Embed Size (px)
Citation preview
Uppbyggnad och reglering av en pumpstation till ett injektionssystem
Structure and Controlling of a Pump Station to an Injection System
Tommie Hilmersson
Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap
Högskoleingenjörsprogrammet i Mekatronik
C-nivå 22,5hp
Extern handledare: Johan Funehag
Handledare: Jorge Solis
Examinator: Magnus Mossberg
Datum 2014-10-20
Löpnummer 46
Sammanfattning
Jag blev tilldelad examensarbetet som en del i ett projekt GMA AB (Ground
Machinery Applications AB) driver. Projektet går ut på att ta fram en ny metod för
injektering av borrhål i bergväggar. I nuläget används vanligtvis cement vid
injektering men grundidén i projektet är att byta ut cement mot ett komplement vid
namn Silica sol.
Silica sol är en så kallad gelande vätska. Geltiden styrs genom en inblandning av
saltlösning. Beroende på mängden inblandad saltlösning varierar geltiden. Genom att
styra proportionerna Silica Sol och saltlösning under injekteringens gång kan all
injekterad Silica sol i borrhålet härda samtidigt och följaktligen påverkar det hur djupt
in i bergväggen den gelande vätskan tränger in.
Till projektet köpte GMA in en begagnad pumpstation som tidigare användes i ett
liknande projekt. Syftet var att granska pumpstationens befintliga komponenter och
om möjligt använda dessa för att uppfylla målsättningen.
Under arbetets gång togs det fram två förslag på pumpsystemets struktur utifrån de
givna förutsättningarna och det förslag som ansågs vara bäst valdes utifrån rent
praktiska kriterier. Den befintliga pumpstationens komponenter kompletterades med
nya komponenter och ett pumpsystem byggdes upp efter det framtagna förslaget.
Pumpstationens tillhörande elskåp byggdes om för att uppfylla kraven på systemets
funktion och ett Mitsubishi PLC-system implementerades och ritningar över de
elektriska komponenterna gjordes. Därefter skapades ett program för att styra
pumpstationen manuellt i syfte att kontrollera att komponenterna var rätt kopplade.
Sedan skapades ett program innehållande en PID-regulator för att styra förhållandet
mellan Silica sol och saltlösning samt för att kunna hålla önskat tryck i systemet.
Pumpstationen provkördes mot en vattentank och två metoder för frekvensbaserad
regulatorinställning användes för att ställa in PID-regulatorns parametrar.
En del i målsättningen som tyvärr uteblev på grund av tidsbrist var att testköra
pumpstationen mot ett rör som var byggt för att simulera ett riktigt borrhål. Därmed
blev inte PID-parametrarnas inställning optimerad för en riktig injektering med Silica
sol och saltlösning. Med utgångspunkt från resultaten i rapporten har man dock en
god grund att utgå ifrån om man väljer att gå vidare i projektet.
Abstract
I was assigned to the thesis as part of a project GMA AB (Ground Machinery
Applications AB) is running. The project aims to develop a new method for injection
of drilled holes in rock walls. Currently, the injections usually involve cement but the
basic idea of the project is to replace cement with a supplement called Silica sol.
Silica sol is known as a gelling liquid. The gel time is controlled by a mixing of saline.
Depending on the amount saline that gets mixed in, the gel time varies. By controlling
the ratio of Silica Sol and saline during an injection, you can make all the Silica sol
and saline harden simultaneously and that consequently affect how deep into the
rock wall the gelling fluid ingress.
To the project GMA bought a pump station which was previously used in a similar
project. The purpose was to review the pumping stations components and if possible,
use these to meet the objective.
During the project two proposals of the pumping system structure were considered.
The proposal that was considered to be the best were chosen based on practical
criteria. The existing pump station components were supplemented with new
components and a pumping system was built up by the developed proposal. The
pumping stations associated electrical box was rebuilt to meet the requirements of
the system and a Mitsubishi PLC system was implemented and drawings of the
electrical components were made. Then a program to control the pump station
manually was created in order to verify that the components were connected
properly. Then a program containing a PID controller was created in order control the
ratio of silica sol and saline and also to maintain the required pressure in the system.
The pump station was tested against a water tank and two methods for frequency
based regulation setting were used to set the PID controller parameters.
Part of the goal which unfortunately did not get realized due to lack of time was to
test the pump station against a pipe that was built to simulate a real drilled hole.
Therefore the PID parameter setting did not get optimized for a proper injection with
silica sol and saline. Based on the results and all the progress, this report will be a
good base to start from when someone chooses to proceed with this project.
Tackord
Jag vill tacka Lars Eriksson och GMA AB som ställde upp med ett intressant och utmanande examensarbete. Jag vill även tacka Johan Funehag, Thomas Olsson och Anders Nilsson för allt de bidrog med.
