Akademia Górniczo-Hutnicza

im. Stanisªawa Staszica w Krakowie

Wydziaª Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i In»ynierii Biomedycznej

Katedra Automatyki i In»ynierii Biomedycznej

Praca dyplomowa in»ynierska

Piotr Smaro«

Moduª aplikacji SCADA ostrzegaj¡cy przed przegrzaniem

transformatora ±redniego napi¦cia

Module of SCADA to warn about overheating of medium-voltage

transformer

Promotor:

dr hab. in». Krzysztof Oprz¦dkiewicz

Kraków, rok 2013

1

2

Podzi¦kowania

Szczególne podzi¦kowania kieruj¦ w stron¦ Pana Artura Talagi z rmy ASTOR, który udost¦pniªmi licencjonowane wersje oprogramowania Wonderware InTouch oraz Historian, niezb¦dne podczaspisania poni»szej pracy. Pan Talaga dodatkowo pomagaª mi w rozwi¡zywaniu problemów, wyni-kªych podczas pracy z oprogramowaniem, oraz udzielaª licznych porad i wskazówek dotycz¡cychtre±ci pracy.

Dzi¦kuj¦ bardzo Panu prof. dr. hab. in». Wiesªawowi Nowakowi z Katedry Elektrotech-niki i Elektroenergetyki za udost¦pnienie literatury opisuj¡cej procesy nagrzewania i chªodzeniatransformatorów oraz wskazanie dodatkowych ¹ródeª.

Osobne podzi¦kowania nale»¡ si¦ Panom Wªadysªawowi oziakowi oraz prof. dr. hab. in».Jerzemu Skwarczy«skiemu z Katedry Elektrotechniki i Elektroenergetyki, za pomoc w wyliczeniuparametrów transformatora niezb¦dnych w modelu prezentowanym w pracy.

Chciaªbym równie» podzi¦kowa¢ moim kolegom, Piotrowi Górskiemu, Michaªowi Matuszko orazPiotrowi Bednarskiemu, za pomoc i porady dotycz¡ce oprogramowania Wonderware InTouch, jakrównie» Wojciechowi Przechrzta, za pomoc w obliczeniach transformatora.

Na samym ko«cu pragn¦ wyrazi¢ podzi¦kowania Panu dr. in». Januszowi Tenecie z KatedryAutomatyki i In»ynierii Biomedycznej, prowadz¡cemu przedmiot Pracownia in»ynierska, za celneuwagi dotycz¡ce modelu cieplnego transformatora i sposobu predykcji przegrzania oraz oczywi±ciemojemu promotorowi, Panu dr. hab. in». Krzysztofowi Oprz¦dkiewiczowi, który sprawowaª opiek¦mentorsk¡ nad prac¡ i bez którego praca ta by nie powstaªa.

3

Spis tre±ci

1 Uwagi wst¦pne. 5

2 Oprogramowanie u»yte przy pisaniu pracy. 7

3 Wst¦p do modelu cieplnego transformatora. 8

3.1 Metody oblicze« cieplnych maszyn pr¡du przemiennego. . . . . . . . . . . . . . . . 83.2 Transformator wykorzystany w pracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3 Kadzie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.4 Moc i straty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.5 Uproszczenia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4 Model cieplny transformatora. 16

4.1 Ustalanie si¦ temperatury transformatora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.2 Staªa czasowa uzwoje« i oleju. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.3 Stany cieplne nieustalone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.4 Obliczenie temperatury najcieplejszego punktu transformatora. . . . . . . . . . . . . 20

5 Moduª aplikacji SCADA. 24

5.1 Wprowadzenie do Wonderware InTouch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.2 Skrypt aplikacji oraz okno symulatora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.3 Menu i okno panelu operatorskiego. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.4 Okno alarmów. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.5 Okna trendów bie»¡cych i historycznych. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.6 Okno wizualizacji. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.7 Ochrona i u»ytkownicy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.8 Analiza danych w Historian Client. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6 Podsumowanie. 41

7 Bibliograa. 43

8 Dodatek A. Starzenie si¦ izolacji. 44

9 Dodatek B. Rozwi¡zanie równania nagrzewania ciaªa jednorodnego. 46

10 Dodatek C. Zachowanie modelu w stanach nieustalonych. 48

11 Dodatek D. Ekrany aplikacji. 53

12 Dodatek E. Skrypt aplikacji. 57

4

1 Uwagi wst¦pne.

W ramach realizacji pracy nale»aªo zaprojektowa¢, zrealizowa¢ i przetestowa¢ moduª aplikacjiSCADA, umo»liwiaj¡cy przewidzenie przegrzania si¦ transformatora ±redniego napi¦cia. Predyk-cja temperatury transformatora miaªa by¢ wykonana na podstawie zmierzonych i zapisanych prze-biegów temperatury, informacji o zaª¡czonych odbiorach energii oraz z wykorzystaniem modeluprocesu cieplnego w postaci dyskretnego równania stanu. Do realizacji pracy nale»aªo wykorzy-sta¢ ±rodowisko Wonderware InTouch w wersji Demo.

Cel ten osi¡gni¦ty zostaª w dwóch krokach. Pierwszym z nich byªa budowa matematycznegomodelu nagrzewania transformatora. Nast¦pnym krokiem byªo zaprojektowanie aplikacji SCADA,która skªadaªa si¦ z dwóch moduªów: symulatora, w którym zaimplementowany zostaª model,oraz cz¦±ci wªa±ciwej, odpowiedzialnej za informowanie o przegrzaniu. Podczas pisania pracyzmieniªy si¦ zaªo»one sposoby realizacji zadania, przede wszystkim sposób, w jaki przewidywanejest przegrzanie transformatora.

Praca zakresem obejmuje zagadnienia zwi¡zane z modelami cieplnymi maszyn pr¡du przemien-nego, skupiaj¡c si¦ gªównie na transformatorze, tj. metodami oblicze« cieplnych, normami opisu-j¡cymi aspekty cieplne pracy transformatora, obudowami transformatora (kadziami). Poruszonezostaªy te» tematy mocy i strat transformatora, które s¡ ¹ródªem powstawania ciepªa w transfor-matorze. W dalszej cz¦±ci opisano proces ustalania si¦ temperatury transformatora, staªe czasowetransformatora oraz obliczenia zwi¡zane z wyznaczeniem temperatury transformatora. W drugiejcz¦±ci pracy, dotycz¡cej aplikacji SCADA, opisano pokrótce ±rodowisko Wonderware InTouch orazzaprojektowan¡ aplikacj¦.

Rozdziaª zatytuªowany Wst¦p do modelu cieplnego transformatora opisuje podstawy teore-tyczne do dalszych rozwa»a«. Jako pierwsze opisane zostaªy metody oblicze« cieplnych maszynpr¡du przemiennego stosowane w praktyce, w szczególno±ci metoda zastosowana w niniejszej pracy.Nast¦pnie omówione zostaªy parametry transformatora u»ytego w pracy oraz ogólne warunki, któremusi speªnia¢ transformator i jego ±rodowisko do zapewnienia poprawnej pracy urz¡dzenia. W dal-szej cz¦±ci skupiono si¦ na kadziach, które s¡ istotnym z punktu widzenia chªodzenia elementemtransformatora. Kolejna cz¦±¢ opisuje moc transformatora i wydzielane w nim straty, które s¡gªównym powodem nagrzewania transformatora. Ostatni podrozdziaª po±wi¦cony zostaª uprosz-czeniom zastosowanym w pracy.

Rozdziaª Model cieplny transformatora przybli»a sposób wyznaczania modelu oraz efekt ko«-cowy, tj. równanie opisuj¡ce proces nagrzewania/chªodzenia transformatora. Pierwszy podrozdziaªdotyczy klasycznego równania nagrzewania ciaªa jednorodnego, które jest podstaw¡ zbudowanegomodelu matematycznego transformatora. Nast¦pnie opisane zostaªy sposoby wyznaczania staªychczasowych transformatora: uzwojenia oraz oleju. Dalsza cz¦±¢ opisuje stany cieplne nieustalonetransformatora, tj. wszystkie te przypadki, w których zmiana obci¡»enia nast¦puje wtedy, gdy tem-peratura transformatora jeszcze si¦ nie ustaliªa. W ostatnim podrozdziale przedstawione zostaªoko«cowe równanie opisuj¡ce model matematyczny transformatora oraz przykªad ilustruj¡cy sposóboblicze« temperatury poszczególnych elementów transformatora na podstawie tego» równania.

Rozdziaª Moduª aplikacji SCADA po±wi¦cony jest zaprojektowanej i zrealizowanej aplikacji.Na pocz¡tku omówione zostaªo oprogramowanie Wonderware InTouch, w którym aplikacja zostaªawykonana. Dalsze podrozdziaªy opisuj¡ kolejno cz¦±ci skªadowe aplikacji: cz¦±¢ symulacyjn¡, czyliskrypt aplikacji oraz okno symulatora, oraz wªa±ciw¡ aplikacj¦: menu i okno panelu operatorskiego,okno alarmów, okna trendów bie»¡cych i historycznych, okno wizualizacji procesu, ochron¦ aplikacjioraz jej zdeniowanych u»ytkowników, na ko«cu za± analiz¦ i testy aplikacji.

5

Podsumowanie zawiera wypunktowane wnioski dotycz¡ce napisanej pracy, tj. modelu mate-matycznego transformatora oraz aplikacji SCADA.

Na ko«cu pracy zamieszczone zostaªy dodatki. S¡ to istotne wg Autora, dodatkowe informacjedotycz¡ce pracy. I tak, Dodatek A opisuje zale»no±¢ starzenia si¦ izolacji (a wi¦c i transformatora)od temperatury, w jakiej si¦ znajduje. Jest to wa»ny aspekt, który w pracy jednak nie pojawia si¦ze wzgl¦du na zªo»ono±¢. Dodatek B przedstawia sposób rozwi¡zania krok po kroku klasycznegorównania ró»niczkowego, opisuj¡cego proces nagrzewania si¦ ciaªa jednorodnego, na którym torównaniu opiera si¦ model matematyczny transformatora przyj¦ty w pracy. Dodatek C opisuje3 scenariusze zachowania modelu w stanach nieustalonych. W Dodatku D zamieszczone zostaªyzdj¦cia z okien moduªu aplikacji SCADA omawianej w pracy, natomiast Dodatek E to skryptaplikacji, który przede wszystkim generowaª dane wej±ciowe do aplikacji.

6

2 Oprogramowanie u»yte przy pisaniu pracy.

1. System operacyjny Windows 7 Professional SP1 32bit.

2. Microsoft SQL Server 2008 z SP1.

3. Wonderware Application Server 3.1 z SP3.

4. Wonderware InTouch 10.1 z SP3:

(a) Application Manager,

(b) WindowMaker,

(c) WindowViewer,

(d) ArchestrA IDE.

5. Wonderware Historian 10.0 z SP1:

(a) Historian Client Trend,

(b) Historian Client Query.

6. Wonderware GESRTP DAServer 2.0.

7. Wonderware MBTCP DAServer 2.0.

8. MathWorks MatLab 7.9.0 (R2009b).

7

3 Wst¦p do modelu cieplnego transformatora.

W rozdziale opisano metody oblicze« cieplnych stosowanych dla transformatorów, w tym me-tod¦ zastosowan¡ w niniejszej pracy. Opisano równie» transformator, na którym opiera si¦ modelcieplny, oraz dopuszczalne warunki otoczenia. Po±wi¦cono osobn¡ stron¦ na omówienie obudówtransformatora, speªniaj¡cych istotn¡ rol¦ przy chªodzeniu. Dalej opisano straty wyst¦puj¡ce wtransformatorze, natomiast na ko«cu - przyj¦te uproszczenia.

3.1 Metody oblicze« cieplnych maszyn pr¡du przemiennego.

Obecny post¦p przy budowie maszyn pr¡du przemiennego zmusza do wykonywania coraz dokªad-niejszych oblicze« pól temperatury. Maj¡ one da¢ odpowied¹ na pytanie, czy maszyny pracuj¡ceprzy warto±ciach znamionowych nie przekrocz¡ temperatur dopuszczalnych. Od pocz¡tków wy-korzystywane byªy w tym celu równolegle dwie metody oblicze« cieplnych: metoda bezpo±redniaoraz metoda zast¦pczych schematów cieplnych.

Zgodnie z tym, co pisze Krok w [7], metoda bezpo±rednia, na której opiera si¦ równie» niniejszapraca, polega na analitycznym rozwi¡zaniu ukªadu równa« ró»niczkowych, opisuj¡cego rozkªadtemperatury w maszynie elektrycznej. Równania te formuªowane s¡ dla poszczególnych elemen-tów oraz strug mediów chªodz¡cych. Warunki brzegowe zadane s¡ natomiast na powierzchniachelementów. Metoda prowadzi do ukªadu równa« wysokiego rz¦du (cz¦sto niesko«czonego) i jegopierwiastki trzeba wyznacza¢ w sposób przybli»ony metodami numerycznymi. Metoda zast¦pczychschematów cieplnych wykorzystuje natomiast analogie w opisach matematycznych zjawisk zwi¡za-nych z rozpªywem pr¡du w obwodach elektrycznych oraz rozpªywem strumieni ciepªa w ukªadachtermodynamicznych. I tak na przykªad strumieniom ciepªa odpowiadaj¡ pr¡dy pªyn¡ce w gaª¦-ziach, ±rednim temperaturom ciaª - potencjaªy. Oprócz tych dwóch metod, na uwag¦ zasªugujerównie» popularna metoda elementów sko«czonych - MES. Jest to zaawansowana metoda rozwi¡-zywania ukªadów równa« ró»niczkowych, opieraj¡ca si¦ na dyskretyzacji dziedziny na sko«czoneelementy (w przypadku 2D - podziaªu na trójk¡ty, w przypadku 3D - podziaªu na czworo±ciany),dla których rozwi¡zanie jest przybli»ane przez konkretne funkcje, i przeprowadzaniu faktycznychoblicze« tylko dla w¦zªów tego podziaªu. Krok w [7] wymienia równie» takie metody jak: metodaró»nic sko«czonych, metoda bilansów cieplnych.

3.2 Transformator wykorzystany w pracy.

Generalizuj¡c, je±li za kryterium przyjmiemy zastosowanie albo nie zastosowanie chªodzenia, trans-formatory mo»na podzieli¢ na dwa rodzaje: suche oraz olejowe (gdzie dowoln¡ ciecz izolacyjn¡traktujemy jako olej). W niniejszej pracy zdecydowano si¦ oprze¢ dalsze rozwa»ania na trans-formatorze olejowym, poniewa», w odró»nieniu od transformatora suchego, problem nagrzewaniasi¦ uzwojenia transformatora olejowego uznano za bardziej praktyczny. Norma PN-EN 60076-1:2011 za transformator olejowy uznaje Transformator, którego obwód magnetyczny i uzwojenias¡ zanurzone w oleju [8].

Jako przykªad wybrano transformator niemieckiej rmy Siemens - seria TUMATIC®. Jestto transformator olejowy, rozdzielczy, 3-fazowy, do instalacji naziemnej, o chªodzeniu naturalnymONAN (wyja±nienie oznacze« pó¹niej). Transformator ten wyposa»ony jest w kad¹ hermetyczn¡(opisane w nast¦pnym podrozdziale Kadzie), wypeªnion¡ mineralnym olejem transformatorowym.Uzwojenia wykonane s¡ z miedzi, natomiast rdze« z blachy elektrotechnicznej krzemowej.

8

Parametry transformatora s¡ nast¦puj¡ce:

liczba faz: 3,

moc: SN = 63 kV · A,

napi¦cie pierwotne:UGN = 15.75 kV ,

napi¦cie wtórne: UDN = 0.42 kV ,

cz¦stotliwo±¢: fN = 50Hz,

grupa poª¡cze«: Yzn5,

napi¦cie zwarcia: UZ = 4 %,

straty jaªowe: Po = 240W ,

straty obci¡»eniowe: Pobc = 1350W ,

masa caªkowita/oleju: 420/106 kg.

Warunki pracy urz¡dzenia s¡ zgodne z norm¡ [8], to znaczy:

wysoko±¢ nad poziomem morza nie przekracza 1000 m,

temperatura otaczaj¡cego powietrza nie jest ni»sza -25C i nie wy»sza ni» +40 C,

temperatury w przewidywanym miejscu zainstalowania nie przekraczaj¡1:

+30 C dla ±redniej miesi¦cznej najgor¦tszego miesi¡ca oraz

+20 C dla ±redniej rocznej,

ksztaªt napi¦cia zasilaj¡cego jest zbli»ony do sinusoidalnego,

napi¦cie zasilaj¡ce trójfazowe jest w przybli»eniu symetryczne,

±rodowisko ma stopie« zanieczyszczenia pozwalaj¡cy na nieuwzgl¦dnienie jego wpªywu natransformator.

Transformatory rozró»nia si¦ w zale»no±ci od sposobu chªodzenia. W niniejszej pracy przyj¦totransformator o symbolu ONAN (wedªug normy [9]), gdzie poszczególne znaki czteroliterowegokodu podano ni»ej.

1. Wewn¦trzny czynnik chªodz¡cy stykaj¡cy si¦ z uzwojeniem.

O - olej mineralny lub syntetyczna ciecz izolacyjna o punkcie zapªonu ≤300 C.

2. Mechanizm wprawienia w ruch wewn¦trznego czynnika chªodz¡cego.

N - naturalny termosyfonowy przepªyw przez urz¡dzenia chªodz¡ce i w uzwoje-niach.

1Takie temperatury zapewniaj¡ satysfakcjonuj¡c¡, z punktu widzenia ekonomii, »ywotno±¢ transformatora.

9

3. Zewn¦trzny czynnik chªodz¡cy.

A - powietrze.

4. Mechanizm wprawiania w ruch zewn¦trznego czynnika chªodz¡cego.

N - konwekcja naturalna.

3.3 Kadzie.

Kad¹ jest nieodzownym elementem transformatora olejowego, równie» istotnym przy problemiezapewnienia odpowiedniego chªodzenia. Stanowi o±rodek po±rednicz¡cy w wymianie ciepªa nagranicy kad¹-powietrze i kad¹-olej. Od wielko±ci jej powierzchni, zwªaszcza powierzchni ±cianbocznych, zale»y szybko±¢ chªodzenia. W praktyce spotykamy ró»ne rodzaje kadzi.

