CC BY
6
Научная статья УДК 681.5
Тестирование разработанной модели системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре (водоёме)
Анатолий Сергеевич Кизуров
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Для обеспечения надёжности работы автоматических и автоматизированных схем управления, построенных на базе программных логических реле, микроконтроллерной и микропроцессорной техники, разрабатываемое программное обеспечение, под управлением которого осуществляется функционирование схемы управления, необходимо тестировать на этапе разработки для обеспечения возможности своевременного исключения ошибок работы. Необходимость тестирования программного обеспечения рассмотрена на разработанной модели системы поддержания жидкости в технологическом резервуаре. Проанализирована актуальность автоматизации технологического процесса поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре, подтверждённая наличием узкоспециализированных схем управления. По результатам анализа выпускаемых промышленностью схем управления и на основании требований к технологическому процессу были сформулированы требования к автоматизации процесса поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре. На основе требований были разработаны мнемосхема, алгоритм управления, электрическая принципиальная схема и модель управления на примере FBD в среде ONI PLR Studio. Для проведения тестирования разработанной модели был разработан чек-лист. Представлены результаты тестирования разработанной модели с указанием мест, требующих дополнительного внимания в процессе построения автоматизированной системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре.
Ключевые слова: автоматизация, автоматическое управление, технологический резервуар, система поддержания уровня жидкости, модель системы, тестирование.
Для цитирования: Кизуров А.С. Тестирование разработанной модели системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре (водоёме) // Известия Оренбурского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 147 - 152.
Original аrticle
Testing the developed model of the system for maintaining the liquid level in the process tank (reservoir)
Anatoly S. Kizurov
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. To ensure the reliability of the operation of automatic and automated control schemes based on software logic relays, microcontroller and microprocessor technology, the software under development that controls the operation of the control scheme must be tested at the development stage to ensure the possibility of timely elimination of operating errors. An example of the need for software testing is the developed model of a fluid maintenance system in a process tank. The relevance of the automation of the technological process of maintaining the liquid level in the process tank, confirmed by the presence of highly specialized control schemes, is considered. Based on the analysis produced by the industry, control schemes and on the basis of the requirements for the technological process, the requirements for the automation of the process of maintaining the liquid level in the technological tank were formulated. Based on the requirements, a mnemonic diagram, a control algorithm, an electrical circuit diagram and a control model were developed using the example of FBD in the ONI PLR Studio environment. A checklist was developed to test the developed model. The results of testing the developed model are presented, indicating the places that require additional attention in the process of building an automated system for maintaining the liquid level in the process tank.
Keywords: automation, automatic control, process tank, liquid level maintenance system, system model, testing.
For citation: Kizurov A.S. Testing the developed model of the system for maintaining the liquid level in the process tank (reservoir). Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89(3): 147 - 152. (In Russ.).
Большое распространение в силу актуальности автоматизации технологического процесса получила схема поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре/водоёме. Примерами такого технологического процесса выступают системы откачки воды из подземных строений и сооружений, систем резервного хранения жидкостей и сыпучих веществ и др. Процесс поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре настолько распространён, что отдельно для него разработаны целые серии
узкоспециализированных реле регуляторов уровня [1 - 3].
Узкоспециализированные реле учитывают множество нюансов работы предполагаемых конфигураций оборудования, в том числе задержки на пуск, инертность системы, контроль обратной связи и тому подобное. Несмотря на все представленные плюсы, такие узкоспециализированные реле имеют один недостаток - невозможность перенастройки в условиях эксклюзивной компоновки оборудования и/или технологического
процесса. В случае необходимости обеспечения индивидуального подхода к реализации распространённой задачи обычно используется более универсальное решение с возможностью гибкой настройки и/или программирования. Примерами устройств управления с гибкой настройкой/ управлением служат контроллеры и программные реле [1 - 5].
Материал и методы. Проектирование индивидуальных систем автоматического/автоматизированного управления технологических процессов требует не только разработки алгоритмов, но и их тестирования для повышения надёжности работы и отказоустойчивости путём обнаружения допущенных уязвимостей. Таким образом, возникает необходимость обязательного тестирования разработанной модели систем управления технологическими процессами. С целью подтверждения необходимости тестирования разработанной модели этот процесс рассмотрен на примере системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре. Достижению поставленной цели способствовало решение следующих задач:
- разработать концепцию технологического процесса поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре;
- сформулировать технологические требования для автоматизации процесса поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре;
- разработать мнемосхему системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре;
- разработать электрическую схему управления поддержанием уровня жидкости в технологическом резервуаре на базе программируемого реле;
- разработать модель системы управления технологическим процессом управления поддержанием уровня жидкости в технологическом резервуаре использованием функциональных блок-диаграмм;
- выполнить функциональное тестирование разработанной модели системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре.