Innehåll
1. Inledning ................................................................................................................. 1
1.1 Bakgrund ........................................................................................................... 1
1.2 Problem ............................................................................................................. 1
1.3 Avgränsningar ................................................................................................... 2
1.4 Målsättning ........................................................................................................ 2
1.5 Syfte .................................................................................................................. 2
2. Förstudie ................................................................................................................. 3
2.1 Den befintliga pumpstationen ............................................................................ 3
2.2 Blandningsförhållande ....................................................................................... 3
2.3 PID-Regulator ................................................................................................... 5
2.4 Programvaror .................................................................................................... 5
3. Genomförande ........................................................................................................ 6
3.1 Pumpsystemets struktur .................................................................................... 6
3.1.1 Förslag 1 .................................................................................................... 6
3.1.2 Förslag 2 .................................................................................................... 7
3.1.3 Val av struktur ............................................................................................. 8
3.2 Dimensionering av kolvpump 2 och tillhörande elmotor .................................... 8
3.3 Ombyggnad av pumpsystemet ......................................................................... 9
3.4 Ombyggnad av elskåpet ................................................................................. 12
3.5 Programmering av styrsystemet och operatörspanelen .................................. 14
3.6 Testkörning av pumpstationen ........................................................................ 16
4. Resultat ................................................................................................................ 17
4.1 Pumpsystemet ................................................................................................ 17
4.2 Elskåpet .......................................................................................................... 18
4.3 Styrsystemet ................................................................................................... 18
4.4 Operatörspanelen ........................................................................................... 21
4.5 Testkörning ..................................................................................................... 23
5. Slutsats ................................................................................................................. 25
Referenser ................................................................................................................ 26
Bilaga 1…………………………………………………………………………………………
Bilaga 2…………………………………………………………………………………………
1
1. Inledning
1.1 Bakgrund
Företaget GMA AB (Ground Machinery Applications AB) i Sunne är framstående
inom bergsäkringssystem. De tillverkar bland annat produkter som tillämpas vid
injektering av borrhål i t.ex. tunnelgångar för att täta bergets sprickor och därmed
motverka att vatten tränger fram och fyller tunnelgångarna.
Jag tilldelades examensarbetet som en del i projektet GMA driver, i vilket de
utvecklar en ny metod för injektering av borrhål. I dagsläget tätar man sprickor i
bergväggar genom att borra ett antal hål, för att sedan fylla dessa hål med cement.
När cementen pumpas in i borrhålen tränger den in i bergets sprickor och tätar
vattnets möjliga vägar att tränga fram i tunnelgången.
I nuläget blandas cementen batchvis innan injekteringen startat, det leder till att den
mängd cement som inte används vid injektering förstörs och går till spillo.
En grundförutsättning i projektet är att använda ett ämne vid namn Silica Sol som
komplement till cement. Silica sol är en så kallad ”gelande vätska” där tiden det tar
för vätskan att ”gela” kan påverkas genom att blanda den med saltlösning.
Blandningsförhållandet styr geltiden, om andelen saltlösning ökar ger det en kortare
geltid.
Grundidén i projektet är att utveckla ett system för injektering där en blandning utav
Silica sol och saltlösning sker i injekteringsmunstycket istället för batchvis innan
injektering.
1.2 Problem
Ett problem med att blanda Silica Sol och Saltlösning batchvis är att antalet sprickor i
berget som varje borrhål träffar kan variera kraftigt och därmed blir mängden
injekterad vätska per borrhål väldigt svår att förutse. Detta skulle kunna undvikas
genom att styra proportionerna Silica Sol och saltlösning under injekteringens gång.
Med rätt styrning skulle all injekterad Silica sol och saltlösning kunna härda samtidigt
i borrhålet. Genom att styra proportionerna Silica Sol och saltlösning under
injekteringens gång och samtidigt kunna hålla ett önskat tryck i systemet skulle man
kunna påverka hur djupt den gelande vätskan tränger in i sprickorna.
2
1.3 Avgränsningar
Till projektet köptes en pumpstation som tidigare användes i ett liknande projekt som
drevs på Chalmers för några år sedan. Projektet på Chalmers blev aldrig klart på
grund av ekonomiska förhinder. Syftet med inköpet av pumpstationen var att granska
dess befintliga komponenter och om möjligt använda dem vid uppbyggnad av en ny
pumpstation.
Ett grundkrav från uppdragsgivaren var att pumpstationens kolvpump med tillhörande
motor skulle utgöra basen för systemet då den tidigare har använts vid injektering av
borrhål och är dimensionerad för att klara av de tryck och flöden som behövs.
1.4 Målsättning
Målsättningen var att med hjälp av mina färdigheter inom mekatronik uppfylla
uppdragsgivarens krav.
Ta fram två förslag på en mekanisk lösning för pumpstationens struktur.
Välja ut det bästa förslaget och utifrån det bygga upp ett pumpsystem.
Bygga upp ett elskåp och göra ritningar över skåpet.
Implementera och programmera ett PLC-system för att styra proportionerna
Silica sol och saltlösning med avseende på injekteringstiden och mottrycket
från bergvägg.
Via en operatörspanel kunna starta och stoppa den automatiska injekteringen
Via en operatörspanel kunna mata in parametrarna injekteringstid och ett
börvärde för systemets tryck
Kunna visa upp de olika parametrarna tryck, flöde och tid på en
operatörspanel.
Testköra pumpstationen mot ett rör som var byggt för att simulera ett riktigt
borrhål i syfte att finjustera styrningen och optimera injekteringen.
1.5 Syfte
Syftet med arbetet har varit att ta fram en prototyp på en pumpstation avsedd att
reglera proportionerna Silica sol och saltlösning samt hålla önskat tryck vid
injektering av borrhål. Därmed lägga en grund för vidare utveckling av en färdig
produkt som ska fylla marknadens behov av ett effektivare sätt att injektera borrhål.
3
2. Förstudie
2.1 Den befintliga pumpstationen
Pumpstationen jag hade till förfogande analyserades och komponenterna
granskades. Den bestod av:
En kolvpump
Flöde: Q=50 l/min, Maxtryck: pmax=120 Bar, Effekt: P=11,5 kW, Varvltal:
n=1450 rpm
En 3-fas motor dimensionerad att driva kolvpumpen
En centrifugalpump
Flöde: Q=250 l/min, Maxtryck: pmax=1,2 Bar
En 3-fas motor dimensionerad för att driva centrifugalpumpen
En tryckgivare, 0-160 Bar
En flödesmätare
En pneumatiskt reglerbar strypventil
En frekvensomriktare avsedd att styra varvtalet på kolvpumpen
Ett Omron PLC-system
2.2 Blandningsförhållande
Blandningsförhållandet av Silica sol och saltlösning påverkar geltiden, se tabell 1.
