør-Trøndelag har på tidligere prosjekter satt i gang utviklingen av en kraftverksimulator. Denne simulatoren ønskes brukt i forbindelse med lab, undervisning, messer og utstilling. Det kan også være ønsker om å tilby næringslivet innen dette fagfeltet en mulighet til å bruke anlegget som testanlegg for kraftverkskomponenter og til eventuelt forskning og utvikling. Dagens situasjon er at vi skal få en ny og bedre rigg med nyere og bedre spenningsregulator fra Siemens. Den nye riggen er ganske lik den vi har på nåværende tidspunkt, så vi har under forprosjektet satt oss inn i funksjon og virkemåte for den eksisterende kraftverksimulatoren. I dette hovedprosjektet har vi fått den enestående muligheten å få laget en gruppe fra to studieretninger. Gruppen består av to personer, en fra Automatiseringsteknikk og en fra Elkraft. Dette fører til et mye større faglig utbytte, og samtidig få til et meget godt sluttresultat. Oppgaven går hovedsakelig ut på å få koblet alt på nytt opp mot den nye spenningsregulatoren og få alt i et skap, samt automatisere anlegget. All dokumentasjon skal være oppdatert og ferdigstilt i løpet av prosjektet. Alle målinger skal kjøres inn på PLS og det er ønskelig med et operatørpanel på skapet. Side 3
1.2 Definisjoner Spenningsregulator Regulerer spenningen til generatoren Magnetiseringstrafo Gir strøm til magnetiseringssystemet til synkrongeneratoren Generator Roterende maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi Kraftverk Anlegg for produksjon av elektrisk energi Turbin Maskin som omsetter vannets energi til mekanisk energi Innfasingssøyle Instrument man bruker for å fase inn generator mot nettet Frekvensomformer Brukes til å styre hastigheten til Asynkron motoren Måleomformer Gjør om måleverdier om til lesbart spennings-/strømnivå for PLS PLS Programmerbar Logisk Styring PC Datamaskin OPC Object Linking and Embedding. Bindeledd mellom PC og prosess Profibus DP Digital kommunikasjonslinje som forbinder feltinstrumenter med overvåkning, styring og regulering Ethernet Plattformen for flere ulike kommunikasjonsprotokoller og det mest brukte nettverket i verden 1.3 Kort om simulatoren Simulatoren fremstår i dag som en prototyp med enkle tilkoblinger og målinger. De fleste komponentene er montert åpent på en lab-rigg. Vi vil ikke gå detaljert inn på hvordan simulatoren fungerer, men vi kan si at den fungerer som et vanlig kraftverk. En asynkronmotor styrt av en frekvensomformer erstatter vannturbinen, men ellers er alt ganske likt. I kapittel 2.1 er det en enkel skisse over hvordan simulatoren fungerer. Side 4
2. TEKNISK 2.1 Simulatoren Figur 1. Skisse av eksisterende simulator Side 5
Simulatoren virker slik at man har en synkrongenerator som blir drevet av en asynkronmotor. Strømmen som blir produsert i generator kan kjøres ut på nett eller på en stor motstand som simulerer eget lokalt nett, velges av en kontaktorvender som er montert etter lastbryter. Regulering av motoren foregår ved hjelp av en frekvensomformer. Spenningsregulatoren regulerer spenningen på generator. Vi kan med denne simulatoren velge hvor mye reaktiv (Q) og aktiv (P) effekt vi skal kjøre på nettet. I tillegg har vi oversikt over alle strømmer og spenninger som er interessante for oss å overvåke. Innfasingsutstyret er montert i en søyle som viser frekvens og spenning på begge sider av kontaktorvender og i tillegg har den en fasefølger. Et av målene i dette prosjektet er at innfasing skal gå automatisk. 2.2 Montering i skap Oppdragsgiver ønsker å få mest mulig komponenter montert i et skap. Knapper for styring av regulator, samt avlesning av måleverdier og feilmeldinger skal være på fronten. Det er ønskelig med et operatørpanel koblet opp mot PLS, dette for å gjøre alt mer oversiktlig og enklere. Motor og generator er for stor til å plasseres i eget skap, men vi vil i løpet av prosjektet se på muligheten for å få tak i en kombinasjon som er mindre i størrelse. Motor og generator vil da bli plassert i eget skap, med kabeltilkobling til hovedskapet. Å få alt montert i et skap vil føre til økt sikkerhet, så dette bør prioriteres. Hvilke måleavlesninger og styring som skal være på fronten av hovedskapet er ennå usikkert, da vi ikke vet hvilke løsninger vi vil velge. Siden vi bruker PLS og muligens operatørpanel vil denne delen være meget fleksibel, så vi kan egentlig gjøre hva vi vil underveis uten for mye arbeid. Vi skal i utgangspunktet koble simulatoren opp mot en server, slik at vi kan fjernstyre den fra internett. Vi vil da få opp alle målinger på PC i tillegg. Side 6