Najprostszym rodzajem s¡ kadzie wykonane z blachy gªadkiej. Zazwyczaj maj¡ przekrój owalnyalbo prostok¡tny z zaokr¡glonymi k¡tami2. Kadzie z blachy gªadkiej s¡ stosowane gªównie do trans-formatorów o mocach do ok. 20 kV · A, które najcz¦±ciej nie wymagaj¡ zwi¦kszenia powierzchnichªodzenia. Transformatory o mocy wi¦kszej na ogóª musz¡ mie¢ równie» zwi¦kszon¡ powierzchni¦chªodzenia, co mo»na osi¡gn¡¢ w ªatwy sposób poprzez pofalowanie ±cianek kadzi. Dzi¦ki temu,przy stosunkowo nieznacznym zwi¦kszeniu wymiarów zewn¦trznych kadzi, uzyskujemy du»¡ po-wierzchni¦ chªodzenia. W tym przypadku fale s¡ podªu»nymi i w¡skimi (5-12 mm), prostok¡tnymib¡d¹ trójk¡tnymi zbiornikami oleju o gª¦boko±ci w granicach 50-300 mm, rozmieszczanymi co np.50 mm. Taka konstrukcja zapewnia omywanie kadzi wi¦ksz¡ ilo±ci¡ chªodz¡cego powietrza. Dodat-kowo, przy wzro±cie ci±nienia wewn¦trznego, fale spr¦»y±cie nieco rozszerzaj¡ si¦ i kad¹ zwi¦kszaswoj¡ obj¦to±¢3. [2]

Kadzie rurowe s¡ to kadzie, z których ciepªo odprowadzane jest gªównie za pomoc¡ rur piono-wych, o ±rednicy 30÷50 mm, zagi¦tych ªagodnie u doªu i góry, i wspawanych w odpowiednie otworykadzi. Gor¡cy olej warstw górnych traa do rur i ozi¦biaj¡c si¦ stopniowo opada ku doªowi, coskutkuje powstaniem naturalnego kr¡»enia oleju. Kadzie rurowe, mimo trudno±ci wykonawczych,nadal s¡ produkowane, przede wszystkim ze wzgl¦du na ich du»¡ wytrzymaªo±¢ mechaniczn¡, a coza tym idzie - mo»liwo±¢ transportowania na dalekie odlegªo±ci. Oprócz tego, wskutek prowadzeniarurami strumienia chªodz¡cego oleju, ogólna powierzchnia kadzi mo»e by¢ mniejsza o ok. 20% odkadzi falistej. Pewn¡ odmian¦ od kadzi rurowych stanowi¡ kadzie harfowe. Ró»nica polega natym, »e wewn¦trzne rz¦dy rur nie s¡ wyginane, a ich wyloty poª¡czone s¡ z poziomymi odcinkamirur zewn¦trznego rz¦du. [2]

Nast¦pnym typem s¡ kadzie radiatorowe. Radiatory stanowi¡ tu rodzaj baterii rur poª¡czo-nych równolegle. W przypadku transformatorów maªej mocy (do ok. 20 MV · A), kadzie maj¡ksztaªt prostok¡tny, a radiatory przyspawane s¡ na staªe do ±cianek. Chªodzenie transformatorowebez wymuszonego podmuchu jest w tym przypadku wystarczaj¡ce. Je±li chodzi o transformatorywi¦kszej mocy, kadzie s¡ owalne, a radiatory mo»na zdemontowa¢, przy czym stosuje si¦ wów-czas specjalne zawory blokuj¡ce przepªyw oleju do i z radiatora. Te transformatory wymagaj¡dodatkowego chªodzenia przy u»yciu wentylatorów. [2]

Pewien wgl¡d w sprawno±¢ chªodzenia poszczególnych kadzi mog¡ da¢ wyniki pomiarów przy-toczone z [7]. Zostaªy wykonane dla trójfazowego transformatora z chªodzeniem naturalnym o

2Zaokr¡glona cz¦±¢ kadzi ma znacznie wi¦ksz¡ wytrzymaªo±¢ ni» pªaskie ±cianki.3T¦ wªa±ciwo±¢ kadzi falistych wykorzystano w transformatorach hermetyzowanych, które nie wymagaj¡ stoso-

wania konserwatorów. [2]

10

danych znamionowych: SN = 40kV · A, UN1 = 3kV , U2N = 230V, fN = 50Hz dla trzech ró»nychrozwi¡za« konstrukcyjnych kadzi, znamionowego stanu pracy, przy temperaturze otoczenia 40oC.Mierzono temperatury cewek uzwojenia górnego, a wi¦c najcieplejszego miejsca w transformatorze.Wyniki s¡ nast¦puj¡ce:

90.7oC dla transformatora z kadzi¡ radiatorow¡,

92.5oC dla transformatora z kadzi¡ falist¡,

95.3oC dla transformatora z kadzi¡ rurow¡.

Zatem w tym przypadku kad¹ radiatorowa miaªa najlepsze wyniki. Nie s¡ one jednak na tyledobre, aby zanegowa¢ sensowno±¢ produkowania pozostaªych typów kadzi.

Wyró»nia si¦ jeszcze takie typy kadzi jak kloszowe, szafowe oraz dziobowe, stosowane zwyklew specjalnych warunkach.

Stosowanie specjalnego typu kadzi zapewnia szybsze oddawanie ciepªa do otoczenia. W cz¦±ciprzypadków chªodzenie jest jednak zbyt wolne, dlatego trzeba zastosowa¢ dodatkowe rozwi¡zania.Jednym z nich jest chªodzenie ze sztucznym podmuchem, stosowane gªównie przy kadziach radia-torowych. Polega ono na przyª¡czeniu 1-2 wentylatorów, od których powietrze jest doprowadzanedo radiatorów za pomoc¡ systemu rur, b¡d¹ przyª¡czeniu wi¦kszej ilo±ci maªych wentylatorów, zktórych ka»dy obsªuguje 2-4 radiatory.

Kolejnym rozwi¡zaniem jest chªodzenie ze sztucznym obiegiem oleju i oddzieln¡ chªodnic¡.Polega na przetªaczaniu oleju przez chªodnic¦ za pomoc¡ pompy obiegowej. Przy takim chªodze-niu wewn¡trz kadzi utrzymuje si¦ bardziej wyrównana temperatura ni» w przypadku chªodzenianaturalnego, czy z podmuchem. Rozró»nia si¦ chªodnice wodne b¡d¹ powietrzne.

3.4 Moc i straty.

Moc znamionowa transformatora jest warto±ci¡ umown¡ [8],[4]. W normie PN-EN 60076-1:2011moc znamionowa zostaªa okre±lona jako: umowna warto±¢ mocy pozornej, przypisanej danemuuzwojeniu, która wraz z napi¦ciem znamionowym tego uzwojenia okre±la pr¡d znamionowy tegouzwojenia [8].

W przypadku wykorzystanego w pracy transformatora, warto±¢ mocy jest opisana zale»no±ci¡:

SN =√

3 · UN1 · IN1,

sk¡d wyznaczony zostaª pr¡d znamionowy:

IN1 =SN√

3 · UN1

=63√

3 · 15.75≈ 2.31 [A].

Norma deniuje równie» poj¦cie strat stanu jaªowego: moc czynna pobierana przez transfor-mator przy doprowadzeniu znamionowego napi¦cia (...) o znamionowej cz¦stotliwo±ci do zaciskówjednego z uzwoje« przy rozwartych pozostaªych uzwojeniach [8]. W caªej pracy przyj¦to, »e s¡ war-to±ci¡ staª¡ (nie zale»¡ od zmian temperatury transformatora i pr¡du pªyn¡cego przez uzwojenia).Z kolei straty obci¡»eniowe maj¡ nast¦puj¡c¡ denicj¦: moc czynna pobierana przy znamionowejcz¦stotliwo±ci oraz temperaturze odniesienia (...) i zwi¡zana z jedn¡ par¡ uzwoje«, wtedy gdyprzez zaciski liniowe jednego uzwojenia pªynie pr¡d znamionowy (...), a zaciski drugiego uzwojenias¡ zwarte. Zaciski dalszych uzwoje« - je±li istniej¡ - s¡ rozwarte [8].

11

Jezierski w [5] pisze, »e straty obci¡»eniowe ∆Pobc s¡ wywoªane przepªywem pr¡du obci¡»eniaprzez uzwojenia transformatora i obejmuj¡:

1. straty podstawowe w uzwojeniach,

2. straty dodatkowe w uzwojeniach,

3. straty dodatkowe poza uzwojeniami ( w kadzi i niektórych elementach konstrukcyjnych).

Dla uproszczenia pomini¦to straty dodatkowe w uzwojeniach i straty dodatkowe poza uzwojeniami.Straty podstawowe ka»dego z uzwoje« transformatora oblicza si¦ wg wzoru:

∆Pp = qI2Rst, (3.1)

w którym:

∆Pp - straty podstawowe,

q - liczba faz,

Rst- rezystancja uzwojenia (zmierzona pr¡dem staªym),

I - warto±¢ skuteczna pr¡du pªyn¡cego przez uzwojenie.

W praktyce cz¦sto wykorzystuje si¦ nieco zmieniony wzór (3.1) [5]:

∆PpCu = 2.4 · J2M · 10−12, (3.2)

∆PpAl = 13 · J2M · 10−12, (3.3)

przy czym:

J - g¦sto±¢ pr¡du,

M - masa materiaªu przewodowego wszystkich q faz.

Uwaga 1. W obu wzorach (3.2) i (3.3), je±li g¦sto±¢ pr¡du podamy w A/mm2, wspóªczynnik10−12 mo»na pomin¡¢4.

Uwaga 2. Wzór (3.2) jest prawidªowy przy uzwojeniu wykonanym z miedzi, natomiast wzór(3.3) dla uzwojenia wykonanego z aluminium. Oba wzory do±¢ dobrze przybli»aj¡ straty dlatemperatury uzwojenia 75oC.

Dalej wyznaczona zostanie zale»no±¢ strat obci¡»enia wykorzystanego w pracy transformatora(punkt 1.2) od pr¡du pªyn¡cego przez uzwojenia.

Straty obci¡»enia opisuje ogólnie zale»no±¢ (3.1), któr¡ mo»na rozbudowa¢ do postaci:

Pobc = 3 · I2N1 · (R1 +R′

2), (3.4)

gdzie:

4Jezierski w [5] nie podaje wprost uzasadnienia dla tego uproszczenia - g¦sto±¢ nale»y poda¢ w podstawowychjednostkach ukªadu SI: A/m2; z prostego przeliczenia mamy, »e mm2 = 10−6 ·m2, a »e pr¡d w obu wzorach jestpodnoszony do kwadratu, to otrzymujemy ów wspóªczynnik: (10−6)2 = 10−12

12

IN1−pr¡d pªyn¡cy przez uzwojenia od strony górnego napi¦cia,

R1 - rezystancja uzwojenia po stronie górnego napi¦cia,

R′2 - rezystancja uzwojenia po stronie dolnego napi¦cia widziana od strony górnego napi¦cia.

Rezystancj¦ uzwojenia po stronie dolnego napi¦cia widzian¡ od strony górnego napi¦cia liczysi¦ wg nast¦puj¡cego wzoru:

R′

2 = R2 ·(UN1

UN2

),

gdzie:

R2 - rezystancja uzwojenia po stronie dolnego napi¦cia,

UN1, UN2 - napi¦cia znamionowe pierwotne i wtórne.

Mo»na przyj¡¢, »e R1 ≈ R′2, sk¡d otrzymujemy:

R1 =1

2· Pobc

3 · I2N1

. (3.5)

Podstawiaj¡c dane transformatora do (3.5), otrzymamy warto±¢ rezystancji uzwoje« po stroniegórnego napi¦cia:

R1 =1

2· 1350

3 · 2.312≈ 42.2 [Ω].

Zatem równanie na zale»no±¢ strat obci¡»enia od pr¡du pªyn¡cego przez uzwojenia górnegonapi¦cia dane jest zale»no±ci¡:

Pobc = 3 · I21 · 2 · 42.2 = 253.2 · I21 (3.6)

Zale»no±¢ ta ukazana jest na Rys. 3.1.

Rys. 3.1. Zale»no±¢ strat obci¡»eniowych od pr¡du pªyn¡cego przez uzwojenia wg zale»no±ci(3.6).

13

Je±li za± chodzi o caªkowite straty, tj. straty obci¡»eniowe i straty jaªowe, przyj¦to, »e je±lipr¡d pªyn¡cy przez uzwojenia I1 > 0, to straty caªkowite równaj¡ si¦ stratom obci¡»eniowym,opisanym zale»no±ci¡ (3.6), w sumie ze stratami jaªowymi, które s¡ równe 240 [W]. Natomiast je±lipr¡d I1 = 0, to straty caªkowite wynosz¡ 240 [W], je±li na uzwojeniu pierwotnym jest napi¦cie oraz0 [W], je±li napi¦cie na uzwojeniu pierwotnym jest równe 0 [V]. Zatem caªkowite straty opisane s¡ostatecznie zale»no±ci¡:

∆P =

253.2 · I21 + 240 , I1 > 0, U1 6= 0

240 , I1 = 0, U1 6= 0

0 , I1 = 0, U1 = 0

.

3.5 Uproszczenia.

Podczas pisania pracy poczyniono szereg uproszcze« dotycz¡cych modelu matematycznego stacjitransformatorowej, maj¡cych na celu uªatwienie oblicze«, zwi¦kszenie przejrzysto±ci rozwa»a« orazzmniejszenie obj¦to±ci pracy.

Przy tworzeniu modelu matematycznego stacji transformatorowej nie bazowano na »adnychrzeczywistych pomiarach, dlatego wi¦kszo±¢ wyst¦puj¡cych parametrów zaczerpni¦to z pozycji bi-bliogracznych i katalogów. Trzeba jednak zaznaczy¢, »e warto±ci te w »aden sposób nie ust¦puj¡warto±ciom otrzymanym na drodze pomiaru, nie pogarszaj¡, ani nie zaw¦»aj¡ przedstawionych wdalszej cz¦±ci wniosków. Prac¦ starano si¦ wykona¢ tak, aby w ka»dym punkcie mo»na byªo u»y¢warto±ci uzyskanych z pomiarów.

Du»e uproszczenie wyst¦puje przy rozkªadzie temperatury oleju oraz uzwojenia, zgodne z reszt¡z uproszczeniami poczynionymi w normie [10] oraz pozycjami [3],[4]. Mianowicie:

temperatura oleju narasta prostoliniowo od doªu do góry;

temperatura uzwojenia narasta prostoliniowo od doªu do góry, równolegle do uzwojenia (ró»-nica pomi¦dzy obiema temperaturami jest staªa i równa g);

temperatura najgor¦tszego miejsca uzwojenia jest wi¦ksza ni» temperatura górnej cz¦±ciuzwojenia o staª¡ warto±¢ +5oC, sk¡d Hg = g + 5oC.

Obrazuje je Rys. 3.2. Krok w [7] przeprowadziª badania symulacyjne dotycz¡ce wpªywu tem-peratury otoczenia na temperatur¦ najcieplejszego miejsca transformatora dla transformatora oparametrach przedstawionych w podrozdziale Kadzie, przy dwu warto±ciach temperatury oto-czenia: +40oC i −10oC. Z przeprowadzonych bada« wynikaªo, »e temperatura otoczenia, jakmo»na byªo si¦ spodziewa¢, ma du»y wpªyw na maksymalne temperatury uzwoje« transformatora.Krok pisze, »e: W rozpatrywanym transformatorze obni»enie temperatury otoczenia z +40oCw okresie letnim do −10oC w okresie zimowym (czyli o 50oC) powoduje obni»enie maksymalnejtemperatury uzwoje« z +93.3oC do +47.5oC (czyli o 45.8oC) [7]. Dlatego w pracy przyj¦to, »etemperatura najcieplejszego miejsca transformatora liniowo zale»y od temperatury otoczenia.

14

Rys. 3.2. Zale»no±¢ przyrostów temperatury konkretnych punktów uzwojenia od oleju.

W obliczeniach nie uwzgl¦dnia si¦ ani rodzaju kadzi, ani jej wpªywu na przyrosty temperatur.Nie wzi¦to równie» pod uwag¦ starzenia si¦ izolacji (patrz Dodatek A). Zrezygnowano z oddawa-nia ciepªa poprzez promieniowanie. Pozostaªe uproszczenia s¡ przyj¦te albo milcz¡co, albo b¦d¡opisane w dalszej cz¦±ci pracy.

15

4 Model cieplny transformatora.

W rozdziale omówiono równanie opisuj¡ce proces grzania si¦ i chªodzenia ciaªa jednorodnego.Na podstawie rozwi¡zania tego równania, wyprowadzono odpowied¹ obiektu w postaci przyrostutemperatury. Zdeniowano i omówiono poj¦cie staªej czasowej. Opisano równania pozwalaj¡cena przybli»enie warto±ci temperatury uzwojenia. Rozwa»ania dotycz¡ stanów cieplnych zarównoustalonego jak i nieustalonego.

4.1 Ustalanie si¦ temperatury transformatora.

Poni»sze równanie ogólne dotyczy przypadku, w którym ilo±¢ ciepªa wywi¡zuj¡cego si¦ w cielelub do niego doprowadzana jest równa ilo±ci ciepªa odprowadzonego na zewn¡trz. Zerowy bilanscieplny prowadzi po pewnym czasie do ustalenia si¦ temperatury poszczególnych punktów ukªaducieplnego. Id¡c za [4],[1], klasyczne uj¦cie procesu grzania si¦ i chªodzenia ciaªa jednorodnego, naktórym oprzemy rozwa»ania dotycz¡ce transformatora, oparte jest na równaniu ró»niczkowym:

∆Pdτ = Gcdϑ+ Sαϑdτ (4.1)

w którym:

(∆Po + ∆Pobc)dτ = ∆Pdτ - energia wydzielana w ró»niczce czasu (moc tracona w transfor-matorze), gdzie:

∆Po - straty jaªowe (staªe),

∆Pobc - straty obci¡»eniowe (zmienne),

G - ci¦»ar ciaªa,

c - ciepªo wªa±ciwe ciaªa,

S - powierzchnia chªodz¡ca,

α - wspóªczynnik oddawania ciepªa przez powierzchni¦,

t− to = ϑ - ró»nica temperatur mi¦dzy powierzchni¡ ciaªa a otoczeniem, gdzie:

t - temperatura ciaªa,

to - temperatura otoczenia.

