Joni Hietala CHEMPLANT-PROJEKTIN AUTOMAATIOSUUNNITTELU

Transkriptio

1 Joni Hietala CHEMPLANT-PROJEKTIN AUTOMAATIOSUUNNITTELU Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Automaatiotekniikan koulutusohjelma Maaliskuu 2008

2 TIIVISTELMÄ Yksikkö Tekniikan ja liiketalouden yksikkö, Kokkola Aika Tekijä/tekijät Joni Hietala Koulutusohjelma Automaatiotekniikan koulutusohjelma Työn nimi CHEMPLANT-PROJEKTIN AUTOMAATIOSUUNNITTELU Työn valvoja Sivumäärä Hannu Ala-Pöntiö liitettä Työn ohjaaja Jani Honga Työn tavoitteena oli automatisoida CENTRIAn Chemplant-projektissa suunniteltava ja rakennettava kemian koetehdas. Automaatiosuunnittelu toteutettiin Metson toimittamaan MetsoDNA-automaatiojärjestelmään. Tavoitteena oli suunnitella koetehdas, jota voidaan käyttää erilaisissa testausajoissa sekä mahdollisesti tuotannollisessa ajossa. Työn tarkoituksena oli luoda lähtötietojen mukaiset järjestelmäsovellukset ja niihin liittyvät ajantasaiset dokumentit. Automaatiosuunnittelussa tuotettiin toiminta- ja lukituskuvaukset koetehtaalle sekä niiden pohjalta sovellukset ja näytöt automaatiojärjestelmään. Lisäksi tuotettiin myös muita erinäisiä dokumentteja, jotka liittyvät läheisesti automaatiosuunnitteluun. Työn tuloksena oli toimiva automaatiojärjestelmä, jonka avulla pystytään koko laitoksen toimintaa kontrolloimaan ja laitoksen toimintaa voidaan muokata testaustarpeen mukaisesti. Työn suoritus sujui ilman suurempia ongelmia automaation suunnittelun ja toteutuksen aikana. Ratkaistavia ongelmia tuli suunnittelun aikana vastaan runsaasti, mutta kaikki ongelmat saatiin ratkaistua projektin aikana. Asiasanat automaatiosuunnittelu, koetehdas, prosessiautomaatio

3 ABSTRACT Unit Technical and business unit, Kokkola Date 3 March, 2008 Author Joni Hietala Degree Programme Degree Programme in Automation Technology Name of thesis DESIGNING AUTOMATION OF CHEMPLANT-PROJECT Instructor Pages Hannu Ala-Pöntiö Appendix Supervisor Jani Honga The aim of this thesis was to automate the pilot factory which was planned and built during Chemplant-project of CENTRIA. The designing was made to MetsoDNA-automation system delivered by Metso. The aim was to design a pilot factory which can be used for testing and also for production purposes. The aim of this thesis was to create system applications from the source information and documents related to these. In the automation design function and locking diagrams were made for the pilot factory. Applications and displays were created for the system from the diagrams. Also other documents, which were related to the automation design, were produced. The result of this thesis was a functional automation system with the help of which the pilot factory can be controlled. Also the functions of the pilot factory can be modified according to the testing needs. Designing and building of the pilot factory were carried out without greater problems. But a lot of problems were solved during the design. Key words automation design, pilot factory, process automation

4 SISÄLLYS 1 JOHDANTO 1 2 AUTOMAATIOJÄRJESTELMÄ PLC Prosessiautomaatiojärjestelmä Hajautettu järjestelmä Keskitetty järjestelmä Järjestelmän valinta 5 3 CHEMPLANT-PROJEKTI 6 4 METSO Yleistä Suunnittelu- ja konfigurointityökalut Ympäristön rakenne DNAExplorer FbCAD DNAuseEditor 16 5 KOETEHTAAN SUUNNITTELU Prosessin kuvaus Laitteisto Automaatiojärjestelmä Mittaukset Moottorit Venttiilit Sovellussuunnittelu Suunnittelun lähtökohdat Mittaukset Säätöpiirit Toimilaitteet Valvomosuunnittelu Suunnittelun lähtökohdat Valvomonäytöt 25 6 JOHTOPÄÄTÖKSET 27 LÄHTEET 29 LIITTEET

5 LYHENTEET CENTRIA AMK Ex ATEX I/O DNA CR EA EAS EAC CAD FbCAD PI ACN PCS OA BU DIA ALP HIST MIO IPS IBC MBB AIU8H HART AOU4H DI8P DO8SO MB8R PID Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulun tutkimus ja tuotekehitysyksikkö Ammattikorkeakoulu Explosive Atmosphères explosibles Input / output Dynamic network of applications Community for results Engineering and maintenance activity Engineering and maintenance activity server Engineering and maintenance activity client Computer-aided desing Function block diagram CAD Process instrumentation Application and control node Prosessiasema Operointipääte Varmuuskopiointiasema Diagnostiikka-asema Hälytysasema Historia-asema MetsoACN I/O MIO power supply MIO bus controller Mounting base for IPS/IBC Analog input unit, 20mA HART Highway addressable remote transducer Analog output unit, 20mA HART Digital input unit Digital output unit Mounting base for I/O-units Proportional-integral-derivative

6 1 1 JOHDANTO CENTRIA on Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulun tutkimus-, kehitys- ja täydennyskoulutusyksikkö. Tutkimus- ja kehitystoiminnan päätehtävänä on luoda edellytyksiä alueen yritysten ja yhteisöjen kehittymiselle. CENTRIAn organisoiman Chemplant-projektin tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulun tiloihin kemian koetehdas, joka olisi osana oppimisympäristöä sekä palvelisi myös lähialueen kemianteollisuuden tarpeita. Chemplant-projektin automaatiosuunnittelussa päätettiin käyttää ammattikorkeakoulun opiskelijoiden työpanosta. Automaatiosuunnittelussa hyvin tärkeänä osana oli projektin aikataulujen pitäminen sekä myös ajantasaisien dokumenttien luominen lähtötietoihin tulevien muutosten osalta. Lisäksi projektin aikana tuleviin ongelmiin haluttiin saada ratkaisut projektin aikana. Suunnittelun ja toteutuksen aikana tulleita ongelmia aiheutti kokemattomuus automaatiosuunnittelussa, koska suunnittelun kokemus rajoittui kokonaan insinööriopiskelun aikana opittuihin asioihin, jolloin käytännön työkokemus suunnittelualalta puuttui kokonaan. Lisäksi suunnittelun aikataulutus oli melko tiukka, joten aikataulujen pitäminen projektin aikana oli hyvin haasteellista ja vaati suuren panostuksen projektiin. Tavoitteena oli luoda toimivat automaatiosovellukset ja niihin liittyvät dokumentit aikataulujen puitteissa sekä ratkaista projektin aikana automaatiosuunnittelussa vastaan tulevat ongelmat.

