C ظرفیت گرمایی ویژه بر حسب J/KgC
T دمای نهایی ماده در فرایند حرارتی
T0 دمای اولیه ماده در فرایند حرارتی [۳۵].
درکوره های صنعتی الکتریکی انرژی حرارتی مورد نیاز برای فرایند گرمایش از انرژی الکتریکی تامین می گردد.جهت تبدیل انرژی الکتریکی به گرمایشی از المنت های حرارتی [۷۱]استفاده می شود .المنت های حرارتی در انواع مختلف با توجه به شرایط کارکرد و درجه حرارت مورد نیاز تولید می گردد .گروهی از المنت های بر مبنای آلیاژهای نیکل و کرم و آهن[۷۲] در اشکال مختلف مفتولی و یا صفحه ای تولید می گردد این گروه از المنت ها برای فرآیندهای حرارتی که درجه حرارت نهایی زیر ۱۲۵۰ درجه سانتی گراد باشد مناسب هستند و انواع دیگر المنت های حرارتی گروه المنت های سرامیکی هستند که در دونوع SiC[73] وMoSi2[74] تولید می گردد المنت های نوع SiC در درجه حرارت تا ۱۶۰۰ درجه سانتی گراد کاربرد دارد و المنت های نوع MoSi2 تا درجه حرارت ۱۸۰۰ درجه سانتی گراد به کار گرفته می شود.المنت های حرارتی معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی هستند با اعمال ولتاژ به دو سر یک المنت با توجه به مقاومت الکتریکی یک جریان مشخص از آن عبور می کند و طبق قوانین اهم منجر به تولید انرژی گرمایشی می گردد[۳۶].
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
طبق قانون اهم شدت جریانی که از المنت بعد از اعمال ولتاژ عبور می نماید طبق رابطه زیر :
(۴-۲) I=V/R
خواهد بود که بر حسب آمپر بیان می گردد که V ولتاژ اعمال شده به دو سر المنت بر حسب ولت و R مقاومت المنت بر حسب اهم می باشد .توان تولیدی یک المنت حرارتی با مقاومت R از رابطه زیر بدست می آید:
P=V2/R =I*R2 (۴-۳) توان یک المنت حرارتی بر حسب وات[۷۵] بیان می شود که انرژی تولید شده در واحد زمان می باشد .بنابراین اگر ولتاژ به در زمان T بر حسب ثانیه به دوسر المنت حرارتی اعمال شود مقدار انرژی گرمایشی تولید شده بر حسب ژول از روابط زیر بدست می آید.
Q=P*T=(V2*T)/R=I*R2*T (4-4) در فرایند های مربوط به مدیریت مصرف انرژی جهت سهولت معمولا مصرف انرژی با واحد کیلوات ساعتkWh بیان می شود که برابر است با مقدار انرژی تولید شده با توان ۱۰۰۰ وات در مدت زمان یک ساعت [۳۵ ] .
kWh=(3600s*kW j/s)=3600 kJoule (4-5)
با توجه به موارد فوق برای شناسایی فرصت ها در یک فرایند گرمایشی پارامترهای زیر باید مورد پایش دقیق رار بگیرد و اطلاعات مربوط به تغییرات آنها در سیستم SCADA برای تجزیه و تحلیل بعدی مورد استناد قرار گیرد .
