Проектирование автоматизированной системы управления технологическим процессом вакуумной компрессорной станции на КСП-23 Самотлорского месторождения

- по аварийному сигналу «Заниженный уровень в маслоотделителе» запускается алгоритм отключения насоса:

- замыкается дискретный выход “Отключить насос” на время равное Т1;

- по истечении времени Т1 контакт размыкается, и запускается задержка Т2 (ожидание выхода насосного агрегата на рабочий режим);

- по окончанию Т2 осуществляется проверка состояния насоса на выключено. Если насос не выключился - формируется сигнал «Отказ останова».

3.5.4.2 Управление задвижками

Управление задвижками может производиться в двух режимах:

- в автоматическом режиме управление задвижками выполняет контроллер или оператор кнопками с экрана ПЭВМ .

- в местном режиме управление задвижками выполняется только по месту.

Задвижка может находиться в трех состояниях:

- задвижка «закрыта»;

- задвижка «открыта»;

- задвижка «авария».

Выполнение команды «Открыть»:

- замыкается контакт «Открыть» и запускается задержка Т на время открытия;

- по истечению времени открытия Т, выход «Открыть» размыкается и анализируется состояние задвижки. Если замкнут цифровой вход «Задвижка открыта», то устанавливается состояние «Открыта». Если замкнут цифровой вход «Задвижка закрыта», то устанавливается состояние «Авария - отказ открытия».

Выполнение команды «Закрыть»:

- замыкается контакт «Закрыть» и запускается задержка Т на время закрытия;

- по истечению времени закрытия Т, выход «Закрыть» размыкается и анализируется состояние задвижки. Если замкнут цифровой вход «Задвижка закрыта», то выставляется состояние «Закрыта». Если замкнут цифровой вход «Задвижка открыта», то выставляется состояние «Авария - отказ закрытия».

3.5.4.3 Управление компрессорами

Компрессор может находиться в трёх режимах управления: местном, дистанционном и автоматическом.

В местном режиме включение/выключение компрессора осуществляется оператором по месту установки компрессора, контроллер в управлении не участвует: параметры готовности к пуску не контролируются, аварийный останов не отрабатывается. Если при переходе в местный режим компрессор не был в состоянии «Авария», бит «К пуску готов» замыкается, компрессор переходит в состояние «К пуску готов». Состояние «Авария» сбрасывается через интерфейс оператора кнопкой «Сброс». Кнопка останова насоса на ПК блокируется. Вся ответственность по управлению компрессором возлагается на оператора.

В дистанционном режиме включение/выключение компрессора происходит по команде оператора кнопками с экрана ПЭВМ. Контроллер разрешает или блокирует пуск компрессора, но не отрабатывает аварийный останов.

В автоматическом режиме контроллер разрешает или блокирует пуск компрессора, отрабатывает аварийный останов. В случае необходимости оператор может отключить компрессор по месту установки.

Если насос находится в выключенном состоянии и автоматическом или дистанционном режиме управления, то контролируется готовность к пуску:

- давление на входе ВКС не выходит за пределы уставок;

- давление на выходе компрессора меньше «HH»;

- температура подшипников N1, N2 электродвигателя меньше «HH»;

- температура газа на входе ВКС меньше «HH»;

- температура нагнетания компрессора меньше «HH»;

- ток компрессора меньше «HH» (AI);

- нет отказов аналоговых датчиков (давления, температуры, тока);

- нет аварийных сигналов с дискретных датчиков (DI):

- «заниженный уровень в маслоотделителе»;

- «завышенный уровень в С-101»;

- «завышенное давление нагнетания компрессора»;

- «заниженное давление газа на всасе компрессора»;

- «заниженное давление масла»;

- «завышенный осевой сдвиг»;

- «завышенная загазованность в блоке»;

- «перегрузка электродвигателя компрессора»;

- «пожар в блоке»;

- нет программного состояния «Авария».

При готовности к пуску замыкается бит «К пуску готов», и появляется соответствующая надпись в окне управления компрессором.

Запуск осуществляется оператором по месту установки компрессора, или с кнопки в интерфейсе оператора.

Если насос находится во включенном состоянии и автоматическом режиме, контроллер анализирует параметры аварийного останова:

- давление на входе ВКС выходит за пределы уставок;

- давление на выходе компрессора больше «HH»;

- температура подшипников N1, N2 электродвигателя больше «HH»;

- температура газа на входе ВКС больше «HH»;

- температура нагнетания компрессора больше «HH»;

- ток компрессора больше «HH»;

- отказы аналоговых датчиков (давления, температуры, тока);

- заниженный уровень в маслоотделителе;

- завышенный уровень в С-101;

- завышенное давление нагнетания компрессора;

- заниженное давление газа на всасе компрессора;

- заниженное давление масла;

- завышенный осевой сдвиг;

- завышенная загазованность в блоке;

- перегрузка электродвигателя компрессора;

- пожар в блоке.