7 2 2 AUTOMAATIOJÄRJESTELMÄ Automaatiojärjestelmä on nykyään yksi keskeisimmistä osista teollisuudessa. Automaatiojärjestelmiksi voidaan laskea niin yksittäinen ohjelmoitava logiikka kuin myös isompaa tehdasta pyörittävä järjestelmä. Automaatiojärjestelmiä käytetään, kun automatisoidaan jokin tuotannon prosessi tai sen osa, joka sisältää yksinkertaisia tai useasti toistuvia liikkeitä tai toimintoja. Lisäksi automaatiojärjestelmiä käytetään parantamaan toimintojen turvallisuutta käyttäjälle. Nykyään automaatiojärjestelmään liitetään myös muita tehtäviä, kuten historiankeruu ja raportointi laitoksen toiminnoista. (ABB 2007; Sivonen 2004, 181.) Automaatiojärjestelmä hoitaa tietoliikenteen I/O:n, valvomon ja muiden järjestelmään kytkettyjen laitteiden välillä. Automaatiojärjestelmä hoitaa mm. mittausten virtaviestin muuttamisen oikealle asteikolle valvomonäyttöä varten, tarvittavat laskennat, ohjausten muuttamisen virtaviestiksi, sovellusten sisäiset lukitukset jne. (ABB 2007; Sivonen 2004, 181.) 2.1 PLC PLC-järjestelmän(Programmable Logic Controller) suunnittelu tehdään pääasiallisesti loogisten operaatioiden, laskureiden ja ajastimien avulla. PLC-järjestelmiä käytetään pääasiassa kappaletavaran käsittelyssä. Järjestelmään saadaan lisättyä monenlaisia liitäntäkortteja, jolloin voidaan liittää erityyppisiä antureita järjestelmään ja PLC-logiikka myös muihin automaatiojärjestelmiin. PLC-järjestelmän hyviä puolia ovat ohjelman keveys ja yksinkertaisuus, luotettavuus sekä halvempi hinta. Huonoja puolia järjestelmässä ovat pienempi kapasiteetti ja isompien automaatiojärjestelmien hallittavuus. (ABB 2007; Sivonen 2004, 182.)

8 3 2.2 Prosessiautomaatiojärjestelmä Prosessiautomaatiojärjestelmä on nimensä mukaisesti suunniteltu ohjamaan erilaisia prosesseja. Prosessiautomaatiojärjestelmän hallinta erityisesti isommissa järjestelmissä on yleensä helpompaa kuin vastaavalla PLC-logiikalla. Prosessiautomaatiojärjestelmässä saadaan helpommin kerättyä tietoja ja raportoitua niistä käyttäjälle. Hyviä puolia ovat graafinen ympäristö, suurempi kapasiteetti ja monipuolisuus. Huonoja puolia ovat korkeampi hinta ja graafisen ympäristön järjestelmän koneilta vaatima isompi teho. (ABB 2007; Sivonen 2004, 183.) 2.3 Hajautettu järjestelmä Hajautetussa järjestelmässä (KUVIO 1) liitynnät laitteiden välillä hoidetaan erilaisilla väyläratkaisuilla, jolloin I/O-laitteet voidaan sijoittaa mahdollisimman lähelle prosessia, ohjausyksiköt saadaan suojattuihin kaappeihin ja valvomokoneet saadaan sijoitettua valvomoon. Hajautetussa järjestelmässä prosessiasemat hoitavat mittaustietojen käsittelyn, ohjausten laskennan ja ohjausten tekemisen paikan päällä. Hajautetun järjestelmän etuna ovat säästö johdotuksessa ja vapaampi sijoittelu laitteille. Haittana järjestelmässä ovat vaatimukset hajautettujen laitteiden ympäristökestävyydelle, kun niitä ei sijoiteta erilliseen elektroniikkatilaan. (ABB 2007; Asp, Tuominen & Hyppönen.)

9 4 KUVIO 1. Hajautettu automaatiojärjestelmä (Asp ym.) Hierarkian ylimmässä tasossa on ohjaavat valvomolaitteet, erilliset ohjauspäätteet, hälytyskirjoittimet ja muut tietokoneet, joilla voidaan liittyä tehdasverkkoon. Tältä tasolta voidaan tarvittaessa liittyä Internetiin tai toiseen lähiverkkoon. Toisessa tasossa on kentän ja tehdasverkon yhdistäviä laitteita, kuten automaation ohjausyksiköt ja logiikkayksiköt. Viimeisessä tasossa ovat kentältä löytyvät laitteet. Tähän kuuluvat yksittäiset ohjausyksiköt, lähettimet, anturit, mittalaitteet ja prosessia ohjaavat toimilaitteet. (ABB 2007; Sivonen 2004; Asp ym.) 2.4 Keskitetty järjestelmä Keskitetyssä järjestelmässä automaation kaikki toiminnot hoidetaan yhdessä pisteessä. Liitännät I/O:lta tapahtuvat omien kaapeleiden kautta suoraan keskusyksikköön. Keskitettyä järjestelmää käytetään yleensä pienemmissä järjestelmissä, jolloin ei ole järkevää hajauttaa toimintoja eri puolille. Tämän järjestelmän hyvät puolet ovat huollon helppous, se että kaikki sovellukset ovat samalla ohjelmointi-

10 5 kielellä ja mahdollisuus ohjata koko järjestelmää samasta pisteestä. (ABB 2007; Sivonen 2004; Asp ym.) 2.5 Järjestelmän valinta Automaatiojärjestelmän valinnassa koetehtaalle päädyttiin valitsemaan Metso Automationin tarjoama prosessiautomaatiojärjestelmä laitokselle. Metson automaatiojärjestelmällä sovellusten tekeminen laitokseen on helpompaa kuin logiikalla, koska järjestelmä on suunniteltu prosessiteollisuuden tarpeisiin. Lisäksi valintaa puolsivat myös tunnettu tekniikka, tuotetuen läheisyys ja Metson pysyvyys. Negatiivisella puolella on laitteiston korkeampi hinta verrattuna muihin tarjottuihin järjestelmiin.

