CC BY
90
Раздел IV
Автоматизированные системы управления
Т.А. Пьявченко, Е.М. Колесников
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АСУТП НА ТРЕНАЖЕРНОМ
КОМПЛЕКСЕ
Основная цель работы заключается в раскрытии возможностей тренажерного комплекса, позволяющего создать двухуровневую автоматизированную систему управления реальным объектом в среде SCADA-системы Трейс Моуд (TRACE MODE).
Толчком к появлению тренажерного комплекса послужила отечественная SCADA-система фирмы "AdAstra Research Group, Ltd" (г. Москва) TRACE MODE, предназначенная для сквозного программирования распределенных иерархических автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Благодаря универсальности, высокой производительности, поддержке свыше 1600 российских и иностранных контроллеров, а также гибкой ценовой политике Трейс Моуд завоевала популярность в странах дальнего и ближнего зарубежья [1].
Разработанный на кафедре САУ тренажерный комплекс состоит из объекта управления (ОУ), нагревателя, охладителей, датчика и промышленных модулей ввода/вывода. На этом комплексе обучающиеся проектируют двухуровневую иерархическую АСУТП, представленную на рис. 1.
На этом рисунке введены следующие обозначения: ТП -технологический процесс, Д -датчик, РО - регулирующий орган, ИБ - исполнительный
блок, УСО - устройство связи с объектом, АРМ -
автоматизированное рабочее место диспетчера. В качестве технологического процесса в тренажерном комплексе используется процесс нагрева
замкнутого объема с поме-
щением в него различных предметов. Нижний уровень
иерархической структуры
предназначен для реализации Рис. 1. Двухуровневая иерархическая АСУТП локальной системы управления.
Верхний уровень этой структуры, реализованный на ПК, представляет собой автоматизированное рабочее место. В качестве диспетчера могут выступать разработчики системы или операторы,
которыми в учебном процессе являются студенты, выполняющие лабораторные работы.
На нижнем уровне управления на базе указанных блоков создан контур регулирования температуры, в котором исследуются различные законы управления. Помимо функций управления, в тренажерном комплексе реализованы функции измерения и контроля по предельным значениям таких параметров объекта, как влажность и давление. Для измерения этих параметров используется универсальный цифровой датчик NL-1HTS. При конструировании стенда использовались промышленные устройства автоматизации фирмы НИЛ АП (г. Таганрог), в частности, модуль ввода-вывода серии NL-4RTD, имеющий 4 аналоговых, изолированных друг от друга входа, 3 дискретных выхода, встроенный алгоритм пропорционально-интегрально-дифференциального закона управления и возможность обмена данными с помощью интерфейса RS-485. Для связи модуля ввода-вывода и цифрового датчика с компьютером операторской станции используется модуль преобразователя интерфейса RS-485 в RS-232 NL-232C, позволяющий подключать промышленные модули через COM-порт. В качестве исполнительных блоков выступают нагреватель и охладитель. Нагреватель представляет собой набор резисторов большой мощности. Охладителями являются вентиляторы охлаждения. Исполнительные блоки подключены к выходам модуля ввода-вывода.
Применение SCADA-системы позволяет выполнить управление объектом в режиме реального времени, создать графический интерфейс, тренды различных параметров, архивирование данных и отчет тревог при аварийных и предаварийных ситуациях.
Проект в SCADA-системе имеет древовидную структуру. В него входят следующие компоненты: ресурсы, содержащие библиотеки картинок, анимаций и пользовательских объектов, загружаемых из библиотеки компонентов; шаблоны программ, содержащие алгоритмы FBD-программ, используемых в проекте; шаблоны экранов, содержащие статические изображения мнемосхем, которые представляют проект в мониторе реального времени (МРВ); база каналов, содержащая все каналы, необходимые для обмена информацией между компонентами проекта; система, отображающая все узлы проекта (МРВ, микроМРВ); источники/приёмники, предназначенные для связи МРВ с УСО.