2.3 Hvilke måleverdier er interessante Vi har muligheten til å få ut det meste av måleverdier, men spørsmålet er hvor stor nytteverdi enkelte av målingene har. Avlesninger som i dette tidspunkt ser interessante ut er: Aktiv effekt Reaktiv effekt Turtall generator / Frekvens Cos phi Feltspenning og strøm Strømmer og spenninger på generator og motor Spenning og frekvens på nettet og generator Oversikt over feilmeldinger Vi kan ved hjelp av PLS få regnet ut en god del andre verdier som for eksempel virkningsgrad. Side 7
2.4 Hvorfor automatisere simulatoren? Dagens kraftverk har utelukkende automatisk styring av anlegget. Et automatisert kraftverk vil gjøre driften mye mer effektiv, og det vil være besparende på mange områder. Anlegget blir mye enklere å overvåke med tanke på feilmeldinger og styring. Innen kraftproduksjonen er det mye penger som er i sirkulasjon, og unødvendige feil som gjør at anlegget må stoppes vil føre til store økonomiske tap. Et helautomatisert anlegg vil gi bedre kontroll og potensielle feil vil oppdages tidligere. Et annet tema som er viktig i dagens kraftproduksjon og ellers i industrien, er å gjøre bruken av et anlegg så enkel som mulig. Oversiktlige og brukervennlige operatørpanel og PCstyringer har fått en sentral rolle i alle tekniske løsninger, og det fører også til bedre effektivitet og mindre feil. Også med tanke på oppgraderinger, forandringer og utvidelser vil et automatisert anlegg gi meget store fordeler. Alt kan endres med for eksempel forandringer i programvaren og enkle tillegg i elektronikken. Dagens PLS-systemer er spesielt laget for å gjøre det så fleksibelt så mulig, slik at forandringer i fremtiden blir enkelt. Simulatoren vi har i dag har ikke noen form for automatisering, og vil derfor ikke fungere som et av dagens kraftverk i miniatyr. Den har det viktigste som turbinstyring og spenningsstyring, men mangler automatiseringsdelen som gjør at det blir et komplett system. Skal vi få et anlegg som fungerer som et virkelig kraftverk, må vi automatisere ved hjelp av PLS og ta i bruk fjernstyring som for eksempel operatørpanel, PC-styring og styring fra internett. Det er også et krav at vi får automatisk innfasing av anlegget. Program for Elektro- og Datateknikk vil satse på langsiktig kompetanse innenfor kraftproduksjon, og vil derfor være meget gunstig å bruke en moderne kraftverksimulator i forbindelse med undervisningen. Anlegget vil være så å si identisk med et vanlig kraftverk, og det er store muligheter for å forandre på anlegget. Ved å gi studentene sjansen til å få arbeide med et så toppmoderne system, vil det gi dem et meget godt grunnlag når de skal ut i arbeidslivet. Som utdanningsinstitusjon vil det være viktig å utdanne ingeniører som er eksperter på dagens teknologi. Side 8
2.5 PLS-styring Kraftverksimulator skal designes for PLS-styring. Det vil si at ved hjelp av PLS vi kan starte, stoppe og overvåke kraftverksimulatoren. Det er uklart ennå hvilken serie PLS vi skal bruke med tanke på budsjett, men vi ser for oss tre muligheter. FX2N fra Mitsubishi (får låne på skolen), Q00J-CPU-E eller S7 serie fra Siemens. FX2N har store kommunikasjonsmuligheter. Den kan kommunisere i åpne standardiserte nettverk som Ethernet eller Profibus DP som slave eller i egne MELSEC-nettverk. For Profibus DP kommunikasjon mellom PLS og spenningsregulator trenger vi Master PLS (Profibus DP master/slave modul). FX2N har ikke den muligheten. Q00J-CPU-E fra Mitsubishi gir oss mulighet til å kommunisere med spenningsregulator via Profibus DP. Da