11 6 3 CHEMPLANT-PROJEKTI Chemplant-projektin tavoitteena oli suunnitella ja rakentaa kemian koetehdas prosessitekniikan laboratorion tiloihin Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulun tekniikan ja liiketalouden yksikössä. Projektin toteuttajana toimi Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulun tutkimus- ja tuotekehitysyksikkö (CENTRIA). Projektin valmistuttua koetehtaan on tarkoitus palvella alueen koulutusorganisaatioiden (Chydenius-instituutti, AMK, aikuisopisto, ammattiopisto), KETEKin sekä Kokkolan seudun kemianteollisuuden yrityksiä. Koetehdas toimii oppimisympäristönä, ja sillä on suuri rooli myös tutkimus- ja tuotekehityksessä alueen yrityksille. (CENTRIA 2006.) Projekti ajoittui väliselle ajalle. Projekti jaettiin neljään eri osaprojektiin P1 P4. Jokaiselle osaprojektille laadittiin erilliset toimintasuunnitelmat, joita tarkennettiin projektin ohjausryhmän kokouksissa projektin toteutuksen edetessä. Projektin kokonaiskustannukset ovat yhteensä (KUVIO 2). (CENTRIA 2006.) KUVIO 2. Chemplant-projektin aikataulu ja kustannusarvio (CENTRIA 2006.)

12 7 Koetehtaan pääosia ovat raaka-aineen käsittely, reaktori, tislaus, kaasunpesuri ja suodatus (KUVIO 3). Prosessi rakennettiin siten, että jokaista päälaitetta voidaan käyttää yksitellen tai jatkumona edelliselle operaatiolle. Koetehdas automatisoitiin mahdollisimman pitkälle, kuitenkin niin, että jokaista päälaitetta voidaan käyttää omana kokonaisuutena. Suurin osa instrumenteista ja toimilaitteista sijoitettiin luokiteltuun Ex-tilaan (ATEX-direktiivi). Lisäksi koetehtaaseen kuuluu monipuolinen tiedonkeruu ja raportointi. (CENTRIA 2006.) KUVIO 3. Prosessikaavio Chemplant-projektista (CENTRIA 2006.)

13 8 4 METSO AUTOMATION 4.1 Yleistä Metso on suomalainen paperi- ja prosessiteollisuuden koneiden ja järjestelmien toimittaja. Metson kansainvälinen teknologiakonserni koostuu kolmesta eri liiketoiminta-alueesta: Metso Paper, Metso Minerals sekä Metso Automation. Metso Automation suunnittelee, kehittää ja toimittaa ratkaisuja tiedonhallintaan ja prosessiteollisuuden automaatioon. Uusin tuotekonsepti prosessiautomaatioon on MetsoDNA CR. (Metso Oyj ) Metso DNA CR pohjautuu vuonna 1989 kehitettyyn DamaticXDprosessiautomaatiojärjestelmään. Dynaaminen sovellusverkko eli DNA perustuu tiedon vapaaseen verkottamiseen (KUVIO 4), ohjausautomatiikkaan ja sulautettuihin kenttäohjauksiin. Metso DNA:n verkossa toimivat yhdessä ohjelmistosovellukset sekä laitesovellukset. Tämän takia laitokseen voidaan vapaasti valita automaatio- ja informaatiosovellukset laitoksen tarpeiden mukaisesti. Näihin sovelluksiin tarvittavat asemat linkitetään toisiinsa Ethernet-verkon avulla. MetsoDNA CR on yhteensopiva vanhojen Metson järjestelmien kanssa aina DamaticXD:hen asti, jolloin myös vanhat järjestelmät voidaan suoraan päivittää uudempaan versioon tai ne voivat toimia rinnakkain uusien järjestelmien kanssa. (Metso Automation 2008.)

14 9 KUVIO 4. Metson verkkorakenne (Metso Automation 2008.) 4.2 Suunnittelu- ja konfigurointityökalut Ympäristön rakenne EA:n rakenne muodostuu EAS-palvelimesta sekä yhdestä tai useammasta EACtyöasemasta. EAS ja EAC linkitetään toisiinsa Ethernet-verkon avulla. EAS asennetaan yleensä Windows 2000 Server -pohjaiseen tietokoneeseen. EAC voidaan asentaa joko Windows XP Professional- tai Windows 2000 Professional -pohjaiseen koneeseen. EA-ympäristössä pitää olla vähintään yksi EAC-asema, joka sisältää kaikki tarvittavat työkalut suunnittelulle ja ylläpidolle. Ensisijaisesti työkalut sijoitetaan EAS:lle, mutta ne voidaan myös tarvittaessa asentaa EACtyöasemalle. (Metso Automation 2008.)