Результаты исследования. На основе анализа алгоритмов работы регуляторов уровней разработана концепция технологического процесса поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре. В основу концепции заложено автоматическое включение откачивающих насосов при появлении жидкости в нижнем уровне. Повышение надёжности схемы и обеспечение дискретного регулирования производительности обеспечивается применением не менее трёх насосов. Защита от сухого хода обеспечивается наличием датчиков давления на выходе насосов (пресостаты). Производительность системы регулируется контролем уровня жидкости в резервуаре посредством трёх датчиков: минимальный
уровень; максимальный уровень; аварийный уровень. Максимальной производительности системы можно добиться только в ручном режиме управления либо при срабатывании датчика аварийного уровня (отключение паузы в работе двигателя, параллельная работа всех насосов). Все режимы работы сигнализируются посредством световой индикации, аварийные режимы работы дублируются звуковыми сигналами [6].
Обеспечение подобного процесса на примере сыпучих веществ может рассматриваться по аналогии посредством замены насосов на электроклапаны, нории, вентиляторы и др., а поплавковых или ультразвуковых датчиков - на флажковые или радиационные.
К технологическим требованиям отнесены ограничения, обеспечивающие продление эксплуатационных показателей оборудования рассматриваемой системы. Продление эксплуатационных показателей обеспечивается повторно-кратковременным режимом работы двигателей насосов, защитой от сухого хода с временной задержкой на пуск.
На основании вышеуказанных концепции и технологических требований разработана мнемосхема системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре, представленная на рисунке 1 с указанием только основных рабочих элементов.
В процессе разработки электрической схемы управления рассматриваемым процессом было принято решение осуществить управление элементами индикации посредством АСУ, управляющей процессом. В структуру элементов сигнализации, управляемых непосредственно АСУ, включены: 3 индикатора работы насосов (зелёные); 3 индикатора простоя насосов (красные); 3 индикатора состояния датчиков уровня
Рис. 1 - Мнемосхема системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре:
Д1 - Д3 - дискретный датчик уровня; П1 -П3 - дискретный датчик давления/течения (пресостат); М1 - М3 - электродвигатель насоса; АСУ - автоматизированная система управления
(зелёный, жёлтый, красный); 3 индикатора состояния датчиков давления/течения; 1 звонок.
Таким образом, с учётом необходимости дополнительных трёх дискретных выводов программного реле для подключения контакторов насосов требуемое количество дискретных выходов программного реле составляет не менее 16.
В структуру измерительного оборудования входят: 3 дискретных датчика давления/течения;3 дискретных датчика уровня; кнопка «Аварийная откачка»; кнопка «Аварийный стоп».
Кнопка «Аварийный стоп» для повышения надёжности работы схемы управляет непосредственно питанием программного реле. Таким образом, требуемое количество дискретных входов программного реле составляет не менее 7.
Требованиям по количеству дискретных входов и выходов соответствует программное реле PLR-S-CPU-1410 с одним модулем расширения PLR-S-EMD-0808 (на примере продукции ONIPLR). С учётом коммутационного (контакторы) и защитного (автоматические выключатели) оборудования составлена однолинейная схема управления системы поддержания уровня жидкости в технологическом водоёме (рис. 2) [4, 5, 7, 8].
На основе концепции, технологических требований, мнемосхемы и однолинейной электрической схемы был составлен алгоритм работы модели системы управления, который представлен на рисунках 3 и 4 [4, 5, 9].
Алгоритмом предусмотрено параллельное выполнение пяти инструкций: таймер работы двигателей; управление работой двигателей, индикация показаний датчиков уровня, звуковая сигнализация; индикация режима работы первого двигателя; индикация режима работы второго двигателя; индикация режима работы третьего двигателя.
Вариант реализации алгоритма (рис. 3, рис. 4) с учётом электрической схемы (рис. 2) применением функциональных блок-диаграмм (на примере ONIPLRStudio) представлен на рисунке 5.