Do dalszej analizy przyj¦to, »e przewodno±¢ cieplna ciaªa jest niesko«czenie du»a, co oznaczajednakow¡ temperatur¦ wewn¡trz i na powierzchni ciaªa, oraz »e strata mocy ∆P 5, ciepªo wªa±ciwec i wspóªczynnik oddawania ciepªa α s¡ niezale»ne od temperatury.

Równanie (4.1) wyra»a, »e energia wydzielana w ró»niczce czasu ∆Pdτ cz¦±ciowo magazyno-wana jest w ciele, podnosz¡c jego temperatur¦ (Gcdϑ), natomiast reszta przejmowana jest przezpowierzchni¦ chªodz¡c¡ (Sαϑdτ). Po ustaleniu si¦ temperatury, tzn. kiedy dϑ = 0, ciepªo nieodkªada si¦ w ciele, ale caªe wydzielane jest na zewn¡trz, sk¡d zale»no±¢ (4.1) przeksztaªca si¦ na:

∆P = Sαϑust, (4.2)

5Korekt¦ strat obci¡»eniowych ze wzgl¦du na temperatur¦ podaje np. norma [8].

16

gdzie ϑust oznacza ustalony przyrost temperatury.Rozwi¡zanie równania ró»niczkowego (4.1) przy warunkach pocz¡tkowych

τ = 0, ϑ = 0,

oznaczaj¡cych, »e proces grzania rozpoczyna si¦ przy temperaturze ciaªa równej temperaturzeotoczenia (t = to) i umownym, zerowym czasie, ma posta¢:

ϑ = ϑust(1− e−τT ), (4.3)

przy czym:

ϑust =∆P

Sα, (4.4)

T =Gc

Sα=Gcϑust

∆P. (4.5)

Jest to zatem model pierwszego rz¦du, o staªej czasowej T i wzmocnieniu ϑust. Sposób roz-wi¡zania równania (4.1) podano w Dodatku B. Je±li przyjmiemy, »e ∆P = 0, tj. do ciaªa niedoprowadzane jest »adna energia, rozwi¡zanie równania (4.1) przyjmuje posta¢

ϑ = ϑust · e−τ

T (4.6)

i opisuje proces chªodzenia ciaªa, rozgrzanego wcze±niej do ustalonej warto±ci temperatury. Poni-»ej wykres przedstawiaj¡cy przebiegi nagrzewania i chªodzenia, dla teoretycznych warto±ci staªejczasowej T = 100 [s] oraz ustalonej ró»nicy temperatur ϑust = 100 [oC].

Rys. 4.1. Krzywe obrazuj¡ce proces nagrzewania (1) i chªodzenia (2) ciaªa jednorodnego.

17

4.2 Staªa czasowa uzwoje« i oleju.

Z rozwi¡zania równania (4.1) wynika, »e staªa czasowa opisana jest przez zale»no±¢ (4.5):

T =Gc

Sα=Gcϑust

∆P,

gdzie, w przypadku uzwojenia:

G - ci¦»ar miedzi [kg],

c - ciepªo wªa±ciwe miedzi (385[W ·s

oC·kg

]),

j - g¦sto±¢ pr¡du (3.2[

Amm2

]),

k - wspóªczynnik strat dodatkowych (1.1, bezwymiarowy),

P - strata mocy w uzwojeniach (2.44kj2G [W]),

ϑust - ±rednia ustalona ró»nica temperatury mi¦dzy powierzchni¡ uzwojenia a olejem [oC].

Dane zaczerpni¦to z [4]. Aby obliczy¢ rz¡d wielko±ci staªej czasowej, poczynimy dalsze zaªo»enia:

1. przyrost ±redniej temperatury uzwojenia w stosunku do otoczenia jest równy maksymalnemuprzyrostowi dopuszczalnemu 65 oC [9: dla transformatora ONAN],

2. przyrost ±redniej temperatury oleju w stosunku do otoczenia jest równy 47 oC,

3. temperatura uzwojenia w gor¡cym punkcie jest o ok. 5 oC wy»sza od ±redniej temperaturypowierzchni uzwojenia.

Zatem ró»nica temperatur pomi¦dzy gor¡cym punktem uzwojenia a olejem wynosi

ϑust ≈ 65 + 5− 47 = 23oC.

St¡d staªa czasowa:

T ≈ G · 385 · 23

2.44 · 1.1 ·G · 3.22≈ 322s ≈ 5.4 min

Powy»szy wynik mo»na zinterpretowa¢ tak, »e po upªywie ok. 22 minut (czterokrotna warto±¢staªej czasowej), uzwojenie ustala swoj¡ temperatur¦ w stosunku do oleju.

Dla obliczenia staªej czasowej oleju równie» posªu»ymy si¦ wzorem (4.5). Przyjmiemy nast¦pu-j¡ce warto±ci:

G = 106 kg - ci¦»ar oleju,

c = 1950[W ·s

oC·kg

]- ciepªo wªa±ciwe oleju,

ϑust = 47 oC - ±redni przyrost temperatury oleju w stosunku do czynnika chªodz¡cego,

∆P = 240 + 1350 = 1590 [W ] - straty w miedzi i »elazie.

18

Staªa czasowa oleju jest równa:

T =1950 · 106 · 47

1590≈ 14237 [s] ≈ 4 [godz.].

Staªe czasowe oleju s¡ zdecydowanie wi¦ksze ni» staªe czasowe uzwoje«.

Jabªo«ski w [1] podaje nast¦puj¡ce zakresy warto±ci staªych czasowych:

uzwojenia wzgl¦dem oleju - kilka do kilkunastu minut (0.3÷ 0.9ks = 5÷ 15min),

oleju, przeliczonego na pojemno±¢ ciepln¡ - od okoªo jednej do kilku godzin (3.5 ÷ 10ks =1÷ 3 godz.)

Nale»y jednak pami¦ta¢, »e s¡ to do±¢ rozmyte granice i tak na przykªad [4] podaje wyznaczon¡warto±ci staªej czasowej uzwojenia T = 4.2 min i staªej czasowej oleju T = 5.3 godz., które niemieszcz¡ si¦ w tym przedziale.

4.3 Stany cieplne nieustalone.

Wcze±niej omówiony zostaª przypadek nagrzewania i chªodzenia transformatora, uogólnionego dojednorodnego ciaªa, kiedy obci¡»enie P1, któremu odpowiadaj¡ straty ∆P1, jest staªe. Dalej rozwa-»ony zostanie przypadek, kiedy obci¡»enie zmienia si¦ do warto±ci P2, czemu towarzyszy zmianastrat do warto±ci ∆P2. Zakªadamy jak wcze±niej, »e sumaryczne straty skªadaj¡ si¦ ze staªychstrat jaªowych i zmiennych strat obci¡»eniowych. Stratom poprzednim i bie»¡cym odpowiadaj¡ustalone warto±ci temperatury:

ϑ1 =∆P1

Sα1

ϑ2 =∆P2

Sα2

Przyj¦to wcze±niej, »e wspóªczynniki oddawania ciepªa α nie zale»¡ od temperatury, st¡d otrzy-mujemy proporcjonalno±¢6 przyrostu temperatury do przyrostu strat:

ϑ2

ϑ1

=∆P2

∆P1

.

Niech transformator pracuje pod danym obci¡»eniem, które nast¦pnie zostaje zmienione zanimprzyrost temperatury zd¡»y si¦ ustali¢. Aby zaobserwowa¢ odpowied¹ obiektu na takie sygnaªywej±ciowe, nale»y rozwi¡za¢ równanie (4.1) dla warunków pocz¡tkowych τ = τ1 oraz ϑ = ϑ1.Otrzymujemy wówczas równanie

ϑ = ϑ2

1− e−τ − τ1T

+ ϑ1e−τ − τ1T , (4.7)

które opisuje ogólny przypadek nagrzewania si¦ ciaªa jednorodnego [6]. Sªowo nagrzewanie jestjednak nieco myl¡ce, gdy» powy»sze równanie opisuje równie» proces chªodzenia ciaªa i to nie przyϑ2 = 0 (patrz Dodatek C). Poni»ej zamieszczono jedn¡ z mo»liwych odpowiedzi obiektu.

6W [4] wprowadza si¦ dodatkowy wspóªczynnik korekcyjny w wykªadniku, z którego jednak rezygnuje si¦ wdalszej cz¦±ci z powodu zbytniej komplikacji ostatecznych wzorów, natomiast w [6] wspóªczynnik nie pojawia si¦ wogóle. W obu pozycjach, ale równie» w normach, do dalszych rozwa»a« przyj¦to wzory zgodne z wyprowadzonymiponi»ej.

19

Rys. 4.2. Krzywa obrazuj¡ca proces nagrzewania ciaªa jednorodnego.

Na Rys. 4.2. przedstawiony zostaª sygnaª wyj±ciowy z obiektu dla zadanych sygnaªów wej-±ciowych (krzywa oznaczona jako ϑ). Poszczególne skªadowe sygnaªu zostaªy podpisane: do czasuτ = 100 (równego staªej czasowej obiektu), odpowied¹ równa jest

ϑ = ϑ1

(1− e

−τ

T

),

nast¦pnie sygnaª ten opisany jest równaniem

ϑ = ϑ2

1− e−τ − τ1T

+ ϑ1e−τ − τ1T .

Dodatkowo, po prawej stronie rysunku, zaznaczono warto±ci ustalonych przyrostów temperaturyϑ1 oraz ϑ2.

4.4 Obliczenie temperatury najcieplejszego punktu transformatora.

Dotychczas omówione zostaªy proste równania opisuj¡ce proces nagrzewania/chªodzenia ciaªa jed-norodnego. Transformator z pewno±ci¡ nie jest ciaªem jednorodnym i nale»y w nim wyró»ni¢przynajmniej takie elementy jak: kad¹, olej, rdze«, uzwojenie. Ka»dy z wymienionych elemen-tów mo»na z pewnym uproszczeniem opisa¢ równaniem (4.1). Wówczas mo»liwe jest wyznaczenieprzybli»onej warto±ci temperatury uzwojenia, poprzez badanie przyrostów temperatur pomi¦dzyotoczeniem i kadzi¡, kadzi¡ i olejem, olejem i rdzeniem, olejem i uzwojeniem. Upraszczaj¡c niecostosunki [4] przyj¦to, »e przyrost temperatury uzwojenia wzgl¦dem powietrza ϑ równy jest sumieprzyrostów temperatur oleju wzgl¦dem otoczenia ϑo i uzwojenia wzgl¦dem oleju ϑu:

ϑ = ϑu + ϑo (4.8)

20

Je±li obci¡»enie zmieni si¦, ka»dy z tych przyrostów b¦dzie zmieniaª si¦ oddzielnie wedªug krzy-wej wykªadniczej. Id¡c za [3], w celu wyznaczenia wzoru analitycznego na przyrost temperaturyuzwojenia w stosunku do otoczenia, poczyniono odpowiednie zaªo»enia (podane bez uzasadnienia).

Przez χ oznaczony zostanie stosunek obci¡»enia transformatora P do jego mocy znamionowejPn:

χ =P

Pn. (4.9)

Zatem ustalony przyrost temperatury uzwojenia w stosunku do oleju, przy obci¡»eniu P, wyniesie:

ϑu,χ = ϑu,nχ2nu , (4.10)

gdzie wykªadnik nu w rozwa»anym przypadku wynosi nu = 0.85. Proces nagrzewania si¦ uzwojeniaw stosunku do oleju jest opisany równaniem:

ϑu,χ = ϑu,nχ2nu(1− e−τ/Tu

), (4.11)

za± proces ochªadzania po wyª¡czeniu obci¡»enia (nagrzanego w stosunku do oleju o ϑu):

ϑu,τ = ϑue−τ/Tu . (4.12)

Przez a oznaczono stosunek strat w uzwojeniach przy znamionowym pr¡dzie do strat jaªo-wych przy znamionowym napi¦ciu. Stosunek ustalonych przyrostów temperatury oleju wzgl¦dempowietrza przy obci¡»eniu χ i przy obci¡»eniu znamionowym wyniesie:

ϑo,χϑo,n

=

(1 + aχ2

1 + a

)no

, (4.13)

gdzie nowynosi w rozwa»anym przypadku no = 0.8. Proces grzania si¦ oleju w czasie jest opisanywzorem:

ϑo,χ = ϑo,n

(1 + aχ2

1 + a

)no (1− e−τ/To

), (4.14)

za± przebieg stygni¦cia po wyª¡czeniu transformatora (w którym przyrost temperatury oleju wstosunku do powietrza wynosiª ϑo) :

ϑo,τ = ϑoe−τ/To . (4.15)

Sumuj¡c warto±ci przyrostów cz¡stkowych otrzymamy rozwini¦cie zale»no±ci (4.8) na przyrosttemperatury uzwojenia wzgl¦dem powietrza od czasu:

ϑτ = ϑu,nχ2nu(1− e−τ/Tu

)+ ϑo,n

(1 + aχ2

1 + a

)no (1− e−τ/To

)+ ϑue

−τ/Tu + ϑoe−τ/To . (4.16)

Je±li transformator zostanie caªkowicie odci¡»ony, ale pozostawiony pod napi¦ciem, przyrost tem-peratury uzwojenia wzgl¦dem powietrza zmienia si¦ wedªug równania:

ϑτ = ϑo,n

(1 + aχ2

1 + a

)no (1− e−τ/To

)+ ϑue

−τ/Tu + ϑoe−τ/To . (4.17)

Jezierski w [3],[4] podaje równie» bardzo ciekawy wniosek na przykªadzie transformatora ole-jowego ±redniej mocy o parametrach: ϑu,n = 20oC i ϑo,n = 60oC, z zaªo»eniami a = 3, nu = 0.85

21

oraz no = 0.8. Je»eli w zakresie 70 . . . 130% obci¡»enia znamionowego zast¡pimy funkcj¦ (4.16)lini¡ prost¡ o równaniu:

ϑ = 100χ− 20

to popeªniony bª¡d nie b¦dzie wi¦kszy ni» 3%. Mo»na oczywi±cie to uproszczenie stosowa¢ dlatransformatora o innych parametrach.

Dla lepszego wyja±nienia wzorów (4.16) oraz (4.17) , poni»ej przytoczono przykªad z [6].Przykªad 2.1. Transformator pracuj¡cy przez dªu»szy czas przy poªowie obci¡»enia znamio-

nowego zostaª caªkowicie odci¡»ony (do stanu jaªowego). Jakie przyrosty temperatur wyst¡pi¡ wtym transformatorze po 5 min od chwili wyª¡czenia odbiorników?

Zaªo»enia:

1. Stosunek strat a =∆Pobc,n

∆Pj= 3.5. ∆P = ∆Pobc + ∆Pj - ª¡czne straty w transformatorze.

2. Staªe czasowe (niezale»ne od temperatury): Tu = 8 min, To = 3 h.

3. Przyrosty ustalone przy znamionowym obci¡»eniu transformatora:

(a) uzwojenie-olej: ϑu,n = 21oC,

(b) olej-otoczenie: ϑo,n = 44oC.

4. Wykªadniki pot¦g okre±laj¡cych zale»no±¢ mi¦dzy stratami a przyrostami temperatur nale»yprzyj¡¢ dla prostoty jako równe 1.

Rozwi¡zanie:

1. Ustalone przyrosty temperatur przy poªowie obci¡»enia:

(a) uzwojenia w stosunku do oleju: ϑu,0.5 = ϑu,n · χ2 = 21 · 0.52 = 5.2oC,

(b) oleju w stosunku do otoczenia: ϑo,0.5 = ϑu,o1 + aχ2

1 + a= 44 · 1 + 3.5 · 0.52

1 + 3.5= 18.4oC.

2. Przyrost temperatury uzwojenia w stosunku do oleju po 5 min od chwili odci¡»enia:

ϑu = ϑu,0.5e−τ/Tu = 5.2e−

58 = 2.8oC.

3. Przyrost temperatury oleju w stosunku do otoczenia:

ϑo =

(ϑo,n

1

1 + a

)(1− e−τ/To) + ϑo,0.5e

−τ/To = 441

1 + 3.5(1− e− 5

3·60 ) + 18.4e−5

3·60 = 18.1oC.

4. Ostatecznie po 5 min od chwili odci¡»enia transformatora:

(a) przyrost temperatury uzwojenia w stosunku do oleju jest równy: 2.8oC,

(b) przyrost temperatury oleju w stosunku do otoczenia jest równy: 18.1oC,

(c) przyrost temperatury uzwojenia w stosunku do otoczenia jest równy: 2.8 + 18.1 =20.9oC.

22

Zakªadaj¡c, »e temperatura otoczenia jest staªa i wynosi to = +20cC, na pocz¡tku temperaturauzwojenia wynosiªa:

to + ϑo,0.5 + ϑu,0.5 = 20 + 5.2 + 18.4 = 43.6oC.

Natomiast po 5 minutach:

to + ϑo + ϑu = 20 + 2.8 + 18.1 = 40.9oC.

A wi¦c zmalaªa o 2.7oC. Aby temperatura ustaliªa si¦, potrzeba czasu wynosz¡cego czterokrotno±¢najwi¦kszej warto±ci staªej czasowej (w tym przypadku staªej czasowej oleju, wynosz¡cej 3 h), czyliokoªo 12 godzin.

23

5 Moduª aplikacji SCADA.

Moduª aplikacji zostaª zrealizowany w dwóch cz¦±ciach. Pierwsza z nich to symulator, skªadaj¡cysi¦ z osobnego okna, sªu»¡cego do zadawania warto±ci danych wej±ciowych, oraz skryptu aplikacji,maj¡cego na celu wyliczanie odpowiednich warto±ci temperatur. Druga, wªa±ciwa cz¦±¢, to mo-duª aplikacji SCADA umo»liwiaj¡cy monitorowanie procesu nagrzewania transformatora. Zdj¦ciawszystkich okien aplikacji omówionych poni»ej zamieszczone zostaªy w Dodatku D.