где, “LL”- минимальный аварийный предел значения параметра;

“HH”- максимальный аварийный предел значения параметра.

При возникновении аварийного сигнала контроллер отрабатывает аварийный останов:

- Фиксирует время останова и значения всех параметров;

- Замыкается выход “Выключить” на время Т1;

- По истечению времени Т1 выход размыкается, и запускается задержка Т2 - ожидание останова компрессора;

- По окончанию Т2 анализируется состояние компрессора. Если на дискретном входе присутствует состояние «Включен», то выдается сообщение «Отказ останова»;

- Компрессор переходит в состояние «Авария».

Сброс состояния «Авария» осуществляется по команде оператора с ПК.

3.5.4.4 Управление вентиляторами

Управление вентиляторами осуществляется в местном, дистанционном и автоматическом режиме:

- В автоматическом режиме управления контроллер выдаёт команды на включение или отключение вентилятора в зависимости от загазованности помещения или при наличии сигнала «Пожар»;

- В дистанционном режиме включение/выключение вентилятора по команде оператора кнопками с экрана ПЭВМ;

- В местном режиме управление вентилятором выполняется только по месту оператором.

Если вентилятор находится в выключенном состоянии, то в автоматическом режиме контролируется сигнал высокая загазованность При возникновении этого сигнала запускается алгоритм включения вентилятора:

- Замыкается дискретный выход “Включить вентилятор” на время, равное Т1;

- По истечении времени Т1 выход размыкается, и запускается задержка Т2 - ожидание включения вентилятора;

- По окончанию Т2 анализируется состояние вентилятора. Если на дискретном входе нет состояния «Вентилятор включен», то выдается сообщение «Отказ пуска», и вентилятор переходит в состояние «Авария». Сброс состояния «Авария» осуществляется по команде оператора с ПК.

Если на дискретном входе есть состояния «Вентилятор включен», то вентилятор переходит в состояние «Включен»

Если вентилятор находится во включенном состоянии, то в автоматическом режиме контролируются сигналы:

- Пожар;

- Завышенная загазованность.

Алгоритм выключения вентилятора запускается по этим сигналам:

- Замыкается дискретный выход “Выключить вентилятор” на время равное Т1;

- По истечении времени Т1 выход размыкается, и запускается задержка Т2 - ожидание выключения вентилятора;

- По окончанию Т2 осуществляется проверка состояния вентилятора на выключено. Если на дискретном входе есть состояния «Вентилятор включен», то выдается сообщение «Отказ останова», и вентилятор переходит в состояние «Авария».

Если на дискретном входе нет состояния «Вентилятор включен», то вентилятор переходит в состояние «Выключен».

Сброс состояния «Авария» осуществляется по команде оператора с ПК.

3.5.4.5 Управление ТЭНами

Управление тэном осуществляется в местном, дистанционном и автоматическом режиме:

- В автоматическом режиме управления контроллер выдаёт команды на включение или отключение тэна в зависимости от температуры внутри блокбокса или при наличии сигнала «Пожар»;

- В дистанционном режиме включение/выключение тэна по команде оператора кнопками с экрана ПЭВМ;

- В местном режиме управление тэном выполняется только по месту оператором.

Если тэн находится в выключенном состоянии, то в автоматическом режиме контролируется сигнал «температура внутри блок-бокса».

Если значение этого сигнала достигает уровня LL, то запускается алгоритм включения тэна:

- Замыкается дискретный выход “Включить тэн” на время, равное Т1;

- По истечении времени Т1 выход размыкается, и запускается задержка Т2 - ожидание включения вентилятора;

- По окончанию Т2 анализируется состояние тэна. Если на дискретном входе нет состояния «тэн включен», то выдается сообщение «Отказ пуска», и тэн переходит в состояние «Авария». Сброс состояния «Авария» осуществляется по команде оператора с ПК.

Если на дискретном входе есть состояния «Тэн включен», то тэн переходит в состояние «Включен».

Если тэн находится во включенном состоянии, то в автоматическом режиме контролируются сигналы:

- Пожар;

- Температура внутри блокбокса.

Алгоритм выключения тэна запускается по достижении температуры уровня HH и при пожаре:

- Замыкается дискретный выход “Выключить тэн” на время равное Т1;

- По истечении времени Т1 выход размыкается, и запускается задержка Т2 - ожидание выключения тэна;

- По окончанию Т2 осуществляется проверка состояния тэна на выключено. Если на дискретном входе есть состояния «Тэн включен», то выдается сообщение «Отказ останова», и тэн переходит в состояние «Авария».

Если на дискретном входе нет состояния «Тэн включен», то тэн переходит в состояние «Выключен».

Сброс состояния «Авария» осуществляется по команде оператора с ПК.

