CC BY
27
УДК 004.942:681.513.672
А.П. СОБЧАК, П.Е. ЕФРЕМЕНКО
СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЙ МОДЕЛИ КОНТРОЛЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИЕЙ
Рассматриваются основные подходы к разработке структуры универсальной модели контроля (имитатора управляемого объекта) для систем автоматизированного управления, при программно-аппаратной реализации которой образуются необходимые контрольно-проверочные комплексы. Описывается возможная реализация структуры динамической модели, реализуемой в виде системы взаимодействующих алгоритмов имитации работы оборудования, совместно с динамической математической моделью функционирования управляемого объекта. Приводятся примеры проектирования алгоритмов имитации функционирования оборудования и одного из блоков математической модели работы объекта.
Введение
Для организации контроля и проверки правильности функционирования различных систем автоматизированного управления (САУ) на этапе отработки режимов их работы, а также для определения соответствия многих технических параметров системы установленным допускам в случае отсутствия непосредственного доступа к управляемому объекту необходим некоторый контрольно-проверочный комплекс, имитирующий функционирование управляемого объекта. Построение подобных электронных контрольно-проверочных комплексов осуществляется на основе предварительно спроектированной модели контроля. Структура модели и метод ее проектирования зависит от состава и особенностей объекта, имитацию функционирования которого она осуществляет, а также от структуры САУ и режимов ее работы.
В нашем случае управляемым объектом является газораспределительная станция (ГРС) и для соответствующей ей САУ производится синтез структуры модели контроля, на основе которой строится соответствующий контрольно-проверочный комплекс. ГРС выполняет функции обеспечения поставок природного газа из центральных газотранспортных магистралей, а также последующего его распределения между населенными пунктами (использование газа в бытовых целях) и различными промышленными предприятиями (использование газа в качестве сырья либо источника полезной энергии для различных видов работ). Данный тип объектов является одним из наиболее важных во всей энергетической инфраструктуре государства и поэтому для обеспечения стабильного и безопасного функционирования ГРС в настоящее время интенсивно разрабатываются и внедряются новые виды САУ. Этот факт и определяет необходимость разработки электронных контрольно-проверочных комплексов, отвечающих всем современным требованиям. Наиболее оптимальным и удобным методом решения поставленных задач является синтез универсальной и гибкой модели контроля для построения на ее основе универсальных контрольно-проверочных комплексов.
Целью исследования является разработка оптимальной структуры модели контроля, удобной при программно-аппаратной реализации, а также отвечающей всем необходимым характеристикам исходного объекта.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: выбор оптимального подхода к разработке структуры, синтез структуры, обеспечивающей гибкость динамической модели и возможность удобной ее реализации с использованием современных вычислительных и электронных средств.
1. Основные подходы к разработке и синтез структуры модели
При разработке структуры модели контроля наиболее целесообразно использовать системный подход к решению поставленной задачи, так как она характеризуется практической новизной и до настоящего времени вопрос о создании универсальной и гибкой модели контроля еще не решался. Одним из основных положений системного подхода при проектировании является принцип декомпозиции. Данный принцип предполагает определение перечня подцелей, необходимых для решения глобальной задачи, а также постановку соответствующих этим целям задач. Относительно разрабатываемой модели контроля данный принцип предполагает поблочное проектирование алгоритмов имитации работы оборудования, как основы структуры имитатора, а также разработку динамических математических моделей, соответствующих режимам функционирования объекта. Каждый отдельный блок имитационной структуры модели контроля соответствует определенной группе оборудования объекта с одинаковыми параметрами и алгоритмами функционирования.
Для синтеза структуры модели, имитирующей работу станции, необходимо выделить составляющие части ее структуры, которые тем или иным образом взаимодействуют с САУ. В структуре ГРС выделяют следующие основные группы оборудования, функционирование которых необходимо имитировать:
- система электропневматических устройств управления (ЭПУУ);
- оборудование зала редуцирования (система задатчиков давления и регуляторов);
- датчики различного типа и назначения;
- система одоризации;
- система коммерческого учета газа (КУГ);
- система охраны и безопасности.