Poniewa» praca byªa pierwszym zetkni¦ciem Autora z projektowaniem aplikacji typu SCADA,po cz¦±ci opiera si¦ ona na gotowych rozwi¡zaniach, przedstawionych w m.in. szkoleniu rmyASTOR [11],[13] (za zgod¡ rmy ASTOR) oraz aplikacji pokazowej, doª¡czanej do programu In-Touch. Absolutn¡ podstaw¡ tworzenia pracy byªy przede wszystkim ksi¡»ki zaª¡czone do oprogra-mowania.

5.1 Wprowadzenie do Wonderware InTouch.

Aplikacje typu HMI (Human Machine Interface) ukazuj¡ graczn¡ reprezentacj¦ procesu przemy-sªowego. Narz¦dzia, materiaªy i technologie zastosowane w produkcji sprowadzane s¡ do symboligracznych i umieszczane w oknach aplikacji. Operatorzy w fabryce wchodz¡ w interakcj¦ z gra-cznym interfejsem aplikacji aby monitorowa¢ i zarz¡dza¢ procesem produkcyjnym [18].

rodowiskiem sªu»¡cym do projektowania aplikacji HMI jest pakiet oprogramowania InTouch,w skªad którego wchodz¡ programy: Application Manager, WindowMaker, WindowViewer. Do-datkowo, InTouch jest ±ci±le poª¡czony z ArchestrA IDE (Integrated Development Environment).Oba programy dziaªaj¡ce wspólnie daj¡ jeszcze wi¦ksze mo»liwo±ci ni» sam InTouch. ApplicationManager to program przeznaczony do zarz¡dzania ró»nego rodzaju aplikacjami InTouch. Pro-gram WindowMaker sªu»y do tworzenia interfejsów aplikacji HMI. Dostarcza on przede wszystkimnarz¦dzi gracznych, j¦zyka programowania skryptów oraz narz¦dzia do zarz¡dzania zmiennymi(tagnames). Program WindowViewer sªu»y do uruchamiania wszystkich rodzajów aplikacji InTo-uch i ich testowania [18].

Ochrona projektowanych aplikacji zapewniona jest przez trzy systemy. Pierwszym z nich jestochrona InTouch. Skªada si¦ ona z dwóch faz. Pierwsza polega na identykacji, czy osoba pró-buj¡ca dosta¢ si¦ do aplikacji jest rozpoznawana jako zatwierdzony u»ytkownik. Druga faza de-terminuje jakie uprawnienia nadane zostaªy uwierzytelnionemu u»ytkownikowi. Kolejnym typemochrony jest ochrona oparta na systemie operacyjnym (domy±lnie jest to system Windows). Polegaona na autentykacji u»ytkowników aplikacji InTouch bazuj¡c na ich osobistych kontach u»ytkow-nika systemu Windows. Ochrona systemu nadaje u»ytkownikowi dost¦p do funkcji InTouch je±listwierdzono jego przynale»no±¢ do jednej lub kilku autentykowanych grup u»ytkowników systemuWindows. Ostatnim typem ochrony jest ochrona oparta na systemie ArchestrA. W tym przypadkuadministratorzy systemu deniuj¡ u»ytkowników i nadaj¡ im uprawnienia, które okre±laj¡ jakieczynno±ci mog¡ wykonywa¢ [18].

Program WindowMaker umo»liwia tworzenie i kongurowanie wielu elementów wchodz¡cychw skªad aplikacji HMI. Podstawowym elementem ka»dej aplikacji s¡ okna - panele, na którychumieszcza si¦ pozostaªe symbole graczne. Kolejnym elementem s¡ podstawowe obiekty graczne:linie, koªa, prostok¡ty, wielok¡ty, tekst. Wi¦cej dodatkowych elementów gracznych znajdziemy wedytorze ArchestrA. Z kilku podstawowych elementów gracznych mo»na tworzy¢ symbole, którymnast¦pnie nadaje si¦ animacje. Animacje to proste operacje wykonywane na obiektach, tak jakzmiana koloru, wykonanie instrukcji po naci±ni¦ciu na obiekt, wyª¡czenie obiektu (je±li speªniajak¡± funkcj¦). Dla porównania, ArchestrA dostarcza edytora, który umo»liwia projektowanie

24

symboli jeszcze bardziej zªo»onych, zarówno pod k¡tem speªnianych funkcji, jak i graki. Wprogramie WindowMaker dost¦pne s¡ zªo»one obiekty, które dziel¡ si¦ na dwie kategorie: Wizardsoraz ActiveX Controls. Wizard jest to uprzednio zaprojektowany, zbudowany i zaprogramowanyobiekt, który wystarczy jedynie umie±ci¢ w aplikacji i skongurowa¢ [22, tªumaczenie wªasne].ActiveX Controls s¡ to skompilowane obiekty z zewn¦trznych ¹ródeª, wyposa»one we wªa±ciwo±ci,metody oraz zdarzenia, które mo»na modykowa¢ nawet podczas dziaªania aplikacji. Kolejnymielementami gracznymi WindowMaker s¡ trendy bie»¡ce i historyczne, odpowiedzialne za kre±lenieprzebiegów zmiennych w czasie dziaªania aplikacji. Podobne trendy mo»na wstawi¢ do aplikacji zbiblioteki Wizards [18].

W WindowMaker zmienne okre±la si¦ jako tagnames, które deniowane s¡ poprzez narz¦dzieTagname Dictionary (dosªownie: sªownik zmiennych). Do dyspozycji mamy kilka podstawowychtypów zmiennych: dyskretne (Discrete), caªkowitoliczbowe (Integer), zmiennoprzecinkowe (Real),ªa«cuch znakowy (String). Zmienne te mog¡ by¢ zmiennymi przechowywanymi w pami¦ci apli-kacji (Memory), albo zmiennymi pobieranymi z zewn¡trz (I/O). Dodatkowo dost¦pne s¡ zmiennewska¹nikowe (Indirect) oraz szablony zmiennych (Supertags). Dla ka»dej zmiennej, oprócz nazwyi typu, zdeniowa¢ mo»na inne parametry, m.in. zakresy warto±ci, przynale»no±¢ do danej grupy,warto±¢ pocz¡tkow¡, alarmy itd. Zmienne programu WindowMaker s¡ instancjami danej klasy izawieraj¡ w sobie wiele innych zmiennych przechowuj¡cych informacje o ich stanie, parametrach,etc. Odwoªanie si¦ do danego pola instancji odbywa si¦ poprzez operator . (kropka), np. od-woªanie do pola tagname.HiStatus informuje o tym, czy zmienna przekroczyªa warto±¢ alarmow¡[17],[18].

W programie InTouch alarmy podzielone zostaªy na 5 kategorii: dyskretne, warto±ci, odchyle-nia, przyrostowe, SPC (Statistical Process Control) [17]. Alarmy zbiorczo obsªugiwane s¡ przez nie-które kontrolki. Szerzej omówione zostaªy w podrozdziale Okno alarmów. Zdarzenia s¡ kolejnym,obok alarmów, mechanizmem przekazywania informacji, aczkolwiek nie byªy one wykorzystywanew pracy.

W celu implementacji dodatkowych zachowa« aplikacji, program WindowMaker umo»liwia pi-sanie skryptów. Skrypt to zestaw instrukcji, które kieruj¡ wykonywaniem aplikacji. Oprócz zwy-kªych instrukcji, dost¦pna jest równie» mo»liwo±¢ odwoªywania si¦ do predeniowanych funkcji,szybkich funkcji (QuickFunctions) oraz kontrolek ActiveX. Skrypty dziel¡ si¦ ze wzgl¦du na tokiedy s¡ uruchamiane, np. na pocz¡tku dziaªania aplikacji, podczas dziaªania aplikacji, na zako«-czenie dziaªania aplikacji. Wyró»nia si¦ te» ró»ne rodzaje skryptów: skrypt aplikacji, skrypt okna(osobny skrypt mo»na napisa¢ do ka»dego okna), skrypt warunkowe (wykonywane przy zaj±ciudanego warunku logicznego), skrypty wywoªywane zdarzeniami, naci±ni¦ciem klawisza, zmian¡warto±ci zmiennej, etc [18].

5.2 Skrypt aplikacji oraz okno symulatora.

Dla aplikacji zdeniowany zostaª skrypt (Application Script), który symuluje proces nagrzewa-nia/chªodzenia transformatora na podstawie równa« wyprowadzonych w poprzedniej cz¦±ci pracyoraz danych dostarczonych z panelu symulatora. Skrypt ten zamieszczony zostaª w Dodatku E.Dane wyj±ciowe ze skryptu wy±wietlaj¡ si¦ zarówno w panelu symulatora, jak i cz¦±ci wizualiza-cyjnej. Standardowo skrypt aplikacji wykonywany jest cyklicznie w z góry zadanych odst¦pachczasowych, na przykªad co 10 ms. W pracy przyj¦to odst¦p czasowy równy 100 ms. Na podsta-wie cz¦stotliwo±ci wykonywania skryptu mo»na symulowa¢ upªywaj¡cy czas, jednak ka»da zmianatej cz¦stotliwo±ci powodowaªaby, »e czas upªywa szybciej lub wolniej. Dlatego wprowadzono doskryptu odwoªanie do zmiennej systemowej $Time dostarczaj¡cej warto±ci czasu, który upªyn¡ª

25

od pocz¡tku dnia, danego z dokªadno±ci¡ do 1 ms [20]. Dzi¦ki temu szybko±¢ upªywaj¡cego czasumo»na regulowa¢ poprzez dost¦pn¡ w symulatorze zmienn¡ podpi¦t¡ pod odpowiednie przyciski.Przy takich zaªo»eniach, skrypt dziaªa niezale»nie od ustawionej w nim cz¦stotliwo±ci wykonania,poniewa» bazuje na zewn¦trznym ¹ródle czasu, natomiast zale»ne od cz¦stotliwo±ci jest jedynieod±wie»anie warto±ci zmiennych.

Jak ju» zostaªo powiedziane, w symulatorze dost¦pna jest zmienna odpowiadaj¡ca za regula-cj¦ pr¦dko±ci upªywu czasu w symulacji. Czas ten mo»e biec z rzeczywist¡ pr¦dko±ci¡ lub by¢przyspieszony 10-, 100-, 1000-krotnie. Do panelu symulatora zostaªy dodane 4 przyciski, ka»dyprzypisany do odpowiedniej skali czasu. U»ytkownik mo»e wybra¢ zadan¡ skal¦ naciskaj¡c na wy-brany przycisk. Jednocze±nie wybrana zosta¢ mo»e jedynie jedna skala czasu, wi¦c po naci±ni¦ciuna jeden przycisk, przy wybranym uprzednio drugim, drugi przycisk wyª¡cza si¦. Aby tak si¦staªo, w skrypcie zostaªa napisana odpowiednia cz¦±¢ kodu wykluczaj¡ca jednocze±nie wci±ni¦cieobu przycisków. Niestety skrypt nie posiada instrukcji warunkowej switch, znanej z wielu podsta-wowych j¦zyków programowania, przez co du»e wyra»enia warunkowe buduje si¦ na podstawiezagnie»d»onych instrukcji if [20, tªumaczenie wªasne]. Jest to sposób bardzo niepor¦czny, którywymaga pisania du»ej ilo±ci instrukcji, co sprawia, »e kod traci na czytelno±ci. Kªopotliwo±¢ za-gadnienia zmiany szybko±ci upªywu czasu zwi¡zana jest równie» z tym, »e czas nie jest u»ywanywyª¡cznie do informowania u»ytkownika o tym, ile trwa symulacja, ale wykorzystywany jest dooblicze« przyrostów temperatury uzwojenia i oleju. Problem skalowania czasu spowodowaª du»¡zmian¦ kodu programu - zamiast odwoªywa¢ si¦ wci¡» do czasu startu symulacji, nale»aªo zacz¡¢zlicza¢ przyrosty czasu w odpowiedniej skali i umiej¦tnie je sumowa¢.

Zmienne traktowane jako wej±ciowe do programu, tj. teoretycznie mierzone warto±ci: nat¦»eniapr¡du i napi¦cia na uzwojeniu pierwotnym, temperatury otoczenia, transformatora itd., przecho-wywane s¡ w zmiennych typu caªkowitoliczbowego (Integer). I tak na przykªad, nat¦»enie pr¡duprzybiera warto±ci od 0 do 500 jednostek, co przekªada si¦ na zakres od 0 do 5 [A]. Kwantyza-cja warto±ci nat¦»enia pr¡du zostaªa wykonana celowo i ma imitowa¢ cyfrowy czujnik pomiarowy(amperomierz) dziaªaj¡cy z dokªadno±ci¡ co do 0.01 [A]. To samo tyczy si¦ napi¦cia na uzwojeniupierwotnym, które reguluje si¦ w zakresie od 0 do 3000 jednostek, tj. od 0 do 30 [kV]. Zatemwarto±¢ nominalna napi¦cia pierwotnego w tym zapisie to 1575 = 15.75 [kV], sk¡d wynika dokªad-no±¢ pomiaru/regulacji równa 10 [V]. Temperatury natomiast podawane s¡ z dokªadno±ci¡ co do0.1 [oC]. Do wy±wietlania oraz ustawiania warto±ci pr¡du pªyn¡cego przez uzwojenia pierwotne,napi¦cia uzwojenia pierwotnego oraz temperatury otoczenia zastosowane zostaªy suwaki dostar-czone z bibliotek¡ elementów gracznych ArchestrA. Suwaki te zostaªy odpowiednio zmodyko-wane. Mianowicie zostaªa do nich dodana nowa wªa±ciwo±¢ - etykieta. Jest to tekst wy±wietlanyponi»ej wy±wietlacza LED w celu identykacji warto±ci, za któr¡ odpowiada suwak. U»ytkow-nik zatem mo»e j¡ zmodykowa¢ tak, jak ka»de inne zmienne przypisane do suwaka - poprzezdwukrotne klikni¦cie na niego. Wcze±niej etykiet¦ t¦ mo»na byªo zmieni¢ poprzez podstawienieªa«cucha znakowego (przycisk CTRL+L). Dzi¦ki temu warto±ci przypisane do suwaków mo»nazmienia¢ poprzez suwak oraz naci±ni¦cie na wy±wietlacz LED i wprowadzenie zadanej warto±ci zklawiatury. Ustawiona warto±¢ jest wy±wietlana na wy±wietlaczu LED. Przy ka»dym z suwakówumieszczone zostaªy dwa przyciski, sªu»¡ce do zmiany danej warto±ci o zadan¡ jednostk¦.

W symulatorze dodany zostaª element umo»liwiaj¡ce wybór trybu pracy transformatora. Jestto obiekt Wizard z grupy WindowsControl o nazwie RadioButtonGroup. W caªej pracy wykorzy-stanych jest kilkana±cie takich gotowych elementów. W tym przypadku, obiekt ten odpowiada zawybranie jednej spo±ród wzajemnie si¦ wykluczaj¡cych opcji trybu pracy. Tryb pracy r¦czny totryb, w którym u»ytkownik samodzielnie ustawia parametry wej±ciowe do symulacji poprzez w/welementy. Tryb pracy znamionowy, jaªowy oraz wyª¡czony symuluj¡ kolejno: znamionowe warto-

26

±ci danych wej±ciowych, warto±ci danych wej±ciowych w trybie jaªowym (tj. przy znamionowymnapi¦ciu zasilaj¡cym i braku obci¡»enia), wyª¡czenie transformatora (brak napi¦cia na uzwojeniupierwotnym).

Aby umo»liwi¢ u»ytkownikowi aplikacji bie»¡cy podgl¡d wyników symulacji, na oknie symula-tora umieszczone zostaªy pogrupowane wy±wietlacze cyfrowe. Zostaªy do nich przypisane warto±ciprzyrostów temperatur oleju i uzwojenia, temperatury oleju i uzwojenia oraz warto±ci strat i ob-ci¡»enia. Po najechaniu kursorem myszki na odpowiedni podpis, wy±wietla si¦ okno tooltip, któreinformuje szerzej o tym, co wy±wietlane jest na wy±wietlaczu oraz w jakiej jednostce.

W prawym górnym rogu umieszczone zostaªy wy±wietlacze wskazuj¡ce aktualny czas (warto±ciczasu dostarczane s¡ z systemu operacyjnego [20]) oraz czas, który upªyn¡ª od startu symula-cji (uwzgl¦dniaj¡c wszystkie przeskalowania). Poni»ej znajduje si¦ przycisk, który odpowiada zaprzej±cie do cz¦±ci wizualizacyjnej programu. Po jego naci±ni¦ciu okno symulatora zamyka si¦,pojawia si¦ natomiast okno menu, z którego mo»liwa do wyboru jest jedynie opcja zalogowania si¦na konto u»ytkownika innego ni» None. U»ytkownicy szerzej opisani s¡ w dalszej cz¦±ci pracy.

W celu komunikacji ze sterownikiem, zainstalowany zostaª driver DASGESRTP (równie» DA-SMBTCP - ModBus TCP). Caªa komunikacja zostaªa skongurowana przez program System Ma-nagement Console w oparciu o szkolenie rmy ASTOR [13]. Podª¡czenie aplikacji pod dziaªaj¡cysterownik b¦dzie zatem szybsze, poniewa» cz¦±¢ konguracji zostaªa ju» wykonana.