kan vi hente nødvendig informasjon/verdier fra spenningsregulator til PLS og videre til operatørpanel og PC. Kommunikasjon med Ethernet mellom PC og PLS gir full tilgang til prosessdata, opp- og nedlasting av programmer, samtidig overvåking og feilsøking. Operasjon av kraftverksimulator skal utføres ved hjelp av stasjonær PC og evt. operatørpanel. Det vil bli laget grafiske brukegrensesnitt i LabView og evt. E-designer. All software finnes på skolen. I tillegg skal simulatoren styres over Internet. Vi skal lage en hjemmeside til prosjektet slik at man kan enkelt logge seg inn på prosesserver (stasjonær PC som skal i hovedsak være koblet til PLS). Frekvensomformeren 6SE70 er ikke av nyere type. For å få kommunikasjon mellom PLS og frekvensomformer må vi i utgangspunktet bruke analoge signaler som kjøres direkte inn på PLS. For å kommunisere med RS 232 protokoll må vi vite hvilke kommunikasjonssnitt bruker frekvensomformer. Se forslag til styring av kraftverksimulatoren i figur 2. Side 9
Nett Lastbryter Frekvensomformer 6SE7021-1CA20 Spenningsmåling GS M Effektmotstand Analoge signaler Magnetiseringstrafo Spennigsregulator 6RA70 Tilkoblingsenhet Q-PLS Profibus DP RS 232 PC Ethernet Operatørpanel TCP/IP router/switch TCP/IP Ethernet (skolens) Figur 2. Oversiktstegning for de ulike komponentene Side 10
2.6 Problemområder Det er usikkert hvor lang tid det tar før vi får den nye riggen på plass. Det er også usikkert hvor mye arbeid det er før man får den til å fungere optimalt. Når det gjelder automatisering av simulatoren er det en del småting som ikke er helt klart når det gjelder arbeidsmengde og hvilke løsninger man skal bruke. Vi må derfor sette oss klare mål som vi må arbeide mot, slik at vi kommer frem til et godt resultat. Når det gjelder å få tak i måleverdier fra anlegget, er det ønskelig med å få til en løsning som er så enkel og billig så mulig. Derfor vil vi prioritere å få de rett ut fra spenningsregulator og frekvensomformer med Profibus DP og RS232 protokoll. Her kan vi støte på en del problemer med kommunikasjon mellom komponentene. Her er vi avhengig at vi får nok tid. 2.7 Prosjektmål Effektmål Vi skal montere en eksisterende kraftverksimulator i et skap og fullføre dokumentasjonen. I tillegg skal vi ved bruk av PLS automatisere simulatoren i størst mulig grad. Resultatmål Sluttproduktet for prosjektet skal være: En hovedprosjektrapport som inneholder komplett dokumentasjon. En simulator med stor brukervennlighet og sikkerhet som kan brukes i undervisningssammenheng og på messer/utstilling. Prosessmål Prosjektdeltakerne ønsker med dette prosjektet å oppnå: Personlig utvikling innen prosjektstyring og samarbeid Innsikt i hvordan et kraftverk fungerer og blir styrt Automatisering av et kraftverk Lære av hverandre, siden vi kommer fra forskjellige studieretninger Lære å skrive rapporter og dokumentasjon som holder et høyt nivå Side 11
3. ARBEIDSPAKKER 1. Spenningsregulator, frekvensomformer, PLS og operatørpanel 2. Hjemmeside 3. PLS-programmering 4. LabView og E-designer 5. Monteringsarbeid 6. Tilkobling av komponenter 7. Testing av simulator uten PLS-system 8. Kommunikasjon 9. Testing av simulator med PLS-system 10. Dokumentasjon 11. Administrativ styring 12. Presentasjon Beskrivelse av arbeidspakkene ligger som vedlegg. Side 12
4. PROSJEKTORGANISERING 4.1 Prosjektdeltakere Stig Ove Strand Født: 13.02.79 Hjemsted: Surnadal Bakgrunn: o 3-årig Allmenne fag ved Surnadal v.g.s o Førstegangstjeneste Ørlandet Hovedflystasjon, Luftvern. o Industriarbeider og lageroperatør Pipelife Norge AS o Sikkerhetskonsulent Hafslund Sikkerhet AS o Webdesigner Polaris Nordmøre AS o Går nå 3.året Elkraftteknikk ved HiST Fritid/Verv/Aktiviteter: Trening, bil og mc, elektro, data Tidligere prosjekter: Petter Smart Prosjekter (PowerBike) (HiST) Maxim Kourilenko Født: 14.07.77 Hjemsted: Murmansk Bakgrunn: o Allmenne fag ved Alta v.g.s o Går nå 3.året Automatiseringsteknikk ved HiST Tidligere prosjekter: Løpekatt prosjekt i automatiseringsteknikk (HiST) Fritid/Verv/ Aktiviteter: Trening (ishockey, 3t vekter), familie, jobb, elektro, data Side 13