В процессе разработки модели для построения алгоритмов имитации указанные выше группы оборудования рассматриваются как отдельные взаимодействующие между собой функциональные единицы или п-мерные массивы функциональных единиц (п - количество однотипного оборудования).
Как было упомянуто выше, структура модели контроля представляет собой систему, состоящую из блока имитатора структуры объекта (моделируется в виде системы алгоритмов, отображающих работу оборудования) и блока имитатора процессов функционирования (проектируется в виде динамической математической модели режимов функционирования объектов). Подобная структура модели характеризуется достаточной достоверностью имитации объекта и удобством при дальнейшей практической реализации модели. Помимо этого такой подход к синтезу имитационных моделей ранее не применялся при решении задач проектирования контрольно-проверочых комплексов.
Структуру модели контроля можно представить в виде блок-схемы (рис.1).
Рис. 1. Структура модели контроля
В структуре объекта присутствует ряд некоторых однотипных видов оборудования, функционирующих по одинаковому алгоритму (ЭПУУ, привод задатчика давления), поэтому для таких множеств однотипных устройств разрабатывается единый алгоритм, а при окончательном синтезе имитатора структуры объекта указанные выше перечни оборудования рассматриваются как ^мерные массивы алгоритмов.
Что касается непосредственно процесса проектирования структуры модели контроля, то его условно разделяют на два этапа:
- разработка алгоритмов функционирования каждого типа оборудования на основе его физического устройства и режимов работы;
- построение динамической математической модели работы объекта (ГРС) с обеспечением возможности определения основных параметров функционирования.
После разработки всех необходимых алгоритмов и построения математической модели функционирования ГРС производится окончательный синтез структуры модели контроля для САУ.
1.1. Проектирование алгоритмов имитации функционирования оборудования
Для более подробного описания процесса проектирования алгоритмов рассмотрим в качестве примера разработку алгоритма функционирования электропневматического устройства управления. Перед началом проектирования алгоритма необходимо произвести описание физического устройства и структуры данного типа оборудования, а также определить перечень переменных, необходимых для разработки. Переменные должны соответствовать возможным состояниям устройства и определенным состояниям управляющих сигналов, приходящих от САУ. ЭПУУ представляет собой управляемое пропускное устройство вентильного типа с исполнительной системой в виде двух клапанов разнонаправленного действия (открыть/закрыть), которые в свою очередь управляются двумя соленоидами. Также в структуру устройства входит система подвижных магнитов, взаимодействующая с двумя герконами, так называемыми «концевиками», которые имеют два состояния (замкнут/разомкнут) и предназначены для индикации и отображения возможных состояний ЭПУУ, а также фиксации и отображения возможных изменений этих состояний. ЭПУУ используются для разрешения или блокировки прохождения газа. Управление клапанами осуществляется через соленоиды путем подачи на них
определенного напряжения. Организация управления состоянием ЭПУУ осуществляется в соответствии с поступающими от САУ командами («открыть», «закрыть»). Учитывая возможные состояния концевиков (приняв условные обозначения: концевик разомкнут -«0», концевик замкнут - «1») и наличие команд от САУ, возможные состояния ЭПУУ можно отобразить таким образом, как показано в табл. 1.
Модель контроля предполагает динамическое функционирования алгоритма, поэтому необходима организация счетчика, с учетом которого будет работать алгоритм. Устройство ЭПУУ обладает важными для организации имитации его работы временными па- Таблица 2 раметрами, такими как время страгивания (Тстр) - это отрезок времени между моментом подачи команды с САУ и моментом срабатывания первого концевика (состояние размыкания обоих концевиков), а также время перестановки (Тпер) - это отрезок времени между моментом подачи команды с САУ и моментом завершения изменения состояния ЭПУУ (срабатывание оставшегося кон-цевика). В нашем случае наиболее удобно использование счетчика (Сч.Кр.), производящего подсчет времени с дискретностью 1 секунда. Состояние страгивания ЭПУУ соответствует началу процесса изменения его состояния.
