CC BY
143
АВТОМАТИЗАЦИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 681.5
В.В. Грачев, Л.П. Мышляев, В.Ф. Евтушенко, С.Ф. Киселев, Е.И. Львова, А.А. Линков
Сибирский государственный индустриальный университет
ИСПЫТАНИЕ И НАЛАДКА СРЕДСТВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ*
Опыт разработки, внедрения и эксплуатации сложных промышленных систем автоматизации показывает, что в силу ограничений технического, организационного и временного характера наибольшую работу по отладке системы - наладке аппаратных средств, алгоритмического, программного и информационного обеспечения, обучению производственного (технологического и обслуживающего) персонала необходимо выполнять в период, когда строительство объекта управления еще не закончено и технологические линии находятся в стадии монтажа [1].
Это предопределяет не просто целый ряд требований к функциональной структуре и математическому обеспечению, но и принципы, и методологию построения, проектирования и внедрения систем автоматизации управления, создания инструментального обеспечения исследований, испытаний и отладки системы в целом и отдельных ее компонентов в процессе проектирования, внедрения и эксплуатации. Одним из таких инструментов является специальный исследовательский и испытательно-наладочный комплекс - полигон. Его укрупненная структура представлена на рис. 1.
Испытательно-наладочный полигон выполнен в виде программно-технического стенда, оснащенного современным инструментальным обеспечением процессов разработки, исследования и наладки систем автоматизации, включая методические разработки, алгоритмы, программы и технические средства имитационного моделирования систем автоматизации производственных процессов, специальные пакеты программирования микропроцессорных контроллеров и интегрированные пакеты прикладного программирования систем автоматизации.
Испытательно-наладочный полигон позволяет выполнять следующие задачи:
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания Министерства образования и науки на выполнение СибГИУ научноисследовательской работы № 2555.
- тестирование аппаратных средств и базового программного обеспечения, устройств информационной связи компонентов системы автоматизации управления;
- отработку основных технических решений по обмену информацией между компонентами системы автоматизации управления, включая интерфейс с оперативным технологическим персоналом;
- настройку и сравнительную оценку эффективности алгоритмов управления технологическим оборудованием и технологическими процессами;
- испытание, настройку и оптимизацию типовых, а также разного рода специализированных алгоритмов управления;
- обучение технологического персонала и отработку навыков взаимодействия с программно-аппаратными средствами системы.
Решение указанных задач возможно по пути развития и практического использования современных методов имитационного моделирования, представлений теории активных систем, поисковых оптимизационных процедур, планирования эксперимента.
С этих позиций постановка задачи испытания и наладки средств и систем автоматизации в общем виде сделана следующим образом.
Дано. 1. Варианты макетов информационного, программного и технического обеспечения управляющей подсистемы управления.
2. Генераторы модельных, натурномодельных и натурных данных о функционировании действующих аналогов промышленных комплексов.
3. Объекты управления, реализованные в виде:
- физических объектов той же или другой природы, что и натурный объект управления;
- натурно-модельных комплексов, объединяющих натурные компоненты с пересчетны-ми математическими моделями;
- математических моделей объектов управления.
-44 -
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014
Натурные -элементы объекта управления
Рис. 1. Укрупненная структура испытательно-наладочного полигона
4. Технические и математические модули интеграции объекта управления и управляющей подсистемы.
5. Модуль управления испытанием и оптимизацией систем управления, обеспечивающий планирование экспериментов, имитационное натурно-математическое моделирование, расчет показателей эффективности, реализацию поисковых процедур, формирование отчетных документов.
Требуется. 1. Оценить показатели эффективности вариантов информационного, программного и технического обеспечения управляющих подсистем.
2. Выявить и устранить недостатки вариантов в обеспечении управляющих подсистем.
3. Провести структурную и параметрическую оптимизацию системы управления.
Для адекватного воспроизведения технологических процессов создана физическая (натурная) модель, отражающая практически все особенности производственных объектов. Схема этой модели представлена на рис. 2.
Физическая модель в общем виде представлена математической зависимостью в пространстве состояний:
Xj(t) = A/VX/t - xV/) + BjtfUjit - ti;j) +
+ Cj(t)W](t-xWjy, (1)
= DM)xAl ~ 4jY> nPu J = J-
где j = \,J, J- количество относительно автономных модулей установки; A-(t),
Сf(t), D-(t) - матрицы соответствующих
размерностей; ЛДД), £/Д?), W^t) и КД/) -векторы переменных состояний, управляющих, внешних и выходных воздействий; ту, т[?, т„ , I] - времена запаздывания по соответствующим каналам.
На физической модели можно реализовать следующие частные объекты:
- объект с управляемым рециклом (с положительной обратной связью), в который входят нагреватель 2, управляемые заслонки 2, 3;
- объект с пятью распределенными управ-
* *
лениями и, ;и5 ;
- последовательно соединенные инерционные объекты, включающие вентилятор, нагреватель I и нагреватель 2;
- объекты с запаздыванием в управлении и измерении в каждом частном объекте.
Изменением положения заслонок 1, 2, 3, 4 моделируются различного рода режимы управления и возмущения.
Для примера рассмотрим контур физической модели с распределенными управлениями, выделенный на рис. 2 двойной штриховой линией.