Geltiden är tiden det tar för blandningen att uppnå en viss viskositet. När blandningen
uppnått en viskositet på 6000 Pascal-sekund (Pa s) upphör den att vara flytande och
förblir i det gelade tillståndet. Blandningsförhållandet kan ses som en ratio utav
andelen Silica sol och andelen saltlösning. Andelen Silica sol skrivs som Q1 och
andelen saltlösning skrivs som Q2, blandningsförhållandet är alltså Q1/Q2. En högre
ratio, det vill säga en lägre andel saltlösning i proportion till Silica sol ger längre geltid
[1].
För att kunna reglera blandningsförhållandet under injekteringens gång krävdes det
att man vet hur geltiden påverkas utav blandningsförhållandet. Därför skapades ett
diagram, se figur 1 med kurvans funktion utifrån värdena i Tabell 1 där y är geltiden i
minuter och x är ration Q1/Q2.
4
Funktionen ur diagrammet kan också skrivas som:
(
) ( ⁄ )
( ⁄ )
Där geltiden, y i minuter = t och ration
För att få all injekterad Silica Sol att gela samtidigt i borrhålet vid en injekteringstid på
t.ex. 20 min innebär det att värdet på tiden, t skulle starta på 20 min och för varje
minut som går räkna ner till tiden t=0 min.
Ratio
(Q1/Q2) Geltid (min)
4,2 3
5,0 8
5,4 13
5,8 18
6,1 22
6,7 37
Tabell 1. Tabellen visar förhållandet
mellan volymratio och geltiden [1].
Figur 1. Diagrammet visar förhållandet mellan volymratio och
geltiden utifrån värdena i tabell 1.
5
2.3 PID-Regulator
För att kunna reglera trycket vid injektering med avseende på mottrycket från borrhål
undersöktes möjligheten till någon form av regulator.
PID-regulatorn är den vanligaste regulatorn inom industrin och används i
uppskattningsvis 95% av alla reglerkretsar. PID-regulatorn består av en proportionell,
en integrerande och en deriverande del som utifrån ett givet reglerfel beräknar en
styrsignal. Varje del i PID-regulatorn har en justerbar variabel,
Proportionalkonstanten Kp, Integreringstiden Ti och deriveringstiden Td. Det går att
variera regulatorn genom att utesluta både den integrerande delen och den
deriverande delen vilket ger en P-regulator. Det går också att utesluta antingen den
integrerande delen vilket ger en PD-regulator eller den deriverande delen vilket ger
en PI-regulator. Det finns ett antal olika metoder för inställning av regulatorns
justerbara variabler för att nå en önskad regleringseffekt. [8]
2.4 Programvaror
Under arbetets gång behövdes ett antal programvaror. Information om hur de olika
programvarorna fungerade och var de fanns tillgängliga införskaffades. Bland annat i
kontakt med skolan, återförsäljare och internet sökning.
FluidSim är ett simuleringsprogram för i huvudsak hydraulik och det kom att
användas vid simulering av pumpsystemets förslag på struktur. Det fanns tillgängligt i
skolans datasal.
AutoCAD Electrical 2014 är ett ritningsprogram som användes för att skapa ritningar
över elskåpets uppbyggnad. Då skolans utbud på ritningsprogram för elektronik var
bristfälligt hämtades istället en 30 dagars demoversion av AutoCAD Electrical 2014
från internet.
GX Works2 är ett programmeringsverktyg för Mitsubishis PLC-system och användes
för att programmera pumpstationens PLC. Skolan erbjuder liknande program men
eftersom jag behövde skriva programmen i anknytning till GMA:s lokaler hämtades
en 60 dagars demoversion från Beijer Electronics hemsida.
Beijer electronics E-designer är ett programmeringsverktyg för Beijer Electronics
egna operatörspaneler och det användes till att programmera pumpstationens
operatörspanel.
6
1. Centrifugalpump 2. Kolvpump 3. Silica sol 4. Saltlösning 5. Utlopp 6. Flödesmätare 7. Tryckgivare 8. Överströmmningsventil 9. Överströmmningsventil 10. Reglerbar strypventil Figur 2. Förslag 1.
3. Genomförande
3.1 Pumpsystemets struktur
Utifrån uppdragsgivarens krav togs det fram två förslag på lösningar till
pumpsystemets struktur. De båda förslagen ritades upp och simulerades i Fluidsim.
Sedan jämfördes förslagen med varandra, det förslag som ansågs vara den bästa
realistiska lösningen valdes ut.
3.1.1 Förslag 1
Förslag 1 togs fram i syfte att utvärdera om de befintliga komponenterna var lämpliga
att använda för att klara av uppgiften. Den huvudsakliga anledningen var för att spara
pengar men också för att slippa ägna tid åt att leta efter nya komponenter.
Genom att enbart använda de komponenter som redan tillhörde pumpstationen togs
ett förslag på pumpstationens struktur fram. På grund av kolvpumpen och
centrifugalpumpens stora tryckskillnad uteslöts möjligheten av ett parallellkopplat
system. Blandning av Silica sol och saltlösning ansågs endast som möjlig på
kolvpumpens sugsida. Genom att varvtalsreglera Kolvpumpen med hjälp av den
befintliga frekvensomriktaren gav det möjligheten att reglera det totala flödet samt
kunna styra systemet baserat på mottrycket från borrhålet. Centrifugalpumpen var
tänkt att pumpa saltlösning mot den reglerbara strypventilen och den överflödiga
saltlösningen skulle återcirkulera till tank. Den reglerbara strypventilen skulle således
kunna reglera andelen inblandad saltlösning med avseende på kolvpumpens varvtal
men också med avseende på hur lång tid injekteringen pågått, se figur 2.