Odrobin¦ miejsca nale»y równie» po±wi¦ci¢ uwagom dotycz¡cym dziaªania skryptów w progra-mie InTouch. Dost¦pna do u»ytku w skrypcie funkcja Exp( ) - funkcja wykªadnicza o podstawie e- dziaªa w do±¢ nieintuicyjny sposób. Byªa powodem bª¦dnego dziaªania programu w fazie testowa-nia, co wyszªo na jaw dopiero po uporczywym debuggingu. Otó», je±li przeka»emy do funkcji Exp() argumenty o warto±ciach spoza zakresu (−88.71; +88.72), funkcja zwraca warto±¢ -99 [20]. Przyobliczeniach przyrostu temperatury argumenty zawsze wykraczaj¡ poza dopuszczalny przedziaª,poniewa» do funkcji przekazujemy warto±¢ czasu, która narasta w ci¡gªy sposób. Zastosowanymrozwi¡zaniem problemu byªa zamiana funkcji Exp( ) na 2.72 (zaokr¡glona warto±¢ e ≈ 2, 71828183)podniesione do argumentu przekazywanego funkcji Exp( ). Oprócz tego do±¢ intryguj¡cego rozwi¡-zania, problematyczne jest równie» usuwanie zmiennych - aby usun¡¢ dany tagname (zmienn¡),nale»y wykona¢ szereg operacji, m.in. wyª¡czy¢ program WindowViewer, wszystkie okna aplikacjiw programie WindowMaker, uruchomi¢ proces od±wie»ania zmiennych, etc. Nie jest równie» mo»-liwe zresetowanie dziaªania aplikacji przy wª¡czonym programie WindowViewer - nale»y programzamkn¡¢ i nast¦pnie uruchomi¢ ponownie. Kolejnym zaskoczeniem byªo dopuszczenie znaku -(minus) do tworzenia nazw zmiennych. Je±li dwie zmienne w skrypcie chcemy od siebie odj¡¢,nale»y przed i po znaku minus wstawi¢ spacj¦, poniewa» w innym przypadku kompilator skryptupotraktuje dziaªanie jako ª¡czon¡ nazw¦ zmiennej [19, str. 29]. Znak minus sªu»¡cy jako ª¡cz-nik w nazwach zmiennych jest niespotykany w innych j¦zykach programowania. Ostatni¡ kwesti¡jest zapisywanie skryptu. Podr¦cznik [20] wskazuje, »e nale»y wybra¢ z menu skryptu opcj¦ save.Jednak w »adnym menu, ani nigdzie indziej, takiej opcji nie ma. Je±li chce si¦ zapisa¢ skrypt, na-le»y przycisn¡¢ na przycisk OK, co powoduje zarówno zapisanie skryptu, jak i zamkni¦cie edytoraskryptu, co staje si¦ frustruj¡ce przy pisaniu i testowaniu wi¦kszych obj¦to±ciowo partii kodu.

5.3 Menu i okno panelu operatorskiego.

Menu jest oddzielnym od pozostaªych oknem wy±wietlanym zawsze z prawej strony ekranu. Znaj-duje si¦ na nim wy±wietlacz LED skongurowany tak, aby wy±wietlaª czas, jaki upªyn¡ª od startusymulacji. Zaraz pod nim znajduje si¦ dynamiczne pole tekstowe, wy±wietlaj¡ce bie»¡c¡ nazw¦zalogowanego u»ytkownika. Poni»ej umieszczone zostaªy kolejno przyciski: Symulator, Logowanie,

27

Panel, Alarmy, Trendy bie»¡ce, Trendy historyczne, Wizualizacja, Edycja u»ytkowników, Wylo-gowanie, Zako«cz. Cz¦±¢ przycisków sªu»y do pokazywania danych okien, pozostaªe speªniaj¡okre±lone funkcje, jak np. wylogowanie u»ytkownika.

Okno panelu zostaªo pomy±lane jako zbiorcze zestawienie najistotniejszych elementów monito-rowanego procesu, tj. temperatur, obci¡»enia, alarmów, tak, aby operator nie musiaª przeª¡cza¢ si¦pomi¦dzy wszystkimi oknami. Po lewej stronie u góry zamieszczono zegar analogowy, który wska-zuje aktualny czas (systemowy). Na prawo od zegara znajduje si¦ kontrolka wskazuj¡ca aktualnystan nagrzania transformatora ró»nymi kolorami. Jest to element button, wzi¦ty z paska narz¦-dzi programu WindowMaker, dla którego zostaªa zdeniowana analogowa animacja wypeªnienia wzale»no±ci od temperatury uzwojenia:

Rys. 5.1. Kolory analogowej animacji wypeªnienia kontrolki wskazuj¡cej temperatur¦transformatora.

Zatem je±li temperatura uzwojenia nie przekracza 0 oC, kontrolka ma kolor ciemnoniebieski,je±li temperatura mie±ci si¦ w przedziale (+60 oC, +80oC), kontrolka ma kolor jasnozielony itd.Kontrolka umieszczona zostaªa na tle PanelWarning, z biblioteki obiektów ArchestrA. Dodatkowo,je±li temperatura przekroczy próg 95oC, kontrolka zaczyna mruga¢.

Kontrolka ta speªnia równie» inn¡ bardzo wa»n¡ rol¦, gdy» informuje o tym, czy transformatorulegnie przegrzaniu. Przewidzenie przegrzania odbywa si¦ poprzez analiz¦ odpowiedzi czasowejuprzednio stworzonego modelu matematycznego nagrzewania transformatora. Na podstawie da-nych wej±ciowych wyliczane s¡ ustalone przyrosty temperatur uzwojenia oraz oleju, które w su-mie z temperatur¡ otoczenia daj¡ temperatur¦, któr¡ w stanie ustalonym osi¡gnie transformator(najcieplejszy punkt uzwojenia). Je±li temperatura, która zostaªa przyj¦ta jako +95oC, zostanieprzekroczona, na kontrolce pojawia si¦ czerwony napis informuj¡cy o zagro»eniu przegrzaniemtransformatora.

Rys. 5.2. Kontrolka informuj¡ca o gro¹bie przegrzania transformatora. Pomimo tego, »etemperatura uzwojenia jest niska (nie przekracza +40oC), pokazana zostaje informacja o gro¹bie

przegrzania.

Na panelu zostaª umieszczony termometr wskazuj¡cy temperatur¦ uzwojenia. Znajduje si¦ naprawo od wy»ej opisanej kontrolki. Jest to obiekt biblioteki Wizards z grupy Meters. Elementten zostaª zaprojektowany w sposób umo»liwiaj¡cy swobodn¡ zmian¦ skali, koloru wypeªnienia,podziaªki, etc. i pomimo prostego wygl¡du (w porównaniu do wygl¡du obiektów biblioteki Arche-strA), Autorowi wydaje si¦ by¢ najlepszym dost¦pnym obiektem wskazuj¡cym temperatur¦. Poni-»ej zegara analogowego umieszczono okno trendu bie»¡cego, do którego podpi¦ta zostaªa zmienna

28

przechowuj¡ca warto±¢ temperatury uzwojenia. Poni»ej znajduje si¦ obiekt przechowuj¡cy alarmybie»¡ce. Te dwa elementy zostaªy opisane szczegóªowo w dalszej cz¦±ci pracy.

Prawa strona okna zostaªa przeznaczona do wy±wietlania aktualnych warto±ci 7 zmiennych:pr¡du uzwojenia pierwotnego, napi¦cia uzwojenia pierwotnego, temperatury otoczenia, tempera-tury oleju, temperatury uzwojenia, obci¡»enia transformatora, strat caªkowitych transformatoraoraz ich alarmów. Warto±ci zmiennych wy±wietlane s¡ na zaprojektowanych przez Autora elemen-tach. Element taki skªada si¦ z dwu cz¦±ci, poª¡czonych w jeden symbol7. Pierwszym skªadnikiemjest prostok¡t (Rectangle dost¦pny z paska narz¦dzi Draw Object Toolbar programu WindowMa-ker), którego kolor zostaª zmieniony na czarny. Dodatkowo, przypisane do niego zostaªy alarmydanych zmiennych. Je±li niska warto±¢ alarmu zostaªa przekroczona (LO lub HI), wypeªnieniezmienia si¦ na czerwone. W przypadku przekroczenia wysokich warto±ci alarmów (LOLO lubHIHI), pole zaczyna mruga¢ (kolory czerwono-czarne). Przy pojawianiu si¦ alarmów pr¦dko±cio-wych, obwód prostok¡ta zmienia si¦ na »óªty. Drugim skªadnikiem jest »óªty napis, np.: #.# oC.Znaki # wskazuj¡, »e na ich miejscu wy±wietlana mo»e by¢ warto±¢ danej zmiennej, zapis #.#oznacza, »e zmienna b¦dzie wy±wietlana z jednym miejscem po przecinku. W miejscu oC stoi jed-nostka danej zmiennej. Na prawo od wy±wietlaczy warto±ci znajduj¡ si¦ przyciski, którymi mo»napotwierdzi¢ odbiór alarmu. S¡ one aktywne tylko wtedy, gdy alarm jest niepotwierdzony, w innymprzypadku s¡ wyª¡czone. Potwierdzenie alarmu zmienia stan potwierdzenia w oknie zbiorczymalarmów, jednak nie powoduje, »e kontrolki wy±wietlaj¡ce warto±ci zmiennych przestaj¡ ±wieci¢na czerwono/mruga¢ - potwierdzenie jest traktowane wyª¡cznie jako informacja dla operatora, »eten alarm zostaª ju» odebrany. Elementy te zostaªy zaprojektowane zgodnie z przedstawion¡ wjednym z podr¦czników my±l¡: Potwierdzenie [alarmu] zaledwie wskazuje, »e kto± jest ±wiadomyalarmu. Jest to sytuacja ró»na od podj¦cia akcji naprawczej, która mo»e nie odby¢ si¦ od razu[17, str. 20, tªumaczenie wªasne].

5.4 Okno alarmów.

Zgodnie z porad¡ w [17, str. 57] do wy±wietlania alarmów u»yta zostaªa kontrolka Alarm ViewerActiveX Control, która zostaªa skongurowana na podstawie zalece« z [17],[13]. Alarmy w kontrolcewy±wietlaj¡ si¦ z nast¦puj¡cymi informacjami:

czas alarmu - data i godzina, z dokªadno±ci¡ do 1 sekundy,

stan alarmu - potwierdzony/niepotwierdzony,

klasa alarmu - czy jest to alarm dotycz¡cy przekroczenia pewnej warto±ci, przekroczeniaszybko±ci przyrostu,

typ alarmu - przekroczenie progów warto±ci: LOLO (bardzo niski), LO (niski), HI (wysoki),HIHI (bardzo wysoki), alarm pr¦dko±ciowy: ROC (Rate-of-Change),

priorytet - jaki jest priorytet alarmu,

zmienna - której zmiennej (tagname) dotyczy alarm,

grupa - do której ze zdeniowanych grup nale»y zmienna,

7Symbol jest to kilka obiektów traktowanych jako jeden. Zaznaczaj¡c grup¦ obiektów, symbol mo»na utworzy¢poprzez klikni¦cie na nich prawym przyciskiem myszy i wybranie z menu opcji Cell/Symbol, a nast¦pnie MakeSymbol. Tak utworzony symbol mo»e zachowa¢ wszystkie wªa±ciwo±ci animacyjne skªadowych elementów.

29

stacja - na której ze stacji pojawiª si¦ alarm,

warto±¢ - jaka jest aktualna warto±¢ zmiennej,

limit - jakie s¡ limity dla zmiennej,

operator - jaki jest zalogowany u»ytkownik.

Dzi¦ki takim informacjom alarmy mo»na ªatwo sortowa¢, np. grupami, priorytetami, etc.W pracy u»ywano alarmów warto±ci oraz przyrostowych. Alarmy zostaªy skongurowane dla

zmiennych podanych w Tabeli 4.1.

Przechowywana informacja Nazwa zmiennej Rodzaje skongurowanych alarmów

pr¡d uzwojenia pierwotnego pradUzwojenia warto±ci, przyrostowynapi¦cie uzwojenia pierwotnego napiecieUzwojenia warto±ci, przyrostowy

temperatura otoczenia temperaturaOtoczenia warto±ci, przyrostowytemperatura oleju temperaturaOleju warto±ci, przyrostowy

temperatura uzwojenia temperaturaTrafo warto±ci, przyrostowyobci¡»enie transformatora obciazenie warto±ci

straty caªkowite transformatora stratyObciazenia warto±ci

Tabela 5.1. Zmienne, dla których ustawione zostaªy alarmy.

Alarmy te maj¡ sygnalizowa¢ pewne niepo»¡dane zachowania symulacji, np. dla temperaturyotoczenia ustawiony zostaª alarm warto±ci i przyrostowy, które mog¡ wskazywa¢ na otwarcie oknado pomieszczenia w zimie, po»ar, etc.; dla napi¦cia alarm przyrostowy informuje o zwarciach,przepi¦ciach, etc.

Ka»da ze zmiennych przypisana jest do jednej z trzech uprzednio stworzonych grup alarmowych:Obci¡»enie i straty (przypisane zmienne: obci¡»enie transformatora, straty caªkowite transforma-tora), Temperatury (przypisane zmienne: temperatura otoczenia, temperatura oleju, temperaturauzwojenia), Dane wej±ciowe (przypisane zmienne: pr¡d uzwojenia, napi¦cie uzwojenia). Ka»demuz alarmów, zdeniowanemu dla konkretnej zmiennej, nadany zostaª priorytet. Priorytet ustalawa»no±¢ danego alarmu i jest liczb¡ caªkowit¡ z zakresu od 1 do 999. Alarmom warto±ci LOLOoraz HIHI ustawiony zostaª priorytet 5, alarmom warto±ci LO oraz HI ustawiony zostaª priorytet50, natomiast alarmom przyrostowym ROC ustalony zostaª priorytet 1.

W lewym górnym rogu okna podana jest informacja o tym, z jakiego zakresu priorytetówwy±wietlane s¡ alarmy. Zakres ten mo»na modykowa¢ klikaj¡c na liczby stoj¡ce na prawo odtekstu od: i do:. Dodatkowo, alarmy z ró»nego zakresu priorytetów wy±wietlaj¡ si¦ w ró»nymkolorze, natomiast wszystkie potwierdzone alarmy s¡ koloru czarnego, co pozwala ªatwo rozró»-nia¢ je mi¦dzy sob¡. U góry po prawej stronie okna widniej¡ dwa przyciski sªu»¡ce do zmianywy±wietlanych alarmów - w kontrolce Alarm Viewer wy±wietla¢ mo»na alarmy bie»¡ce oraz histo-ryczne. Poni»ej zamieszczono 4 przyciski, które ltruj¡ alarmy grupami. Mo»na zatem wy±wietla¢wszystkie alarmy jednocze±nie, albo jedynie alarmy z danej grupy. Poni»ej kontrolki znajduj¡ si¦ 4analogiczne przyciski do potwierdzania odebrania alarmów, przy czym mo»na potwierdzi¢ jedyniebie»¡ce alarmy. Przyciski te s¡ powi¡zane z przyciskami wy±wietlaj¡cymi alarmy wg danej grupy,wi¦c je±li pokazywane s¡ np. alarmy z grupy Temperatury, dziaªa tylko przycisk potwierdzaj¡cyalarmy bie»¡ce z grupy Temperatury, reszta jest wyª¡czona.

Do okna alarmów dodany zostaª skrypt (Window Script), który uruchamia si¦ przy pierwszympojawieniu si¦ okna i odpowiada za wy±wietlenie bie»¡cych alarmów w kontrolce Alarm Viewer.

30

5.5 Okna trendów bie»¡cych i historycznych.

Dla trendów bie»¡cych stworzone zostaªy w sumie 3 okna sªu»¡ce do zbiorczego wy±wietlaniatemperatur, danych wej±ciowych oraz mocy. Okna posiadaj¡ przyciski umo»liwiaj¡ce przeª¡czaniesi¦ pomi¦dzy trendami. Aby widoczne byªo aktywne okno, obszar wykresu oraz przycisku muodpowiadaj¡cego zostaªy uwypuklone, natomiast pozostaªy obszar jest wkl¦sªy. Efekt ten uzyskanoprzez dodanie pod obiekty symboli ramek z grupy Panels obiektów Wizards. Do ka»dego z okiendodane zostaªy jeden lub dwa obiekty Real-Time Trend, dost¦pne z paska narz¦dzi Draw ObjectToolbar programu InTouch WindowViewer. Obiekty te dedykowane s¡ do wy±wietlania bie»¡cychprzebiegów zmiennych. Standardowo, obiekty wy±wietlaj¡ trendy dla przebiegów 5-minutowychz 1-sekundowym czasem od±wie»ania, co daje ª¡cznie 500 warto±ci danej zmiennej jednocze±niena wykresie, przy odgórnym ograniczeniu wynosz¡cym 1024 punkty. Wy±wietlane s¡ nast¦puj¡cezmienne: z grupy Temperatury - temperatura otoczenia, temperatura oleju i temperatura uzwoje«;z grupy Pr¡d i napi¦cie - pr¡d oraz napi¦cie na uzwojeniu pierwotnym; z grupy Obci¡»enie i straty- obci¡»enie transformatora oraz straty caªkowite transformatora.

W celu logowania historycznego, najpierw wª¡czono opcj¦ Historical Logging w ustawieniachprogramu WindowViewer, a nast¦pnie skongurowano wybrane zmienne tak, aby ich warto±ci byªyzapisywane - w Tagname Dictionary nale»aªo zaznaczy¢ opcj¦ Log Data. Nast¦pnie do stworzo-nego uprzednio okna trendów historycznych dodano element Hist Trend w/Scooters and Scale zbiblioteki Wizards. Trend ten zawiera suwaki zwane scooters, które sªu»¡ do wy±wietlania da-nych z konkretnej pozycji na wykresie lub do przybli»ania przebiegu w okre±lonym zakresie [19,tªumaczenie wªasne]. Nast¦pnie obiekt skongurowany zostaª tak, aby wy±wietla¢ wszystkie 7 logo-wanych zmiennych. S¡ to wszystkie zmienne wymienione w opisie trendów bie»¡cych. Alternatyw¡dla tego elementu jest obiekt Historical Trend, dost¦pny z paska narz¦dzi Draw Object Toolbar pro-gramu WindowMaker, jednak zrezygnowano z niego z uwagi na maªe mo»liwo±ci konguracyjne wstosunku do obiektu Wizards. Pod wykresem umieszczono dodatkow¡ kontrolk¦ Trend Zoom/PanPanel z biblioteki Wizards, któr¡ mo»na ustawi¢ tak, aby byªa powi¡zana z danym trendem. Kon-trolka ta sªu»y przede wszystkim do szybkiego wy±wietlania przebiegów historycznych w zadanymczasie. Nast¦pnie do okna dodano 7 obiektów Trend Pen Legend z biblioteki Wizards. Kongurujesi¦ je w ten sposób, aby byªy przypisane do jednego wykresu oraz konkretnego pisaka. Podczasdziaªania aplikacji wskazuj¡ na dan¡ warto±¢ m.in. poprzez wy±wietlanie jej koloru, warto±ci wska-zywanych przez dwa suwaki oraz zmian¦ skali pionowej trendu. Podczas dziaªania aplikacji trendmo»na modykowa¢: edytowa¢ logowane zmienne (ale tylko te, które przy denicji zaznaczon¡miaªy opcj¦ Log Data), zmienia¢ kolory zmiennych, moment startu trendu, sposób wy±wietlanadanych i inne. Pod trendem umieszczony zostaª przycisk sªu»¡cy do aktualizacji trendu. Aktualiza-cja ta polega na tym, »e wy±wietlane s¡ warto±ci logowanych danych z zakresu od startu logowaniado bie»¡cego czasu, nie za± od startu logowania do momentu wy±wietlenia okna z trendem i jestkonieczna, gdy» trend nie od±wie»a si¦ automatycznie.