Фрагмент программы представлен в приложении Г.

Блок-схема алгоритма главной программы управления ВКС приведена в приложении Д.

3.6 Разработка операторского интерфейса для ПЭВМ

3.6.1 Обоснование выбора ПО разработки АСУ ТП

Основу большинства SCADA-пакетов составляют несколько программных компонентов (база данных реального времени, ввода/вывода, предыстории, аварийных ситуаций) и администраторов (доступа, управления, сообщений).

В таблице 3.10 приведены некоторые из популярных на западном и российском рынках SCADA-систем, имеющих поддержку в России [18].

Таблица 3.10 - Популярные SCADA-системы

SCADA-система	Фирма-изготовитель	Страна
Trace Mode	AdAstra	Россия, г. Москва
Круг-2000	НПФ «Круг»	Россия, г. Пенза
MasterSCADA	НПФ «ИнСАТ»	Россия, г. Москва
MIK$Sys	МИФИ	Россия, г. Москва
InTouch	Wonderware	США
iFIX	Intellution	США
Factory Link	United State DATA Co.	США
Genesis	Iconics	США
SCADA-система	Фирма-изготовитель	Страна
RealFlex	BJ Software Inc.	США
RSView	Rockwell Software Inc.	США
Metso DNA	Metso Automation	Финляндия
Simplicity	GE Fanuc Automation	США
Monitor Pro	Schneider Electric	Франция
Vijeo Look	Schneider Electric	Франция
WinCC	Siemens	Германия
Sitex	Jade Software	Великобритания
Citect	CiTechnologies	Австралия

Рассмотрим некоторые из систем поподробнее.

3.6.1.1 Описание пакета RSView32

Производитель пакета RSView - американская фирма Rockwell Software, являющаяся подразделением компании Rockwell Automation, одного из мировых лидеров в производстве систем промышленной автоматики и электроники.

RSView использует открытые технологии в рамках платформы Microsoft Windows такие, как ODBC, OLE и DDE и является открытой платформой для выбора в промышленной автоматизации. RSView обеспечивает взаимодействие между продуктами серии Wintelligent и продуктами Microsoft и обладает улучшенной функциональностью по сравнения с традиционными средствами MMI. Это обеспечивается за счет объектно-ориентированной анимационной графики, открытой базы данных, регистрации архивных данных в формате DBF и расширенными возможностями для трендов, тревог, создания производных тэгов и детектора событий.

RSView позволяет создавать экранные дисплеи в любом графическом разрешении, независимо от того, в каком разрешении они будут представлены на реальном объекте. RSView обладает способностью вставлять объекты, записанные в форматах. DXF,. BMP и. WMF, кроме того, активно используется механизм OLE для работы со связанными объектами.

Технология ODBC (Open Database Connectivity) это стандарт, разработанный Microsoft, который позволяет базам данных различных форматов быть доступными для других приложений, работающих в среде Windows. Вся информация о тэгах RSView и системной конфигурации запоминается в формате совместимом с ODBC, и доступна для большого количества инструментальных средств работающих под Windows, таких как, Microsoft Access, Excel и т. д.

RSView поддерживает тревоги для цифровых и аналоговых тэгов, которые можно поделить на восемь градаций по уровням и восемь категорий опасности.

RSView имеет весьма гибкий и развитый механизм обработки трендов. Тренды могут сниматься непосредственно в реальном масштабе времени или браться из архивных файлов, предварительно записанных регистратором данных.

RSView поддерживает работу в сетевых средах. Имеется возможность разделения баз данных. Присутствует поддержка промышленных сетей таких как DH, DH+, DH485, ControlNet и т. д. RSView имеет уникальную систему драйверов связи. Она включает в себя динамическую оптимизацию обмена по сети и проверку ошибок индивидуально по каждому тэгу. Важной особенностью является горячее резервирование драйверов связи. Все это создает надежную среду для гарантированного сбора данных.

Система RSView имеет руководство на русском языке, что существенно упрощает ее первоначальное освоение и последующее использование.

RSView32 является контроллер ориентированной системой и хоть и содержит встроенный язык программирования, в ней отсутствует встроенные алгоритмы управления. Данная система пользуется алгоритмами, которые имеются в контроллере. Эта система используется данные, считываемые из контроллера, и может изменять данные, хранящиеся в нем.

Для создания системы управления необходим дополнительный пакет RSLinx, который обеспечивает связь с контроллерами, а так же с другими приложениями среды Windows. И пакет PanelBuilder для программирования графического терминала [19].

3.6.1.2 Описание пакета In Touch 6

Производитель пакета In Touch 6 - американская фирма Wonderware. InTouch - одна из популярных SCADA-систем. Одной из многих причин широкой популярности InTouch является удачная реализация HMI и его эффективность в отношении функциональность/цена. Этот интерфейс позволяет контролировать все объекты и системы и управлять ими, используя графические объекты. Он включает отображение параметров для управления сигналами, текущих и исторических трендов, а также отображение и регистрацию аварийных сигналов.