7
1. Kolvpump 1 2. Kolvpump 2 3. Silica sol 4. Saltlösning 5. Utlopp 6. Flödesmätare 7. Tryckgivare 8. Överströmmningsventil 9. Överströmmningsventil
Figur 3. Förslag 2.
3.1.2 Förslag 2
Förslag 2 togs fram i syfte att uppfylla kraven på funktion genom att använda
befintliga komponenter men även vara öppen för införskaffandet av nya
komponenter.
I Förslag 2 valdes några utav de befintliga komponenterna bort och ersattes med nya
komponenter, se figur 3. Den reglerbara strypventilen samt centrifugalpumpen valdes
bort och ersattes utav ytterligare en kolvpump, en motor och en frekvensomriktare.
Genom att använda två parallellkopplade kolvpumpar med fast deplacement där
kolvpump 1 pumpar Silica sol och kolvpump 2 pumpar saltlösning skulle blandningen
kunna hållas på kolvpumparnas trycksida. Därmed minska risken att Silica sol börjar
gela inuti pumphusen. Att styra proportionerna Silica sol och saltlösning i ett
parallellkopplat system underlättas genom att båda pumparnas motorer
frekvensstyrs. Genom att ta reda på de två kolvpumparnas deplacement kan man
både räkna ut och styra andelarna Silica och saltlösning med hjälp av motorernas
varvtal. Överströmmningsventilerna ska vara inställda på ett genomströmmningstryck
långt över injekteringens arbetstryck och enbart lösas ut då det finns risk för att
systemet tar skada.
8
3.1.3 Val av struktur
Efter att förslagen jämförts med varandra framgick det att förslag 2 var rätt väg att gå.
Förslag 2 hade flera fördelar men kostnaden för de tillkommande komponenterna
som en nackdel.
En fördel med förslag 2 skulle vara att reglera proportionerna Silica och saltlösning
med hjälp av varvtalsreglering tack vare kolvpumparnas fasta deplacement. En
annan fördel med förslag 2 var att Inblandningen av saltlösning hölls på trycksidan av
kolvpumparna. Att som i förslag 1 lägga inblandningen av saltlösning på
kolvpumpens sugsida medför stora krav på operatören då genomspolning med
vatten direkt efter injektering är ett måste för att undvika att Silica sol gelar inuti
pumphusen. Det faktum att Silica sol skulle kunna riskera att gela inuti pumphuset
var skäl nog att inte arbeta vidare med förslag 1. Den mängden vätska som passerar
kolvpumparna på grund av volymetriska förluster är inte tillräckligt stor för att
äventyra pumparnas säkerhet i den här prototypen. Det kommer att behövas en
automatiserad renspolningsprocess om projektet skulle tas vidare från
prototypstadiet för att undvika att vätskorna blandas och gelar i slangar och övriga
komponenter men det skulle bli allt för omfattande att ta hänsyn till i det här projektet.
För uppbyggnad av den nya pumpstationens struktur enligt förslag 2 kunde dels
några utav de befintliga komponenterna användas men även ett antal nya
komponenter behövde införskaffas.
3.2 Dimensionering av kolvpump 2 och tillhörande elmotor
Den befintliga kolvpumpen 1 utgjorde basen i systemet och dimensionering av de
nya komponenterna gjordes utifrån dess kapacitet med undantag för maxtrycket.
Eftersom att denna pumpstation var en prototyp utav ett verkligt system ansågs ett
maxtryck på 120 bar inte nödvändigt utan i stället skulle ett maxtryck i systemet
sättas utefter kolvpump 2:s kapacitet. Detta enbart för att underlätta sökandet av
kolvpump 2. För att de nya komponenterna inte skulle begränsa systemets kapacitet
gjordes beräkningar på de krav som ställdes.
En viktig del vid dimensioneringen av kolvpump 2 var att dess maxflöde skulle räcka
till. Kolvpump 2:s maxflöde, Q2,max beräknades utifrån det scenario då dess flöde
skulle kunna tänkas vara som högst. Det inträffar när kolvpump 1:s maxflöde, Q1,max
uppnår sitt högsta värde vid slutet av en injektering. Vid slutet av en injektering är
andelen saltlösning i förhållande till Silica sol är som högst, alltså ration Q1/Q2 är som
lägst. Vid scenariot att 3 min av injekteringen återstod och kolvpump 1:s maxflöde,
Q1,max =50l/min utfördes följande beräkningar enligt formel (2):
9
(
) (
)
((
)
)
⁄
Q2,max behövde alltså överstiga 12,1l/min för att inte begränsa kolvpump 1:s kapacitet
när 3 min av injekteringstiden återstod och Q1,max=50l/min.
Vid dimensionering av kolvpump 2:s motor användes kolvpump 2:s tillhörande
produktblad, [2] där tabell över effektbehov fanns tillgängligt. Motorns maxeffekt,
P2,max ska vara minst 3,7 kW vid 3000rpm.
3.3 Ombyggnad av pumpsystemet
Det befintliga pumpsystemet var byggt för att uppfylla andra krav på funktion än vad
som ställdes i det här arbetet och behövde därför byggas om, se figur 4. Det nya
systemet kopplades upp enligt ritningen i förslag 2, se figur 3.
Centrifugalpumpen med tillhörande motor och den reglerbara strypventilen plockades
bort då de inte skulle användas i det här arbetet, se figur 5.
Den befintliga kolvpumpen med tillhörande motor samt den befintliga flödesmätaren
skulle ingå i det nya pumpsystemet och fick därför sitta kvar.
Figur 4. Det befintliga pumpsystemet Figur 5. Pumpstationen rensad på
överflödiga komponenter
10
Eftersom centrifugalpumpen inte skulle användas i den nya konstruktionen ersattes
den av en begagnad kolvpump med tillhörande vald motor. Det gjordes nya fästen
och kolvpump 2 och dess tillhörande motor monterades, se figur 6.