С помощью перечисленных компонентов в АРМ тренажерного комплекса создается мнемосхема технологического процесса с возможностями оператором-диспетчером изменять тип регулятора, его параметры, сохранять в архиве состояния объекта управления, экплуатируемого в различных режимах, создавать отчет тревог, наблюдать графики изменения переменных состояния как ОУ, так и регулятора в реальном времени. Для задания температурного режима, коэффициентов регулятора, выбора режима работы, формирования управляющего воздействия и моделирования работы широтно-импульсного модулятора используются FBD-программы (FBD-Functional Blocks Diagrams), в которых заложен конкретный алгоритм операций над входными данными. В зависимости от того, из каких блоков состоит программа, можно судить о её назначении. В тренажерном комплексе предоставляется возможность приобрести навыки создания программ, формирующих управляющее воздействие и моделирующих работу ШИМ. Обучающийся на тренажерном комплексе имеет возможность разрабатывать свои программы и оформлять их в виде FBD-блоков, что облегчает создание сложного ПО.
Для осуществления взаимодействия устройств связи с объектом и ПЭВМ выбран механизм OPC-сервера. OPC-сервер представляет собой программу, позволяющую осуществить передачу информационных и управляющих сигналов от ПЭВМ к исполнительным блокам. OPC сервер NLopc является программной системой, позволяющей подключить аппаратуру, выпускаемую НИЛ АП, к программному обеспечению сторонних производителей, если оно удовлетворяет стандарту ОРС, в частности, к SCADA-системе TRACE MODE 6.
SCADA-система TRACE MODE 6 позволяет выполнить идентификацию ОУ по его разгонной характеристике. Тренд разгонной характеристики ОУ (зависимость температуры в замкнутом объеме от времени) показан на рис. 2.
4В0 МО 400 Ж0 эго 280 24.0 гоо
34.05.0611:44:21 11:9 агі іі:5 6:21 12:0 221 120 821 121 4:21 12:20:21 122 S21 ігзггі
Рис. 2. Тренд разгонной характеристики ОУ
Анализ этой характеристики позволил получить модель ОУ в виде инерционного звена с запаздыванием, т.е.
к
К/р) = "
-РТза
ТоР + 1
где к0 - коэффициент передачи как отношение установившегося значения температуры в ОУ к полному току нагревателя, То - постоянная времени ОУ с учетом инерционности нагревателя и датчика температуры, Тзап - величина запаздывания.
Для проектирования системы регулирования температуры нижнего уровня иерархической структуры АСУТП был выбран ПИ-регулятор с параметрами, рассчитанными в соответствии с представленной в [2] методикой. С учетом передаточной функции разомкнутого контура регулирования
крегк0 (Ти Р + !) -1
W (p) = ■
-ртз
выражения для амплитудно-частотной характеристик будут иметь вид:
Ти P(To p +11
А(ю) и фазочастотной Ф(ю)
к рег код/ Т*1 ю ^ 1 п
А(ю) = —I 0 0 > Ф(ю) = -Т -ю• тзап - • Т0) +
Тию^ (Т|2ю2 +1) 2
Определив значение постоянной времени интегрирования в регуляторе как Ти = Т0 , запишем выражение ф(ю) для частоты среза юср в виде
п
Ф(юср) = -~^-юср • тзап -агс1Б(юср • То) + агсї§(Тоюср) = -п + Уср
или
ж
- юср ■ тзап =-~^ + УсР’ откуда найдем величину
ю = (+ П - V )/Т .
ср ' >2 • ср / зап
Поскольку на частоте среза амплитудно-частотная характеристика разомкнутой системы равна 1, то из уравнения А(юСр) = 1 можно найти
Т0 ' юср
величину коэффициента крег как -----------------. Однако это значение необходимо
к0
скорректировать с учетом коэффициента пересчета блока ШИМ, используемого для управления реле, подключающего питание к нагревателю.
Коэфициент пересчета к*, возникающий из-за несоответствия формата кода
АЦП, используемого в датчике, и формата кода временного интервала, рассчитывается по следующей формуле:
*
нагрева
где * нагрева - время нагрева объема от *иин С д° *маКС С , Л - шЗГ КБантованИЯ
временного интервала, равный в используемой SCADA-системе величине разрешения (времени пересчета блока ШИМ), NщП - разрядность АЦП датчика.
При этом скорректированный коэффициент пропорциональности кп = крег ■ к*.
Эксперимент на тренажерном комплексе был выполнен со следующими параметрами: Л* = 0,055 с, NщП = 10 разрядам, крег =0,17, Ти = 670с,
К и = 1 / Ти =0,0015 с-1. В процессе эксперимента следовало обеспечить
апериодический переходный процесс длительностью *нагрева =25 мин.
