Автоматизированная система адаптивного управления насосами наливных терминалов на основе логического контроллера Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Автоматизированная система адаптивного управления насосами наливных терминалов на основе логического контроллера

Бакалавр В.И. Васнихин, д-р техн. наук А. Д. Хомоненко, С.И. Носова Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Санкт-Петербург, Россия vasnikhinvictor97@gmail.com, khomon@mail.ru, nosovasi@mail.ru

Аннотация. Рассматривается разработанная автоматизированная система адаптивного управления насосами. Обоснован выбор математической модели, разработано программное обеспечение в среде разработки SoMachine, разработан графический интерфейс для панели оператора в среде разработки Vijeo Designer Basic, собран имитационный макет, моделирующий работу системы адаптивного управления насосами. Применение пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора позволяет адаптивно настраивать систему управления насосами при изменении уставок и внешних воздействий. Плавные изменения параметров регулирования повышают срок службы механических объектов (насосов), гидравлических объектов (труб) благодаря отсутствию гидроударов.

Ключевые слова: программируемый логический контроллер, контроллер MODICON M241-TM241CEC24T, адаптивное управление, насос, ПИД-регулятор, автоматизация.

Введение

В настоящее время существует тенденция автоматизации всех технологических процессов. Для выполнения этой задачи широкое применение получили системы, работающие на основе логических контроллеров. Достоин-

ством таких систем является возможность оперативного проектирования систем автоматизации различных уровней, возможность быстрого изменения параметров технологических процессов, а также возможность наращивания систем без ущерба для функционирования. В соответствии с этим задача исследования логических контроллеров является актуальной для ОАО «РЖД», а также для возможной реализации в учебном процессе ПГУПС и других транспортных вузов. В рамках этой работы проводились исследования возможностей логических контроллеров для создания систем адаптивного управления насосами наливных терминалов.

Программируемый логический контроллер M0DIC0N M241-TM241CEC24T

Программируемый логический контроллер (ПЛК) является вычислительной машиной, поэтому архитектурно практически не отличается от персонального компьютера. Отличие заключается главным образом в отсутствии видеоплаты, средств ручного ввода и дисковой системы. Вместо этого ПЛК имеет блок входов и выходов [1]. Структурная схема контроллера представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема контроллера

Основные характеристики контроллера МОБГСОМ М241-ТМ241СЕС24Т:

- тип устройства: программируемый логический контроллер;

- номинальное напряжение сети: 24 В, постоянный ток;

- количество дискретных входов: 14 (+24У), из них 8 быстродействующих входов (до 200 кГц) в соответствии с МЭК;

- тип дискретного выхода: транзисторный (источник);

- количество дискретных выходов: 10 транзисторных, из них 4 быстродействующих (до 100 кГц);

- напряжение дискретного выхода: 24 В, постоянный ток;

- ток дискретного выхода: 00-09 - 0,5 А, 00-03 -0,1 А в режиме быстродействующего выхода (режим РТО).

ПИД-регулирование

Целью любого управления является изменение состояния объекта нужным образом (в соответствии с техническим заданием). Теория автоматического управления отвечает на вопрос построения правильного регулятора, который управляет объектом так, чтобы цель была достигнута. Поэтому разработчик сталкивается с необходимостью понять, как данная система управления реагирует на различные воздействия; ему необходимо знать модель системы: какой объект используется, типы датчиков, каналы связи, возмущения системы, а также шумы. Для поддержания постоянного давления (расхода) жидкости в промышленности используются ПИД-регуляторы [2].

ПИД-регулятор - это пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор. Операторно-структурная схема представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Операторно-структурная схема АСУ

Проблема заключается в том, что на практике необходимо определять коэффициенты регулятора (П - пропорциональный, И - интегральный, Д - дифференциальный). Все коэффициенты должны учитывать особенности управляемой системы. В связи с этим на практике часто возникают проблемы, например некачественная настройка ПИД-регуляторов, так как каждая система должна иметь собственные коэффициенты в силу использования разного оборудования и предназначения самой системы. Выбранные коэффициенты, подходящие для одной системы, не обязательно будут учитывать особенности работы другой. Следовательно, управление становится неэффективным.

Математическая модель ПИД-регулятора Для создания качественной адаптивной системы управления необходимо создание функционального блока, который будет находить оптимальные коэффициенты ПИД-регулятора в автоматическом режиме.