Överströmmningsventilen till den befintliga kolvpumpen uppfyllde inte rätt funktion
och kopplades därför om. De två kolvpumparna parallellkopplades och anslöts till
flödesmätaren, se figur 7.
Temperaturgivaren och tryckgivaren var redan monterade på rätt plats och det enda
som behövde göras med dem var att dra in kablarna i elskåpet.
Figur 7. De två kolvpumparna anslutna till
flödesmätaren
Figur 6. Kolvpump 2 och dess tillhörande motor
monterad på pumpstationen
11
Vid provkörning av pumpstationen senare under projektets gång visade det sej att
flödesmätaren läckte. Flödesmätaren skruvades isär och det var en trasig packning
som var orsaken till läckaget, se figur 8.
Flödesmätaren byttes ut mot en provisorisk T-koppling för att ha något att fästa
tryckgivaren på till dess att nya packningar införskaffats, se figur 9.
Figur 8. Den läckande flödesmätaren
Figur 9. Provisorisk T-koppling
12
Figur 11. Pumpstationens utrensade elskåp
Figur 10. Pumpstationens befintliga elskåp
3.4 Ombyggnad av elskåpet
Pumpstationens tillhörande elskåp saknade helt dokumentation och var dessutom
byggt för att uppfylla andra krav på funktion än vad som ställdes i det här projektet
och byggdes därför om, se figur 10.
Ett preliminärt elschema skissades upp för att användas som riktlinje vid
uppbyggnaden av det nya elskåpet.
Elskåpet rensades sedan på komponenter, endast frekvensomriktaren,
huvudströmbrytaren och de säkringar som behövdes fick sitta kvar, se figur 11.
13
Pumpstationens befintliga styrsystem och operatörspanel av fabrikatet Omron
beslutades att bytas ut då det var ett föråldrat och för mig okänt system. Ett
Mitsubishi styrsystem och operatörspanel från Beijer Electronics införskaffades för att
underlätta programmeringen då vi på skolan tidigare arbetat med Mitsubishi PLC-
system.
En hel del komponenter gick att återanvända och kopplades in i skåpet igen. Bland
annat återanvändes diverse säkringar, reläer, huvudströmbrytare och ett 24V DC
spänningsaggregat.
En begagnad Mitsubishi A500 frekvensomriktare införskaffades och testkördes några
timmar med extra insatt fläktkylning på en säker plats för att kontrollera att den var i
gott skick. Frekvensomriktaren var avsedd att styra varvtalet på motorn till kolvpump
2 och kopplades in enligt instruktioner från produktbladet [3].
Den befintliga Omron E7 frekvensomriktaren som är avsedd att styra varvtalet på
motorn till kolvpump 1 kopplades upp enligt kopplingsschemat från produktbladet [4].
När elskåpet var färdigbyggt utefter det preliminära elschemat ritades ett fullständigt
elschema över kopplingarna och komponenterna i programmet AutoCAD electrical
2014, se figur 12.
Figur 12. AutoCAD electrical 2014
14
3.5 Programmering av styrsystemet och operatörspanelen
Först skrevs ett program för att styra pumpstationen manuellt (handkörning) i syfte att
kontrollera om elskåpet var rätt kopplat och att testköra pumparna,
frekvensomriktarna och se till att de analoga modulerna var rätt initierade [5]. Det
skapades också en operatörssida i operatörspanelen för handkörning.
Efter det skrevs ett program för att styra pumpstationen automatiskt. Två nya
operatörssidor till operatörspanelen skapades, en operatörssida för automatisk
körning samt en parametersida. De olika tryckknapparna och visarfälten taggades
med de dataregister och minnesceller som använts i styrsystemet. Sedan lades
programmet för handkörning ihop med programmet för automatisk körning.
Programmeringen skrevs i ladderformat med hjälp av programvaran Gx Works2, se
figur 13. Som hjälp vid programmering användes instruktionslistan i Mitsubishis
användarmanual [6].
Operatörspanelens sidor skapades i Beijer Electronics E-designer, se figur 14.
Programmeringen utav operatörspanelen utfördes med hjälp av tillhörande
användarmanual [7].
15
Figur 13. GxWorks2
Figur 14. Beijer Electronics E-Designer
16
3.6 Testkörning av pumpstationen
Vid testkörning av pumpstationen införskaffades en vattentank med 3 anslutningar.
På varje anslutning monterades en ventil, se figur 15. Sedan kopplades pumparnas
in och utlopp ihop med vattentanken, se figur 16.
Först testades pumpstationen manuellt via handkörning och sedan testades
pumpstationen automatiskt via automatkörning.
Då testkörning av pumpstationen mot ett rör som var byggt för att simulera ett riktigt
borrhål uteblev på grund av tidsbrist blev inte heller den automatiska injekteringen
testad fullt ut. Det test som istället utfördes gick ut på att pumpsystemets
utloppsventil användes för att bilda ett mottryck.
På grund av att E-designers diagram/trend-verktyg inte kan logga mätvärden med en
samplingstid kortare än 1 sekund kunde inte några goda mätvärden på varken
systemtrycket eller utsignal U1 och U2 loggas och användas vid inställning utav PID-
regulatorns parametrar. Därför tillämpades istället en frekvensbaserad experimentell
metod för regulatorinställning men också Zieglers och Nichols’
frekvenssvarsbaserade rekommendationer [8].
Figur 15. Vattentank med tre ventiler Figur 16. Pumpstationens in och utlopp
kopplade till vattentank
17
4. Resultat
4.1 Pumpsystemet
Pumpsystemet byggdes upp enligt förslag 2, se figur 3.