Таким образом, учитывая возможные состояния и временные параметры работы ЭПУУ, а также наличие команд от САУ, назначается перечень условных переменных, которые будут использованы при синтезе алгоритма. Данный перечень переменных с их возможными состояниями представлен в табл. 2.
Согласно данному перечню переменных и с учетом использования счетчика Сч.Кр., производящего подсчет времени с дискретностью 1 с, синтезируется алгоритм функционирования модели ЭПУУ, который представлен на рис. 2.
Значения переменных алгоритма и некоторых параметров (Тстр. и Тпер), а также наличие и порядок поступления команд от САУ при динамическом функционировании алгоритма поступают из так называемой циклограммы, которая представляет собой программу работы всей модели контроля и синтезируется на основе динамической математической модели функционирования объекта (ГРС).
Таблица 1
Концевики Состояние ЭПУУ
1: Открыть 2: Закрыть
0 0 Стронулся
1 0 Открыт
0 1 Закрыт
1 1 Неисправность
Текущее состояние ЭПУУ (Сост.Кр.) Код Состояние:
0 открыт
1 закрыт
2 стронулся (оба концевика разомкнуты)
3 оба концевика замкнуты (неисправен)
Текущее состояние команды (Сост.Ком.) Код Состояние:
0 открыть
1 закрыть
2 нет команды
3 обе команды
Признак конца команды (Пр.Кон. Ком.) Код Состояние:
0 не закончилась
1 закончилась
Признак начала команды (Пр.Нач. Ком.) Код Состояние:
0 не начиналась
1 «закрыть» началась
2 «открыть» началась
3 «закрыть» не закончилась
4 «открыть» не закончилась
Признак брака ЭПУУ (Пр.Бр.Кр.) Код Состояние:
0 Норма
1 брак(неисправен соленоид)
Признак изменения состояния ЭПУУ (Пр.Изм. Сост.) Код Состояние:
0 не изменилось
1 изменилось
Рис. 2. Алгоритм функционирования модели ЭПУУ
1.2. Описание динамической математической модели функционирования
объекта
Разработка динамической математической модели функционирования объекта является вторым этапом построения модели контроля. Цель разработки динамической модели ГРС заключается в построении на ее основе программы работы модели контроля, а также в создании необходимой математической среды:
- разработки алгоритмов САУ ГРС и отработки программ на комплексном стенде;
- качественного выбора настроек алгоритмов, определяемых переходными процессами транспорта газа через ГРС;
- определения настроек алгоритмов контроля исправности регуляторов давления и алгоритмов формирования признаков аварийных ситуаций;
Рассматриваемая математическая модель ГРС объединяет в себе следующие модули:
- подводящего газопровода;
- четырех отводящих газопроводов;
- заларедуцирования.
Рис. 3. Модель зала редуцирования
В качестве примера рассмотрим модуль математической модели ГРС - модель зала редуцирования. В данной математической модели производится объединение отдельных модулей отводящих и подводящих газопроводов в единую модель ГРС (рис.3).
Модель зала редуцирования реализует выполнение следующих условий:
- массовый расход газа по каждому отдельному потребителю не может быть: больше максимальной пропускной способности линий редуцирования, включенных в режим «работа» с учетом возможной неисправности регуляторов давления, вызывающих нерегулируемое уменьшение расхода (обрыв штока и т. д.);
- давление газа на выходе ГРС соответствует заданному, если массовый расход не превышает максимальной пропускной способности и не меньше минимальной. В случае невыполнения этого условия давление газа на выходе ГРС по этому потребителю устанавливается исходя из подачи массы газа потребителю, соответствующей массовому расходу максимальной (минимальной) пропускной способности линий редуцирования;
- соотношение давлений газа на входе и выходе ГРС по каждому потребителю может изменяться во всем возможном диапазоне значений, оговоренном в технических условиях
на регуляторы давления (т. е. математическая модель регулятора давления должна предусматривать возможность сверхзвукового и дозвукового истечения газов).
