Разработка модели процесса автоматического регулирования производительности насоса на базе современных средств автоматизации Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621.92

Н. А. Староверова, Ю. Н. Зацаринная, А. Р. Герке,

А. В. Лира

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НАСОСА НА БАЗЕ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

Ключевые слова: моделирование, автоматизация, регулирование, дросселирование, насос, энергосбережение.

В статье выполнено исследование схем регулирования производительности насоса на основе байпасирования в зависимости от перемещаемой среды с использованием виртуальной модели процесса, что ускоряет и упрощает разработку, понижает риск ошибок, совершаемых разработчиком при исполнении рутинных операций. В отличие от теоретических методов исследования виртуальная модель процесса позволяет разработчику сосредоточиться на вопросах физики моделируемых действий или принципах функционирования технологических систем, не вникая в тонкости программирования. Установлено, данный тренажер позволит значительно улучшить работу оператора, обеспечить качественное управление процессом, а также позволит в дальнейшем обеспечить безопасную работу в настоящих условиях на химико-технологическом производстве.

Keywords: simulation, automation, regulation, throttling, pump, energy saving.

In this article a decomposition of the round broaches teeth sharpening operation is constructed. Analysed operation is divided into «tool», «workpiece», «machine», «device», «cutting-cooling technological means» due to junctional characteristics. As contrast to the known schemes of decomposition, subsystem «contact zone» and «tool amendment» are distinguished. It was established that during the teeth broaches grinding the technological parameters of the system can be changed over a period of time due to various factors. In the proposed scheme, the structural features of abrasion are reflected in backward and forward linkages.

В настоящее время вопросы энергосбережения тесно связаны с развитием экономики России и с начала XXI века становятся все более актуальными. Многие крупные производства в России, такие как химическая и нефтяная промышленность были построены в бывшем СССР до 80-х годов прошлого столетия. Советскую промышленность можно охарактеризовать ростом единичных мощностей агрегатов, ростом добычи нефти и газа и постоянно растущим спросом на электроэнергию. Это обусловило строительство мощных нефтяных артерий и крупных электрических станций. Не смотря на это, основной проблемой при эксплуатации нефтепроводов до 80-х годов был поиск резерва для увеличения пропускной способности магистральных нефтепроводов. В середине 80-х годов стала наблюдаться тенденция к снижению объемов добычи нефти, но в целом, до 1990 года рост объемов перекачки все же сохранялся. К концу 90-х годов, в связи с политической и экономической нестабильностью России, объемы перекачки нефти снизились в некоторых нефтепроводах на 50%. В настоящее время объемы перекачки нефти выросли по сравнению с 90 ми годами на 30%, но снижение объемов перекачки ниже номинальных производительностей перекачки привело к применению неэкономичных режимов работы насосов [1].

Целью нашей работы стало моделирование схем регулирования производительности насоса и повышение эффективности работы магистральных нефтепроводов, используя виртуальную модель процесса, в результате чего достигается энергосбережение при работе насосов в условии недогрузки. Данная модель может найти применение при моделировании режимов работы дымососов и дутьевых вентиляторов котлов, насосов нефте-перекачки и компрессоров газо-перекачки.

В последние годы рядом авторов Веремеенко A.A., Виноградова Е.В., Е.В. Вязунова, Гольянова А.И., Л.А. Зайцева, Колпакова Л.Г., Рахматуллина Ш.И., Аитовой Н.З. и Салащенко Г.С. ведутся интенсивные работы по экспериментальным и теоретическим исследованиям работы насосных станций в переменных режимах и методов регулирования их работы в таких режимах. В рассматриваемых работах отмечаются три наиболее распространенных технических варианта регулирования работы насосов: регулирование частоты вращения ротора насоса, путем использования двигателей с переменной частотой вращения или использованием специальных регулирующих муфт; изменение геометрии проточных каналов насоса и кинематики потока на входе в рабочее колесо.

Однако часть вышеперечисленных технических решений не нашли применения по ряду причин: отсутствие отечественного оборудования, которое удовлетворило бы требованиям к энергоемкому насосно-силовому оборудованию и отсутствие фундаментальных исследований в этой области. Проведение же эксперимента сдерживалось из-за отсутствия математических моделей элементов системы, адекватно описывающих их характеристики. Нами было проведено сравнительное исследование схем регулирования производительности насоса на основе байпасирования и дросселирования в зависимости от перемещаемой среды с использованием виртуальной модели процесса. Создание виртуальной модели процесса ускоряет и упрощает разработку, понижает риск ошибок, совершаемых разработчиком при исполнении рутинных операций, позволить разработчику сосредоточиться на вопросах физики моделируемых действий или принципах функционирования технологических систем, не вникая в тонкости программирования [2].