Pumpsystemets komponenter:
Speck kolvpump NP25/50-120RE. Flöde: Q1=50 l/min, Maxtryck: pmax=120
bar, Effekt: P=11,5 kW, Varvtal: n=1450 rpm (Nr.1. Figur 17.)
Cat kolvpump 43HS: Effekt: 2,2 kW, Maxtryck: 100 bar, Varvtal: 3000rpm,
Flöde: Q2: 13 l/min (Nr.2. Figur 17.)
3-fas asynkronmotor, Effekt 12kW (Nr.3. Figur 17.)
3-fas asynkronmotor, Effekt: 4 kW (Nr.4. Figur 17.)
Temperaturgivare 0-50 °C (Nr.5. Figur 17.)
Tryckgivare 0-160 Bar (Nr.6. Figur 17.)
Överströmmningsventiler (Nr.7 och 8. Figur 17.)
Utloppsventil (Nr.9. Figur 17.)
Figur 17. Pumpsystemets uppbyggnad
18
4.2 Elskåpet Elskåpets komponenter:
FX3U-32MR Basenhet, 32 digitala in/utgångar (Nr.3. Figur 18.)
FX3U-4AD Analog modul, 4 ingångar (Nr.3. Figur 18.)
FX3U-4DA Analog modul, 4 utgångar (Nr.3. Figur 18.)
Beijer Electronics E1061 Operatörspanel 5,7”
24V DC spänningsaggregat (Nr.6. Figur 18.)
Reläer: 3st (Nr.7. Figur 18.)
Säkringar: 3 stycken 25A, 3 stycken 10A, 1 stycken 4A (Nr.5. Figur 18.)
Huvudströmbrytare (Nr.4. Figur 18.)
Mitsubishi A500 frekvensomriktare (Nr.2. Figur 18.)
Omron E7 frekvensomriktare (Nr.1. Figur 18.)
Nödstopp
Fullständiga ritningar över elskåpet finns i bilaga 1.
4.3 Styrsystemet En lösning för att styra andelarna Silica sol och saltlösning över tid och samtidigt
hålla ett önskat tryck i systemet var att dela upp uppgiften i två delar. Att låta
kolvpump 1 vara direkt styrd av signalen U1 medan kolvpump 2 styrs av U2 med
uppgift att reglera ration Q1/Q2. över tid se figur 19.
Figur 18. Elskåpets uppbyggnad
19
Utsignal U1 styr frekvensomriktare 1 som reglerar varvtalet på kolvpump 1. Utsignal
U2 styr frekvensomriktare 2 som reglerar varvtalet på kolvpump 2. Signalerna U1 och
U2 kan variera mellan 0-10V där 0V motsvarar 0% av max varvtal medan 10V
motsvarar 100% av max varvtal.
Programmet är utformat så att utsignal U1 regleras av en återkopplad PID-regulator
medan utsignal U2 beräknas utifrån det aktuella värdet på U1 och geltiden t, se formel
(5).
Ett börvärde för trycket i systemet, en önskad geltid samt PID-parametrar matas in i
operatörspanelen. När Injekteringen startas börjar geltiden räkna baklänges från den
inmatade geltiden ner till 0 min. Injekteringen stoppas när geltidens räknare
understiger 1 min för att undvika att nämnaren i formel (5) blir 0. Under injektering
jämför PID-regulatorn det inmatade värdet för trycket (börvärdet) med det uppmätta
värdet för trycket (ärvärdet) varje programcykel.
Beroende på hur stor skillnaden är mellan börvärdet och ärvärdet och utifrån PID-
parametrarna beräknas utsignalen U1 så att börvärdet hela tiden närmar sig ärvärdet
[5]. Under injekteringens gång utför PID-regulatorn sina beräkningar oberoende av
geltiden. PID-regulatorns beräknade värde U1 flyttas varje programcykel till den del i
programmet där beräkningen av U2 utförs.
Från ekvationen (1) framtagen ur diagrammet i Figur 1 beräknas utsignalen U2.
(
)
Kolvpump 1:s flöde, Q1 varierar mellan 0-50l/min då U1 varierar mellan 0-10V. Det
leder till att: 1 5 1
Kolvpump 2:s flöde, Q2 varierar mellan 0-13l/min då U2 varierar mellan 0-10V, det
leder till att: 2 1, 2
Alltså:
(
)
(
)(
) (
)
((
) )
(
)(
)
PLC-programmet finns i sin helhet i bilaga 2.
20
Anledning till att en PID-regulator användes i programmet var att systemets krav på
följsamhet är okänt. Hur stort och plötsligt mottrycket i ett borrhål vid injektering
uppkommer är svårt att förutsäga innan en testkörning av systemet mot ett verkligt
borrhål utförts. Därför gavs operatören möjligheten att ändra PID-parametrarna via
operatörspanelen för att vid testkörning kunna ställa in de värden på PID-
parametrarna som krävs för att uppnå önskad följsamhet och stabilitet.
PID-parametrarna [5]:
Ts (samplingstiden): 1-32767 ms, måste vara högre än programcykeltiden
Kp (proportionalkonstanten): 1-32767%
FI (ingångfilter konstant): 0-99%, sätts till 0 för att uteslutas
Ti (integreringstiden): 0-32767 (x100ms), sätts till 0 för att uteslutas
Kd (deriverings förstärkning): 0-100%, sätts till 0 för att uteslutas
Td (deriveringstiden): 0-32767 (x10ms), sätts till 0 för att uteslutas
Figur 19. Systemets blockschema
21
4.4 Operatörspanelen
Operatörspanelen består av tre sidor, auto, hand och parametersidan.