5.6 Okno wizualizacji.

Okno wizualizacji przedstawia pomieszczenie, w którym teoretycznie mógªby znajdowa¢ si¦ trans-formator. Aby lepiej odda¢ rzeczywisto±¢, obraz, oprócz symbolu transformatora, zostaª uzupeª-niony o pewne statyczne i dynamiczne elementy zaczerpni¦te z biblioteki Wizards/Symbol Factory.Biblioteka Symbol Factory dostarcza zestaw symboli przemysªowych, mo»liwych do wstawienia waplikacji InTouch i sªu»¡cych do reprezentowania skªadowych procesu [18, tªumaczenie wªasne].Jest to bardzo przydatne rozwi¡zanie, gªównie z uwagi na liczb¦ symboli (których jest ponad 4000)

31

oraz mo»liwo±¢ animacji ka»dego z nich jak obiektu programu InTouch. Elementami statycznymis¡: sªup wysokiego napi¦cia, przewody biegn¡ce od sªupa oraz wzdªu» ±ciany do transformatora,przyª¡cza w ±cianach, beczki oraz drewniana skrzynia, okno, drzwi i lampy, tabliczki ostrzegawczenad beczkami i drzwiami, izolatory transformatora.

Uzupeªnieniem obrazu s¡ obiekty dynamiczne. S¡ to obiekty, które zmieniaj¡ si¦ w czasie lubpoprzez interakcj¦ z nimi. Pierwszym elementem jest przycisk znajduj¡cy si¦ na prawo od drzwi.Symuluje on wª¡czanie/wyª¡czanie ±wiatªa w pomieszczeniu. Wizualizacja startuje ze ±wiatªemwª¡czonym. Po jego naci±ni¦ciu, ±ciany i podªoga znikaj¡, a na ich miejscu pojawiaj¡ si¦ ±ciany ipodªoga w kolorze ciemniejszym, co imituje zgaszenie ±wiatªa. Zmienia si¦ wtedy równie» pozycjaprzeª¡cznika.

Rys. 5.3. Pomieszczenia jasne (po lewej) oraz ciemne (po prawej), stworzone w ArchestrASymbol Editor.

Kolejnym elementem jest wentylator umieszczony nad transformatorem. S¡ to naªo»one nasiebie dwa identyczne elementy, ró»ni¡ce si¦ jedynie obrotem ªopat. Co sekund¦ jeden z elementówznika, a drugi pojawia si¦, dzi¦ki czemu uzyskujemy efekt obrotu.

Rys. 5.4. Dwa symbole z biblioteki Symbol Factory przedstawiaj¡ce wentylator w dwupoªo»eniach.

Aby mo»na byªo monitorowa¢ temperatury, do wizualizacji dodany zostaª symbol wy±wietla-cza, który zostaª nast¦pnie zmodykowany. W miejsce narysowanych przycisków dodane zostaªyinteraktywne przyciski umo»liwiaj¡ce zmian¦ wy±wietlanej temperatury. Na wy±wietlacz naªo»onyzostaª 4-segmentowy wy±wietlacz LED, który wskazuje konkretn¡ temperatur¦. To, jaka tempe-ratura aktualnie jest wy±wietlana, pokazuje pierwszy od prawej strony guzik. Wy±wietlaj¡ si¦ nanim litery U, O, T, które odpowiadaj¡ kolejno temperaturom uzwojenia, oleju i otoczenia.

Rys. 5.5. Interaktywne wy±wietlacze temperatury wskazuj¡ce kolejno od lewej temperatury:uzwojenia, oleju, otoczenia.

32

Ostatnim elementem dynamicznym jest symbol graczny transformatora. Opracowany zostaªod podstaw w programie ArchestrA Symbol Editor. Symbol ten przedstawiony jest na Rys.5.6.

Rys. 5.6. Symbol graczny transformatora zaprojektowany w ArchestrA Symbol Editor.

Symbol ten skªada si¦ z elementów statycznych oraz animowanych, które opisano poni»ej.

1. Uzwojenia transformatora. Do obiektów dodano animacj¦ odpowiadaj¡c¡ za zmian¦ koloruwypeªnienia w zale»no±ci od zmiennej przechowuj¡cej warto±¢ temperatury uzwojenia i napodstawie tabelki prawdy. Poni»ej 50 oC uzwojenie ma kolor niebieski, powy»ej tej tempe-ratury - kolor zielony, po przekroczeniu 80 oC - »óªty, natomiast po przekroczeniu 100 oC- kolor czerwony. W tym przypadku wypeªnienie zostaªo stworzone przy u»yciu pionowegogradientu trzech kolorów dla ka»dego z czterech przypadków.

2. Olej transformatorowy. Podobnie jak powy»ej, barwa oleju zmienia si¦ w zale»no±ci od jegotemperatury. Barwa ta to wzór, w którym tªo przednie skªada si¦ z poziomych, równole-gªych, przerywanych linii, natomiast tªo tylne jest jednolite. W ka»dym z trzech przypadkówtªo przednie ma kolor »óªty, natomiast tªo tylne dla temperatury poni»ej 40 oC ma barw¦niebiesk¡, powy»ej 40 oC - ciemno-»óªt¡, natomiast po przekroczeniu 70 oC - czerwon¡.

3. Konserwator8, do którego dodano animacj¦ kontroluj¡c¡ pionowe wypeªnienie (olejem) w za-le»no±ci od temperatury uzwojenia. Ma to imitowa¢ zwi¦kszenie obj¦to±ci oleju pod wpªywemnarastania temperatury.

4. Obudowa transformatora (kad¹ falista). Obudowa zostaªa otworzona, tak aby wida¢ byªown¦trze transformatora, tj. olej oraz uzwojenie. Na przedzie i po bokach widniej¡ ciemno-szare fale wypeªnione olejem, za± u góry izolatory.

5. Pole wy±wietlaj¡ce temperatur¦ uzwojenia.

6. Pole wy±wietlaj¡ce temperatur¦ oleju.

Symbol ten mo»na wstawi¢ do programu WindowMaker za po±rednictwem przegl¡darki obiektówArchestrA Galaxy Browser. Zostaªy dla niego zdeniowane 3 parametry, które u»ytkownik po-winien wprowadzi¢ w celu o»ywienia animacji: temperatura uzwojenia, temperatura oleju orazwypeªnienie konserwatora. Symbol u»yty w aplikacji nie posiada izolatorów - zostaªy one dodanez gotowych obiektów Wizards.

8Transformator przyj¦ty w pracy nie jest wyposa»ony w konserwator, ze wzgl¦du na budow¦ hermetyczn¡.Konserwator zostaª dodany w celu uzyskania dodatkowej animacji.

33

5.7 Ochrona i u»ytkownicy.

Aplikacja zostaªa skongurowana tak, aby stosowany byª bazowy system ochrony programu In-Touch oraz ochrona oparta na systemie operacyjnym. Ochrona programu InTouch polega przedewszystkim na tym, »e ka»dy u»ytkownik musi zalogowa¢ si¦ do aplikacji podaj¡c swój login (nazw¦u»ytkownika) oraz hasªo. Po poprawnym zalogowaniu, u»ytkownik mo»e korzysta¢ wyª¡cznie ztych elementów, które zostaªy mu udost¦pnione [16]. Wcze±niej, dla ka»dego u»ytkownika nale»yzdeniowa¢ poziom dost¦pu, wyra»any przez zmienn¡ $AccessLevel, która przybiera warto±ci zzakresu od 1 (najni»szy poziom dost¦pu) do 9999 (najwy»szy poziom dost¦pu). Standardowo doka»dej aplikacji przypisani s¡ dwaj u»ytkownicy - None (brak zalogowanego u»ytkownika) orazAdministrator (ze standardowym hasªem oraz maksymalnym poziomem dost¦pu). W poni»szejpracy dodano jeszcze dwu u»ytkowników: Operator, z poziomem dost¦pu 5000, oraz Kierownik,z poziomem dost¦pu 9001. Informacje o obecnie zalogowanym u»ytkowniku oraz jego poziomie do-st¦pu przechowywane s¡ kolejno w dwu zmiennych systemowych: $Operator oraz $AccessLevel.Dzi¦ki tym informacjom mo»liwe jest wyª¡czenie lub ukrycie pewnych elementów aplikacji dla da-nych u»ytkowników. I tak, w poni»szej aplikacji dost¦p do cz¦±ci symulacyjnej posiada jedynieAdministrator; kongurowa¢ dane u»ytkowników oraz zako«czy¢ dziaªanie aplikacji mog¡ jedynieAdministrator i Kierownik. U»ytkownik None mo»e skorzysta¢ jedynie z guzika odpowiadaj¡cegoza zalogowanie si¦, pozostaªe s¡ wyª¡czone. Ochrona oparta na systemie operacyjnym realizowanajest w ten sposób, »e oprogramowanie InTouch uruchomi¢ mo»e jedynie u»ytkownik zalogowanydo uprzednio powi¡zanego z InTouch konta systemowego. Dodatkowe wymogi naªo»one zostaªyna hasªo, które musi skªada¢ si¦ z co najmniej 8 znaków, w tym jednej maªej litery, jednej du»ejlitery, jednej cyfry, jednego znaku specjalnego.

Obsªug¦ u»ytkowników zapewniono poprzez 5 elementów aplikacji.

1. Przycisk Logowanie, dost¦pny z menu. Jego naci±ni¦cie powoduje pojawienie si¦ oknalogowania, do którego nale»y wprowadzi¢ nazw¦ u»ytkownika oraz hasªo.

2. Tekst wy±wietlaj¡cy nazw¦ u»ytkownika. Zlokalizowany jest pod wy±wietlaczem czasu sy-mulacji. Podczas dziaªania aplikacji wy±wietla nazw¦ zalogowanego u»ytkownika, równie» wprzypadku u»ytkownika None.

3. Przycisk Wylogowanie, dost¦pny z menu. Powoduje wylogowanie u»ytkownika, a wi¦c prze-ª¡czenie na u»ytkownika None.

4. Przycisk Edycja u»ytkowników, dost¦pny z menu. Jego naci±ni¦cie powoduje pojawieniesi¦ okna edycji u»ytkowników.

5. Okno Edycja u»ytkowników. Na oknie widniej¡ dwa przyciski. Przycisk Zmiana hasªaumo»liwia ka»demu z u»ytkowników zmian¦ swojego hasªa, natomiast przycisk Konguracjau»ytkowników pozwala na dowoln¡ konguracj¦ u»ytkowników, przez co rozumie si¦ m.in.dodawanie nowych u»ytkowników, usuwanie ju» istniej¡cych oraz zmian¦ hasªa i poziomudost¦pu istniej¡cych u»ytkowników.

Podczas normalnej pracy odliczany jest czas nieaktywno±ci, tj. czas, w przeci¡gu którego u»yt-kownik nie wykonaª »adnej czynno±ci. Je±li czas ten przekroczy ustalon¡ odgórnie warto±¢ 5 minut,zmienna systemowa $InactivityTime ustawiana jest na warto±¢ true. Dla zmiennej tej stworzonyzostaª skrypt typu condition script, który powoduje wy±wietlenie okna informuj¡cego o bezczyn-no±ci, w przypadku gdy zmienna przybierze warto±¢ true, ale tylko wówczas, gdy zalogowany jest

34

zdeniowany u»ytkownik (inny od u»ytkownika None) Analogicznie, zdeniowany zostaª skrypt iokno dla zmiennej $InactivityTimeout, która ustawiana jest na warto±¢ true w przypadku, gdyprzekroczony zostaª odgórnie ustalony, drugi próg czasowy nieaktywno±ci równy 7 min. Skryptpowoduje wy±wietlenie okna z informacj¡ o wylogowaniu oraz wylogowanie u»ytkownika.

Aby zapobiec przeª¡czaniu si¦ operatora pomi¦dzy ró»nymi aplikacjami, napisane zostaªy dwaskrypty typu condition script - jeden dla przypadku zalogowania u»ytkownika Operator, drugidla przypadku zalogowania pozostaªych u»ytkowników - które powoduj¡, »e przyciski ALT, ESCoraz WindowsKey s¡ zablokowane podczas pracy aplikacji wtedy, gdy zalogowany jest u»ytkow-nik Operator. Dzi¦ki temu niemo»liwe jest zastosowanie m.in. takich kombinacji klawiszy jakCTRL+ALT+DEL, aby pokaza¢ Menad»era Zada«, albo ALT+TAB, sªu»¡cego do przeª¡czaniasi¦ pomi¦dzy aplikacjami. To posuni¦cie, wraz z ostrze»eniami o nieaktywno±ci, wymusza na ope-ratorze ±ledzenie aktualnych warto±ci procesu.

5.8 Analiza danych w Historian Client.

Oprogramowanie Wonderware Historian Client dostarcza narz¦dzi sªu»¡cych do prezentacji danychoraz prowadzenia ró»nego rodzaju analiz. Historian Client opiera si¦ na bazie danych SQL, acz-kolwiek nie wymaga od u»ytkownika jej znajomo±ci, gdy» dostarcza przyjazny u»ytkownikowi, wpeªni funkcjonalny interfejs.

Historian Client zawiera w sobie dwa oddzielne programy.

Wonderware Historian Client Trend pozwala na wykre±lanie trendów bie»¡cych i historycz-nych. Du»e mo»liwo±ci oprogramowania pomagaj¡ m.in. w porównywaniu danych z ró»nychokresów czasu, tworzeniu wykresów typu XY (zmienna w funkcji zmiennej) oraz stosu wykre-sów (kilka zmiennych na wykresie, jedna pod drug¡, na osobnych skalach), wy±wietlaniu sta-tystyk, szybkiej konguracji zmiennych i obszaru rysowania. Wykresy uwzgl¦dniaj¡ poziomyalarmów oraz zakresy warto±ci zmiennych, dodatkowo mo»na na nich dodawa¢ i wy±wietla¢adnotacje.

Wonderware Historian Client Query sªu»y do zadawania i wykonywania zªo»onych zapyta«na bazie danych. Wyniki wy±wietlane s¡ w dowolnie kongurowalnym formacie [15].

Oprogramowanie to zostaªo wykorzystane w pracy do testowania poprawno±ci modelu i aplikacji napodstawie zarejestrowanych przebiegów zmiennych, gªównie zale»no±ci temperatur od obci¡»enia iczasu. Poni»ej zamieszczono kilka przykªadowych wykresów z programu, które byªy podstaw¡ dodalszej analizy.

35

Rys. 5.7. Wykresy zale»no±ci 3 zmiennych (od góry): temperatury uzwojenia, temperatury oleju,obci¡»enia od czasu. Czas pomiaru w poszczególnych fazach byª ró»ny - ko«cowe chªodzenie

transformatora odbywa si¦ 10 razy wolniej w stosunku do poprzednich faz9.

Na Rys. 5.7. pierwsze 10 minut przedstawia chªodzenie transformatora, pracuj¡cego przy zna-mionowych parametrach (ustalona temperatura uzwojenia wynosi 90oC, oleju 67oC), przy przej±ciudo stanu jaªowego. Nast¦pne 20 minut transformator nagrzewa si¦ (praca przy znamionowym ob-ci¡»eniu), po czym znów chªodzi. W pracy przyj¦to, »e transformator jest obiektem inercyjnym Irz¦du. Odpowied¹ transformatora, widoczna na zamieszczonym wykresie, jest sklejona z odpo-wiedzi czasowych modelu I rz¦du, obliczanych dla ró»nych warunków pocz¡tkowych. Potwierdzato zatem przyj¦te zaªo»enie i poprawno±¢ implementacji modelu.

Z Rys. 5.7. wnioskowa¢ mo»na równie» o staªych czasowych transformatora - staªej czasowejuzwojenia oraz staªej czasowej oleju. Dla godziny 14:19 transformator przechodzi ze stanu jaªowegodo stanu pracy przy znamionowych parametrach. Wówczas rozpoczyna si¦ jego nagrzewanie. Po-niewa» staªa czasowa uzwojenia, wynosz¡ca ok. 5 min., jest okoªo 50 razy ni»sza od staªej czasowejoleju, wynosz¡cej 4 godz., na przebiegu czasowym temperatury uzwojenia w chwili przej±cia zare-jestrowany zostaª gwaªtowny skok temperatury. Dzieje si¦ tak dlatego, »e temperatura uzwojeniajest sum¡ temperatury otoczenia oraz przyrostów temperatur: uzwojenia wzgl¦dem oleju oraz olejuwzgl¦dem otoczenia. Przyrost temperatury uzwojenia wzgl¦dem oleju ustaliª si¦ do±¢ szybko, codaªo du»¡ skªadow¡ do sumy po krótkim czasie, natomiast przyrost oleju wzgl¦dem otoczenia jestrozci¡gni¦ty w czasie i powoduje powolny wzrost temperatury. Przyrost oleju wzgl¦dem otoczenia,przesuni¦ty w gór¦ o +20oC - temperatur¦ otoczenia, widoczny jest na ±rodkowym przebiegu naRys. 5.7.