15 DNAexplorer DNAexplorer-selain (KUVIO 5) on yksi tärkeimmistä työkaluista MetsoDNA:n suunnitteluympäristössä. Selaimen avulla hallinnoidaan ja ylläpidetään laitoksen sovelluksia. DNAexplorer toimii eräänlaisena tietovaraston hallintana. DNAexplorer helpottaa isojen kokonaisuuksien hallitsemista laitoksen suunnittelussa ja ylläpidossa, kun kaikki laitoksen eri sovellukset voidaan jakaa prosessialueiden tai laitteen nimen mukaan. (Metso Automation 2008.) KUVIO 5. DNAexplorerin käyttöliittymä DNAexplorerin käyttö perustuu erityyppisten hierarkioiden käyttöön. Hierarkioiden avulla voidaan luoda ja selata laitoksen prosessialueita ja paketteja. Hierarkioita on käytössä neljää eri tyyppiä:

16 11 Prosessialuehierarkia Prosessialuehierarkiassa (KUVIO 6) luodaan ja selataan laitoksen eri prosessialueita. Prosessialuehierarkiassa näkyvät kansiot eli prosessialueet nimetään sillä tavalla, että nimestä voidaan päätellä, mitä sovelluksia kansio sisältää. Kun suunnitteluvaiheessa kiinnitetään huomiota prosessialueiden suunnitteluun, niistä löytyvät tarvittavat sovellukset nopeasti suunnittelua ja ylläpitoa varten. (Metso Automation 2008.) KUVIO 6. Prosessialuehierarkia Pakettihierarkia Pakettihierarkiassa (KUVIO 7) luodaan järjestelmän eri paketit. Paketteihin sijoitetaan sovellukset niiden ajoaseman mukaan. Tällöin voidaan katsoa ajoaseman paketista, mitkä sovellukset menevät kyseiselle asemalle, ja samalla voidaan muokata tai lisätä sovelluksia paketteihin tarpeen mukaan. (Metso Automation 2008.)

17 12 KUVIO 7. Pakettihierarkia Verkkohierarkia Verkkohierarkiassa (KUVIO 8) voidaan tarkastella laitoksen I/O-rajapintojen hierarkiaa paketeittain ja laiteyksiköittäin jäsenneltynä. Verkkohierarkiassa voidaan selata ja konfiguroida I/O-toimintoja. Hierarkiassa näkyvät perus-i/o:n lisäksi myös laitoksen muiden väylien rajapinnat. (Metso Automation 2008.)

18 13 KUVIO 8. Verkkohierarkia Listahierarkia Listahierarkia ei varsinaisesti ole jäsentelijä, vaan siinä vain listataan kaikki tietovaraston piirit ilman minkäänlaista erillistä jäsentelyä (KUVIO 9). DNAexplorerin sovellushaku käyttää listahierarkiaa haun tuloksen näyttämiseen. (Metso Automation 2008.)

19 14 KUVIO 9. Listahierarkia Selaimen avulla voidaan suunnitellut piirit tai kokonaiset paketit siirtää EAS:n tietovarastosta (Repository) kohdeasemalle prosessin ajamista varten. Ennen pakettien siirtoa ajoasemalle pitää DNAexplorerin kautta tarkastaa ladattavien sovellusten virheet. Virheiden tarkastelussa katsotaan piirin sisäiset virheet (kytkentäpisteet, jne.), nimeysvirheet (piirien nimet ja tunnukset), ulkoiset virheet (liitäntäpisteet muista piireistä, jne.) ja I/O-virheet (rajapinnat, jne.). (Metso Automation 2008.) FbCAD FbCAD on AutoCADiin pohjautuva suunnittelu- ja ylläpitoaktiviteetin suunnittelutyökalu, joka hyödyntää AutoCADissä jo valmiiksi olemassa olevia ominaisuuksia (KUVIO 10). FbCAD:iä käytetään EAS-, EAC-asemalta tai Stand Alone -työasemalta. Suunnittelua kutsutaan graafiseksi suunnitteluksi, sillä FbCAD:llä suunnittelu on suunnittelijalle hyvin havainnollista, koska FbCAD:llä suunniteltu

20 15 piiri on ajoympäristöön ladattava sovellus, mutta se toimii myös graafisena dokumenttina. Tällä edesautetaan dokumenttien pysymistä ajan tasalla myös prosessin muutosten ja päivitysten aikana. (Metso Automation 2008.) KUVIO 10. FbCAD-suunnittelutyökalu FbCAD:llä suunnitellaan toimilohkokaavioita eli prosessin mittaukseen, säätöön ja ohjaukseen liittyviä piirejä. Toimilohkokaaviot koostuvat toimilohkosta ja sen ympärille rakennettavista positio-, operointi- ja tapahtumamoduuleista. FbCAD:llä suunnitellut piirit sisältävät yleensä yhden toimilohkon, mutta piirille voidaan sisällyttää useampiakin toimilohkoja. Yhteen piiriin sijoitetaan yleensä yhteen säätöpiiriin kuuluvat konfiguroinnit sekä rajapinnat muihin sovelluksiin ja I/O:lle. Erilaisten toimilohkojen avulla voidaan toteuttaa tarpeen mukaisia mittauksia, säätöpiirejä ja ohjauksia. FbCAD:llä suunnitellut piirit tallennetaan yleensä EAS:n tietovarastoon, josta ne voidaan DNAexplorerin kautta avata ja muokata. (Metso Automation 2008.)

21 DNAuseEditor DNAuseEditor (KUVIO 11) on laitosten valvomonäyttöjen ja informaationäyttöjen suunnitteluun ja ylläpitoon tarkoitettu suunnittelutyökalu. DNAuseEditoria voidaan käyttää joko EAS-asemalta, EAC-asemalta tai itsenäiseltä Stand Alone -työasemalta. Suunnittelua kutsutaan wysiwyg(what you see is what you get)- suunnitteluksi, koska suunniteltu kuva näyttää samalta myös operointiaseman näytössä. (Metso Automation 2008.) KUVIO 11. DNAuseEditor-suunnittelutyökalu Valvomonäytön suunnitteluun on olemassa valmiit symboliset pohjat yleisimmistä mittauksista, säädöistä ja ohjauksista. Näihin symboleihin syötetään sovelluksen suorasaantiportin tunnus, jolloin järjestelmä luo rajapinnan valvomonäytön ja prosessiaseman piirin välille. Valvomonäyttöön tuodaan mittaustiedot, jotka ovat prosessin ohjaamisen kannalta välttämättömiä. Informaationäyttöihin voidaan tuoda prosessin ohjaamisen kannalta epäolennaista tietoja, esimerkiksi prosessiaseman tilatietoja, I/O-korttien tilatietoja jne. (Metso Automation 2008.)