Можно выделить следующие основные задачи исследования:

- Разработка математических (виртуальных) моделей процесса автоматического регулирования производительности насоса на основе стабилизации с помощью метода дросселирования на базе современных технических средств автоматизации, с помощью инструмента моделирования Visual Modeler.

- Разработка алгоритма для расчета режимов работы насоса и минимизации расхода электроэнергии.

Для решения данных задач рассмотрены современные инструменты динамического моделирования и разработки тренажеров для технологического процесса. Для анализа и сравнения были взяты следующие системы:

Система CENTUM VP представляет собой распределенную систему управления производством, используемых для управления и контроля работы установок в самых различных отраслях промышленности: нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, целлюлозно-бумажной и др. отраслей промышленности. Она состоит из следующих компонентов:

- Станция оператора (HIS) является интерфейсом оператора, предназначенным для управления, контроля и инжиниринга;

- Станция Управления (FCS), под станцией управления FCS понимается контроллер, осуществляющий автоматизированный контроль и управление технологическим процессом в реальном масштабе времени. С помощью можно выполнять следующие действия:

- Задавать модули ввода/вывода, создавать переключатели Switch;

- Реализовывать логику с помощью схем управления на 5 языках программирования.

- Сеть Vnet/IPC помощью шины Vnet/IP соединены все узлы управления системы Centum VP. Она обеспечивает передачу данных между станциями управления и операторскими станциями. Эта шина является шиной реального времени и весь ее трафик контролируется системой. Для присоединения операторский станции к сети Vnet/IP используют интерфейсную плату шины управления VI701.

Система Trace Mode - программный комплекс класса SCADA HMI, изобретен компанией AdAstra Research Group. Специализирован для разработки программного обеспечения АСУТП, систем телемеханики, автоматизации построек, систем учёта электроэнергии воды, газа, тепла, а еще для снабжения их функционирования в настоящем времени.

Индивидуальностью TRACE MODE является «технология единой линии программирования», то есть вероятность разработки всех модулей АСУ при поддержке 1-го прибора. Разработка единой линии программирования позволяет в рамках 1-го проекта формировать средства человеко-машинного интерфейса, системы учёта ресурсов, программировать промышленные контроллеры и разрабатывать web-интерфейс. Для этого в инструментальную систему TRACE MODE интегрированы спец редакторы, такие как:

- Редактор графических мнемосхем;

- Редактор экранных панелей;

- Редактор программ на визуальном языке FBD (стандарт МЭК 6-1131/3);

- Редактор программ на визуальном языке SFC (стандарт МЭК 6-1131/3);

- Редактор программ на визуальном языке LD (стандарт МЭК 6-1131/3);

- Редактор программ на процедурном языке ST (стандарт МЭК 6-1131/3);

- Редактор программ на процедурном языке IL (стандарт МЭК 6-1131/3);

- Редактор шаблонов документов;

- Построитель связей с СУБД;

- Редактор паспортов оборудования (EAM);

- Редактор персонала (HRM);

- Редактор материальных ресурсов (MES).

Система CodeSys - инструментальный программный комплекс промышленной автоматизации. Делается и распространяется компанией 3S-Smart Software Solutions GmbH (Кемптен, Германия).

Среда программирования CoDeSys включает комплект приборов для подготовки и отладки программ, компиляторы, конфигураторы, редакторы визуализации и т. д. При необходимости функциональность системы дополняется опциональными компонентами. Проект CoDeSys разрешено сохранять не только на диске ПК, но и в контроллере, если он обладает большим размер памяти, что позволяет избежать утраты исходных текстов, либо неурядицы в проектах. Для огромных проектов предусмотрено внедрение системы контроля версий (SVN).

В CoDeSys для программирования доступны все 5 определяемых эталоном IEC 61131-3(МЭК 611313) языков:

- IL(Instruction List)— ассемблер-подобный язык;

- ST(Structured Text)— Pascal-подобный язык;

- LD(Ladder Diagram)— Язычок релейных схем;

- FBD(Function Block Diagram)— Язык многофункциональных блоков;

- SFC(Sequential Function Chart)— Язык диаграмм состояний.

Система InSIDE - встроенная среда разработки тренажеров InSiDE работает под управлением ОС семейства Windows (Windows NT, Windows 2000, Windows XP) и позволяет формировать тренажеры (как аналитические, так и полномасштабные) для технологических объектов разной ступени трудности. Она дозволяет:

- Автоматизировать процесс разработки тренажеров, что не только ускоряет и упрощает разработку, но и понижает риск ошибок, совершаемых разработчиком при исполнении рутинных операций.

- Привлекать к разработке профессионалов, не являющихся профессионалами в языках программирования. Применяя CAD системы, основанные на принципе визуального программирования, разработчик может сосредоточиться на вопросах физики моделируемых действий либо принципах функцио-

нирования технологических систем, не вникая в тонкости программирования.