InTouch использует объектно-ориентированную графику. Объекты и группы объектов возможно двигать, изменять их размеры и анимировать быстрее, чем графические картинки. Мощный объектно-ориентированный инструмент дает возможность для создания, выравнивания, вращения, инвертирования, копирования, стирания, и др. Этим инструментом можно пользоваться, используя панель управления или меню. InTouch поддерживает любую графику, и позволяет иметь неограниченное количество объектов в окне.

Приложения InTouch достаточно гибкие, чтобы удовлетворить как текущие, так и будущие потребности без необходимости в дополнительных инвестициях и усилиях. Доступ к универсальным приложениям InTouch обеспечивается с различных мобильных устройств, маломощных сетевых клиентов, компьютерных узлов и через Интернет. Кроме того, открытый и расширяемый интерфейс InTouch предлагает широкие возможности взаимодействия с множеством устройств промышленной автоматизации.

Анимационные связи могут быть заданы таким образом, чтобы поддержать изменения размера, цвета, движения. Анимационные связи поддерживают работу с дискретными, аналоговыми и строковыми переменными; горизонтальными и вертикальными движками; дискретными и аналоговыми кнопками; кнопками показа и стирания окон. Они связаны с линиями и цветом текста, с вертикальными и горизонтальными размерами, вертикальным и горизонтальным местоположением, вертикальным и горизонтальным заполнением, вращением и мерцанием.

InTouch использует стандартный интерфейс Windows GUI, т.о. очень просто переходить от одной InTouch версии к другой, или от InTouch к другим программам, работающим в Windows.

InTouch включает библиотеку Wizard - работа с ранее созданными комплексными объектами, которые пользователь может свободно модифицировать и копировать. Часто используемые объекты могут быть добавлены в панель инструментов для возможности более простого использования.

Используя NetDDE от фирмы Wonderware, поставляемый с InTouch, пользователь выигрывает от возможности связи по DDE между задачами на разных компьютерах через сеть. Поддерживается связь между Windows, VMS и UNIX через протоколы NetBIOS, ТСР/IР и DecNЕТ, а также через последовательный канал. NetDDE позволяет рабочей станции быть виртуальными воротами между различными сетевыми протоколами [20].

3.6.1.3 Описание пакета Genesis32 6.0

Разработчик пакета Genesis32 6.0 американская фирма Iconics. Комплекс 32-разрядных приложений для Windows 95, Windows 98 и Windows NT, построенных в соответствии со спецификацией ОРС, который предназначен для создания программного обеспечения сбора данных и оперативного диспетчерского управления верхнего уровня систем промышленной автоматизации. Все программные компоненты реализованы на базе многопоточной модели и поддерживают технологию ActiveX. ( В состав данного пакета входят следующие клиентские приложения, соответствующие спецификации ОРС: GraphWorX32, TrendWorX32, AlarmWorX32, ScriptWorX32) [21].

3.6.1.4 Описание пакета Metso DNA (MD)

Использование открытых технологий в распределенных системах превращает их в динамические сети приложений, при этом решаются самые разнообразные задачи за счет имеющихся ресурсов.

Система MD представляет собой динамическую сеть приложений которая объединяет в себе всю деятельность по автоматизацию и информационному обеспечению (от цеха до офиса). В такой сети тесно взаимодействуют приложения, которые основаны на разных аппаратных и программных решений, это позволяет проводить гибкую политику в выборе информационных ресурсов.

MD обеспечивает архивацию и хранение данных, которые имеют отношения к технологическому процессу:

- Средства записи архивных данных о текущем состоянии и об аварийных ситуациях;

- В тесном взаимодействии работают служебные и программные приложения для анализа и обработки информации для пользователя.

Новая база данных для организации информационных ресурсов технологического процесса: Имеется переход от традиционных концепций управления информационными ресурсами на новый уровень управления (управление «знанием»). В сети MD знание работают с любыми документами.

Интерфейс оператора. Имеются динамические команды, которые позволяют управлять сложным технологическим процессом. Мгновенный доступ по всем узлам процесса. Гибкое использование информации. Интеграция опыта разработчика и особенности поведения оператора в нештатных ситуациях.

Открытая архитектура сети. Изменяется традиционная концепция. Использование различных языков. Осуществление стандартов. Открытость полевого оборудования, PROFIBUS и т.д.

Продуктивность инженеринга и технического обслуживания. MD позволяет повысить эти функции. Такая функция осуществляет управление всей документацией, необходимой для разработки и запуска, и дальнейшего технического обслуживания. Обновление документов ч/з сеть.