На отобразившемся после запуска проекта экране (рис. 3) можно задавать рассчитанные параметры регулятора и, для наглядности, нажатием кнопки Тренд
Рис. 3. Экран “АРМдиспетчера”
переходить к экрану наблюдения за переходными характеристиками. Для системы, созданной с помощью тренажерного комплекса, представлены 2 графика: верхний показывает изменение температуры в процессе регулирования, нижний -изменение влажности в процессе контроля (рис. 4). Как видим, задание по температуре в 45 оС отрабатывается за заданное время с незначительным перерегулированием (< 5%).
fm (ВО 56.0 52.0 -43.0 44 .о 40.0 36.0 32.0 28.0 24.0 20.0 600 56.0 52.0 48.0 44.0 40.0 щшшш
4|Д'ИП1С Т емпер.1
32.0 28.0 24.0 20.0
ВлПЖН!
29.06.06 [QS- 1Ф <3= 4:24:00 14:30:00 14:36:00 14:4 Ф 4 I 2:00 14:48:00 14:5 4:00 15:00:00 15:0 6:00
<1
Рис. 4. Графики изменения температуры и влажности в ОУ
SCADA-система TRACE MODE поддерживает три архива: локальный архив СПАД - система промышленного архивирования данных, отчет тревог, глобальный регистратор. При эксперименте на тренажерном комплексе формировались сообщения в отчет тревог. При этом в случае выхода параметра за пределы нормы он помечался красным цветом и соответствующей надписью, к сожалению при черно-белой печати различия в цвете не видны (рис. 5).
События:
Н мя канала Кодировка Сообщение"
Т ип
Дата
Время
Т емперагура в норме
ІИІ м 11.10.200G 09:05.12.4 IN М Т емпераггура выше нормы
* 11.10.2006 09:05.33.0 STOP 02
* * 11.10.200G 09:06.58.0 LOGIN 0
* 11.10.2006 09:07.00.0 START 02
ІЛІ м 11.10.2006 09:07.01.0 OUT М 00 00 00 ... Т емпераггура выше нормы
ІИІ м 11.10.2006 09:07.02.0 Раскод 00 00 00 ... Т емпераггура ниже нормы
0 □ 11.10.2006 09:07.02.6 Раскод 00 00 00 ... Т емпераггура в норме
н А 11.10.2006 09:07.03.1 IN М Аварийно низкая температура
и А 11.10.2006 09:07.03.1 Раскод 00 00 00 ... П ерегрузка датчика температуры
[Щ М 11.10.2006 09:07.04.2 IN М Т емпераггура ниже нормы
0 и 11.10.2006 09:07.06.5 IN М Т емперагура в норме
Рис. 5. Бланк отчета тревог
Практическая ценность использования тренажерного комплекса очевидна. Он позволяет изучать работу современного оборудования и программных средств, вопросы создания АСУТП на основе SCADA-системы TRACE MODE, дает возможность проверить на практике результаты идентификации объекта и работу различных алгоритмов управления, сравнить результаты теоретического моделирования и реального эксперимента.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Руководство пользователя Трейс Моуд. Версия 6.4. М.: AdAstra Research Group, Ltd. 2006. - 814 c.
2. Пьявченко Т.А. Расчет параметров ПИД закона управления для объектов с транспортным запаздыванием. Известия ТРТУ. Тематический выпуск: Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием “Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении”. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006, №5(60). - C. 83 - 88.
В.В.Шадрина, Е.М.Колесников АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ ДАЛЬНЕГО ТРАНСПОРТА ГАЗА
Одной из ведущих отраслей топливно-энергетического комплекса страны является газовая промышленность. Ставится задача проектирования информационно-управляющей системы. Наличие диспетчера в контуре управления и ведение процесса координации на естественном языке приводит к необходимости учета трудностей представления знаний диспетчера в виде алгоритмов и согласованности полученного ЭВМ решения с его оценкой. Крайне важной представляется возможность использования для описания и формализации допустимых режимов работы технологического оборудования теории нечетких множеств.
Основным управляющим элементом в комплексе сооружений, входящих в магистральный газопровод, служат компрессорные станции (КС). Практически именно параметрами работы КС определяется режим работы газопровода. Наличие КС позволяет регулировать режим работы газопровода при колебаниях потребления, максимально использовать аккумулирующую способность газопровода. [1,4-7]. Решение задачи автоматизации для систем дальнего