-45 -
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014
U*={u1*. iii*, из* и4*, и5*, и6*, и7*} - вектор задания управляющих воздействий; {Q0, Qi, Q2, Оз, Q4, Ti, Т2, Ро, Pi, Р2, Рз, Р4} - вектор измерений; О, и Pi-расход и давление воздуха после i-ой заслонки; Tj- температура после i-го нагревателя; МЭО -механизм электрический однооборотный
Рис. 2. Структурная схема физической модели
Испытания и исследования локального контура с распределенными управлениями проводились на объекте управления, состоящем из трех элементов физической модели - вентилятора и нагревателей 1, 2. Таким образом, рассматривался объект с тремя управляющими
входами lf= { и\,и\, и* } и одним выходом - Y.
Целью управления в таком контуре является реализация задания на температуру воздуха на выходе трубопровода (после нагревателя 2) - У* при равномерной нагрузке на вентилятор и нагреватели 1, 2. Реализация алгоритма управления осуществляется в программируемом логическом контроллере (ПЛК) на основании задания на температуру на выходе трубопровода У* и текущих данных о температуре У с датчика Т2.
На основе натурной установки проведены испытания и оптимизация структур и коэффициентов алгоритмов регулирования технологическими процессами:
- нагрева воздуха вентилятора главного проветривания угольной шахты;
- обогащения в отсадочных машинах и тя-желосредных сепараторов обогатительной фабрики;
- управления плотностью рабочей суспензии тяжелосредного сепаратора обогатительной фабрики.
За счет оптимизации структуры и параметров алгоритмов повышена точность регулирования на 10 - 20 % по среднемодульному критерию.
Для исследования и оптимизации в целом промышленных комплексов только таких установок не достаточно. В этом случае необходимо применение имитационного натурноматематического моделирования, сущность которого описана в работах [2, 3]. Натурные данные для такого имитационного моделирования и пересчетные математические модели брали с аналогов - уже реализованных промышленных комплексов с выделением типопредставительных (наиболее характерных) участков функционирования этих комплексов.
Физическая модель и натурноматематическое моделирование служат наиболее важными компонентами испытательноналадочного полигона, на котором реализуется макет промышленного комплекса с элементами информационных связей, технических средств и программного обеспечения.
В процессе испытаний и пуско-наладочных работ выявлялись ошибки и возможные недоработки алгоритмов управления функционированием отдельных агрегатов, системные и случайные ошибки программирования алгоритмов, ошибки в реализации обмена данными
-46 -
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014
Временные затраты и статистика обнаруженных ошибок при испытании и пуско-наладке средств и систем автоматизации на полигоне и на промышленной площадке
Показатели при испытании и пуско-наладке Значение по-
на полигоне казателя
Ошибки в локальных системах управления (количество ошибок / количество алгоритмов) 55/324
Ошибки при комплексной пуско-наладке системы автоматизации управления (количество ошибок / количество инструкций) 18/4520
Ошибки при комплексной пуско-наладке диспетчерской системы (количество ошибок / количество точек базы данных) 45/7540
Время испытания и пуско-наладки, ч 1000
Количество ошибок, % 75
Показатели при испытании и пуско-наладке ________на промышленной площадке__________
Ошибки подключения электрических цепей (количество ошибок / количество сигнальных подключений) 20/2500
Ошибки, выявленные при тестировании программ управления локальных агрегатов (количество ошибок / количество алгоритмов) 10/324
Ошибки, выявленные при проверке работы технологического комплекса (количество ошибок / количество алгоритмов) 9/118
Время испытания и пуско-наладки, ч 20
Количество ошибок, % 25
между удаленными частями системы автоматизации управления. Последующая наладка систем уже осуществлялась на промышленной площадке после реализации средств и систем автоматизации.
Пример показателей при испытании и пуско-наладке средств и систем автоматизации управления обогатительной фабрики на полигоне и на промышленной площадке приведен в таблице.
Выводы. Проведение испытаний и наладки средств и систем автоматизации на полигонном комплексе позволило практически на порядок минимизировать трудозатраты и сроки выполнения пуско-наладочных работ на промышленном объекте (на промышленной площадке). Отладка систем автоматизации на полигоне позволяет осуществить их опережающую реализацию еще до проведения пусконаладочных работ на технологических агрегатах. Эта опережающая реализация систем, по крайней мере, их информационной части с обеспечением основных технологических блокировок дает возможность уменьшить время наладки основного и вспомогательного технологического оборудования не менее чем на 15 - 20 %. Применение технологических блокировок обеспечивает сохранность оборудования
и повышает безопасность выполняемых пусконаладочных работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Грачев В.В. Методы и алгоритмы планирования, разработки и внедрения автоматизированных технологических комплексов (на примере углеобогатительных фабрик): Автореф. дис. канд. техн. наук. -Новокузнецк, СибГИУ, 2009. - 17 с.
2. Натурно-математическое моделирование в системах управления. Учебное пособие / В.П. Авдеев, С.Р. Зельцер, В.Я. Карташов и др.- Кемерово: изд. КемГУ, 1987. - 84 с.
3. Системы автоматизации на основе натурно-модельного подхода: Монография в 3-х томах. Т. 2. Системы автоматизации производственного назначения / Под ред. Л.П. Мышляева. - Новосибирск: Наука, 2006. -483 с.
© 2014 г. В.В. Грачев, Л.П. Мышляев, В. Ф. Евтушенко, С. Ф. Киселев, Е.И. Львова, А.А. Линков Поступила 20 февраля 2014 г.
-47 -