Встроенные системы автоматизации. MD приветствует компоненты автоматизации других фирм (интеллектуальные клапаны, системы I/O, система диагностики, беспроводные датчики температуры).

Полный контроль периодических процессов. DNAbatch - создает архивы и отчеты о процессе.

Гибкость системы MD. Она является масштабируемой (от маленьких процессов до больших, типа ГРЭС). Обозначается SoftDSC- гибкая система управления.

Интерфейсы связи MetsoDNA - программный интерфейс внешний, широкий выбор протоколов связи (универсальные протоколы) широкий выбор модулей с интерфейсом ProfiBUS, ORS, протокол с изменяемой конфигурацией CNP и ENP реализация связи с компьютерами, - программно-логические интерфейсы:

- протоколы ModBUS;

- Allen Bradley;

- Siemens;

- протоколы последней передачи данных;

Интерфейсы с полевым оборудованием.

Функции полевого контроля: международный стандарт используется для устр-ва I/O IEC-61131-3.

Интерфейсы Foundation FieldBUS - цифровая 2-хсторонняя многоточечная система связи используемая для обмена данными между полевыми приборами и диспетчерской [22].

3.6.1.5 выбор SCADA- пакета

На основе проведённого анализа, можно сказать, что система RSView32 является современным мощным средством для создания операторского интерфейса и в полной мере подходит для решения поставленной задачи. Также RSView32 была выбрана в качестве базовой системой, т.к. специально создана для работы с контроллерами фирмы Allen Bradley. Это обеспечит максимальную совместимость с оборудованием.

3.6.2 Описание интерфейса оператора

Для исключения несанкционированного доступа к функциям системы, пользователи АСУ ТП имеют регламентированные права к получению информации о состоянии технологического процесса и к управлению технологическим оборудованием, а также вводу информации и изменению конфигурации системы.

Предусмотрены следующие уровни доступа:

- DEFAULT - незарегистрированный пользователь;

- OPERATOR - оператор;

- MASTER - уровень инженеров КИП;

Для уровня «Незарегистрированный пользователь» информация доступна только для просмотра.

Уровень «Оператор» имеет доступ для просмотра всей технологической информации, а также управление исполнительными механизмами.

Для уровня «Мастер», доступно все вышесказанное, и, дополнительно, обеспечивается доступ к модификации порогов, уставок, коэффициентов и других конфигурационных параметров.

При запуске системы, интерфейс оператора загружается с уровнем доступа «незарегистрированный пользователь». Для изменения уровня доступа нужно зарегистрироваться под соответствующим именем пользователя.

3.6.2.1 Главный экран

При запуске системы появляется главный экран. На нем располагается основная мнемосхема.

Интерфейса содержит:

- строка кнопочного меню системы;

- рабочая область экрана (мнемосхема);

- поле, отображающее текущую дату и время;

- строка аварий и предупреждений;

- кнопка подтверждения текущей аварии;

- индикатор связи системы с контроллером.

Навигация по системе осуществляется с помощью строки кнопочного меню. Она позволяет быстро перейти с одного экрана на другой.

В строке аварий и предупреждений отображаются текущие аварии и предупредительные сигналы. При появлении аварии или предупреждении цвет фона стока меняет цвет с серого на красный. Аварии сопровождаются звуковой сиреной, воспроизводимой колонками ПЭВМ. При подтверждении аварии фон меняется на зеленый. Полный перечень аварийных сигналов, присутствующих в настоящий момент можно просмотреть, открыв окно «Текущие события» в меню «Предыстория».

Индикатор связи системы с контроллером показывает, есть ли между ними связь. Если связь есть то индикатор зеленый, если нет то красный.

Значение цветовых обозначений:

Уровень в сепараторах и емкостях определяется цветом и высотой заполнения столба внутри него:

- зеленый - норма;

- желтый - высокий (низкий);

- красный - завышенный (заниженный).

Задвижки выделяются одним из следующих цветов:

- Синий - задвижка закрыта;

- Зеленый - задвижка открыта;

- Красный - аварийная ситуация.

Насосные агрегаты и маслонасосы выделяются следующими цветами:

- Серый - насосный агрегат отключен;

- Зеленый - насосный агрегат включен;

- Красный - аварийная ситуация.

Вентиляторы и ТЭН выделяются следующими цветами:

- Серый - вентилятор отключен;

- Зеленый - вентилятор включен.

На мнемосхеме вентиляторы и ТЭН во время работы вращаются.

На мнемосхеме показаны текущие основные аналоговые параметры в точках замеров. Показания аналоговых датчиков находятся на белом фоне, если физическая величина находится установленных для нее пределах. При выходе величины за пределы измерения фон показания становится желтым, что сигнализирует о предаварийной ситуации, если фон стал красным, то значит, произошла аварийная ситуация. При отказе датчика на экране остается последняя величина параметра перед отказом, и позиция выделяется красным фоном.