- Записывать конфигурации в тренажер специалистам Клиента без привлечения разработчиков.

Главные свойства InSiDE:

- Графический интерфейс разработки тренажеров;

- Многопользовательская среда разработки;

- CAD приложения для визуального программирования;

- Средства отладки и мониторинга работы тренажера;

- Автоматизированная интеграция расчетных модулей тренажера;

- Возможность применения распределенных вычислений (кластерные тренажеры).

Служба встроенной среды разработки тренажеров InSiDE построена на применении базы данных настоящего времени InterBase. База данных тренажера используется для сохранения данных сообразно разрабатываемому тренажеру и организации к ней многопользовательского доступа.

Система MATHLAB (MATrix LABoratory) предназначена для выполнения научных и инженерных расчётов, с помощью которой эффективно решаются задачи математического моделирования. Данная интегрированная среда разработки представляет собой набор средств разработки, предоставляемых через единый пользовательский интерфейс.

Программная среда Lab VIEW — это среда графического программирования, используемая по всему миру для быстрого создания комплексных приложений в задачах измерения, автоматизации основанная на архитектуре потоков данных.

Система OmegaLand содержит несколько "модулей", каждый из которых обеспечивает независимую функцию и VMspace - механизм для систематизированного соединения этих модулей.

Базовые функциональные модули включают в себя необходимые фундаментальные модули для построения почти любой прикладной системы. Опционные функциональные модули могут быть выбраны в зависимости от назначения. Как базовые, так и опционные функциональные модули являются продуктами компании Omega Simulation. Базовые функциональные модули состоят из следующих четырех модулей:

1. Модуль модели технологической установки (VisualModeler)

2. Модуль управления исполнением (EXEC)

3. Модуль базы данных (DateBase)

4. Графический модуль (Graphic Builder)

Каждый модуль обеспечивает различные функции, что обеспечивает гибкость ситемы, которая позволит моделировать и решать любые задачи.

Используя пакет программ динамического моделирования "Visual Modeler" в комбинации с различными модулями, можно создать систему, предназначенную для проектирования/анализа технологических процессов, для проверки систем управления, для обучения, для поддержки эксплуатации и так далее. Данная система использует следующие симуляторы:

- Статический симулятор может быстро моделировать устойчивое состояние равновесия для определенных условий процесса. Оно применяется в следующих типах ситуаций:

- Анализ физических свойств химических компонентов;

- Анализ проектных данных и пограничных условий каждого блока;

- Определение устойчивого режима эксплуатации;

- Оценка строительства и эксплуатационных затрат.

- Динамический симулятор позволяет просматривать изменение результатов в зависимости от проектных данных, предоставленных для каждого блока, а также в зависимости от манипуляций с клапанами и т.д. в процессе моделирования. Он используется в следующих ситуациях:

- Проверка запуска и выключения операций;

- Анализ предельных точек операций;

- Разработка и исследование систем управления;

- Анализ аварий и нештатных ситуаций.

Цель как статических, так и динамических симу-ляторов - получить представление о процессе, а также проанализировать условия эксплуатации. Тем не менее, поскольку целью первого является извлечение проектных данных по оборудованию, а целью последнего является анализ и оптимизация условий эксплуатации, важно сделать правильный выбор в соответствии с целью анализа [3].

Visual Modeler содержит многочисленные встроенные функции, включая функцию редактирования модели, обеспечивающую возможность создания тренажера, работающего с различными математическими моделями процессов и аппаратов. В состав пакета также входят программы, реализующие функции выполнения производственных операций, используемые для работы и смоделированного тренажера и его тестирования, а также другие функции, которые могут понадобиться технологам и специалистам по автоматизации для создания специальных моделей под конкретные задачи.

Visual Modeler предлагает пять стандартных функций и две библиотеки:

- Функция редактирования модели - эта функция используется для построения модели нефтехимического производства, являющегося объектом моделирования, и для создания программы, выполняющей расчеты;

- Функция выполнения модели - эта функция используется для управления программой выполнения модели;

- Функция формирования модели блока - эта функция генерирует модель нового блока и регистрирует ее в библиотеке моделей блоков;

- Функция расчета физических свойств [S] [C] -Данные о физических свойствах, необходимые для расчета модели, содержат два типа величин такие как: молярная масса, равновесное соотношение потоков газ-жидкость и т.д.

Несмотря на то, что Visual Modeler представляет собой модульный тип симулятора, баланс напорного

потока не вычисляется отдельно для каждого блока, а одновременно для модели всего процесса.

Visual Modeler разбивает топологию процесса на несколько «линий потока» при каждом цикле выполнения. Скорость течения остается той же самой на протяжении единой линии потока [4].

Для решения поставленной задачи использовался пакет программ динамического моделирования "Visual Modeler" интегрированной среды для динамического моделирования OmegaLand.