22 17 5 KOETEHTAAN SUUNNITTELU 5.1 Prosessin kuvaus Prosessin suunnittelussa lähtökohtana oli prosessin käyttäminen joko yksittäisinä toimintoina tai jatkumoina edellisille toiminnoille. Tämä asetti haasteita myös automaation suunnittelulle. Prosessiin kuuluvat raaka-aineen syöttö, reaktori, kaasunpesuri, tislain, suodatus ja jauhatus (LIITE 1). Raaka-aineen syöttö Raaka-aineita voidaan syöttää reaktorille kolmen säiliön avulla. Jokaisessa säiliössä on oma syöttöpumppu reaktorille. Yhden raaka-ainesäiliön tilavuus on 500 litraa. Reaktori Reaktori on noin 70 litraa vetävä haponkestävästä materiaalista valmistettu paineastia. Reaktoria voidaan lämmittää tai jäähdyttää sekä lämmityspiirin avulla reaktorin vaipan että reaktorin kierron lämmönvaihtimen avulla. Lisäksi reaktoria voidaan sekoittaa sekoitusmoottorilla tai reaktorin kiertopumpulla. Reaktori voidaan täyttää kolmen raaka-ainesyötön avulla tai erillisen letkun kautta syötettynä. Reaktori tyhjennetään kiertopumpun avulla joko tislaimen tai suodattimen syöttösäiliöön tai erilliseen säiliöön seuraavaa vaihetta varten. Kaasunpesuri Kaasunpesurissa puhdistetaan veden tai muun nestesekoituksen avulla reaktorilta tuleva kaasu. Pesurin neste johdetaan pumpun kautta venturille. Venturilla neste ohjataan suuttimen läpi, jolloin se muuttuu suihkuksi, joka puhdistaa reaktorilta tulevan kaasun. Tämän jälkeen puhdistettu ilma johdetaan pesurin säiliöstä kolonniin, jossa on myös mahdollista puhdistaa kaasu toiseen kertaan, ennen kuin puhdistettu kaasu johdetaan puhaltimen kautta ulkoilmaan.

23 18 Tislain Tislain toimii pohjakiehutusperiaatteella. Tislaimen pohjan nestettä lämmitetään lämmönvaihtimelle syötettävän höyryn avulla, jolloin tislaimen pohjan neste alkaa kiehua ja tislattavat aineet alkavat erottua toisistaan. Tislaimen pohjan pintaa hallitaan pohjatuotesäiliöön menevän putken avulla, jotta pinta ei pääse nousemaan tislaimessa liian korkealle. Tislauskolonnin pohjalla muodostuva kaasu nousee kolonnin yläosaan, josta se johdatetaan jäähdytyksen kautta välisäiliöön. Välisäiliöstä voidaan tislettä palauttaa pumpun avulla takaisin kolonnin yläosaan tai ottaa toisen pumpun avulla tislesäiliöön talteen. Suodatus Suodatuksessa suodatettava neste syötetään pumpun avulla suodattimelle, jossa se menee suodattimen suodatinkankaiden läpi. Pumppua säädetään suodattimen sisälle menevän ja sieltä poistuvan paine-eron mukaan. Suodattimessa on myös mahdollisuus sekoittaa syöttösäiliön sisältöä pumpulla suodattimen paluuputken kautta. Jauhatus Jauhatuksessa säädetään jauhatuksessa käytettävän astian pyörimisnopeutta. Astian pyörimisnopeus lasketaan astian halkaisijan ja moottorin pyörimisnopeuden avulla. 5.2 Laitteisto Automaatiojärjestelmä Automaatiolaitteiston pohjana toimii kompakti prosessiasema MetsoACN C20 (PCS) (LIITE 2). Prosessiasemaan yhdistettiin Ethernet-verkon kautta yksi operointipääte (OA), johon sisältyi varmuuskopioasema (BU), diagnostiikka-asema

24 19 (DIA) ja hälytysasema (ALP) (KUVIO 12). Lisäksi samaan Ethernet-verkkoon liitettiin historiankeruuasema (HIST) prosessin tiedonkeruuta varten ja Ethernetkytkimen kautta yhdistettiin myös muualla oppilaitoksen tiloissa sijainneet EASpalvelin sekä 18 kappaletta EAC-työasemia. KUVIO 12. Chemplantin järjestelmän rakenne I/O:ta varten rakennettiin laitokselle kaksi kenttäkaappia, joihin molempiin sijoitettiin yksi I/O-kehikko (TAULUKKO 1). Laitoksessa käytetty I/O on uusinta MIOtekniikkaa Metson järjestelmissä. MIO on kompakti ratkaisu I/O-liitäntöjen tarpeisiin. MIO:ta on mahdollista käyttää hajautetussa sekä keskitetyssä järjestelmässä, ja se on helppo skaalata tarpeiden mukaiseksi. I/O-kehikot yhdistetään toisiinsa Ethernet-kaapelilla, jotka liitetään I/O-kehikon väyläohjaimeen. Väyläohjaimien välille rakennetaan ns. rengasverkko, josta ensimmäinen väyläohjain liitetään Ethernetin avulla prosessiasemalle. Koetehtaan I/O:t pyrittiin jakamaan eri kenttäkoteloihin I/O:n prosessialueen mukaan, jolloin yhden I/O-kaapin vikaantuminen ei estä toimintoja koko laitoksessa. Ensimmäiseen kenttäkoteloon sijoitettiin reaktorin, kaasunpesurin ja raaka-