При появлении аварий и предупреждений, заведенных на контроллер, на мнемосхеме появляется табличка с названием позиции сигнала в соответствующем месте мнемосхемы.

При нажатии на каждый объект открывается окно управления. Объекты, которыми можно управлять:

- Задвижками;

- Маслонасосом;

- Компрессорами;

- Регулирующим клапаном;

- Вентиляторами;

- ТЭНом.

При возникновении аварийной ситуации в управлении маслонасосом, компрессором, вентилятором и ТЭНом (аварийный останов, отказ пуска/останова и т.д.), изображение агрегата окрашивается в красный цвет. В этом случае необходимо перейти на окно управления данного устройства и проанализировать причину возникновения аварии.

3.6.2.2 Экраны управления задвижками

Окно состоит из 5 блоков:

- физическое состояние;

- управление;

- режим управления;

- аварийные сигналы;

- логическое состояние.

Физическое состояние - отображает текущее состояние задвижки: «открыта», «закрыта», «авария». Состояние «авария» устанавливается при отказе датчиков положения. «Отказ датчиков положения» устанавливается, если на входах контроллера присутствуют одновременно сигналы «Задвижка закрыта» и «Задвижка открыта» или если на входах контроллера не присутствует ни сигнала «Задвижка закрыта», ни сигнала «Задвижка открыта».

Управление - кнопки «Открыть» и «Закрыть» служат для дистанционного управления задвижкой и работают при автоматическом режиме.

Режим управления - отображает текущий режим управления оборудованием: «местный», «автоматический» и «дистанционный». Его можно изменить, нажав соответствующую кнопку.

Аварийные сигналы - отображает аварийные сигналы. Кнопка «Сброс» сбрасывает все аварийные сигналы и инициализирует алгоритм управления. Работает во всех режимах управления. Если оборудование находится в состоянии «авария», то после устранения причин аварии, необходимо нажать кнопку «Сброс».

Логическое состояние - отображает текущее состояние алгоритма: «задвижка открыта», «задвижка закрыта», «открытие задвижки», «закрытие задвижки», «авария». Состояние «авария» устанавливается при отказе открытия, закрытия задвижки.

3.6.2.3 Экраны управления маслонасосами

Окно состоит из 5 блоков:

- физическое состояние;

- управление;

- режим управления;

- аварийные сигналы;

- логическое состояние.

Физическое состояние - отображает текущее состояние маслонасоса: «включен», «отключен».

Управление - кнопки «включить» и «отключить» служат для дистанционного управления маслонасосом и работают при автоматическом режиме, но блокируются при «местном» режиме. Также здесь отображается «вмешательство оператора». Оно говорит о том, что оператор производил управление с помощью кнопок в «автоматическом» режиме.

Режим управления - отображает текущий режим управления оборудованием: «местный», «автоматический», и «дистанционный». Его можно изменить, нажав соответствующую кнопку.

Аварийные сигналы - отображает аварийные сигналы. Кнопка «Сброс» сбрасывает все аварийные сигналы и инициализирует алгоритм управления. Работает во всех режимах управления. Если оборудование находится в состоянии «авария», то после устранения причин аварии, необходимо нажать кнопку «Сброс».

Логическое состояние - отображает текущее состояние алгоритма: «включен», «отключен», «включается», «отключается», «авария». Состояние «авария» устанавливается при отказе открытия, закрытия задвижки.

3.6.2.4 Экраны управления компрессорами

Окно состоит из 6 блоков:

- физическое состояние;

- управление;

- режим управления;

- аварийные сигналы;

- логическое состояние;

- параметры аварийного останова.

Физическое состояние - отображает текущее состояние компрессора: «включен», «отключен». При аварийном останове появляется надпись «Авария» красного цвета.

Управление - кнопки «Пуск» и «Стоп» служат для дистанционного управления компрессором и работают при дистанционном режиме. Также здесь отображается «готовность компрессора к пуску» и «вмешательство оператора».

Режим управления - отображает текущий режим управления оборудованием: «местный», «дистанционный» и «автоматический». Его можно изменить, нажав соответствующую кнопку.

Аварийные сигналы - отображает аварийные сигналы. Кнопка «Сброс» сбрасывает все аварийные сигналы и инициализирует алгоритм управления. Работает во всех режимах управления. Если оборудование находится в состоянии «авария», то после устранения причин аварии, необходимо нажать кнопку «Сброс».

Логическое состояние - отображает текущее состояние алгоритма: «включен», «отключен», «включение», «отключение», «авария». Состояние «авария» устанавливается при отказе пуска, останова компрессора.