Autosidan:
Autosidan är panelens hemsida där manövern kan återställas (reset) och
injekteringen startas och stoppas, se figur 20. Operatören matar in ett börvärde för
trycket och en geltid för injekteringen, om parametrarna på parametersidan är rätt
inställda startas sedan injekteringen med startknappen. Under injekteringen visas
pumparnas varvtal i procent av max varvtal, det aktuella trycket i systemet samt
blandningens temperatur. Här visas också injekteringens återstående tid samt
eventuell felkod.
Taggade dataregister samt minnesceller:
Felkod: D8067, Tid kvar: D302, Pump1: D8260, Pump2: D8261, Tryck: D0, Temp:
D1, Börvärde Tryck: D10, Geltid: D201, Start: M4, Stopp: M5, Reset: M10
Handsidan:
Handsidan ger operatören möjligheten att köra pumparna var för sej eller båda
samtidigt, se figur 21. Önskat varvtal i procent av max varvtal skrivs in i respektive
fält och när Auto/Hand-knappen står i handläge kan pumparna startas. Om
Auto/Hand-knappen ställs i Autoläge stoppas handfunktionen och endast automatisk
körning är möjlig.
Taggade dataregister samt minnesceller:
Start pump1: M0, Stopp pump1: M1, Värde pump1: D1000, Värde pump2: D2000,
Start pump2: M2, Stopp pump2: M3, Tryck: D0, Temp: D1, Auto/Hand: M1000
Figur 20. Autosidan
22
Parametersidan:
På parametersidan ställs PID-regulatorns parametrar in av operatören, se figur 22.
Här går även att använda de funktioner som finns på autosidan.
Taggade dataregister samt minnesceller:
Pump1: D8260, Pump2: D8261, Tryck: D0, Start: M4, Stopp: M5, Börvärde Tryck:
D10, Geltid: D201, TS: D2020, KP: D2023, TI: D2024, KD: D2025, TD: D2026, FI:
D2022, Reset M10
Figur 21. Handsidan
Figur 22. Parametersidan
23
4.5 Testkörning
För att kunna ställa in de tre parametrarna förstärkningen Kp, integreringstiden Ti och
deriveringstiden Td användes två metoder för en frekvensbaserad
regulatorinställning. De övriga PID-parametrarna ställdes in enligt de
rekommenderade inställningarna i manualen [5].
Ts (samplingstiden) sattes till 3 gånger programcykeltiden, 45ms
FI (ingångfilter konstant) sattes till 50%
Kd (deriverings förstärkning) sattes till 50%
För att erhålla samma öppningsgrad på utloppsventilen genom hela mätningen och
därmed undvika att påverka systemets grundutförande gjordes istället
börvärdesförändringar för att uppnå självsvängning. För att inte uppnå för höga
belastningar på systemet vid självsvängning utfördes börvärdesförändringen för varje
mätning inom intervallet 10-40 bar.
Frekvensbaserad experimentell metod [8]
1. Förstärkningen Kp ökades successivt tills utsignalen U1 började självsvänga vid
plötslig börvärdesförändring.
2. Förstärkningen Kp,max noterades till 1000% och periodtiden T uppskattades med
tidtagarur till ungefär 3 sekunder, se tabell 2 och tabell 4.
3. Förstärkningen Kp ändrades till 0,5*Kp,max , se tabell 2.
4. Integreringstiden Ti sattes till ett högt värde och minskades successivt tills stående
självsvängningar uppstod vid plötslig börvärdesförändring.
5. Integreringstiden Ti noterades till 0,5s, därefter ökades integreringstiden Ti till 3
gånger sitt värde, se tabell 2.
6. Deriveringstiden Td sattes till 0 och ökades successivt tills stående
självsvängningar uppstod vid plötslig börvärdesförändring.
7. Deriveringstiden Td noterades till 1,5s därefter minskades deriveringstiden Td till 3
gånger sitt värde, se tabell 2.
Kp (gånger) Ti (sek) Td (sek) Kommentar
P 5 - - Ärvärdet uppnådde aldrig börvärdet
PI 5 1,5 - Överslag vid plötslig ändring av börvärde, något ostabilt
PID 5 1,5 0,5 Snabbare förändring av ärvärde, överslag vid plötslig ändring av börvärde, relativt stabilt
Tabell 2. Tabellen visar värdet på parametrarna Kp, Ti och Td efter
inställning enligt frekvensbaserad experimentell metod
24
Zieglers och Nichols’ frekvenssvarsbaserade rekommendationer [8]
Värdet på förstärkningen Kp,max och periodtiden T från den frekvensbaserade
experimentella metoden steg 2. användes för att beräkna värdet på förstärkningen
Kp, integreringstiden Ti och deriveringstiden Td med hjälp av Tabell 3. Och fördes
sedan in i tabell 4.
Kp/kp,max (gånger) Ti/T (sek) Td/T (sek)
P 0,5 - -
PI 0,45 0,8 -
PID 0,6 0,5 0,125
Kp (gånger) Ti (sek) Td (sek) Kommentar
P 5 - - Ärvärdet uppnådde aldrig börvärdet
PI 4,5 2,4 - Långsammare förändring av ärvärde och lägre överslag vid plötslig ändring av börvärde, relativt stabilt
PID 6 1,5 0,375 Snabbare förändring av ärvärde och högre överslag vid plötslig ändring av börvärde, relativt stabilt
Efter att parametrarna fastställts enligt Zieglers och Nichols’ frekvenssvarsbaserade
rekommendationer genomfördes en testkörning av automatisk injektering med en
geltid på 20 min och ett börvärde på 30 bar. Under injekteringens gång ändrades
utloppsventilens öppningsgrad med ett flertal olika lägen för att se hur ärvärdet förhöll
sig till börvärdet. Dessutom togs det flera momentanvärden på utsignalen U1 för att
kunna jämföra det teoretiska värdet på utsignalen U2 med det verkliga värdet på
utsignalen U2 och kontrollera att ration Q1/Q2 följde diagrammet i Figur 1 under hela
injekteringen.