25 20 ainesyöttöjen I/O:t (LIITE 3). Toiseen kenttäkoteloon sijoitettiin tislaimen ja suodattimen I/O:t. Kenttäkoteloihin sijoitettiin myös Ex-alueelle tarvittavat tehonrajoittimet (barrierit), sekä ristikytkennät kentän ja I/O:n välillä. Kaappien suunnittelun ja rakentamisen toteutti Apex Automation. TAULUKKO 1. Chemplantin I/O-laitteisto ja tarvikkeet Tunnus Kuvaus Määrä IPS MIO power supply 2 kpl IBC MIO bus control 2 kpl MBB Mounting base for IPS/IBC 2 kpl AIU8H Analog input unit, 20 ma HART 4 kpl AOU8H Analog output unit, 20 ma HART 2 kpl DI8P Digital input unit 4 kpl DO8SO Digital output unit 1 kpl MB8R Mouting base for I/O units 2 kpl Mittaukset Laitoksen eri prosesseista mitataan lämpötilaa, painetta, paine-eroa, pintaa, ph:ta sekä venttiilien rajatietoja. Laitoksen kaikki analogiamittaukset ja -lähdöt on toteutettu 4 20 ma:n virtaviestillä, joista haluttiin mittaustiedon lisäksi myös HARTsignaali. HART:n avulla laitteeseen voidaan kytkeytyä EAS-palvelimen kautta tai järjestelmän ulkopuolelta erillisellä HART-lukijalla. Tämä helpottaa vian paikallistamista ja konfiguraatiotietojen muutoksia laitteistossa. Prosessin virtausmittaukset päätettiin toteuttaa toissijaisella mittauksella, koska putkistossa virtaavista aineista ei ollut tarkkaa tietoa, jolloin oikean virtausmittaustyypin valinta olisi mahdoton tehdä. Toissijaisena mittauksena toimii taajuusmuuttajalta saatava pyörimisnopeus, jonka perusteella voidaan laskea arvio vakiotilavuuspumpun tuotosta ja syöttömäärästä. Digitaaliset tulot ovat joko PNP-tyyppiseltä kytkimeltä tai kosketintietoja. Tarvittava jännitesyöttö kytkimille ja koskettimille toteutettiin joko tehonrajoittimen kautta tai

26 21 suoraan I/O-kortilta. Digitaalisia tuloja käytettiin vain pintarajoissa ja venttiilien rajatiedoissa Moottorit Laitoksen kaikki moottorit kytkettiin taajuusmuuttajien perään. Taajuusmuuttajien toimittajaksi valittiin suomalainen Vacon, kun taas moottorit hankittiin kolmelta eri toimittajalta. Moottorien nimellistehot olivat 180 W 1,5 kw. Kun tehot moottoreissa pysyivät näin pieninä, voidaan moottoreita ohjata ilman suurempia rajoituksia. Laitokseen tuli kaiken kaikkiaan kymmenen pumppua, kaksi moottoria ja yksi puhallin. Moottoreita käytettiin jauhatusastian pyörittämiseen ja reaktorin sekoittajan pyörittämiseen Venttiilit Laitokseen tuli säätöventtiileitä yhteensä viisi kappaletta ja on/off-venttiileitä tuli saman verran. Venttiilit tilattiin kolmelta eri toimittajalta. Ex-alueen takia päädyttiin ohjamaan kaikkia laitoksen venttiileitä paineilman avulla. Ilmanjakokaappi sijoitettiin kenttäkoteloiden viereen, jolloin venttiileitä ohjaavat magneettiventtiilit saatiin sijoitettua lähelle niitä ohjaavaa I/O:ta. Magneettiventtiileitä ohjaavat I/O-kortilla sijaitsevat NO(normally open)-kytkimet. Sähkösyöttö ohjauspiirille otettiin erillisestä virransyötöstä. 5.3 Sovellussuunnittelu Sovellussuunnittelussa luodaan tarvittavat sovellukset laitokselle. Suunnittelussa parhaaseen tulokseen pääsee, kun ennen suunnittelua ja suunnittelun aikana keskusteluun sovellussuunnittelusta osallistuvat automaatiosuunnittelijan lisäksi myös prosessisuunnittelija ja laitoksen käyttäjä. Käyttäjällä on yleensä paras asiantuntemus prosessin käyttäytymisestä eri tilanteissa ja häiriötilanteiden vaatimista toimenpiteistä. (Sivonen 2004, )

27 22 Ennen sovellussuunnittelun aloittamista pitää selvittää mahdollisimman tarkasti kaikki laitoksen lähtötiedot sovellusten konfigurointia varten. Lähtötietoihin kuuluvat mm. I/O-luettelot, mitta-alueet, piirien nimet ja niiden lyhenteet sekä lukitus- ja toimintakaaviot. Sovellussuunnittelun aikana kannattaa käyttää piiripohjia, mikä vähentää suunnitteluun kuluvaa aikaa. Lisäksi piiripohjien käyttö helpottaa eri suunnittelijoiden piirien yhdistämistä testausvaiheessa. Suunnittelun ja muutosten dokumentointi on myös ensisijaisen tärkeää suunnitteluvaiheessa. (Sivonen 2004, ) Suunnittelun lähtökohdat Suunnittelun lähtökohtana käytettiin jo olemassa ollutta ensimmäistä versiota PIkaaviosta ja prosessin toimintakuvausta. Siitä lähdettiin suunnittelemaan yhdessä prosessipuolen suunnittelijoiden ja käyttäjien kanssa laitoksen toimintaa. Jokaiselle piirille tehtiin oma Html-pohjainen toimintakuvaus (LIITE 4) sekä lisäksi lukituskuvaukset moottoreille, venttiileille ja säätöpiireille (LIITE 5). Lukituskuvauksiin lisättiin myös dynaamiset tekstit ilmaisemaan lukitusten tilaa, lukitusten ohitusten tilaa ja tieto ensimmäisenä lukituksen aiheuttavasta piiristä. Toimintakuvausten ja lukituskuvausten pohjalta suunniteltiin sovellukset FbCAD:llä (LIITE 6 ja 7). Sovellusten suunnittelun lisäksi päätimme tehdä laitokselle simulointipiirit, jolloin pystytään ennen laitteiston liittämistä järjestelmään tarkistamaan suurin osa laitoksen toiminnoista ja piirien toimivuudesta yhdessä prosessisuunnittelijan ja laitoksen käyttäjän kanssa. Tällöin pystytään korjaamaan virheitä ja tekemään muutoksia laitoksen toimintoihin ennen käyttöönottoa. Tällä pyritään vähentämään käyttöönotossa eteen tulevien virheiden ja ongelmien määrää, mikä myös säästää aikaa käyttöönottovaiheesta. Kaikista laitoksen lukituksista tehtiin lukituskaavio, josta pystytään tarkastelemaan lukitusten toiminnot laitoksessa. Tämä myös auttoi päällekkäisten lukitusten poistamista laitoksesta, jolloin virheellisen tai liiallisen informaation määrä vähenee. Myös lukitusten ketjutuksia pystyi suunnittelemaan etukäteen (LIITE 8).