Параметры аварийного останова - отображает сигналы по которым производится проверка на готовность к пуску и аварийный останов компрессора. Для изменения параметров аварийного останова необходимо зарегистрироваться под пользователем MASTER. Для подтверждения параметра необходимо нажать кнопку рядом с названием параметра. Зеленый цвет кнопки сигнализирует о том, что параметр подтвержден. Если кнопка серого цвета, то это означает, что параметр не подтвержден, и что аварийный останов по этому сигналу отрабатываться не будет. Красный цвет надписи сообщает, что в данный момент сигнал присутствует.

При нажатии на кнопку «Причина останова» открывается окно причины аварийного останова компрессора, содержащее информацию о дате и времени последнего аварийного останова компрессора, с указанием причины останова и показаниями аналоговых датчиков на момент останова.

3.6.2.5 Экраны управления вентиляторами

Окно состоит из 5 блоков:

- физическое состояние;

- управление;

- режим управления;

- аварийные сигналы;

- логическое состояние.

Физическое состояние - отображает текущее состояние вентилятора: «включен», «отключен», «авария».

Управление - кнопки «Пуск» и «Стоп» служат для дистанционного управления вентилятором и работают при дистанционном режиме.

Режим управления - отображает текущий режим управления оборудованием: «местный», «дистанционный», «автоматический». Его можно изменить, нажав соответствующую кнопку.

Аварийные сигналы - отображает аварийные сигналы. Кнопка «Сброс» сбрасывает все аварийные сигналы и инициализирует алгоритм управления. Работает во всех режимах управления. Если оборудование находится в состоянии «авария», то после устранения причин аварии, необходимо нажать кнопку «Сброс».

Логическое состояние - отображает текущее состояние алгоритма: «включен», «отключен», «включение», «отключение», «авария». Состояние «авария» устанавливается при отказе пуска, останова вентилятора.

3.6.2.6 Экраны управления ТЭНами

Окно состоит из 5 блоков:

- физическое состояние;

- управление;

- режим управления;

- аварийные сигналы;

- логическое состояние.

Физическое состояние - отображает текущее состояние ТЭНа: «включен», «отключен», «авария».

Управление - кнопки «Пуск» и «Стоп» служат для дистанционного управления ТЭНом и работают при дистанционном режиме.

Режим управления - отображает текущий режим управления оборудованием: «местный», «дистанционный», «автоматический». Его можно изменить, нажав соответствующую кнопку.

Аварийные сигналы - отображает аварийные сигналы. Кнопка «Сброс» сбрасывает все аварийные сигналы и инициализирует алгоритм управления. Работает во всех режимах управления. Если оборудование находится в состоянии «авария», то после устранения причин аварии, необходимо нажать кнопку «Сброс».

Логическое состояние - отображает текущее состояние алгоритма: «включен», «отключен», «включение», «отключение», «авария». Состояние «авария» устанавливается при отказе пуска, останова ТЭНа.

3.6.2.7 Экран управления регулирующим клапаном

На экране показана лицевая панель регулятора с величинами переменной процесса PV, уставки SP и выходного воздействия CV в процентах. Величину уставки можно задать числом в поле ввода. Фон цифры изменится на синий, с помощью клавиатуры можно ввести новое значение. Нажатием клавиши «Enter» значение занесется в контроллер.

Режим управления - отображает текущий режим управления оборудованием: «дистанционный» и «автоматический». Его можно изменить, нажав соответствующую кнопку. В дистанционном режиме можно непосредственно задавать величину выходного воздействия на клапан в процентах. Величину выходного воздействия можно задать числом в поле ввода. Фон цифры изменится на синий, с помощью клавиатуры вводится новое значение, нажатием «Enter» значение занесется в контроллер. Для смены режима управления необходимо нажать соответствующую кнопку.

Аварийные сигналы - отображает аварийные сигналы. Кнопка «Сброс» сбрасывает все аварийные сигналы и инициализирует алгоритм управления. Работает во всех режимах управления. Если оборудование находится в состоянии «авария», то после устранения причин аварии, необходимо нажать кнопку «Сброс». Аварийные сигналы: «отказ открытия» «отказ закрытия» «стоп регулирования».

Чтобы изменить параметры регулятора необходимо войти под пользователем, имеющим право изменять коэффициенты. Коэффициенты станут доступными для изменения. С помощью мыши выделяется значение нужного коэффициента, фон цифры изменится на синий, с клавиатуры вводится новое значение, нажатием «Enter» значение занесется в контроллер. Затем необходимо щелкнуть мышью в любом другом месте экрана.

3.6.2.8 Экраны «Предыстории»

При нажатии на кнопку «Предыстория» в основном меню, появляется подменю, из которого можно выбрать «Текущие события» и «Прошедшие события».

В окне «Текущие события» отображены все аварийные сигналы, которые присутствуют на данный момент.

Кнопка «Прошедшие события» вызывает список всех событий.

Эти данные хранятся в базе данных и их можно просмотреть за любой день. При вызове предыстории данные загружаются за текущие сутки с 0 часов до текущего времени, дата и время начала и конца периода представлены в левом верхнем углу окна.

