CC BY
77Основной целью всех участников процесса теплоснабжения и теплопотребления должен быть комплексный подход к реализации проектов энергосбережения и повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения.
Необходимо вести организованную работу по координации и управлению энергетической эффективностью, повысить заинтересованность в реализации политики энергосбережения у всех участников процесса производства, передачи и потребления энергоресурсов.
1. Хромченков, В.Г., Рыженков, В.А., Яворовский, Ю.В. Особенности проведения энергоаудита систем теплоснабжения ЖКХ // Труды конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем». - М., 2010.
2. Артюшин, А.Н. Энергоаудит систем теплоснабжения «источник - тепловая сеть - потребитель». - Чебоксары: Изд-во Чувашского ун-та, 2006. - 459 с.
УДК 681.518, 519.876.2, 519.876.5
А.Н. Рыбалев
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АСУ ТП ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
И В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ ЧАСТЬ 1
Статья посвящена вопросам использования имитационных моделей при проектировании автоматизированных систем управления технологическими процессами. Кратко описаны разработки, выполненные на кафедре автоматизации производственных процессов и электротехники.
Ключевые слова: Simulink-модель, виртуальный контроллер, SCADA-сис-тема.
IMITATIVE MODELING OF APCS IN DESIGNING AND IN THE EDUCATIONAL PROCESS.
PART 1
The article is devoted to the use of simulation models in the design of automated control systems for technological processes. Briefly described are the developments performed at the Department of Automation of Production Processes and Electrical Engineering.
Key words: Simulink-model, virtual controller, SCADA-system.
Введение
Значительная часть специальных дисциплин по направлению подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» связана с вопросами проектирования автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Разработка АСУ ТП включает в себя решение множества задач. Значительная часть этих задач имеет чисто технический характер: выбор аппаратуры, составление принципиальных и других схем, компоновка шкафов управления и т.д. Ничуть не умаляя важности этих задач, отметим, что,
тем не менее, все они являются вторичными по отношению к тем задачам, которые должны быть решены на самом первом этапе проектирования, когда определяется концепция будущей системы. Принимаются решения, что будет делать система, как она будет взаимодействовать с объектом управления и с человеком.
По нашему мнению, концепция АСУ ТП проще всего может быть представлена в парадигме «модель - представление - контроллер» (Model - view - controller, MVC), широко применяемой при построении компьютерных информационных систем. Применительно к АСУ ТП «модель» - это объект управления, точнее, его модель, «представление» - средства человеко-машинного интерфейса (Human-machine interface, HMI), а «контроллер» - алгоритмы управления, заложенные в программируемые логические контроллеры и в другую аппаратуру управления.
Если создана такого рода концепция (модель) будущей системы, то вопросы технической реализации действительно становятся «техническими». Однако она должна быть адекватной в широком смысле этого слова.
Модель объекта управления обязана отражать все существенные для системы управления аспекты его поведения. По существу, она должна связывать все интересующие нас «выходы» со всеми возможными «входами». Определение этих связей обеспечивается путем анализа процессов, протекающих в объекте, и экспериментальными исследованиями. В любом случае без какой-либо модели объекта построить систему управления невозможно, и в этом смысле лучше иметь хоть какую-то модель, чем не иметь ее вовсе. С другой стороны, важен вид модели. Очевидно, что наиболее приемлемый вариант - имитационная компьютерная модель, позволяющая вести исследования в реальном масштабе времени и осуществлять обмен информацией с другими компонентами системы - «контроллером» и «системой человеко-машинного интерфейса». В нашей практике все модели объектов управления реализуются в системе имитационного моделирования Simulink Matlab, которая, вероятно, является на сегодняшний день наиболее подходящим для этого инструментом.
Алгоритмы управления («контроллер») в принципе также могут быть реализованы блоками Simulink-модели, однако такой подход дает не совсем то, что нам нужно. Алгоритмы должны быть максимально приближены к своей реализации на ПЛК и управляющих машинах. Simulink-модели, очевидно, таким качеством не обладают. Оптимальным видится представление алгоритмов в виде готовых программ, разработанных в универсальных системах класса SoftLogic на языках стандарта МЭК 61131-3 и запущенных на виртуальном контроллере, эмулирующим работу ПЛК на персональном компьютере. Такую возможность, в частности, предоставляет свободно распространяемая система CoDeSys, в составе которой имеется виртуальный контроллер PLC WinNT. Эта система программирования и рассматривается далее.