28 Mittaukset Kaikki laitoksen mittaukset ovat perusmittauksia, jolloin sovelluksille ei tarvinnut suunnitella erikoisempia toimintoja. Suurin osa mittauksista liitettiin I/O-korteille, jonne niitä tuli 51 kpl. Profibus-väylästä otettiin suoraan moottoreilta tulevat mittaukset, joita tuli yhteensä kolme kappaletta. Lisäksi väylästä olisi mahdollisuus ottaa jokaisesta moottorista mittaustietona teho, pyörimisnopeus ja momentti, mutta tässä projektissa päätimme ottaa vain prosessin ohjaamisen kannalta oleelliset mittaustiedot moottoreilta. Lisäksi Profibus-väylän kautta otettiin tilatiedot Exalueella olevien moottorien lämpöreleistä ja Hätäseis-kytkimen tila Säätöpiirit Säätöpiiri muodostuu kolmesta eri osasta: mittauksesta, säätimestä ja toimilaitteesta. Säätöpiirin tehtävänä on pitää mittauksen ja asetusarvon erotus nollassa ohjaamalla toimilaitetta mahdollisimman tarkasti. Säätöpiirin pohjana on PID(Proportional-integral-derivative)-säädin, jota yleensä käytetään ainoastaan PIsäätimenä. Säätöpiirejä laitokseen tuli 16 kpl. Säätöpiireissä säädetään pintaa, lämpötilaa, painetta, paine-eroa, virtausta ja pyörimisnopeutta. Säätöpiireillä ohjataan joko moottoria tai säätöventtiiliä. Säätöpiireistä lähes kaikki toimivat automaatilla, jolloin ohjauksen muutokset tapahtuvat aina säätimen kautta. Näin estetään mahdollisten paineiskujen muodostuminen linjastoihin, kun säätö estää nopeat muutokset ohjauksessa. Ainoan poikkeuksen tähän toi reaktorin paineensäätö, jossa voidaan ohjata venttiili manuaalilla auki, kun paineensäätöä ei reaktorilla tarvita. Säätöpiirin asetusarvon käytössä on Local-asetusarvo, joka on käyttäjän muutettavissa, ja Remote-asetusarvo, joka on tarvittaessa sekvenssin tai muiden sisäisten ohjauksien käytössä. Kaikki säätöpiirit toimivat PI-säätiminä. Jokaiseen säätöpiiriin liitettiin myös lukituspiiri, jossa tapahtuvat lähes kaikki kyseiseen säätöön liittyvät ohjelmalliset laskennat, lukitukset ja ohjaukset. Kun säätöpiirille tehtiin erillinen lukituspiiri, niin säätöpiirin lukitusmäärittelyjä voidaan muuttaa

29 24 ilman säätöpiirin uudelleenlataamista järjestelmään, jolloin mittaus ja toimilaitteen säätö eivät katkea lukituspiiriä muutettaessa Toimilaitteet Kaikki laitoksen moottoreita ohjaavat taajuusmuuttajat päätettiin liittää Profibusväylään, jolloin suunnittelu moottoreille on helpompi toteuttaa. Väylän kautta annetaan käynnistystiedot moottoreille ja ohjaustiedot moottorien pyörimisnopeuksille. Moottoreita ohjataan normaalisti manuaalilla käyntiin/seis, ja osassa moottoreista on käytössä automaattitila sekvenssiä ja muita automaattiohjauksia varten. Jos moottorissa ei ole käytössä automaattitilaa, niin vaihto manuaalilta automaatille on estetty. Jokaisen moottorin ohjaukset tulevat joko säätöpiirin tai käsisäätimen kautta. On/off-venttiileitä ohjataan normaalisti manuaalilla, jolloin käyttäjä voi operoida venttiilin asentoa. Automaattitila tuli mahdolliseksi ainoastaan sekvenssissä käytettäviin venttiileihin ja automaattista ohjausta käyttävään venttiiliin. Jokaiseen toimilaitteen piiriin liitettiin myös lukituspiiri, joka on vastaavanlainen säätöpiirin lukituspiirin kanssa. 5.4 Valvomosuunnittelu Valvomosuunnittelussa luodaan valvomolle tarvittavat operointinäytöt. Ennen suunnittelun aloittamista ja suunnitteluvaiheessa laitoksen käyttäjän, prosessisuunnittelijan ja valvomosuunnittelijan on keskusteltava valvomosuunnittelun toteuttamisesta. Käyttäjä on tärkeässä asemassa valvomosuunnittelussa, koska käyttäjä tuntee prosessin toiminnan yleensä parhaiten. Valvomosuunnittelussa lähtötietoina tarvitaan mm. näyttöjen määrä, näyttöihin sijoitettavat mittaukset ja operoinnit, näyttöjen ryhmitys ja käytettävät värit.

30 25 Yleisiä periaatteita näyttösuunnittelussa ovat seuraavat: ei liikaa näyttöjä eikä liian täysinäisiä näyttöjä värien käyttö: kirkkaat värit huomiovärejä, taustaväreihin sekoittuvat värit normaaleja tiloja osoittavat vilkkuvat tekstit ja väripohjat huomiota varten (Sivonen 2004, 239.) Suunnittelun lähtökohdat Valvomosuunnittelun pohjana käytettiin jo olemassa ollutta versiota PI-kaaviosta ja laitoksen laitesijoittelun suunnitelmia. Näiden pohjalta lähdettiin suunnittelemaan laitoksen valvomonäyttöjä yhdessä käyttäjän ja prosessisuunnittelijan kanssa. Näyttösuunnittelun tavoitteena oli saada aikaiseksi operointinäyttöjä, joita olisi yksinkertaista ohjata sekä helppo ymmärtää ja operoida. Tällöin vähennetään ohjauksessa tapahtuvia virheellisiä tulkintoja ja operointeja Valvomonäytöt Valvomonäytöt päätettiin jakaa eri toimintojen mukaan eri näytöille. Tällöin näytöt pysyvät selkeinä ja niihin ei tule liikaa informaatiota, jolloin operointi on helpompaa. Näyttöjen välinen navigointi tapahtuu sisällysluettelon kautta. Näytön alaosassa olevien painikkeiden kautta voidaan selata yleisnäytön ja operointinäyttöjen välillä (LIITE 9). Näyttöhierarkian (KUVIO 13) suunnittelussa päätimme tehdä kolmen eri tason hierarkian. Tasolla 1 ovat Sisällysluettelo ja Yleisnäyttö. Sisällysluettelosta voidaan siirtyä laitoksen eri näyttöihin, ja Yleisnäytöstä näkee prosessin venttiilien asennon ja moottorien tilan, mutta minkäänlaista operointia ei tällä hierarkiatasolla suoriteta. Tasolla 2 ovat prosessin operointinäytöt, ja siinä on jaettuna prosessi viidelle eri osanäytölle. Viimeisellä eli tasolla 3 tässä projektissa tuli ainoastaan yksi reseptinäyttö, mutta sinne voidaan lisätä tarvittaessa trendinäyttöjä, reseptinäyttöjä tai informaationäyttöjä.

