Aktuální vydání

celé číslo

05

2021

Perspektivy automatizace, umělá inteligence v automatizaci; prostředky automatizace v době lockdownu
celé číslo

Automatické řízení výklopníku vagonů v elektrárně Chvaletice

V listopadu loňského roku jsme přijali pozvání k prohlídce elektrárny Chvaletice od našeho čtenáře Ing. Rudolfa Fišera, který se v této elektrárně již dlouhé roky zabývá měřením a regulací. Velkou pozornost jsme věnovali unikátnímu výklopníku vagonů s uhlím a přinášíme článek o tom, s jakými problémy se pracovníci oddělení měření a regulace museli vypořádat, aby zajistili dlouhodobě spolehlivou automatickou vykládku vagonů.
 

Doprava uhlí do elektrárny

Elektrárna Chvaletice, postavená v letech 1973 až 1979, spaluje severočeské hnědé uhlí. Je nejmladší elektrárnou skupiny ČEZ a také nejvzdálenější od zdroje paliva. Uhlí do ní bylo původně dopravováno z Lovosic po Labi. V roce 1996 byla lodní doprava z ekonomických důvodů nahrazena dopravou po železnici. Vykládku vagonů se vedení ČEZ rozhodlo řešit unikátním způsobem, a to vyklápěním celých vagonů výklopníkem, který dodala polská firma Famak Kluczborg.
 
České dráhy dopravují uhlí do elektrárny v nákladních vlakových soupravách, které se skládají z 30 čtyřosých vagonů typu Eas o hmotnosti 90 t. Soupravy se na kolejišti na příjezdu do elektrárny rozpojí a úkolem systému zauhlování je dopravovat je postupně k výklopníku, vyklopit je a prázdné vagony zase přesunout zpět a seřadit je na kolejišti. Tam si celé soupravy přebírají České dráhy. O plynulý pohyb vagonů v areálu výklopníku se stará sedm lanových posunů (obr. 1). Vozíky lanových posunů se zaklesnou za kola (obr. 2) a tlačí vagon na určené místo. Jejich posun je řízen signály z indukčních snímačů polohy vozíku umístěných na kolejích a ze snímačů polohy kola vagonů (obr. 3) (počítají, kolik projelo náprav). Zde jsou použity snímače firmy Tüfenbach.
 

Výklopník vagonů s uhlím

Výklopník byl navržen tak, aby spolehlivě vyklápěl až deset vlaků po 30 vagonech denně do venkovní teploty –15 °C. Rozpojené vagony jsou postupně nasouvány vozíkem lanového posunu 1 (obr. 1) z prostoru otevřenými vraty do nosného mostu rotačního výklopníku, kde je vagon ustaven s použitím naprogramovaných zarážek pod hydraulické upínání vagonů. Po uchycení vagonu shora přítlačnými trámci a bočními opěrnými stěnami na levém boku vagonu vyjede lanový vozík 1 z prostoru rotační části a začíná se vykonávat otáčení výklopníku okolo podélné osy.
 
Uhlí přepadá přes hranu vagonu při otočení bubnu do polohy od 90° do 150° (obr. 4) , pak následuje zpětný obrat bubnu výklopníku s vagonem do výchozí nulové polohy. Po zdvihnutí upínacích ramen a odsunu opěrných stěn je vagon vytažen z prostoru mostu rotačního výklopníku vozíkem lanového posunu 4 na výtažnou kolej 104b a současně je lanovým posunem 1 nasunován další vagon k vykládce. Doba celého cyklu vyložení jednoho vagonu – nasunutí, otočení, vyložení, zpětné otočení a odsun vagonu – je 180 s.
 
Z výsypky výklopníků je uhlí s použitím dvou hydraulicky řízených vyhrnovacích vozíků vyhrnováno na dva pryžové pásy a dopravováno do systému centrálního zauhlování elektrárny.
 
Výklopník je řízen systémem Allen Bradley SLC 500, který je zakomponován do celého systému zauhlování. Operátor výklopníku v kabině umístěné nad vagonem (obr. 5) musí pouze po ustavení plného vagonu do výklopníku ručně potvrdit, že ve vagonu nejsou nepatřičné předměty (traverzy, důlní výdřeva apod.). Všechny ostatní funkce probíhají plynule automaticky.
 

Řízení vykládky uhlí

Řídicí systém vykládky je tvořen několika samostatnými řídicími automaty Allen Bradley typu SLC500 (obr. 6) pro řízení klimatizace rozvoden výklopníku, vyhrnovacích vozíků, ovládání rotačního výklopníku a ovládání lanových posunů. Data mezi řídicím systémem rotačního výklopníku a řízením lanových posunů jsou přenášena komunikační linkou Remote I/O. Ve velínu výklopníku jsou dvě operátorské stanice s monitorovacím softwarem RSView32. K přenosu dat na tyto stanice se používá další komunikační linka DH485, na kterou jsou připojeny všechny řídicí automaty na výklopníku paliva.
 

Snímače ve výklopníku

Výklopník je řízen signály ze soustavy indukčních snímačů polohy typu uprox firmy Turck (obr. 7), které jsou odolné proti magnetickému poli a disponují velkou spínací vzdáleností. Soustava snímačů polohy je složena z čidel signalizujících maximální vzdálenosti opěrných stěn od boční plochy vagonu (za obrys vagonu) a čidel mechanismu upnutí vagou přítlačnými trámci, která jsou umístěna v dolní části nosníku. Mají za úkol signalizovat maximální vzdálenost přítlačných ramen od horní hrany vagonu (za obrys vagonu).
 