شکل ۴-۱-یک نمای کلی از یک کوره الکتریکی
۴-۳-۱- اندازه گیری دما
همانطور که در قسمت قبل به آن اشاره شده یکی از پارامترهای موثر در مقدار مصرف انرژی دمای ماده می باشد. بنابراین لازم است این متغیر به صورت مداوم اندازه گیری و اطلاعات مربوط به آن به سیستم SCADA ارسال گردد.اندازه گیری دما در کوره های صنعتی به وسیله ترموکوپل[۷۶] انجام می شود ترموکوپل از دو فلز رسانای غیر همنام که در یک نقطه به هم متصل شد ه اند تشکیل شده است .در اثر پدیده ترموالکتریک[۷۷] در هر دمایی یک ولتاژ خاص تولید می شود که مقدار آن متناسب با دمایی است که ترموکوپل در آن محیط قرار گرفته است با اندازگیری ولتاژ تولید شده می توان دمای محیطی که ترموکوپل در آن قرار دارد اندازه گیری نمود.با توجه به دقت و حداکثر و حداقل درجه حرارت کارکرد از انواع مختلفی از ترموکوپل ها استفاده می شود. در برخی از موارد از حسگر دمای اهمی استفاده می شود مقاومت الکتریکی فلزات در اثر تغییر دما متغیر است بنابراین با اندازه گیری مقاومت اهمی می توان درجه حرارتی که آن فلز در آن واقع است اندازه گیری نمود. ادر آزمایشهای مربوط به این تحقیق از حسگر دمای اهمی نوع PT100استفاده شده است است که نوع آلیاژ آن بر پایه پلاتین و رودونیم می باشد و قابلیت کارکرد در رنج دمایی۲۰۰ – الی ۶۵۰ درجه سانتی گراد را دارا می باشد.همانطور که در فصل های قبلی به آن اشاره شد اندازه گیری و انتقال اطلاعات محیطی به سیستم نرم افزاری SCADA توسط RTU ها انجام می شود .جهت اندازه گیری و انتقال اطلاعات مربوط به دما از تجهیزاتی مانند ترمومترها و یا کنترلر هایی که امکان اندازه گیری دما و ارسال آن به صورت اطلاعات دیجیتال دارند استفاده می شود .این تجهیزات سیگنال دریافت شده از ترموکوپل را به وسیله آمپلی فایر[۷۸] تقویت می نمایند و سپس آن را اندازه گیری می نمایند ودر این مرحله توسط مبدل های آنالوگ به دیجیتال[۷۹] یک معادل عددی متناسب با سیگنال آنالوگ تولید می گردد با توجه به برنامه نرم افزاری که قبلا در ریزپردازنده نصب شده عدد اندازه گیری شده پردازش می گردد و دمای متناسب با سیگنال آنالوگ ورودی محاسبه می گردد.با توجه به پروتکل ارتباطی بین سیستم های اندازه گیری و نرم افزار SCADA اطلاعات عددی به صورت بسته های اطلاعاتی [۸۰] به نرم افزار ارسال می گردد و بعد از پردازش و استخراج مقدار متغیر دما این اطلاعات به صورت عددی و یا به صورت نمودار در سیستم نمایش داده شده و در صورت نیاز ذخیره سازی می گردد. در نمونه کاربردی مورد بررسی در این تحقیق پارامتر دما در دو ناحیه اندازه گیری می شود که شامل دمای فضای داخلی کوره و دمای قطعه ای که فرایند حرارتی بر روی آن انجام می گیرد می باشد .
۴-۳-۲-اندازه گیری پارامتر های مرتبط با مصرف انرژی
با توجه به موارد گفته شده جهت مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی متغیرهای مرتبط مانند شدت جریان I و ولتاژ V و مقدار مصرف لحظه ای بر حسب kW ومقدار مصرف کلی انرژی بر حسب kWh باید مورد اندازه گیری و پایش مداوم قرار گیرد .جهت اندازه گیری پارامترهای مربوط به مصرف انرژی از تجهیزات خاصی به نام آنالایزر قدرت[۸۱] استفاده می شود که این تجهیزات مقدار ولتاژ و شدت جریان را به صورت لحظه ای اندازه گیری می کنند و با توجه به این پارامترها سایر پارامترهای مرتبط با انرژی را محاسبه می نمایند و اطلاعات بدست آمده را در غالب بسته های اطلاعاتی جهت سیستم نرم افزاری SCADA ارسال می نمایند بعد از رسیدن بسته های اطلاعاتی به نرم افزار اطلاعات مورد نظر استخراج و به صورت نمودار و یا به صورت عددی جهت استفاده در فرایند مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی نگهداری می شود.
۴-۳-۳- کنترل توان در کوره های الکتریکی
جهت کنترل توان مصرفی کوره های الکتریکی دو روش متداول وجود دارد. روش اول سیستم کنترل ON/OFF می باشد در این روش توسط کنترلر دمای فعلی سیستم اندازه گیری می شود و در صورتیکه کمتر از دمای تنظیم شده باشد کنترلر فرمان لازم را به کنتاکتور[۸۲] و یا SSR[83] ارسال می نماید و در ادامه حداکثر توان به فرایند گرمایشی اعمال می شود و بعد از اینکه سیستم به درجه حرارت مورد نظر رسید با فرمان مجدد کنترولر اعمال توان به سیستم متوقف می شود .