При формировании блок-схемы элементов В004(М4) - В008(М8) временные уставки представлены в секундах для упрощения тестирования разработанной модели. Таблицы истинностей блоков настраиваемой булевой логики В012(М12) - В014(М14) и В019(М19) -В021(М21) представлены на рисунках 6 А и 6 Б соответственно.
Рис. 2 - Однолинейная схема управления системой поддержания уровня жидкости в технологическом водоёме:
QF0 - QF4 - автоматический выключатель; KM 1 - КМ 3 - контактор (магнитный пускатель); М1 - М3 -электродвигатель; Д1 - Д3 - датчик уровня; П1-П2 - пресостат; КП1 - кнопка «Аварийная откачка»; КС.1 - кнопка с фиксацией «Аварийный стоп»; TV - блок питания; HL.1 - HL.12 - световые индикаторы; НА - звонок
Рис. 3 - Алгоритм работы модели системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре
С целью проведения функционального тестирования разработанной модели был сформирован чек-лист, включающий основные этапы проверки адекватности выполнения основных функций в соответствии с алгоритмом [10]: 1 -срабатывание датчика нижнего уровня приводит к поочерёдной работе по одному двигателю с заявленными временными интервалами; 2 - одновременное срабатывание датчиков нижнего и верхнего уровней приводит к поочерёдной работе по два двигателя с заявленными временными интервалами; 3 - одновременное срабатывание датчиков нижнего, верхнего и аварийного уровня и/или нажатие кнопки «Аварийная откачка» приводит к одновременной работе всех трёх двигателей; 4 - срабатывание датчика давления (пресостата) сигнализируется непрерывной работой соответствующего светового индикатора белого цвета; 5 - подача сигнала управления работой двигателя без срабатывания датчика давления (пресостата) сигнализируется миганием соответствующего светового индикатора зелёного цвета; 6 - режим обесточивания катушек магнитных пускателей/контакторов двигателей сигнализируется соответствующими световыми индикаторами красного цвета; 7 - срабатывание датчика нижнего уровня сигнализируется соответствующим световым индикатором зелёного цвета; 8 - срабатывание датчика верхнего уровня сигнализируется соответствующим световым индикатором жёлтого цвета; 9 - срабатывание датчика аварийного уровня сигнализируется соответствующим световым индикатором красного цвета; 10 - срабатывание датчика аварийного уровня и/или нажатие кнопки «Аварийная откачка» сигнализируется звуковым сигналом; 11 - продолжительный «сухой ход» (работа катушки магнитного пускателя/контактора без срабатывания датчика давления (пресостата) сопровождается отключением двигателя.
Рис. 4 - Алгоритм работы модели системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре (световая сигнализация)
Рис. 5 - Модель системы управления технологическим процессом управления поддержанием уровня жидкости в технологическом резервуаре использованием функциональных блок-диаграмм
Б012[М12][Настраиваемая булева логика] X
Параметры | Комментарии |
Имя блока; | р? Показывать параметры
- Варианты-
Выход 0 если результат TRUE <• Вькод 1 если результат TRUE
Индекс Вход 1 Вход 2 Вход 3 Вход 4 8 ыход
1 а 0 0 О О
2 1 0 0 О О
3 а 1 0 0 1
4 1 1 0 О 1
5 а а 1 О 1
в 1 0 1 О О
7 а 1 1 О 1
8 1 1 1 О 1
Э 0 0 0 1 О
10 1 0 0 1 1
11 О п 0 1 1
12 1 1 0 1 1
13 а а 1 1 1
14 1 0 1 1 О
15 0 1 1 1 1
16 1 1 1 1 1
В019[М19][Нэстрзивэемая булева логика] X
Параметры | Комментарии |
Имя блока: | |7 Показывать параметры
- Варианты-
С Вькод 0 если результат TRUE (* Вькод 1 если результат TRUE
Индекс Вход 1 Вход 2 Вход 3 Вход 4 В ыход
1 0 0 0 0 О
2 1 0 0 а О
3 0 1 0 0 0
4 1 1 0 0 1
5 0 0 1 0 О
в 1 0 1 О О
7 0 1 1 О 1
3 1 1 1 0 1
э 0 0 0 1 0
10 1 0 0 1 0
11 О 1 0 1 О
12 1 1 0 1 О
13 О 0 1 1 О
14 1 0 1 1 О
15 0 1 1 1 0
1в 1 1 1 1 О
OK Отмена Справка OK Отмена Справка
А
Б
Рис. 6 - Таблицы истинностей блоков настраиваемой булевой логикой:
А - для элементов В012 (М12), В013 (М13), В014 (М14); Б - для элементов В019(М19), В020(М20), В021 (М21)
В процессе функционирования разработанной модели в соответствии с чек-листом были получены следующие результаты: все пункты чек-листа выполняются по формальным признакам; пункт 6 «режим обесточивания катушек
магнитных пускателей/контакторов двигателей сигнализируется соответствующими световыми индикаторами красного цвета» работает адекватно в случае исправности двигателей. В случае неисправности пресостата адекватность соот-
ветственной сигнализации нарушается; пункт 11 «продолжительный «сухой ход» (работа катушки магнитного пускателя/контактора без срабатывания датчика давления (пресостата) сопровождается отключением двигателя» исключает блокировку неисправного двигателя, позволяя повторные попытки запуска двигателей.