31 KUVIO 13. Näyttöhierarkia 26

32 27 6 JOHTOPÄÄTÖKSET Projektin alkuperäinen aikataulu olisi ollut todennäköisesti liian tiukka automaatiosuunnittelun kannalta, mutta koetehtaan rakennusvaiheessa tulleet viivästykset auttoivat automaatiosuunnittelun aikataulussa pysymistä. Myös prosessin simulointiin ja viimeistelyyn jäi enemmän aikaa projektin viivästyessä. Myös tekijän kokemattomuus aiheutti projektin aikana hyvin paljon ylimääräistä työtä. Suunnittelussa joutui tekemään moninkertaista suunnittelua, kun järjestelmän kaikki ominaisuudet eivät olleet tuttuja prosessin toimintaa suunniteltaessa. Isompia ongelmia käyttöönoton aikana aiheutti reaktorin lämpötilan säätö, joka alkuperäisissä suunnitelmissa haluttiin tehdä kaskadisäädöllä reaktorin lämpötilasta ja reaktorin vaippaan menevästä lämpötilasta. Käyttöönottovaiheessa tuli ongelmaksi saada reaktorin lämpötila halutun suuruiseksi, koska säätöä olisi hyvin vaikea saada toimimaan erilaisissa tilanteessa edes tyydyttävästi. Tähän ratkaisuna oli siirtää reaktorin lämpötilan säätö kokonaan reaktorin vaipalta ulos tulevan nesteen lämpötilan säädöksi, jolloin reaktorin lämpötilan säätö on helpompi saada toimimaan erilaisissa tilanteissa. Toinen isompi muutos suunnitteluvaiheessa tuli kaasunpesurin pinnankorkeuden säätöön, jossa alun perin säätö rakennettiin kahden pintarajan välille. Tässä ratkaisussa oli puutteena tyhjäkäyntisuojan puuttuminen pesurin pumpulta ja pesurin toiminnan estäminen liian alhaisen nestepinnan takia. Koska käyttöönottovaiheessa ei haluttu enää lisätä rajapintoja pesurille korkeiden muutoskustannusten takia, päädyttiin säätämään pesurin pintaa ylemmän rajan mukaan ja alemmasta rajasta tehtiin tyhjäkäyntisuoja pesurin pumpulle ja esto pesurin toiminnalle. Käyttöönotossa ja myös suunnittelun aikana tuli vastaan runsaasti pienempiä ongelmia, joita ratkaistiin yleensä yhdessä prosessisuunnittelijan ja käyttäjän kanssa. Projekti saatiin lopulta toteutettua muuttuneiden aikataulujen mukaisesti. Ainostaan suodattimen testaaminen jäi suorittamatta puuttuneiden osien takia sekä säätöjen kunnollinen optimointi jäi suorittamatta ajanpuutteen takia. Automaatiosuunnittelussa luotiin tarvittavat sovellukset laitoksen käyttämistä varten ja sovelluksille saatiin myös luotua ajantasaiset dokumentit. Laitosta voidaan operoida ja valvoa

33 28 pääasiallisesti valvomopäätteeltä, jolloin laitoksen operoijan on helpompi hallita laitoksen eri toimintoja. Laitosta on mahdollista muokata käyttötarpeiden mukaisesti, kun laitoksen eri osia ei sidottu yhteen automaation osalta.

34 29 LÄHTEET ABB ABB:n TTT-käsikirja Www-dokumentti. Saatavissa: B002FB07B/$file/240_0007.pdf. Luettu Asp, Tuominen & Hyppönen. Automaatiojärjestelmä. Oppimateriaali. Wwwdokumentti. Saatavissa: stelma.html. Luettu CENTRIA Chemplant-projektin projektisuunnitelma. Metso Automation Metson manuaali, metsodna CR Manuals Collection 2007 Fi V.10.1 build 1.4. Manuaali. Metso Oyj Metso lyhyesti. Www-dokumentti. Saatavissa: Luettu Sivonen, Markku Teollisuuden instrumentointi Rakenne ja suunnittelu. AEL Oy, Helsinki.

35 LIITTEET 1/1 PI-kaavio laitoksesta C20-prosessiasema 1/2 PI-kaavio laitoksesta 2 MetsoACN C20 3 Kenttäkotelo 1 4 Toimintakuvaus tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä 5 Lukituskuvaus tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä 6/1 Piirikuva tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä 6/2 Piirikuva tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä 7/1 Lukituskuva tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä 7/2 Lukituskuva tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä 8 Lukituskaavio tislaimesta 9 Operointipääte

36 LIITE 1/1 PI-kaavio laitoksesta

37 LIITE 1/2 PI-kaavio laitoksesta

38 LIITE 2 MetsoACN C20

39 LIITE 3 Kenttäkotelo 1

40 LIITE 4 Toimintakuvaus tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä

41 LIITE 5 Lukituskuvaus tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä

42 LIITE 6/1 Piirikuva tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä

43 LIITE 6/2 Piirikuva tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä

44 LIITE 7/1 Lukituskuva tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä

45 LIITE 7/2 Lukituskuva tislaimen pohjan lämpötilan säädöstä

46 LIITE 8 Lukituskaavio tislaimesta

47 LIITE 9 Operointipääte