Otáčení bubnu výklopníku kontrolují tři soustavy čidel. Dvě z nich jsou umístěny vedle krajního segmentu po straně vjezdu a signalizují polohy bubnu. Třetí soustava čidel je u krajního segmentu po straně výjezdu z výklopníku. Jejím úkolem je přesně určit nulovou polohu bubnu.
 
Řízení dovoluje mechanicky zablokovat buben výklopníku v poloze 90°, aby mohla obsluha provádět kontrolu. Indukční čidlo uzavírání blokuje mechanismy výklopníku v uzavřené poloze a znemožňuje jejich zapínání.
 
Na hřídeli otáčení ozubeného převodu výklopníku je v provozu signalizační měřič rychlosti otáčení výklopníku sledující provoz bubnu a vykonávající běžnou kontrolu jeho aktuální polohy.
 

Nedostatky původního řešení

V několika počátečních letech po instalaci byla plynulá vykládka vagonů provázena mnoha nedostatky. Vzhledem k tomu, že kolejový svršek v celém areálu nebyl vodorovný, nebylo možné zastavovat vagony na požadovaných místech. Nedařilo se zastavit plně naložený vagon ve výklopníku a často bylo nutné jej ručně posouvat pákou vloženou pod kolo. Několikrát se dokonce stalo, že plně naložený vagon vjel do výklopníku. Původně navržené řízení mělo ještě další nedostatky:
  • pro řízení se využívaly signály 24 V DC,
  • k logickému řízení bylo převážně využíváno relé,
  • software nebyl jednotně zpracován (pracovalo na něm mnoho programátorů),
  • poruchová hlášení systému byla nekonkrétní a nedovolovala zjistit konkrétní příčinu poruch, dokumentace i nápisy na obrazovkách byly v polském jazyce a program nebyl opatřen komentáři,
  • komunikační rychlost nevyhovovala potřebám technologie – odezvy signálů byly neúměrně dlouhé,
  • způsob zabezpečení celé technologie proti selhání lidského činitele byl značně podceněn; to potvrdilo několik havárií.
V malé kabině operátora výklopníku byly umístěny dva rozváděče řídicího systému, které z důvodu chlazení musely být otevřeny. Ventilátory uvnitř rozváděčů tím způsobovaly značný hluk v kabině. Kabina nebyla klimatizována a byla špatně utěsněna proti prachu, navíc bylo nutné pro výměnu vzduchu občas otevřít dveře do silně prašného prostředí; to neblaze působilo na obsluhu a destruktivně na techniku v kabině.
 
Prachem byly pokryty i rozváděče v rozvodnách silnoproudé i řídicí části, které byly umístěny v podzemí pod výklopníkem. Byly totiž chlazeny vzduchem nasávaným z venkovního prašného prostředí.
 
Výsledkem popsaných skutečností bylo až 700 závad denně signalizovaných řídicím systémem. Proto se odborníci z oddělení měření a regulace elektrárny Chvaletice rozhodli v roce 2004 během sedmidenní pravidelné roční odstávky strojního zařízení zásadně upravit řízení.
 

Nová koncepce řízení

Pro řízení vykládky bylo zvoleno napětí 230 V AC. Logické řízení, původně realizované pomocí relé, bylo zcela nově řešeno s využitím softwaru. Rozvodny byly klimatizovány, utěsněny a ochlazovány filtrovaným vzduchem. Tím v nich vzniká mírný přetlak, který brání pronikání uhelného prachu. Byl vytvořen nový jednotný software, jenž je opatřen velmi přehlednou dokumentací. Při jeho tvorbě byla věnována velká pozornost vyloučení chybného zásahu obsluhy do řízení. Bylo vyřešeno spolehlivé určení nulové polohy výklopníku. Před výklopník bylo instalováno nové čidlo, aby se zabránilo chybným vjezdům vagonů do výklopníku.
 
Komunikace byly zrychleny, takže nyní jsou odezvy signálů vyhovující. Zásadním problémem se ukázalo být přesné ustavení plně naloženého vagonu ve výklopníku. Působí zde velké setrvačné síly a každý vagon se chová různě podle opotřebení a namazání jeho náprav a stupně odbrzdění kol. Přesto se podařilo zastavovat plně naložený vagon o hmotnosti 90 tun v předem určeném místě s přesností do 10 cm. Tím odpadla nutnost ručního posunu vagonu, celý proces je nyní plynulý a značně se zrychlil. Byl instalován kamerový sytém umožňující operátorovi sledovat vagon v celém areálu výklopníku. Nová, naprosto jednoznačná poruchová hlášení vedla ke zrychlení oprav. Veškerá vizualizace na obrazovkách byla nově provedena podle přání obslužného personálu. Dokumentace a uživatelská příručka pro obsluhu jsou v českém jazyce. Kabina operátora byla klimatizována. Cílem rozsáhlých úprav bylo zajistit maximální možnou bezpečnost, spolehlivost, jednoduchou obslužnost a snadnou opravitelnost zařízení. Proto byla použita velmi spolehlivá binární čidla Turck a pro vlastní práce velmi zkušený integrátor, firma AT-Soft spol. s r. o.
Rudolf Fišer, Eva Vaculíková
 
Obr. 1. Soustava lanových posunů pro dopravu vagonů do výklopníku a zpět na seřazovací kolejiště
Obr. 2. Vozík lanového posunu posouvá vagon do výklopníku
Obr. 3. Snímače polohy kola vagonu
Obr. 4. Vagon ve výklopníku
Obr. 5. Pohled na vyklápění vagonu z kabiny operátora
Obr. 6. Komunikace řídicího systému Allen Bradley při řízení výklopníku uhlí v elektrárně Chvaletice
Obr. 7. Při řízení výklopníku jsou využívány signály z indukčních senzorů uprox, které pracují se soustavou tří cívek bez feritového jádra