روش دیگر جهت کنترل توان استفاده از سیستم های کنترل توان SCR[84] می باشد . در این روش بر خلاف سیستم ON/OFF اعمال توان به سیستم به صورت پیوسته می باشد و با توجه به الگوریتم کنترلی مقدار توان از ۰ تا ۱۰۰ درصد متغیر است . با توجه به سینوسی بودن شکل موج ولتاژ عمل تغییر توان در این نوع سیستم ها بر اساس تغییر زاویه آتش[۸۵] تریستورها[۸۶] و تغییر ولتاژ موثر RMS[87] انجام می شود[۳۸] .
شکل ۴-۲-تغییر ولتاژ موثر با تغییر زاویه آتش تریستور ها [۳۸[
کنترل زاویه آتش تریستورها به وسیله بردهای الکترونیک کنترل زاویه آتش انجام می شود .ابتدا یک سیگنال کنترلی آنالوگ به برد کنترل زاویه آتش اعمال می گردد و سپس بر اساس سیگنال آنالوگ ورودی زاویه آتش معین و به تریستور ها اعمال می گردد.در شکل شماره ۴-۳ یک سیستم کنترل توان تریستوری نمایش داده شده است .
شکل ۴-۳-سیستم کنترل توان SCR با ورودی آنالوگ
۴-۴- طراحی فرایند مدیریت مصرف انرژی کوره های الکتریکی
۴-۴-۱-تعیین پارامترهای مورد نیاز جهت اندازه گیری و کنترل
قبل از پیاده سازی فرایند مدیریت مصرف انرژی در سیستم های SCADA از با توجه به پارامترهای مورد نیاز در فرایند سیستم باید طراحی شود در مورد نمونه تحت آزمایش ما که یک کوره الکتریکی است در ابتدا باید مشخص گردد که در این دستگاه چه فرآیندی انجام میشود در یک کوره الکتریکی با تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی گرمایشی وگرم کردن اتمسفر کوره و اعمال آن به قطعه ای به جرم M که در داخل آن قرار دارد دمای قطعه از یک دمای مشخص TO به دمایی که در فرایند حرارتی تعریف شده است یعنی T1 می رسد . با توجه به ضریب هدایت حرارتی دیواره کوره همیشه مقداری از انرژی گرمایشی تولید شده از دیواره ها به هدر می شود و صرف گرم کردن قطعه نمی شود.مقدار اتلاف انرژی از بدنه کوره علاوه بر ضریب هدایت حرارتی و دمای داخل کوره به دمای محیطی که کوره در آن است نیز بستگی دارد .با توجه به این موارد در طراحی یک فرایند مدیریت مصرف انرژی در کوره الکتریکی باید پارامترهای دمایی زیر اندازه گیری و به سیستم SCADA انتقال یابد .
دمای اتمسفر داخلی کوره
دمای قطعه ای که فرایند گرمایشی بر روی آن صورت می گیرد .
دمای بدنه بیرونی کوره
دمای محیطی که کوره در آن قرار دارد .
با توجه به اینکه نیاز است یک اندازه گیری دقیق از موارد فوق بدست آید در فرایند آزمایشی از حسگر دمای اهمی PT100 استفاده شده است به وسیله این حسگر در بازه دمای ۶۰۰-۰ درجه سانتی گراد مقدار دما با دقت ۱/ . درجه سانتی گراد اندازه گیری می شود.
جهت تحلیل مصرف انرژی پارامتر های مربوط به انرژی مصرفی باید ثبت شود.پارامترهایی مانند ولتاژ و شدت جریان و توان لحظه ای و انرژی مصرفی کلی در این فرایند اندازه گیری می شود و با توجه به این پارامترها مشخص می گردد که چه مقدار انرژی الکتریکی برای انجام فرایند گرمایشی مورد نظر مصرف می شود.اندازه گیری و ارسال اطلاعات مربوط به مصرف انرژی توسط آنالایزر انرژی انجام می شود و اطلاعات مربوط به آن به نرم افزار SCADA انتقال پیدا می کند.
برای اجرای فرایند گرمایشی باید یک سیستم کنترلی در نظر گرفته شود این سیستم کنترل می تواند به صورت مستقل و یا در داخل نرم افزار SCADA طراحی شود.طراحی یک کنترلر در نرم افزار SCADA با توجه به در دسترس بودن اطلاعات کلیه پارامترهای موثر در مصرف انرژی این مزیت را دارد که با توجه به شرایط فرایند و مقادیر پارامترها می توان روش های کنترلی دقیق تری را طراحی نمود.با توجه به اهمیت این موضوع در فرایند آزمایشی روش های کنترلی تماما در نرم افزار SCADA پیاده سازی می شود.جهت ارسال فرامین کنترلی به یک RTU نیاز داریم فرامین کنترلی را به سیستم انتقال دهیم برای این منظور در فرایند گرمایشی از مبدل های دیجیتال به آنالوگ[۸۸] استفاده می شود .با توجه به درصد خروجی سیستم که توسط سیستم SCADA محاسبه می شود یک ولتاژ آنالوگ ۰-۱۰ ولت به تجهیزات کنترل توان SCR ارسال می شود و این تجهیزات با توجه به سیگنال آنالوگ ورودی مقدار توان را بر اساس تغییر زاویه آتش کنترل می نمایند.