Система «представления», или визуализации технологического процесса также может быть реализована в Matlab, но, как и в случае с «контроллером», лучше разрабатывать ее в специально предназначенных для этого программных средах. Это может быть любая интегрированная среда разработки систем класса SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных), программное обеспечение для операторских панелей и т.д. Предлагаются решения на базе российской SCADA-системы Trace Mode, инструментальная среда разработки которой распространяется бесплатно, а также системы EasyBuilder для программирования панелей оператора Weintek.
На практике разработка имитационной модели АСУ ТП позволит на «нулевом» этапе проектирования и при непосредственном участии заказчика:
сформировать требования к системе для включения в Техническое задание и другие проектные документы;
разработать и отладить алгоритмы управления и прототипы программного обеспечения АСУ
ТП;
разработать прототипы систем человеко-машинного интерфейса и, возможно, компьютерные тренажеры для обучения оперативного персонала.
В целом разработка имитационной модели позволит заказчику «опробовать» систему еще до ее создания и в дальнейшем эффективно управлять процессом ее проектирования и внедрения.
Важно отметить, что на каждом этапе формирования модели заказчик принимает самое непосредственное участие в процессе. В результате:
заказчик знает, какие функции должна выполнять система и как должно быть организовано ее взаимодействие с оперативным персоналом, что дает возможность грамотно построить процесс взаимодействия с разработчиком;
разработчик имеет планы щитов и пультов управления, а также прототипы программного обеспечения системы (программ ПЛК, операторских панелей, рабочих станций), что существенно упрощает дальнейшее проектирование и внедрение системы.
При идеальной реализации концепции заказчик получает именно такую систему управления, на которую он рассчитывал. Исключаются конфликты, связанные с «различным пониманием» требований Технического задания со стороны заказчика и исполнителя. Существенно снижаются затраты на проектирование и внедрение АСУ ТП за счет того, что «консенсус» был достигнут еще на этапе компьютерного моделирования, а программное обеспечение требует по большей части лишь «механического» преобразования. Оперативный персонал на момент внедрения системы уже практически освоил навыки работы с ней, пользуясь компьютерными тренажерами.
В учебном процессе использование имитационных моделей решает целый ряд проблем, связанных с отсутствием на месте реальных объектов и аппаратуры управления. Разрабатывая проект АСУ ТП, студент не только выбирает необходимые технические средства и составляет разнообразные схемы, но и занимается моделированием процесса, а также практически созданием программного обеспечения для различных уровней управления. Причем это программное обеспечение действительно отлаживается и апробируется, пусть даже только на модели. Хорошо известно, что неотла-женная программа - это вовсе не программа, а всего лишь «декларация о намерениях». Поэтому имитационное моделирование, безусловно, повышает качество подготовки специалистов. А, кроме того, для самого студента получить «живую» программную систему - это еще и очень интересно.
Разработки
Исследования и разработки по имитационному моделированию АСУ ТП ведутся на кафедре АППиЭ начиная с 2013 г. В [1] представлен прототип программного симулятора, демонстрирующий параллельную работу и взаимодействие программных средств имитации, управления и визуализации, и описана технология межпрограммного обмена по протоколу OPC. В дипломных проектах выпускников 2015 г. Ф.А. Николаеца и Д.В. Капитонова разработан ряд имитационных систем для установок лаборатории кафедры, в том числе:
1) система управления лифтом с частотно-регулируемым приводом, реализующей собирательный принцип работы. Результаты работы доложены на восьмой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: качество и эффективность использования энергоресурсов» и опубликованы в [2]. Позднее разработка имитационной системы была включена в состав лабораторных работ, предложенных в учебном пособии [3]. В настоящее время эти работы выполняются студентами при изучении дисциплины «Программное обеспечение систем управления». После построения имитационной системы полученные алгоритмы переносятся на целевую платформу (ПЛК Siemens Simatic S7 - 200) и апробируются уже на реальном оборудовании. При этом физические органы управления лифтом (кнопки приказов и вызовов) дублируются программной системой визуализации;
2) система управления электромеханическим роботом с тремя степенями свободы и рабочим органом с электромагнитным приводом. Основой имитационной модели объекта управления стала разработанная в САПР Solid Works 3D-модель робота, которая была импортирована в Simulink (пакет SimMechanics). Модель не только рассчитывает координаты приводов, но и визуализирует процессы движения. Управляющая программа выполняется виртуальным контроллером PLC WinNT, а человеко-машинный интерфейс представлен экраном монитора реального времени Trace Mode (рис. 1);
Рис. 1. Имитационная система управления электромеханическим роботом.