Systemet visade sig vara relativt stabilt under hela injekteringen och ration Q1/Q2
följde sitt teoretiska värde oberoende av värde på utsignalen U1.
Tabell 3. Zieglers och Nichols’
frekvenssvarsbaserade rekommendationer
Tabell 4. Tabellen visar värdet på parametrarna Kp, Ti och Td efter inställning enligt
Zieglers och Nichols’ frekvenssvarsbaserade rekommendationer
25
5. Slutsats
Den prototyp av pumpstation som tagits fram och byggts upp i det här arbetet har
uppfyllt målsättningarna förutom optimering och testkörning av pumpstationen med
Silica sol och saltlösning. Men framförallt har arbetet resulterat i möjligheten att styra
andelarna Silica sol och saltlösning och samtidigt hålla ett önskat tryck under
injekteringen ur ett rent styrtekniskt perspektiv, vilket var det egentliga
grundproblemet.
Två förslag på systemets struktur togs fram och det förslag som ansågs vara bäst
valdes utifrån rent praktiska kriterier där det starkaste skälet var att Silica sol skulle
kunna riskera att gela inuti pumphuset i det ratade förslaget. Prototypen av
pumpsystemet byggdes upp med komponenter delvis från den befintliga
pumpstationen men även nya komponenter användes. Pumpstationens tillhörande
elskåp byggdes om för att uppfylla kraven på systemets funktion och ritningar över de
elektriska komponenterna gjordes. Det styrsystem som programmerades med hjälp
av tabellen för förhållandet mellan volymratio och geltiden för Silica sol och
saltlösning för att reglera andelarna med avseende på injekteringstiden fungerade
bra vid testerna med vatten som media. Med hjälp av två metoder för
frekvensbaserad regulatorinställning av PID-regulatorns parametrar höll
pumpsystemet ett relativt stabilt tryck under injekteringen. Manövrering och översikt
av pumpstationen möjliggjordes genom den operatörspanel som införskaffades och
programmerades.
Tidsåtgången för uppbyggnad av pumpsystemet och elskåpet visade sig vara mycket
större än vad som beräknats på förhand. Det medförde att reglering och testkörning
av pumpstationen kom i andra hand eftersom att de inte gick att utföra innan
uppbyggnaden var klar. När pumpstationen och elskåpet väl var uppbyggt återstod
tyvärr för lite tid till att testköra pumpstationen och optimera programmet. En punkt i
målsättningen var att testköra pumpstationen mot ett rör som var byggt för att
simulera ett riktigt borrhål. Den punkten uteblev och därmed blev inte PID-
parametrarnas inställning optimerad för en riktig injektering med Silica sol och
saltlösning. Då själva regleringen och testkörningen av pumpstationen hade kunnat
utgöra ett fullgott examensarbete kan det i efterhand konstateras att arbetet hade
behövt avgränsas eller eventuellt delats upp på två studenter.
Det här arbetet har bevisat att själva regleringen av förhållandet mellan Silica sol och
saltlösning samt reglering av trycket i systemet under injektering är fullt möjlig ur ett
rent styrtekniskt perspektiv. Det återstår dock en del optimering och testkörning innan
man kan dra några slutsatser om hur väl prototypen av pumpstationen fungerar med
”skarpa medier” d.v.s. Silica sol och saltlösning. Med utgångspunkt från resultaten i
rapporten har man dock en god grund att utgå ifrån om man väljer att gå vidare i
projektet.
26
Referenser
[1] Johan Funehag, (2011), Handledning för hur man bör injektera med silica sol
[2] Cat Pumps, (1998), Plunger Pumps 42HS,43HS.Hämtad den 26 Mars 2014.
Tillgänglig: http://www.catpumps.com/products/pdfs/42HS_A.pdf
[3] Mitsubishi Electric, (1998), FR-A500 Instruction manual. Hämtad den 3 April 2014.
Tillgänglig:
http://www.acpd.co.uk/sei/s/1488/mitsubishi%20a500%20series%20brochure%20(0.
4kw%20to%2055kw).pdf
[4] Omron, (2008), Varispeed E7 User’s Manual. Hämtad den 28 mars 2014.
Tillgänglig: http://www.omronkft.hu/nostree/pdfs/inverter/cimr-
e7z/e7z_users_manual.pdf
[5] Mitsubishi Electric, (2013), FX3U/FX3UC User’s Manual – Analog Control Edition.
Hämtad den 21 april 2014. Tillgänglig:
http://ftc.beijer.se/files/C125728B003AF839/4170DE4CF219B923C125765B0045388
4/FX3_UsersManual_Analog_Control_Edition_jy997d16701k.pdf
[6] Mitsubishi Electric, (2013), Programming Manual - Basic & Applied Instruction
Edition. Hämtad den 23 april 2014. Tillgänglig:
http://ftc.beijer.se/files/C125728B003AF839/B792DD13F15B63B0C125765B00445A
C3/FX3_Programming_BasicAppliedInstructions_Edition_jy997d16601m.pdf
[7] Mitsubishi Electric, (2009), E-Designer för E1000-serien. Hämtad den 23 april
2014. Tillgänglig:
http://ftc.beijer.se/files/C125728B003AF839/72984E5371134FA6C125728E005A85C
7/E-Designer_for_E1000-series_Swedish_G.pdf
[8] Åbo Akademi, (2012), Reglerteknik 1, kap 7. Hämtad den 17 juni 2014. Tillgänglig:
http://www.users.abo.fi/khaggblo/RTG/RTGk7.pdf
1
Bilaga 1.
2
3
4
5
6
7
8
1
Bilaga 2.
2
3
4
5
6
7
8