Выходной сигнал, формирующийся ПИД-регулятором, рассчитывается по формуле:

л ёе

и (() = Р +1 + В = Кре (() + К1 \е (т) ёт + К, —, (1)

0 ё

где Кр - коэффициент пропорциональности; К - интегральный коэффициент; Кё - дифференциальный коэффициент; е(/) - функция ошибки регулирования. Большая часть методов настройки ПИД-регуляторов используют другую формулу, определяющую значение

выходного сигнала, в которой интегрирующая, а также дифференцирующая составляющие умножены на пропорциональный коэффициент:

л ёе

и (Г) = Кр X (е (Г) + Кр¡е (т) ёт + Кф —). (2)

0

Для реализации этого метода расчета в дискретной форме уравнение (3) имеет вид

и (п ) = КрЕ (п )+ КрКРТ £Е (к ) +

к =0

К К,

(3)

_ф_

Т

(Е(п)-Е(п -^

где Т - время дискретизации.

Заменив Ка,'сг = Кр * Кр * Т, К^ = (Кр * Кар) / Т, получаем следующее выражение:

и (п ) = КрЕ (п )+ К^ ¿Е (к ) +

к =0

+ КГ (Е (п)- Е (п -1)).

(4)

При программной реализации для оптимизации расчетов применяется формула вида

(п)=и (п -1) + Кр (Е (п) -Е (п -1)) + К'!СГЕ (п) + +К^сг (Е (п )- 2Е (п -1) + Е (п - 2).

(5)

В таблице представлены этапы автоматического подбора коэффициентов ПИД-регулятора.

Этапы автоматического подбора коэффициентов ПИД-регулятора

Номер этапа Описание этапа

1 Выход ПИД-регулятора устанавливается в значение «уставка + допустимое значение перерегулирования». После достижения этого значения процесс настройки переходит ко второму этапу

2 Этап состоит из двух шагов: 1) выход ПИД-регулятора устанавливается в значение «уставка - допустимое значение недорегулиро-вания», пока не достигнет этого значения; 2) выход ПИД-регулятора устанавливается в значение «уставка + допустимое значение перерегулирования», пока не достигнет этого значения

3 Выход ПИД-регулятора устанавливается в значение «уставка - допустимое значение недорегулирова-ния», пока не достигнет этого значения

4 Этап состоит из двух шагов: 1) выход ПИД-регулятора устанавливается в значение «уставка + допустимое значение перерегулирования», пока не достигнет этого значения; 2) выход ПИД-регулятора устанавливается в значение «уставка - допустимое значение недорегулиро-вания», производится расчет коэффициентов и активируется работа ПИД-регулятора с вычисленными коэффициентами

Программная реализация ПИД-регулятора

В программе реализован блок ПИД-регулятора с автоматической настройкой для управления частотой вращения насосов в случае использования частотных преобразователей [3]. Функциональный блок представлен на рисунке 3.

FIT3 Pressure

xln -хЕме -

rserpoint -

rPioccjaValue ■ xAlarmREseT; -ESpHigli -

tsplcw -

гКв -

тТя -XTV -ГРДССуеХе -lEnST -200 -

PID With AT

X ~ Г

l_HEite q_riTLB

i_rPv 0_TjifLLr1;ni

: Аг - " м ']_■ Aг :

q_TJliLLriBIil

1_гКр 4_iAttnStat

i^rTn

1_ETV

r'Cv" l

i_Jt?lttn

i_oxCyc L

- jrlLna lo gOjr pu-

■uiAlerc_ID

■ xJliErt

■ ULUAES_ID

■ilT_StBtu3 ■q_rKp

Рис. 3. Функциональный блок ПИД-регулятора

Подачей сигнала «TRUE» на вход i_xEn разрешается работа функционального блока. Затем запускается автоматическая настройка ПИД-регулятора положительным сигналом на входе i_xAttn. Введенные параметры инициализируются по входу i_xExe. Автоматическая настройка запущена, статус работы отслеживается на выходах q_sAttnStat и q_iAttnStat.