3) система управления тепловым объектом [4,5] с применением графической сенсорной панели оператора Weintek MT8070iE. Программа EasyBuilder, при помощи которой конфигурируется и программируется панель, предусматривает режим «автономного моделирования». В этом режиме виртуальная панель может вести обмен данными через интерфейсы компьютера, на котором она запущена. Для связи с PLC WinNT был задействован протокол MODBUS TCP/IP. Один из экранов виртуальной панели показан на рис. 2.
Рис. 2. Экран виртуальной панели WeintekMT8070iE.
Полученные работы были частично использованы в пособии к лабораторным работам на стенде [6]. Одна из них целиком посвящена разработке имитационной модели системы управления
тепловым объектом с панелью оператора. После ее выполнения студент практически полностью готов к работе с реальным оборудованием, и более того - большая часть этой работы им уже сделана вне лаборатории.
Имитационное моделирование систем управления задействовано не только для задач «виртуализации лаборатории». В дипломном проекте Ф.А. Николаеца, в частности, разработана имитационная модель системы управления приточной вентиляцией с водяным калорифером, обеспечивающая ручное (дистанционное) и автоматическое регулирование температуры в помещении с воздействием на трехходовой клапан на линии подачи теплоносителя, привод жалюзи и вентиляторы. Система предусматривала переключение режимов «зима/лето» и «день/ночь» и выполняла необходимые защиты.
В качестве средства отладки разработанного программного обеспечения элементы имитационного моделирования были использованы во многих выпускных работах, среди которых следует отметить:
Данилова С.А. «Автоматизированная система управления электрической котельной административно-производственного корпуса №2 ПАО «РусГидро» филиала «Зейская ГЭС» (2016 г.);
Зырянова И.О. «Автоматизация системы откачки протечек гидроагрегатов Зейской ГЭС» (2017 г.);
Лабеко В.О. «Автоматизация технологического процесса установки Меррилл-Кроу горнообогатительного комплекса Кубака в Магаданской области» (2017 г.);
Павлова Д.А. «Автоматизированная система регулирования разрежения в топке парогенератора Райчихинской ГРЭС» (2017 г.);
Бабяк И.Ю. «Автоматизированная система управления системами жизнеобеспечения автономного объекта» (2017 г.).
В текущем учебном году разработка имитационной модели включена в обязательную часть по дисциплине «Программное обеспечение систем управления». Студенты разрабатывают модели АСУ ТП малой сложности (10 - 20 каналов ввода/вывода) по индивидуальным заданиям.
Во второй части статьи будут рассмотрены имитационные модели типовых подсистем АСУ
ТП.
1.Рыбалев, А.Н., Николаец, Ф.А. Разработка и эмулирование АСУ ТП с использованием программ разных производителей и типов // Вестник Амурского гос. ун-та.- Благовещенск: АмГУ. - 2014. - Вып. 56. - С. 73-82.
2. Рыбалев, А.Н., Николаец, Ф.А. Имитационное моделирование системы управления лифтом // Сб. трудов VIII Всероссийской науч.-техн. конф. «Энергетика: качество и эффективность использования энергоресурсов».-Благовещенск: АмГУ.- 2015.- С.452-458.
3. Рыбалев, А.Н. Программируемые логические контроллеры и аппаратура управления: лабораторный практикум. - Часть 4. Системы управления лифтом. Учебное пособие. - Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2015.
4. Рыбалев, А.Н., Редозубов, Р.Д., Колесников, П.С. Разработка лабораторного стенда по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств» // Вестник Амурского гос. ун-та. - Благовещенск: АмГУ. -2007. - Вып. 39. - С. 79-83.
5. Рыбалев, А.Н., Редозубов, Р.Д., Колесников, П.С. Модернизация лабораторного стенда по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств» // Вестник Амурского гос. ун-та. - Благовещенск: АмГУ. - 2008. - Вып. 43. - С. 50-53.
6. Рыбалев, А.Н. Программируемые логические контроллеры и аппаратура управления: лабораторный практикум. - Часть 5. Панели оператора. Учебное пособие. - Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2015.