9Byªo to mo»liwe, poniewa» w aplikacji czas symulacji mo»na przyspiesza¢ 10-, 100-, 1000-krotnie.

36

Rys. 5.8. Przyrosty temperatur uzwojenia wzgl¦dem oleju (br¡zowy) oraz oleju wzgl¦demotoczenia (niebieski). Pr¦dko±¢ symulacji zostaªa powi¦kszona 100 krotnie.

Staªe czasowe w przybli»eniu wyznaczone zostaªy o przebiegi czasowe przyrostów przedstawionena Rys. 5.8. Najpierw obliczona zostanie staªa czasowa oleju. Przebieg przyrostu temp. olejuosi¡ga minimum równe +3oC oraz maksimum równe +47oC. Je±li zatem potraktujemy temp.minimaln¡ jako warunek pocz¡tkowy, to przyrost ten wynosiª 47 − 4 = 44oC. Staªa czasowaosi¡gana jest dla warto±ci ok. 63% odpowiedzi ustalonej, w tym przypadku: 0.63 · 44 = 27.7oC.Do tego wyniku nale»y doda¢ jeszcze przesuni¦cie: 27.7 + 3 = 30.7oC. Zatem temp. 30.7oCzostaªa osi¡gni¦ta po czasie równym staªej czasowej oleju. Na wykresie odpowiada to warto±ciczasu 14:21:32, natomiast start odbyª si¦ o godz.: 14:19:12. Ró»nica pomi¦dzy oboma czasamiwynosi 140s · 100 = 14000 s ≈ 4 godz. (pr¦dko±¢ czasu byªa zwi¦kszona 100-krotnie). Jest towynik zgodny ze staª¡ czasow¡ wyznaczon¡ w I cz¦±ci pracy. Analogicznie wyliczona zostaªa staªaczasowa uzwojenia. Odczytana z wykresu warto±¢ to 300 s ≈ 5 min., która równie» zgadza si¦ zwyprowadzon¡ w I cz¦±ci pracy warto±ci¡.

Na Rys. 5.7. zamieszczone zostaªy zale»no±ci temperatur uzwojenia i oleju od czasu. W nie-których przypadkach do analizy potrzebne s¡ zale»no±ci jednej zmiennej od drugiej, które niekiedyci¦»ko wyznaczy¢ z takiego zestawienia. Stosunkowo ªatwiej rozpoznaje si¦ te zale»no±ci analizuj¡cwykresy jednej zmiennej w funkcji drugiej. Temperatura uzwojenia od w funkcji temperatury olejudaje ciekaw¡ zale»no±¢, przedstawion¡ na Rys. 5.9.

37

Rys. 5.9. Temperatura uzwojenia (o± pionowa) w funkcji temperatury oleju (o± pozioma).Czerwona (niebieska) przerywana linia oznacza warto±¢ alarmu HiHi/LoLo (Hi/Lo) danej

zmiennej. Gwiazdka na wykresie oznacza bie»¡c¡ warto±¢ pary zmiennych, natomiast trójk¡t -najstarsz¡.

Wonderware Historian Client Trend pozwala równie» na wyliczenie statystyk dla rysowanychtrendów. Na Rys. 5.10. zamieszczone zostaªy statystyki dla zmiennych przechowuj¡cych dane otemperaturach uzwojenia, oleju oraz obci¡»eniu.

Rys. 5.10. Statystyka wyliczona dla temperatury uzwojenia, temperatury oleju oraz obci¡»enia,na podstawie przebiegów z Rys. 5.7. (prawa poªowa tabelki zostaªa przeniesiona na dóª).

Z przedstawionej na Rys. 5.10. statystyki wynikaj¡ od razu przede wszystkim minimalne imaksymalne temperatury uzwojenia oraz oleju. Minimum obu temperatur wynosi +23oC i zacho-dzi dla godziny 14:19, która byªa ostatnim momentem jaªowej pracy transformatora. Temperaturyuzwojenia oraz oleju s¡ identyczne (z pewnym przybli»eniem) z czego wynika, »e przyrost tem-peratury uzwojenia w stosunku do temperatury oleju jest równy 0oC. Dla godziny 14:08, kiedytransformator przebywaª dªugo w stanie pracy przy znamionowym obci¡»eniu, zarejestrowane zo-staªy najwy»sze temperatury, dla oleju +67oC, za± dla uzwojenia +90oC. Zatem przyrost tempe-ratury uzwojenia w stosunku do temperatury oleju wyniósª +23oC. Wynika st¡d, »e dla niskichtemperatur, uzwojenie i olej maj¡ podobne temperatury (cz¦sto równe temperaturze otoczenia),a dla wysokich - ró»ne. Maksymalne temperatury s¡ zgodne z obliczeniami poprowadzonymi w Icz¦±ci pracy.

38

Za pomoc¡ programu Wonderware Historian Client Query stworzony zostaª stabelaryzowanyprzebieg czasowy warto±ci temperatur uzwojenia i oleju, oraz obci¡»enia, zamieszczony na Rys.5.11.

Rys. 5.11. Tabela z warto±ciami temperatury uzwojenia, temperatury oleju oraz obci¡»eniatransformatora.

Historian Client Query pozwala na dowoln¡ konguracj¦ tabeli, w której wy±wietlane s¡ war-to±ci zmiennych. W tym przypadku skorzystano z formatu w¡skiego, gdzie zmienne stanowi¡kolumny, w odró»nieniu od formatu szerokiego, gdzie zmienne stanowi¡ wiersze tabeli. Odst¦pyczasowe pomi¦dzy kolejnymi warto±ciami wynosz¡ 4 minuty. Dane zapisywane byªy cyklicznie co 1sekund¦, jednak tak dªuga tabela nie zmie±ciªaby si¦ w pracy, nie ma te» wi¦kszego sensu zamiesz-czanie tak szczegóªowych informacji, poniewa» przy odst¦pie 1 sekundy kolejne warto±ci s¡ niemalidentyczne. Program ten potra równie» przeltrowa¢ i zestawi¢ zebrane dane tak, aby w tabeliuj¦te byªy warto±ci tylko wtedy, gdy zmieniªy si¦ w czasie (jest to tryb odczytu delta). Spo±ródciekawszych trybów odczytu mo»na wymieni¢ m.in. tryb caªki, ±redniej oraz interpolacj¦. Dla ka»-dej ze zmiennych mo»na równie» ustawi¢ warunek, który musi zosta¢ speªniony, aby dana warto±¢zmiennej zostaªa uj¦ta w tabeli. Przykªadowo, w przypadku temperatury uzwojenia transforma-tora takim warunkiem mogªoby by¢ równanie temperaturaTransformatora ≥ 95oC - wówczas wtabeli umieszczone zostaªyby te warto±ci, kiedy wª¡czony byª alarm. Dane przedstawione w tabeliz Rys. 5.11. zbierane byªy przez ok. 2 godziny i s¡ to te same dane, które zamieszczone zostaªyna Rys. 5.7.

W programie Query, jak ju» zostaªo wspomniane wcze±niej, mamy mo»liwo±¢ wyboru ró»nych,gotowych zapyta«. Jest to opcja przydatna w analizie aplikacji, poniewa» mo»emy uzyska¢ in-formacje o m.in. liczbie zmiennych, wersji serwera, dost¦pnej przestrzeni dyskowej, etc. Osobne

39

zapytania sformuªowane zostaªy odno±nie alarmów i dotycz¡ granic alarmów danej zmiennej (Rys.5.12.) oraz historii alarmów danej zmiennej.

Rys. 5.12. Granice alarmów zmiennej temperaturaTrafo uzyskane przez zapytanie w programieHistorian Client Query.

40

6 Podsumowanie.

Pocz¡tkowo predykcja przegrzania miaªa odbywa¢ si¦ z wykorzystaniem dyskretnego równa-nia stanu, jednak w trakcie pracy zmieniono to rozwi¡zanie i w dalszej cz¦±ci przegrzanietransformatora przewidywane jest na podstawie rozwi¡zania ci¡gªego równania stanu (po-przez sumowanie przyrostów temperatur w stanie ustalonym i przyrównanie ich do warto±cigranicznej), a tak»e alarmów ustawionych dla zmiennych przechowuj¡cych informacje o tem-peraturach oraz obci¡»eniu transformatora.

W programie InTouch pocz¡tkuj¡cemu projektantowi trudno±ci nastr¦czaj¡ rozwi¡zania nie-intuicyjne, aczkolwiek po zagª¦bieniu si¦ w struktur¦ programu odkrywamy jego ogromnemo»liwo±ci - przede wszystkim mamy niemal dowolno±¢ w uzyskiwanych animacjach. Do-datkowo, do oprogramowania doª¡czane s¡ bardzo dobrze i kompletnie napisane podr¦czniki.

Je±li chodzi o model matematyczny nagrzewania transformatora, w pracy przyj¦to mnóstwouproszcze«. Przewidywanie temperatury w ten sposób obarczone jest du»ym bª¦dem, sza-cunkowo rz¦du ±10oC.

Zaprojektowan¡ aplikacj¦ mo»na w dalszej cz¦±ci rozwija¢. Pierwszym krokiem mogªoby by¢odbieranie danych ze sterownika tak, aby aplikacja nie opieraªa si¦ na warto±ciach symulo-wanych. Wi¡»e si¦ to z zadbaniem o przewidzenie przez aplikacj¦ dodatkowych awaryjnychsytuacji, takich jak brak danych, nierealne warto±ci niektórych danych, etc. W pracy nie po-dejmowano tego tematu z uwagi na to, »e warto±ci byªy symulowane prostym symulatorem.

Przewidywanie temperatur maszyn elektrycznych jest szeroko rozpowszechnione w przy-padku, kiedy temperatury nie da si¦ zmierzy¢. Na podstawie temperatury mo»na okre±li¢»ywotno±¢ danego urz¡dzenia, co jest niezwykle wa»ne z ekonomicznego punktu widzenia.Zmiana punktu pracy transformatora nawet o 5oC zmienia jego »ywotno±¢ o kilka mie-si¦cy/lat (doradzam Dodatek A). W pracy nie uwzgl¦dniono tego aspektu i mo»e to by¢kierunek jej dalszego rozwoju.

Podczas realizacji pracy najwi¦kszy problem stanowiªo zebranie danych o konkretnym trans-formatorze, od czego w ko«cu odst¡piono. adna z rm produkuj¡cych transformatory nieudzieliªa szczegóªowych informacji, które byªy konieczne we wyprowadzonych wzorach mo-delu matematycznego, dlatego cz¦±¢ danych zaczerpni¦to z literatury, cz¦±¢ przybli»ono iwyliczono na podstawie podstawowych danych katalogowych.

Wonderware oferuje bardzo dopracowane pod wzgl¦dem gracznym kontrolki. Ich zastosowa-nie wi¡»e si¦ jednak z widocznym spowolnieniem dziaªania aplikacji. Samo przeª¡czanie si¦ zokna np. wizualizacji do okna symulatora, który wypeªniony byª upi¦kszonymi symbolamigracznymi, trwaªo ok. 3 sekund, podczas gdy czas przeª¡czania si¦ pomi¦dzy pozostaªymioknami byª niezauwa»alny.

Jest te» bardzo ciekawe, »e program WindowMaker zawieszaª si¦ i to zawsze tylko w jed-nej sytuacji - kiedy próbowano otworzy¢ przegl¡dark¦ zdeniowanych zmiennych TagnameDictionary.

41

W wyniku zaokr¡gle« i oblicze« numerycznych, wyznaczone symulacyjnie warto±ci ró»ni¡ si¦od analitycznych. Dla przykªadu, obci¡»enie transformatora SN =

√3 · IN ·UN przy znamio-

nowych parametrach pracy powinno wynosi¢ SN = 63 kV ·A, natomiast rzeczywista warto±¢wyliczona w aplikacji wynosi SN = 630016 V ·A. Bª¡d powstaje w tym przypadku z powoduzaokr¡glenia warto±ci pr¡du znamionowego IN oraz numerycznego obliczenia warto±ci

√3.

42

7 Bibliograa.

1. Jabªo«ski M.: Transformatory. Wydawnictwo Politechniki ódzkiej, 1994.

2. Jezierski E.: Kadzie, wyposa»enie i transport transformatorów energetycznych. Wydawnic-twa Naukowo-Techniczne, 1986.

3. Jezierski E.: Transformatory. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1975.

4. Jezierski E., Gogolewski Z.: Transformatory - budowa i projektowanie. Polskie WydawnictwaTechniczne, 1956.

5. Jezierski E.: Uzwojenia transformatorów energetycznych. Budowa i obliczanie. Wydawnic-twa Naukowo-Techniczne, 1982.

6. Jezierski P., Kozªowska A.: Obliczanie olejowych transformatorów energetycznych o napi¦ciudo 30kV. Wydawnictwa Politechniki ódzkiej, 1981.

7. Krok R.: Sieci cieplne w modelowaniu pola temperatury w maszynach elektrycznych pr¡duprzemiennego. Wydawnictwo Politechniki l¡skiej, 2010.

8. Norma PN-EN 60076-1:2011 Transformatory - Cz¦±¢ 1: Wymagania ogólne.

9. Norma PN-EN 60076-2:2011 Transformatory - Cz¦±¢ 2: Przyrosty temperatury dla transfor-matorów olejowych.

10. Norma PN-IEC 60354:1999 Przewodnik obci¡»enia transformatorów olejowych.

11. Podr¦cznik Wonderware InTouch 10. Pierwsze kroki, ASTOR, 2011.

12. Podr¦cznik Wonderware Historian 10. Pierwsze kroki, ASTOR, 2011.

13. Podr¦cznik szkoleniowy do Wonderware InTouch 10.1, ASTOR, 2012.

14. Podr¦cznik Creating and Using ArchestrA Graphics, Invensys Systems, Inc., 2007.

15. Podr¦cznik Historian Client User Guide, Invensys Systems, Inc., 2010.

16. Podr¦cznik InTouch Application Management and Extension Guide, Invensys Systems,Inc., 2007.

17. Podr¦cznik InTouch Alarms and Events Guide, Invensys Systems, Inc., 2007.

18. Podr¦cznik InTouch Concepts and Capabilities Guide, Invensys Systems, Inc., 2007.

19. Podr¦cznik InTouch Data Management Guide, Invensys Systems, Inc., 2007.

20. Podr¦cznik InTouch Scripting and Logic Guide, Invensys Systems, Inc., 2007.

21. Podr¦cznik InTouch Supplementary Components Users Guide, Invensys Systems, Inc.,2007.

22. Podr¦cznik InTouch Visualization Guide, Invensys Systems, Inc., 2007.

23. http://platforma.astor.com.pl/

43

8 Dodatek A. Starzenie si¦ izolacji.

Norma [9] opisuje normalne dopuszczalne przyrosty temperatury przy pracy ci¡gªej z moc¡ zna-mionow¡, które dotycz¡ transformatorów z izolacj¡ staª¡ klasy A. Dla transformatorów olejowychz chªodzeniem powietrznym ±rednia temperatura roczna w przewidywanym miejscu zainstalowanianie powinna przekracza¢ +20oC. Natomiast przyrost ±redniej temperatury uzwojenia dla trans-formatora olejowego nie powinien przekracza¢ +65oC. Nale»y pami¦ta¢, »e temperatura gor¡cegopunktu (tj. najcieplejszego miejsca w uzwojeniu) jest zawsze wy»sza od ±redniej temperaturyuzwojenia. Przyjmijmy, »e ró»nica ta wynosi +5oC. Wtedy maksymalna dopuszczalna tempera-tura uzwojenia w najcieplejszym punkcie wynosi

20 + 65 + 5 = +90oC. (8.1)

Izolacja w najcieplejszym punkcie transformatora jest najbardziej nara»ona na niszczenie (sta-rzenie si¦). Wedªug prawa Arrheniusa dotycz¡cego szybko±ci reakcji chemicznej, czas osi¡gni¦cianiezdatno±ci do dalszej pracy przez izolacj¦ wyra»a si¦ nast¦puj¡co [10]:

τ = e(α+β/T ), (8.2)

gdzie:

τ - trwaªo±¢ izolacji transformatora w latach.

α, β - staªe,

T - temperatura bezwzgl¦dna.

Natomiast na podstawie obserwacji procesu starzenia si¦ izolacji uªo»ony zostaª wzór, zwany cz¦stowzorem Montsingera, który jest uproszczeniem [10] powy»szej zale»no±ci:

τ = 7.154 · 104e−0.0865t, (8.3)

gdzie:

t - temperatura najgor¦tszego punktu rozpatrywanej cz¦±ci (w naszym przypadku tempera-tura gor¡cego punktu),

τ - trwaªo±¢ izolacji transformatora w latach.

Wspóªczynniki pochodz¡ z [3],[4]. Zale»no±¢ ta pokazana jest na rysunku A.1., znajduj¡cym si¦na nast¦pnej stronie. Dla temperatury +90oC trwaªo±¢ izolacji wynosi ok. 30 lat, co zdaje si¦by¢ satysfakcjonuj¡ce z ekonomicznego punktu widzenia. Norma [10] dopuszcza jednak obci¡»eniawi¦ksze ni» znamionowe i tak na przykªad przy przeci¡»eniu cyklicznym dopuszczalna temperaturanajgor¦tszego miejsca wynosi +140oC10, co znacznie przyspiesza starzenie si¦ izolacji.

Nieco nowsze wspóªczynniki znajdziemy w [6]. Oznaczenia s¡ zgodne z (8.3):

τ = 116.8 · 104e−0.1155t. (8.4)

Na podstawie tego wzoru dostaniemy wykres w pewnym zakresie zbli»ony.

10Norma [10] mówi równie», »e przy tej temperaturze mog¡ wytwarza¢ si¦ p¦cherzyki gazu, co zagra»a wytrzy-maªo±ci elektrycznej transformatora.

44

Rys. 8.1. Zale»no±¢ trwaªo±ci izolacji transformatora od temperatury wg wzoru (8.3).

Rys. 8.2. Zale»no±¢ trwaªo±ci izolacji transformatora od temperatury. 1 - wg wzoru (8.4), 2 wgwzoru (8.3).

45

9 Dodatek B. Rozwi¡zanie równania nagrzewania ciaªa jed-

norodnego.