В результате проведённого анализа был сделан вывод, что Visual Modeler идеально подходит для реализации процесс регулирования работы насоса. Так как данная среда имеет множество достоинств по сравнению с аналогичными системами разработки визуальных тренажеров.

При реализации схемы процесса необходимо добавить систему (то есть описать для каких сред будет использоваться схема). Так как в данном проекте предусмотрена реализация трех процессов, то для их работы было добавлено три системы.

Для добавления системы определяются компоненты и их физико-химические свойства, в VM имеется достаточно большая база компонентов, но даже если нужный компонент отсутствует в базе, имеется возможность его введения и описания. В нашем случае для начальных установок, могут использоваться имеющиеся компоненты.

После того как были добавлены системы имеется возможность реализовать саму схему процесса. Далее производится настройка установок и датчиков процесса.

Используя базу имеющегося оборудования, были составлены схемы, подобраны насосы, клапаны, регуляторы, а также измерительные приборы.

Построенная схема позволила выполнить работы в нескольких направлениях: 1. изучение поведения различных систем на использованном оборудовании, и как следствие предусмотреть возможные сложности при введении новых компонентов или нового оборудования в тех процесс. 2. Обучение персонала и предотвращение аварийных ситуаций путём их моделирования. 3. Подбор оптимальных параметров и схем регулирования для повышения производительности процессов [5].

Результатом моделирования и проведения исследований является решение проблемы рациональной загрузки систем магистральных нефтепроводов. В основе проведенных исследований лежат комплексы

математических алгоритмов решения задач рациональной эксплуатации систем магистральных нефтепроводов и повышения эффективности управления магистральными нефтепроводами. Данная задача была решена на основе создания тренажера системы автоматического регулирования производительности насоса на основе стабилизации методом дросселирования с помощью инструмента моделирования Visual Modeler.

В результате создания виртуальной модели схемы регулирования производительности насоса, стало возможным повышение эффективности работы магистральных нефтепроводов, в результате чего достигается энергосбережение при работе насосов в условии недогрузки до 12-15%.

Предложенные алгоритмы математической модели позволяют облегчить понимание процесса регулирования насосов, дает возможность будущим специалистам непосредственно на практике научиться управлять процессами, перед тем как приступить к настоящей работе. Применение разработанной модели и алгоритмов позволит сэкономить на нефтепроводах «Сургут-Полоцк» и «Баку-Тихорецк» при решении задач оптимальной загрузки нефтепроводов при их эксплуатации на затратах электроэнергии до 5,5 и 7% соответственно.

Литература

1. Зацаринная, Ю. Н. Десятникова Энергосбережение -актуальное направление экологической политики / Ю. Н. Зацаринная, Н.А. Староверова, Ф.Г. Келеш, Р.Н. Рах-маев, А.В. Чечков, Ю.С. Десятникова // Вестник технол. ун-та - 2015. - №12 - С. 106-109.

2. Иванов, А.А. Автоматизация технологических процессов и производств. Учебное пособие. М.: Изд-во Форум, Инфра-М, 2015. 224 с.

3. Магадеев В.В. Источники и системы теплоснабжения М.: Энергия 2013. 272 с.

4. Зацаринная, Ю. Н. Информационная транспортная шина предприятий (ESB) в распределенных энергетических компаниях / Ю. Н. Зацаринная, Р. Р. Рахматуллин, Г. И. Ризванова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2013. - №5 - С. 278-280.

5. Зарипов, Д.К. Индикатор дефекта высоковольтной изолирующей конструкции / Д.К. Зарипов // Электротехника. - 2016. - № 6. - С. 16-21.

6. Кабанов, А.А. Мера устойчивости к сингулярным возмущениям и робастные свойства линейных систем / А.А. Кабанов, С.А. Дубовик // Проблемы управления и информатики, 2010. - Вып. 3 - С.17 - 28.

© Н. А. Староверова - канд. тех. наук, доц. каф. автоматических систем сбора и обработки информации КНИТУ; Ю. Н. Зацаринная - канд. тех. наук, доц. каф. электрических станций КГЭУ, доц. каф. автоматических систем сбора и обработки информации КНИТУ, waysubbota@gmail.com; А. Р. Герке - канд. тех. наук, доц. каф. автоматических систем сбора и обработки информации КНИТУ; А. В. Лира - тех. наук, доц. той же кафедры.

© N. A. Staroverova - PhD, Associate Professor, Department of automatic systems for the collection and processing of KNRTU; J. N. Zatsarinnaya - PhD, Associate Professor, Department of Electrical stations KSPEU, Associate Professor, Department of automatic systems for the collection and processing of KNRTU, zac_jul@mail.ru; A R. Gerke - PhD, Associate Professor, Department of automatic systems for the collection and processing of KNRTU; A V. Lira - PhD, Associate Professor, Department of automatic systems for the collection and processing of KNRTU.