۴-۴-۲- انتخاب RTU ها جهت فرایند مدیریت مصرف انرژی
قبل از پیاده سازی یک پروژه مدیریت مصرف انرژی در سیستم های SCADA باید RTU های مناسب جهت فرایند انتخاب گردد در اولین قدم پارامترهایی که جهت تحلیل مورد نیاز است انتخاب می شود به عنوان مثال در فرایند ی که در این پایان نامه مورد بررسی قرار گرفته است پارامترهای دما و شدت جریان و ولتاژ و توان و انرژی مصرفی جهت تحلیل مورد نیاز است و همچنین جهت اعمال فرایند های کنترلی از RTU هایی که امکان ارسال فرمان به سیستم کنترل را دارند استفاده می شود در فرایند مورد آزمایش از تجهیزات زیر استفاده شده است :
جدول ۴-۱-RTU های استفاده شده جهت انجام فرایند آزمایشی
نکته بسیار مهم در انتخاب RTU دقت مورد نیاز برای اندازه گیری و کنترل پارامترهای مرتبط با فرایند است که با توجه به آن باید تجهیزات متناسب انتخاب گردد.بعضی مواقع جهت اعمال فرامین کنترلی به فرایند از تجهیزات جانبی دیگری استفاده می شود.به طور مثال در مورد فرایند مورد آزمایش از یک سیستم کنترل توان SCR که با توجه به سیگنال آنالوگ در یافتی از مبدل دیجیتال به آنالوگ DAC زاویه آتش [۸۹]تریستور را تغییر می دهد استفاده شده است .تجهیزات جنبی در فرایند مدیریت مصرف انرژی مستقیما به سیستم کنترل مرکزی SCADA متصل نیستند ولی با بهره گرفتن از RTU ها می توان بر عملکرد آنها کنترل داشت.
۴-۴-۳- ارتباط نرم افزار SCADA با RTU ها
همانطور که قبلا به آن اشاره شد یکی از اجزاء سیستم های SCADA RTU ها هستند که اطلاعات محیطی را اندازه گیری و به سر ور مرکزی جهت پردازش انتقال می دهند .ارتباط RTU ها با سرور مرکزی SCADA به روش های مختلفی انجام می شود :
ارتباط از طریق درگاه سریال با استاندارد های RS232 و یا RS485 اکثر RTU ها از این دو استاندارد پشتیبانی می نمایند در استاندارد RS232 RTU ها مستقیما از طریق پورت COM به سرور مرکزی متصل می شوند و اطلاعات را انتقال می دهند محدودیت پورت RS232 در این است که در هر زمان تنها یکRTU می تواند از طریق یک پورت COM به کامپیوتر وصل باشد و حداکثر فاصله در این نوع پروتکل ارتباطی ۱۰ متر می باشد با توجه به این محدودیت ها استاندارد ارتباطی دیگری به نام RS485 معرفی گردید در استاندارد RS485 حد اکثر تا ۳۲ دستگاه RTU می تواند از طریق پورت COM به سرور مرکزی متصل باشد و فاصله سیمی RTU ها تا سرور مرکزی می تواند تا ۲/۱ کیلومتر باشد .این نوع پروتکل ارتباطی بر ای اجرا در تعداد زیادی از کارخانه ها مناسب است.معمولا برای ارتباط RTU ها با کامپیوتر سرور مرکزی از مبدل های RS232/485 استفاده می شود .ولی بعضی از کامپیوتر های صنعتی دارای درگاه ارتباطی RS485 هم هستند و نیازی به استفاده از این مبدل نیست .