После этого происходит подсчет параметров ПИД-регулятора (q_iAttnStat = 6), которые необходимо принять (i_xAcptPara = TRUE), по положительному фронту сигна-

ла на входе ^хБхе. Далее необходимо сбросить значение параметров ^хАШ и i_xAcptPara. Процесс автоматической настройки ПИД-регулятора на этом завершен [4].

Таким образом, использование ПИД-регулятора с автоматическим подбором коэффициентов позволяет сократить количество испытаний системы и, следовательно, ускорить ввод в эксплуатацию объекта. Также это позволяет снизить требования к техническим знаниям персонала, так как используется простая технология оптимальной настройки.

Автоматический подбор коэффициентов создает устойчивую систему регулирования. Применение ПИД-регулятора позволяет адаптивно управлять системой при изменении исходных значений параметров и внешних воздействий. Плавные изменения параметров регулирования повышают срок службы механических объектов (насосов), гидравлических объектов (труб) благодаря отсутствию гидроударов.

Использование ПИД-регулирования в комбинации с примененным в программе методом выравнивания наработки насосов по времени и количеству пусков увеличивает наработку на отказ, следовательно, уменьшает стоимость эксплуатации системы, а также увеличивает интервал между этапами технического обслуживания оборудования. Автоматическое оповещение об авариях и возможность удаленного наблюдения за работой системы позволяет снизить стоимость обслуживания.

Программно-аппаратный комплекс

Для создания программно-аппаратного комплекса, помимо написания программного обеспечения, необходимо собрать макет (аппаратную часть).

Макет собирается на основании структурной и электрической схем. Каждый элемент соединен с другим определенным образом, соответствующим видом связи, как показано на рисунке 4.

Макет изготовлен на монтажной плате, на которой размещены контроллер, панель оператора, блок питания, элементы управления (переключатели, кнопки), элементы сигнализации (лампы), автоматические выключатели. К контроллеру подключены датчик температуры (РП000) и ультразвуковой датчик измерения расстояния.

Макет имитирует работу системы по наливу жидкости в железнодорожную цистерну с автоматическим отключением насосов по достижении уровня заполнения, а также включением системы обогрева в условиях низких температур окружающей среды.

Разработанное программное обеспечение для программируемого логического контроллера позволяет выбирать насос с наименьшим количеством пусков. В случае их равенства включается тот, у которого время работы наименьшее. При этом учитывается аварийное состояние насосов и состояние переключателей (ручной / автоматический).

Для панели оператора разработан графический интерфейс, отображающий параметры работы установки и визуализирующий наполнение цистерны жидкостью.

Макет автоматизированной насосной станции наливных терминалов собирается по правильно составленной электрической схеме. Для удобства в построении макета электрические схемы собираются поэтапно.

База данных SQL

Частотный преобразователь

Ультразвуковой

Датчик Греющий кабель

Рис. 4. Структурная схема системы

На рисунке 5 приведена схема подключения питания, а также связь панели оператора и контроллера по Ethernet.

Рис. 5. Схема подключения питания к контроллеру и панели

На рисунке 6 приведена схема подключения переключателей и кнопки к дискретных входам контроллера (10-14).

Рис. 6. Схема подключения переключателей и кнопки

На рисунке 7 приведена схема подключения аналоговых сигналов с датчика к модулю ТМ3Т14 контроллера.

На макете проверены и отработаны алгоритмы управления насосными станциями с разным числом насосов. Проверена функциональность и достаточность контроллера для решения подобных задач.

Рис. 7. Схема подключения аналоговых сигналов

Преимущества разработанной системы:

- система управления насосами позволяет насосам работать в эффективной зоне, сократить расход электроэнергии на метр кубический наливаемой жидкости (вода, нефтепродукты), предотвратить работу на холостом ходу;

- система резервирования насосов исключает простои в работе системы;

- система выравнивания наработки насосов обеспечивает равномерность износа насосов;

- система подогрева предотвращает замерзание трубопровода;

- система измерения позволяет точно учитывать расходы, вести точный учет перекаченной жидкости, предотвращает переливы;

- система оповещения и связи с базой данных позволяет удаленно вести учет отказов, а также учет всех результатов работы.

Разработанная программа допускает использование станций с частотным регулированием и без него, в зависимости от необходимости. Возможно использование разных типов датчиков для определения количества налитой жидкости, например гидростатических или, как в этой разработке, ультразвуковых, а также датчиков, имеющих выходы (0-10 В, 2-10 В, 0-20 мА, 4-20 мА).