Суммарная максимальная пропускная способность линий редуцирования по К-му потребителю, включенных в режим «работа» - qmax[k], определяется следующими зависимостями [3]:
qmax[k] = c1[k]2VPBxM(Рвых[5] - РвхМ) ((nzr(k) -1) + algmax[k]), если Р^к^^Р^Ц (дозвуковое истечение);
qmax [k] = С1МРВЫ1Х [5]((nzr(k) -1) + algmax[k]), если РВЫХ[5] > 2PBX[k] (сверхзвуковое истечение).
Суммарная минимальная пропускная способность линий редуцирования по К-му потребителю, включенных в режим «работа» - qmin[k], определяется следующими зависимостями [3]:
qmin [k] = c1[k]^PBx[k](Рвых[5] - РвхМ)(algmin[k] + (nzr(k) - 1)algmm0[k]), если РBЫX[5]<2РBX[k] (дозвуковое истечение);
q max [k] = c1[k^ix[5](algmin[k] + (nzr(k) - 1)algmin0[k]), если РВЫХ[5] > 2PBX[k] (сверхзвуковое истечение).
В приведенных зависимостях использованы следующие обозначения: d[k] - относительная максимальная пропускная способность регулятора давления по К-му потребителю (кг. см2/кгсс); PBX[k] - давление газа на входе отводящего газопровода К-го потребителя (давление газа на выходе ГРС по К-му потребителю); РВЫк[5] - давление газа на выходе подводящего газопровода (давление газа на входе ГРС); nNzr(k) - количество линий редуцирования по К-му потребителю; algmax[k] - относительное уменьшение пропускной способности неисправного регулятора давления; algmin0[k] - относительная минимальная пропускная способность одного регулятора давления в процентах от d[k]; algmin[k] - относительная минимальная пропускная способность неисправного регулятора давления [3].
Рассмотренная динамическая модель является универсальной для ГРС с одним работающим входом (одним открытым входным краном) и несколькими (не более пяти) выходами. Количество линий редуцирования по каждому потребителю зависит от структуры ГРС.
Заключение
Предложенная структура программно-аппаратной модели контроля системы автоматизированного управления газораспределительной станцией, которая представляет собой систему взаимодействующих алгоритмов имитации работы оборудования, совместно с рассмотренной динамической математической моделью функционирования ГРС [3] представляет собой универсальную и гибкую модель контроля для САУ, что и отображает научную новизну в отношении построения моделей контроля.
Программно-аппаратная реализация рассмотренной модели на основе современных вычислительных и электронных средств позволит создавать контрольно-проверочные комплексы различной конфигурации для проверки функционирования САУ ГРС, в чем и заключается практическая значимость разрабатываемой модели.
Список литературы: 1. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: построение и анализ. М.: МЦНМО, 2000. 632 с. 2. Шалыто А. А. Методы аппаратной и программной реализации алгоритмов. Санкт-Петербург: Наука, 2000. 749 с. 3. Експлуатацшт характеристики газонафтового комплексу/ Щд ред. Розгонюка В. В. К.: «Росток», 1998. 292 с.
Поступила в редколлегию 12.03.2007
Собчак Андрей Павлович, канд. техн. наук, доцент каф. 502 НАУ "XAM". Научные интересы: искусственный интеллект, аппаратные компиляторы, программируемые логические интегральные схемы, компьютерные методы моделирования электронных средств. Адрес: Украина, 61000, Xарьков, тел. 80503010593, e-mail: Sobchak@ukr.net.
Ефременко Павел Евгеньевич, студент НАУ "XAИ". Научные интересы: компьютерные методы моделирования электронных средств, проектирование систем управления, программируемые логические интегральные схемы. Увлечения и хобби: спорт (футбол), историческое холодное оружие. Адрес: Украина, 61000, Xарьков, тел. 80509737900, e-mail: Yefremen- ko@mail.ru.