Работа пункта 6 чек-листа не является критичной, так как от этого не зависит безопасность работы электроустановки, а нарушение выполнения пункта 11 чек-листа может спровоцировать аварийную ситуацию.
Вывод. По результатам работы были разработаны:
- концепция технологического процесса поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре на примере установки, включающей три датчика уровня и три насоса, сформулированы технологические требования для автоматизации процесса поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре;
- мнемосхема системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре;
- электрическая схема управления поддержанием уровня жидкости в технологическом резервуаре на базе программируемого реле семейства ONIPLR в совокупности с модулем расширения;
- модель системы управления технологическим процессом управления поддержанием уровня жидкости в технологическом резервуаре использованием функциональных блок-диаграмм.
Также выполнено функциональное тестирование разработанной модели системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре, в результате которого выявлены два недочёта в её работе: возможность нарушения адекватности работы сигнализации и нарушение стабильности блокировки цепи питания магнитного пускателя по причине неисправности соответствующего пресостата.
Литература
1. Система управления насосами и поддержания уровня жидкости в резервуаре (расходном баке) [Электронный ресурс]. URL: http://www.fuel-solution.com/ services/89/ (дата обращения 01.04.2021).
2. Регуляторы уровня РУ2, РУ3, РУ4, РУ5 [Электронный ресурс]. URL: http://promsouz.com/ru2-ru3-ru4-ru5. html (дата обращения 01.04.2021).
3. САУ-М7Е регулятор уровня жидкости или сыпучих сред [Электронный ресурс]. URL: https://owen.ru/product/ sau_m7e (дата обращения 01.04.2021).
4. Oni и Электростиль. Где купить панели оператора, контроллеры, логические реле, преобразователи частоты и электродвигатели Они в России. Логические реле [Электронный ресурс]. URL: http://oni.estl.ra/?group=PLR-S-CPU (дата обращения 01.04.2021).
5. Oni и Электростиль. Где купить панели оператора, контроллеры, логические реле, преобразователи частоты и электродвигатели Они в России. Коммуникационные модули [Электронный ресурс]. URL: http://oni.estl. ru/?group=PLR-S-EM (дата обращения 01.04.2021).
6. Кизуров А.С., Козлов А.В. Учебный стенд по обучению автоматизации работы насосных установок для АПК // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 2 (76). С. 137 - 140.
7. Кизуров А.С. Разработка схемы управления семи-сегментным дисплеем с применением электромагнитных реле // Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодёжи: сборник статей по материалам XI Всероссийской (национальной) научно-практической конференции молодых учёных, посвящённой 75-летию Курганской ГСХА имени Т.С. Мальцева / под общей редакцией И.Н. Миколайчика. 2019. С. 66 - 70.
8. Плесовских В.А., Кизуров А.С. Уменьшение количества проводников при индикации с применением полупроводниковых светодиодов // Актуальные вопросы науки и хозяйства: новые вызовы и решения: сборник материалов LII Международной студенческой научно-практической конференции. 2018. С. 196 - 199.
9. Chart, Diagram& Visual Workspace Software Creately [Электронный ресурс]. URL: https://creately.com/ (дата обращения 01.04.2021).
10. Разработка методики тестирования программного обеспечения [Электронный ресурс]. URL: https://elar. urfu.ru/bitstream/10995/28187/1/m_th_e.s.ivanov_2014.pdf (дата обращения 01.04.2021).
Анатолий Сергеевич Кизуров, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, Impossible_@mail.ru
Anatoly S. Kizurov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, Impossible_@mail.ru
-Ф-