شکل ۴-۴-نحوه ارتباط RTU ها با سرور مرکزی در استاندارد RS 485 [40]
۴-۴-۴-پروتکل های ارتباطی
جهت ارتباط RTU ها با نرم افزار SCADA از پروتکل های ارتباطی مختلفی استفاده می شود که از بین آنها می توان به پروتکل ASCII و Modbus RTU و Modbus TCP/IP اشاره نمود در ارتباط با استاندارد RS485 از طریق پورت سریال امکان ارتباط تا ۳۲ دستگاه وجود دارد که در شبکه RS 485 هر کدام از دستگاه ها دارای آدرس مختص به خود هستند که در RTU از قبل تنظیم می شود .علاوه بر آدرس دستگاه سایر پارامترها در یک دستگاه RTU دارای یک آدرس در حافظه داخلی دستگاه هستند که عمل خواندن[۹۰] و یا نوشتن[۹۱] پارامترها در دستگاه با توجه به این آدرس صورت می گیرد در ادامه نحوه انتقال اطلاعات در پروتکل های عنوان شده مورد بررسی قرار می گیرد .
پروتکل ASCII : در این روش ارتباط با RTU به وسیله کاراکترهای ASCII صورت می گیرد که در دستگا های مختلف ممکن است شکل مختلفی داشته باشد به طور مثال در کنترلرهای FGH 1000 قالب پیام های ارتباطی به صورت زیر است :
عمل خواندن RAAP <CR> R به عنوان کاراکتر اول نوع فرمان ارسالی را مشخص می کند که در اینجا به عنوان فرمان خواندن است .AA آدرس دستگاه در فرمت ASCII است که بین ۱ تا ۹۹ قابل تنظیم می گردد و P آدرس پارامتر در حافظه داخلی دستگاه است که بعد از دریافت فرمان مقدار این پارامتر برای سرور مرکزی ارسال می گردد.
عمل نوشتن WAAPDDDD <CR> W به عنوان کاراکتر اول نوع فرمان که در اینجا فرمان نوشتن است را مشخص می نماید مانند حالت قبل AA آدرس دستگاه و P آدرس پارامتر در حافظه داخلی دستگاه است و DDDD مقدار عددی است که در پارامتر ذخیره می گردد.
عمل تنظیم SAAP <CR> S به عنوان کاراکتر اول نوع فرمان که در اینجا فرمان تنظیم[۹۲] حالت کاری دستگاه را مشخص می نماید .در تنظیم مقدار پارامتر در حالت تنظیم AA آدرس دستگاه و P آدرس پارامتری که باید تنظیم شود می باشد.
پاسخ دستگاه *AAPDDDD “* ” اولین کاراکتری است که در هنگام پاسخ ارسال می گردد AA آدرس دستگاهی است که پاسخ را ارسال نموده P کد پارامتر و DDDD مقدار عددی آن پارامتر است [۳۹ ] .
جهت اجتناب از تداخل اطلاعات در هنگام ارسال و دریافت از تاخیر زمانی استفاده می شود به این صورت که سرور یک فرمان خواندن و نوشتن و یا تنظیم را ارسال می نماید و مدت زمان مشخصی را که ازقبل مشخص شده در انتظار می ماند .در این زمان کلیه دستگا ه ها فرمان را دریافت می کنند و در ابتدا آن را با آدرس خود مقایسه می کنند اگر فرمان دریافتی شامل آدرس آن دستگاه باشد بعد از مدت زمان مشخص پاسخ را در شبکه ارسال می نمایند و سرور مرکزی پاسخ را دریافت می نماید.نکته قابل توجه این است که آدرس هیچ یک از دستگا ه ها نباید مشابه باشد در این صورت با دریافت فرمان هر دو دستگاه پاسخ را همزمان ارسال می نمایند که باعث تداخل در سیستم ارتباطی می شود .
پروتکلModBus RTU :یک پروتکل ارتباطی است که اولین بار در سال ۱۹۷۹ توسط شرکت Modicon فرانسه جهت ارتباط [۹۳]PLC های تولیدی این شرکت با سرور مرکزی طراحی شد. بعدا در سال ۲۰۰۴ با تشکیل یک سازمان[۹۴] با این نام کلیه حقوق این پروتکل به این سازمان منقل گردید.در پروتکل Modbus نیز هر دستگاه دارای یک آدرس مشخص است که معمولا عددی بین ۰ تا ۲۵۵ است .از قابلیت های پروتکل Modbus به توابع کنترل صحت اطلاعات در یافتی و یا ارسالی می توان اشاره نمود که به توابع Check Sum نامیده می شود .فرمت کلی بسته های اطلاعاتی در این پروتکل مانند جدول ۴-۲- می باشد .