Dodatek opisuje sposób rozwi¡zania równania:

∆Pdτ = Gcdϑ+ Sαϑdτ. (9.1)

w którym:

∆Pdτ - energia wydzielana w ró»niczce czasu,

G - ci¦»ar ciaªa,

c - ciepªo wªa±ciwe ciaªa,

S - powierzchnia chªodz¡ca,

α - wspóªczynnik oddawania ciepªa przez powierzchni¦,

ϑ - ró»nica temperatur mi¦dzy powierzchni¡ ciaªa a otoczeniem, gdzie:

Za warunki pocz¡tkowe przyjmujemy punkt o wspóªrz¦dnych:τ = 0 oraz ϑ = 0.Dzielimy obie strony przez ró»niczk¦ czasu i przyrostu temperatury.

∆Pdτ = Gcdϑ+ Sαϑdτ/1

dτdϑ(9.2)

∆P − Sαϑdϑ

=Gc

dτ(9.3)

Odwracamy równanie i caªkujemy obustronnie.

dϑ

∆P − Sαϑ=dτ

Gc/

ˆ(9.4)

− 1

Sαln(∆P − Sαϑ) =

1

Gcτ + lnC1 (9.5)

Obie strony podnosimy do pot¦gi e, przedtem dziel¡c obustronnie przez − 1

Sα.

ln(∆P − Sαϑ) = −SαGc

τ + lnC2 (9.6)

∆P − Sαϑ = C2 · e−Sατ

Gc (9.7)

Otrzymujemy caªk¦ ogóln¡ równania (9.1) w postaci:

ϑ =∆P

Sα− C2

Sα· e

−Sατ

Gc (9.8)

Je±li otrzymana krzywa ma przej±¢ przez punkt (τ = 0;ϑ = 0), to staª¡ caªkowania C2 mo»emywyliczy¢ z zale»no±ci:

0 =∆P

Sα− C2

Sα· e0 (9.9)

46

sk¡d wynika, »eC2 = ∆P

Zatem ostatecznie otrzymujemy caªk¦ szczególn¡ równania (9.1) w postaci:

ϑ =∆P

Sα− ∆P

Sα· e

−Sατ

Gc =∆P

Sα

1− e−Sατ

Gc

(9.10)

Przyjmuj¡c za

T =Gc

Sαi ϑust =

∆P

Sα

otrzymujemy:

ϑ = ϑust

(1− e

−τ

T

). (9.11)

47

10 Dodatek C. Zachowanie modelu w stanach nieustalonych.

Dodatek opisuje wybrane modele obrazuj¡ce stany nieustalone obiektu pierwszego rz¦du opisanegorównaniem ró»niczkowym

∆Pdτ = Gcdϑ+ Sαϑdτ (10.1)

oraz odpowiedzi modelów w dziedzinie czasu. Modele zostaªy stworzone za pomoc¡ narz¦dziaSimulink dost¦pnego z programu MatLab.

Scenariusz 1

Pierwszy scenariusz przedstawia zachowanie (odpowied¹) obiektu na skokow¡ zmian¦ stratod zera do pewnej dodatniej warto±ci. Nast¦pnie, zanim jeszcze temperatura ustali si¦, stratyponownie zmieniaj¡ si¦ skokowo do warto±ci wi¦kszej ni» poprzednio.

Odpowied¹ obiektu mo»na podzieli¢ na dwa etapy. W pierwszym, sygnaª wyj±ciowy, w postacitemperatury, jest rozwi¡zaniem równania (10.1) z warunkiem pocz¡tkowym τ = 0 [s], ϑ = 0[oC] przy czym straty caªkowite ∆P s¡ niezerowe. W drugim etapie straty, w stosunku do etapupoprzedniego, zwi¦kszaj¡ si¦, w zwi¡zku z czym zmienia si¦ równie» ustalony przyrost temperaturyϑ. W tym przypadku odpowied¹ jest rozwi¡zaniem równania (10.1) z warunkiem pocz¡tkowymτ = 100 [s], ϑ = 63 [oC].

Generator odpowiedzi, zrobiony na podstawie modelu obiektu, przedstawiony zostaª na Rys.10.1.

Rys. 10.1. Generator odpowiedzi obiektu do scenariusza I zrobiony w ±rodowiskuMatLab/Simulink.

48

Do modelu zostaª stworzony skrypt, przedstawiony poni»ej, który odpowiada za wygenerowanieodpowiedzi.

przelaczenie = 100;

plot(time,wynik);

hold on;

plot(time(100:500),dol(100:500));

plot(time(100:500),gora(100:500),'r');

grid on; xlabel('Czas [s]');

ylabel('Roznica temperatur [*C]');

Odpowied¹ obiektu na omówione wy»ej sygnaªy wej±ciowe zamieszczona jest na Rys. 10.2.

Rys. 10.2. Krzywe obrazuj¡ce grzanie si¦ ciaªa jednorodnego. ϑ1- ustalony przyrost temp. dla Ietapu, ϑ2 - ustalony przyrost temp. dla II etapu.

Na Rys. 10.2. przedstawiony zostaª sygnaª wyj±ciowy z obiektu dla zadanych sygnaªów wej-±ciowych (krzywa oznaczona jako ϑ). Poszczególne skªadowe sygnaªu zostaªy podpisane: do czasuτ = 100 (równego staªej czasowej obiektu), odpowied¹ równa jest

ϑ = ϑ1

(1− e

−τ

T

),

nast¦pnie sygnaª ten opisany jest równaniem

ϑ = ϑ2

1− e−τ − τ1T

+ ϑ1e−τ − τ1T .

Dodatkowo, po prawej stronie rysunku, zaznaczono warto±ci ustalonych przyrostów temperaturyϑ1 oraz ϑ2.

49

Scenariusz 2

Drugi scenariusz przedstawia zachowanie obiektu na sygnaª dodatnich strat, które po pewnymczasie s¡ skokowo zmieniane do warto±ci 0. Jest to wi¦c proces nagrzewania i chªodzenia.

Odpowied¹ obiektu, tak jak poprzednio, mo»na podzieli¢ na dwa etapy. W pierwszym, sygnaªwyj±ciowy jest rozwi¡zaniem równania (10.1) z warunkiem pocz¡tkowym τ = 0 [s], ϑ = 0 [oC] przyczym straty caªkowite ∆P s¡ niezerowe. W drugim etapie straty ∆P = 0, w zwi¡zku z czym zerujesi¦ równie» ustalony przyrost temperatury ϑust. W tym przypadku odpowied¹ jest rozwi¡zaniemrównania (10.1) z warunkiem pocz¡tkowym τ = 100 [s], ϑ = 63 [oC].

Generator odpowiedzi dla obiektu zamieszczony zostaª na Rys. 10.3.

Rys. 10.3. Generator odpowiedzi do scenariusza II zrobiony w ±rodowisku MatLab/Simulink.

Odpowied¹ obiektu na sygnaªy wej±ciowe przedstawiona jest na Rys. 10.4.

Rys. 10.4. Krzywa obrazuj¡ca proces grzania i chªodzenia ciaªa jednorodnego.

Na Rys. 10.4. przedstawiony zostaª sygnaª wyj±ciowy z obiektu dla zadanych sygnaªów wej-±ciowych (krzywa oznaczona jako ϑ). Poszczególne skªadowe sygnaªu zostaªy podpisane: do czasuτ = 100 (równego staªej czasowej obiektu), odpowied¹ równa jest

50

ϑ = ϑust

(1− e

−τ

T

),

nast¦pnie sygnaª ten opisany jest równaniem

ϑ = ϑuste−τ − τ1T .

Dodatkowo, po prawej stronie rysunku, zaznaczono warto±ci ustalonego przyrostu temperaturyϑust.

Scenariusz 3

Interesuj¡cym przypadkiem jest rozwa»enie zachowania modelu dla niezerowych strat, którepó¹niej zmieniane s¡ na warto±¢ mniejsz¡, co w przypadku transformatora mo»na potraktowa¢jako odª¡czenie obci¡»enia (wówczas straty powodowane s¡ magnesowaniem rdzenia). W tymprzypadku mo»emy bazowa¢ na omówionym wcze±niej Scenariuszu 1 z tym tylko wyj¡tkiem, »eprzyrost ustalony ϑ2 dla II etapu jest mniejszy od przyrostu ϑ1 z I etapu. Odpowied¹ jest jednakzupeªnie ró»na. Zostaªa przedstawiona na Rys. 10.5.

Rys. 10.5. Krzywa obrazuj¡ca proces grzania i chªodzenia ciaªa jednorodnego.

Na Rys. 10.5. przedstawiony zostaª sygnaª wyj±ciowy z obiektu dla zadanych sygnaªów wej-±ciowych (krzywa oznaczona jako ϑ). Poszczególne skªadowe sygnaªu zostaªy podpisane: do czasuτ = 100 (równego staªej czasowej obiektu), odpowied¹ równa jest

ϑ = ϑ1

(1− e

−τ

T

),

51

nast¦pnie sygnaª ten opisany jest równaniem

ϑ = ϑ2

1− e−τ − τ1T

+ ϑ1e−τ − τ1T .

Wartym wspomnienia jest, »e ϑ2 < ϑ1.

52

11 Dodatek D. Ekrany aplikacji.

W dodatku tym zamieszczone s¡ zdj¦cia okien moduªu aplikacji SCADA omawianej w pracy.

Rys. 11.1. Okno panelu symulatora. Ustawione znamionowe warto±ci transformatora (trybpracy: znamionowy), przyrosty temperatur ustaliªy si¦.

Rys. 11.2 Obraz okna Panel podczas przeci¡»ania transformatora. Po prawej widocznealarmowanie o przekroczeniu dopuszczalnych warto±ci (alarmy warto±ci - kolor czerwony, alarmy

przyrostowe - »óªty obwód). Niektóre alarmy s¡ potwierdzone, co wida¢ po wyª¡czonychprzyciskach oraz zestawieniu alarmów w lewym dolnym rogu. Niewidoczne jest miganie cz¦±ci

kontrolek.

53

Rys. 11.3. Okno wizualizacji. Transformator dziaªa poni»ej obci¡»enia znamionowego. Po prawejstronie widoczny ekran wy±wietlaj¡cy temperatur¦ uzwojenia.

Rys. 11.4. Okno alarmów. Wy±wietlane alarmy bie»¡ce ze wszystkich grup. Jest to sytuacjaprzeci¡»enia transformatora, alarmy informuj¡ o przekroczeniu progów wysokiego i bardzowysokiego dla pr¡du uzwojenia, obci¡»enia, strat, temperatur. Dodatkowo pojawia si¦ alarm

pr¦dko±ciowy dla temperatur.

54

Rys. 11.5. Okno trendów bie»¡cych. Sytuacja dla chªodzenia transformatora po znacznymprzeci¡»eniu, widoczne przebiegi temperatur. Temperatury oleju i uzwojenia s¡ bliskie (przyrosttemperatury uzwojenia w stosunku do temperatury oleju dla danego wycinka czasu wynosiª okoªo

3.5 oC), natomiast temperatura otoczenia jest staªa i równa 20 oC.

Rys. 11.6. Okno trendów historycznych. Sytuacja dla nagrzewania i chªodzenia transformatora.Skala po lewej ustawiona na temperatur¦ uzwojenia. Dane zebrane z blisko 2 godzin dziaªania

aplikacji.

55

Rys. 11.7. Okno konguracji u»ytkowników. Wci±ni¦ty jest przycisk sªu»¡cy do konguracjiu»ytkowników.

Rys. 11.8. Po lewej okno popup ostrzegaj¡ce przed wylogowaniem. Po prawej identyczne okno zkomunikatem o wylogowaniu (zdj¦cie z programu WindowMaker).

Rys. 11.9. Menu aplikacji (wy±wietlane zawsze po prawej stronie ekranu). Pod zegarem znajdujesi¦ nazwa zalogowanego u»ytkownika - w tym przypadku jest to administrator.

56

12 Dodatek E. Skrypt aplikacji.

W dodatku zawarty jest kod skryptu programu InTouch, odpowiadaj¡cy za symulowanie procesunagrzewania transformatora. Przy wa»niejszych fragmentach kodu umieszczone zostaªy komen-tarze. Starano si¦ nazywa¢ zmienne w sposób ªatwy do identykacji danych, które przechowuj¡,celem zachowania czytelnego kodu.

DIM napiecieZnamionowe AS INTEGER;

DIM pradZnamionowy AS INTEGER;

DIM mocZnamionowa AS INTEGER;

DIM stalaOleju AS INTEGER;

DIM stalaUzwojen AS INTEGER;

DIM przyrostUzwojenieOlejZnamionowy AS INTEGER;

DIM przyrostOlejOtoczenieZnamionowy AS INTEGER;

napiecieZnamionowe = 1575;

pradZnamionowy = 232;

mocZnamionowa = 63000;

stalaOleju = 14237;

stalaUzwojen = 322;

przyrostUzwojenieOlejZnamionowy = 23;

przyrostOlejOtoczenieZnamionowy = 47;

IF pierwszeWykonanie == 1 THEN

czasStartu = $Time;

czasZmiany = 0;

pierwszeWykonanie = 0;

ENDIF;

tutaj zaczyna sie kod odpowiedzialny za wykluczenie zalaczenia dwu

przyciskow skali czasu jednoczesnie

ustalenie, ktory przycisk byl wlaczony zanim wlaczony zostal nastepny

IF poprzednijj AND jedenJeden == 1 THEN

poprzednioWcisniety = 1;

ELSE IF poprzednidj AND dziesiecJeden == 1 THEN

poprzednioWcisniety = 2;

ELSE IF poprzednisj AND stoJeden == 1 THEN

poprzednioWcisniety = 3;

ELSE IF poprzednitj AND tysiacJeden == 1 THEN

poprzednioWcisniety = 4;

ENDIF;

ENDIF;

ENDIF;

ENDIF;

wylaczenie uprzednio wlaczonego przysicku

IF jedenJeden + dziesiecJeden + stoJeden + tysiacJeden > 1 THEN

IF poprzednioWcisniety == 1 THEN

57

jedenJeden = 0;

ELSE IF poprzednioWcisniety == 2 THEN

dziesiecJeden = 0;

ELSE IF poprzednioWcisniety == 3 THEN

stoJeden = 0;

ELSE IF poprzednioWcisniety == 4 THEN

tysiacJeden = 0;

ENDIF;

ENDIF;

ENDIF;

ENDIF;

ENDIF;

jesli wszystkie przyciski odznaczone, zalaczony pierwszy, czyli skala 1:1

IF jedenJeden + dziesiecJeden + stoJeden + tysiacJeden == 0 THEN

jedenJeden = 1;

ENDIF;

poprzednijj = jedenJeden;

poprzednidj = dziesiecJeden;

poprzednisj = stoJeden;

poprzednitj = tysiacJeden;

zamiast budowac zagniezdzonego if'a, mozna skale wyznaczyc prosciej -

przez sumowanie

skalaCzasu = 0;

skalaCzasu = skalaCzasu + jedenJeden*1000;

skalaCzasu = skalaCzasu + dziesiecJeden*100;

skalaCzasu = skalaCzasu + stoJeden*10;

skalaCzasu = skalaCzasu + tysiacJeden*1;

obliczanie sumy przyrostow czasu

roznica = $Time - czasStartu;

czas = czasPoprzedni + (roznica)/skalaCzasu - czasPopMil/skalaCzasu;

sekundy = czas MOD 60;

minuty = (czas/60) MOD 60;

godziny = (czas/3600) MOD 24;

pokazWiatrak = sekundy MOD 2;

czasPoprzedni = czas;

czasPopMil = roznica;

ustawienie wartosci w zaleznosci od trybu pracy

IF trybPracy == 2 THEN

pradUzwojenia = 231;

napiecieUzwojenia = 1575;

ELSE IF trybPracy == 3 THEN

pradUzwojenia = 0;

58

napiecieUzwojenia = 1575;

ELSE IF trybPracy == 4 THEN

pradUzwojenia = 0;

napiecieUzwojenia = 0;

ENDIF;

ENDIF;

ENDIF;

zmiana pradu powoduje zmiane mocy i przebiegu nagrzewania/chlodzenia

IF pradPoprzedni <> pradUzwojenia THEN

pradPoprzedni = pradUzwojenia;

czasZmiany = czas;

przyrostUzwojenieOlejPoprzedni = przyrostUzwojenieOlejCzas;

przyrostOlejOtoczeniePoprzedni = przyrostOlejOtoczenieCzas;

ENDIF;

obciazenie=Sqrt(3)*napiecieUzwojenia*10*pradUzwojenia*0.01;

wyznaczenie strat calkowitych w zaleznosci od trybu pracy

IF pradUzwojenia == 0 AND napiecieUzwojenia <> 0 THEN

stratyObciazenia = 240;

obciazenie = 240;

ENDIF;

IF pradUzwojenia <> 0 THEN

stratyObciazenia = 252.2*((pradUzwojenia*0.01)**2);

ENDIF;

IF pradUzwojenia == 0 AND napiecieUzwojenia == 0 THEN

stratyObciazenia = 0;

ENDIF;

obliczenia przyrostow temperatur

X = obciazenie/mocZnamionowa;

a = 1350/240;

przyrostUzwojenieOlej = przyrostUzwojenieOlejZnamionowy*(X**1.7);

przyrostOlejOtoczenie = przyrostOlejOtoczenieZnamionowy*(( (1+a*(X**2))

/ (1+a) )**1.6);

przyrostUzwojenieOlejCzas = przyrostUzwojenieOlej*(1 - 2.72**( - (czas

- czasZmiany)/stalaUzwojen ) )+ przyrostUzwojenieOlejPoprzedni*2.72**( -

(czas - czasZmiany)/stalaUzwojen );

przyrostOlejOtoczenieCzas = przyrostOlejOtoczenie*(1 - 2.72**( -

(czas - czasZmiany)/stalaOleju ) )+ przyrostOlejOtoczeniePoprzedni*2.72**( -

(czas - czasZmiany)/stalaOleju );

temperaturaTrafo = tempOtoczenia + przyrostOlejOtoczenieCzas

+przyrostUzwojenieOlejCzas;

tempOleju = przyrostOlejOtoczenieCzas+tempOtoczenia;

59