4.2 Prosjektstyring Vi har bestemt oss for å bytte på å være prosjektleder hver fjortende dag, slik begge gruppemedlemmene får god trening i prosjektstyring og ledelse av et prosjekt. Prosjektlederens hovedoppgaver vil først og fremst være: Ansvar for møteinnkallinger, sakslister og møtevirksomhet. Rapportering til oppdragsgiver Ansvar for administrativt arbeid Den som ikke er prosjektleder vil fungere som referent under møtene. Ellers er det meste felles ansvar, siden vi er kun to personer på gruppen. Organisasjonsstruktur under prosjektet blir som vist på figuren under. HiST ved Pål Glimen Prosjekt leder Gruppemedlemmer Figur 3. Organisasjonsstruktur Side 14
Vi har valgt å ta med en egen hjemmeside for prosjektet, slik at vi kan samle all informasjon på et lett tilgjengelig sted, i tillegg til informasjon som blir arkivert i prosjektperm. Dette vil gjøre det enklere for gruppemedlemmene dersom de velger å arbeide hjemmefra, og eventuelt har noe de lurer på. Tabell 1. Tidsplan for styring Navn Uke Stig Ove Strand 35, 36, 39, 40, 43, 44, 47, 48 Maxim Kourilenko 37, 38, 41, 42, 45, 46, 49 4.3 Utstyr og ressurser Gruppen disponerer Elkraftlabben på HiST. Det vil kanskje være nødvendig å bruke et verksted med tanke på montering av komponenter i skap, men det blir avgjort underveis. Eksterne ressurspersoner vil bli brukt, og vi vil ta kontakt med aktuelle bedrifter og instanser for å få de opplysningene vi behøver. Siemens har blitt nevnt som en god kontakt i dette prosjektet, siden de leverer mange av komponentene. Ellers vil vi bruke veileder og andre fagpersoner her på HiST. IT-Verktøy AutoCad Microsoft Office XP LabView E-designer GX IEC Developer Side 15
4.4 Tids- og kostnadsplan Et Gant-diagram ligger som vedlegg. Det skisserer gruppens fremdriftsplan og milepæler i prosjektet. Forslag til budsjett ligger vedlagt, spesielt med tanke på automatiseringsdelen. Siden vi vet lite om hvilke komponenter vi vil bruke, er det vanskelig å lage et budsjett. Kostnadsplanen er egentlig en oversikt over hva forskjellige komponenter koster, slik at vi har en anelse om hva vi kommer til å bruke av økonomiske midler. Med tanke på selve simulatoren, kan det være aktuelt å skifte ut ting som brytere, relé, kontaktorer osv. Det vil også være nødvendig å få tak i for eksempel dioder til feilmeldinger på fronten av skapet. Pris på dette blir innhentet i løpet av prosjektet. 5. PROSJEKTLEVERANSER Forprosjektrapport Normalt tidsforbruk på forprosjektet er to uker. Toukersrapporter Hver 14. dag skal prosjektgruppen levere toukersrapporter etter gitt mal. Hovedprosjektrapport Hovedprosjektrapporten skal leveres 9.desember. Den skal leveres i et hefte og på elektronisk form på cd-rom. Webside for prosjektet Vi skal utarbeide en webside for dette prosjektet, som vil bli oppdatert underveis. Dette for å forbedre informasjonsflyten og for å få trening i litt webdesign. Link til hjemmeside: http://www.hekta.org/~hp05-100/ Side 16
6. KVALITETSSIKRING Kvalitetssikring av et hovedprosjektet vil være en kontinuerlig prosess gjennom hele prosjektets levetid. Prosjektets tilstand skal hele tiden kontrolleres, slik at korrektive tiltak kan settes inn før alvorlige problemer og avvik oppstår. Fremdriften skal med jevne mellomrom sjekkes slik at vi kommer i mål til planlagt tid. For å klare dette vil vi bruke hjelpemidler som for eksempel Gant-diagram. Vi har delt hele prosjektet opp i arbeidspakker og dette er med på å gi oss et tilfredsstillende resultat. Prosjektgruppen skal ha en egen prosjektperm som inneholder Forprosjekt Møteinnkallinger Møtereferat Toukersrapporter Akkumulert tidsforbruk Timelister Permen vil være med på alle møter og vil gi en fin oversikt over vår fremgang og måloppnåelse. Hyppige uformelle intern møter vil gjøre at gruppen er samkjørt og arbeider mot et felles mål. Side 17
7. VEDLEGG 1. Gant-skjema 2. Arbeidspakkebeskrivelse 3. Forslag til innkjøpsliste 4. Tilbud fra Beijer 5. Tilbud fra Rittal 6. Tilbud fra Deif Side 18