Для панели оператора разработан графический интерфейс, при помощи которого оператор может отслеживать состояние системы, процесс перекачки жидкости, а также всю информацию о текущем состоянии каждого насоса.

В комплексе предусмотрено увеличение числа насосов, необходимых для работы. Это означает, что программа масштабируема и подходит для п-го числа насосов. Это достигнуто с помощью применения методов объектно-ориентированного программирования.

Заключение

Разработанный программно-аппаратный комплекс адаптивного управления насосами наливных терминалов решает ряд оптимизационных задач:

- внедрение автоматизированной системы управления, которая заменяет человеческий труд, уменьшает влияние человеческого фактора в процессе перекачки жидкостей;

- наличие резервирования насосов продлевает длительность работы устройств и механизмов;

- наличие системы ПИД-регулирования способствует работе насоса в эффективной зоне;

- наличие системы обогрева не позволяет замерзать подающим трубам в холодное время года;

- учет всех произведенных действий по перекачке различных жидкостей благодаря наличию системы контроля заполнения.

Говоря о направлении дальнейших исследований, отметим работу [5], в которой подчеркивается актуальность совершенствования энергосберегающих технологий на примере центробежных насосов с асинхронными двигателями.

Стремление к эффективности расходования энергии вызывает необходимость перехода от дроссельного регулирования насосных агрегатов к системам автоматического управления ими [6, 7]. Одной из целей оптимизации частотно-регулируемых электроприводов является достижение минимума функции потерь мощности [8].

На наш взгляд, в статье [5] справедливо подчеркивается необходимость рассмотрения динамических моделей установок центробежных насосов, входящих в состав электротехнических комплексов, что позволяет реализовать наиболее эффективные режимы работы с точки зрения энергосбережения, а также надежности.

Отметим также возможность применения систем адаптивного управления в контурах отбора тепла у трансформаторных маслоохладителей для последующего его использования для теплоснабжения помещений или горячего водоснабжения [9-11].

Тепловые потери трансформируемой электроэнергии в зависимости от мощности и нагрузки трансформаторов могут достигать сотен киловатт.

Принцип работы. Нагретое масло из верхней части бака трансформатора масляным насосом подается в теп-лообменник «масло-вода», где отдает теплоту другому теплоносителю, который циркулирует в промежуточном контуре между тепловым насосом и теплообменником «масло-вода». В испарителе ТН теплоноситель отдает теплоту фреоновому контуру. Фреон при поступлении теплоты начинает кипеть. После сжатия компрессором и конденсации в конденсаторе ТН температура фреона по-вышается и его теплота передается воде, подаваемой по-требителям.

При температуре масла 20-30 °С температура воды до-стигает значений 55-65 °С. Такую схему применяют на подстанциях мощностью 110-500 кВ.

Литература

1. Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / И.В. Петров ; под ред. проф. В. П. Дьяконова. - М. : СОЛОН-Пресс, 2004. - 256 с. -(Библиотека инженера).

2. SoMachine. Programming Guide, Schneider Electric, February 2018. - 912 p. URL: http://www.schneider-electric.com/en/download/document/EIO0000000067.

3. Getting Started With SoMachine. Self Study Manual. SoMachine ver 4.1.1, Schneider Electric, March 2014. - 140 p.

4. Мирошник И.В. Теория автоматического управле-ния. Линейные системы / И.В. Мирошник. - СПб. : Питер, 2005. - 336 с. - (Учебное пособие).

5. Лысенко О.А. Режимы энергосбережения установок центробежных насосов с асинхронными двигателями // Известия Томского политехнического университета. Тех-ника и технологии в энергетике. - 2014. - Т. 325, № 4. - С. 133-141.

6. Ouchbel T. et al. Power Maximization of an Asynchronous Wind Turbine with a Variable Speed Feeding a Centrifugal Pump, Energy Conversion and Management, 2014, Vol. 78. - Pp. 976-984.

7. Belgacem B.Gh. Performance of Submersible PV Water Pumping Systems in Tunisia, Energy for Sustainable Development, 2012, Vol. 16, Is. 4. - Pp. 415-420.

8. Oguz Y., Dede M. Speed Estimation of Vector Controlled Squirrel Cage Asynchronous Motor with Artificial Neural Networks, Energy Conversion and Management, 2011, Vol. 52, Is. 1. - Pp. 675-686.

9. Трубаев П.А. Тепловые насосы : учебное пособие / П.А. Трубаев, Б.М. Гришко. - Белгород : БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - 142 с.

10. Салова Т.Ю., Методология рационального использования природных ресурсов / Т.Ю. Салова, Е.А. Громова, Н.Ю. Громова // Международный журнал экспериментального образования. - 2017. - № 3-1. - С. 5557.

11. Sayegh M.A. et al. Heat Pump Placement, Connection and Operational Modes in European District Heating, Energy and Buildings, 2018, Vol. 166. - Pp. 122-144.

The Automated System of Adaptive Control of Pumps Filling Terminals on the Basis of the Logical Controller

Bachelor V.I. Vasnikhin, Doctor of Tech. Sci. A.D. Khomonenko, S.I. Nosova Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University St. Petersburg, Russia vasnikhinvictor97@gmail.com, khomon@mail.ru, nosovasi@mail.ru

Abstract. The developed automated system of adaptive pump control is considered. The choice of a mathematical model was substantiated, software was developed in the SoMachine development environment, a graphical interface for the operator panel in the Vijeo Designer Basic development environment was developed, and an imitation model was assembled that simulates the operation of an adaptive pump control system. The use of a proportional-integral-differential (PID) controller allows you to adaptively adjust the pump control system when changing settings and external influences. Smooth changes of regulation parameters increase the service life of mechanical objects (pumps), hydraulic objects (pipes) due to the lack of water hammer.

Keywords: programmable logic controller, MODICON M241-TM241CEC24T controller, adaptive control, pump, PID controller, automation.

References

1. Petrov I.V. Programmable controllers. Standart languages and methods of applied engineering [Programmirue-mye kontrollery. Standartnye yazyki i priemy prikladnogo proektirovaniya], Moscow, SOLON-Press Publishers, 2004. -256 p.

2. SoMachine. Programming Guide, Schneider Electric, February 2018. - 912 p. Available at: http://www.schneider-electric.com/en/download/document/EIO0000000067.

3. Getting Started With SoMachine. Self Study Manual. SoMachine ver 4.1.1, Schneider Electric, March 2014. - 140 p.

4. Miroshnik I.V. Automatic regulation theory. Linear systems [Teoriya avtomaticheskogo upravleniya. Lineynye sistemy], St. Petersburg, Piter, 2005. - 336 p.

5. Lysenko O.A. Energy Saving Modes of Centrifugal Pumps Installations with Asynchronous Engines [Rezhimy

energosberezheniya ustanovok tsentrobezhnykh nasosov s asinkhronnymi dvigatelyami], Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Engineering and Technologies in Power Engineering [Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Tekhnika i tekhnologii v energetike], 2014, Vol. 325. - No. 4, Pp. 133-141.

6. Ouchbel T. et al. Power Maximization of an Asynchronous Wind Turbine with a Variable Speed Feeding a Centrifugal Pump, Energy Conversion and Management, 2014, Vol. 78. - Pp. 976-984.

7. Belgacem B.Gh. Performance of Submersible PV Water Pumping Systems in Tunisia, Energy for Sustainable Development, 2012, Vol. 16, Is. 4. - Pp. 415-420.

8. Oguz Y., Dede M. Speed Estimation of Vector Controlled Squirrel Cage Asynchronous Motor with Artificial Neural Networks, Energy Conversion and Management, 2011, Vol. 52, Is. 1. - Pp. 675-686.

9. Trubaev P.A., Grishko B.M. Heat pumps: Study guide [Teplovye nasosy: Uchebnoe posobie], Belgorod, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 2009. - 142 p.

10. Salova T.Yu., Gromova E.A., Gromova N.Yu. Methodology for the Rational Use of Natural Resources [Metod-ologiya ratsional'nogo ispol'zovaniya prirodnykh resursov],

International Journal of Experimental Education [Mezhdu-narodnyy zhurnal eksperimental'nogo obrazovaniya], 2017, No. 3, Is. 1. - Pp. 55-57.

11. Sayegh M.A. et al. Heat Pump Placement, Connection and Operational Modes in European District Heating, Energy and Buildings, 2018, Vol. 166. - Pp. 122-144.