3.6.2.9 Экраны трендов

При выборе пункта меню «Тренды» выходит подменю трендов.

Из этого подменю можно вызвать графики изменения аналоговых величин ВКС, разбитые на условные группы.

При выборе любого пункта подменю выводится экран трендов с параметрами соответствующей группы.

3.6.2.10 Экран «все параметры»

При выборе пункта меню «Параметры» появляется подменю аналоговых величин.

При выборе пункта подменю «параметры ОХ» на экран выводится таблица аналоговых параметров. Также можно просмотреть аналоговые параметры по компрессорным линиям К1 и К2.

Здесь показаны аналоговые параметры в точках замеров. В крайнем правом столбце таблицы выводится состояние датчика. Если датчик в норме, то выводится надпись «РАБОТА», если датчик уходит в отказ, то выводится надпись «ОТКАЗ».

3.6.2.11 Экран регистрации

В данном пункте меню пользователь может зарегистрироваться в системе.

Сразу после загрузки программы в системе регистрируется пользователь с именем «DEFAULT», который не имеет доступа к функциям управления и изменения конфигурации.

Для доступа к информации предусматривается несколько уровней доступа, определяемых паролями:

- незарегистрированный пользователь (DEFAULT);

- оператор (OPERATOR);

- мастер (MASTER);

Для уровня «Незарегистрированный пользователь» информация доступна только для просмотра.

Для уровня «Оператор» доступна для просмотра вся технологическая информация и управление исполнительными механизмами

Для уровня «Мастер», кроме того, обеспечивается доступ к модификации порогов, уставок, коэффициентов и других конфигурационных параметров.

3.6.2.12 Экран выхода из системы

Для выхода из программы из главного меню выберите пункт «Выход», затем два раза подтвердите свое намерение путем нажатия кнопок «Да» в всплывающих окнах. ВНИМАНИЕ: После выхода из программы регистрация всех аварийных, предупредительных сигналов и трендов прекращается!

4. Расчетная часть

4.1 Расчет системы автоматического регулирования

4.1.1 Определение передаточной функции объекта

Применение цифровых контроллеров для цепей управления вносит свою специфику в исследование систем управления, обусловленную тем, что вычислительные устройства таких контроллеров являются дискретными системами, оперирующими с дискретными сигналами, то есть сигналами принимающими определенные значения только в дискретные, обычно равноотстоящие моменты времени через интервал времени Т, который обычно называют интервалом квантования.

В проекте системой регулирования является система регулирования давления во входном трубопроводе сепаратора вакуумной компрессорной станции. На практике обычно используют графический метод идентификации с помощью переходной характеристики, полученной экспериментальным путем. В качестве исходных данных используется график изменения положения регулирующего органа (рисунок 4.1.) и график кривой отклика объекта (рисунок 4.2.).

Рисунок. 4.1 График входного ступенчатого воздействия



Рисунок. 4.2 График кривой отклика объекта

По характеру кривой отклика регулируемый объект относится к объектам с самовыравниванием (статический объект). При практических расчетах наиболее часто передаточную функцию такого объекта представляют апериодическим звеном с запаздыванием [23]:

(4.1)

Параметры Коб, Тоб и определяются с помощью графика переходного процесса. Для этого проведем касательную к графику переходной характеристики. Постоянная времени Т равна отрезку времени, при пересечении касательной установившегося значения и оси времени. Из графика можно сделать вывод, что Тоб = 3,5 с.

Найдем коэффициент усиления, используя формулу (4.2):

(4.2)

где уст - изменение выходной величины;

- изменение положения регулирующего органа.

уст определяется по формуле (4.3):

(4.3)

определяется по формуле (4.4):

(4.4)

Тогда безразмерный коэффициент преобразования будет равен

Из рисунка 4.2 видно, что запаздывание (ф) в системе равно 1,5с .

Полная передаточная функция в размерном виде запишется:

(4.5)

4.1.2 Структурная схема замкнутой системы автоматического регулирования

Цифровые системы автоматического управления (ЦСАУ) с управляющей микро-ЭВМ представляют собой дискретную систему и характеризуются наличием квантования управляющих сигналов по времени и уровню. Квантование по времени делает ЦСАУ импульсной, а по уровню - нелинейной. Квантование сигналов управления по уровню в ЦСАУ выполняет АЦП. Квантование по времени обусловлено ограниченным быстродействием ЭВМ. Квантованием по уровню в ЦСАУ пренебрегают, поскольку в каналах управления в большинстве случаев используются многоразрядные АЦП. Структурная схема такой ЦСАУ представлена на рисунке 4.3(а). В ней как задающее воздействие G(S), так и регулируемая величина Y(S) являются непрерывными функциями, что возможно в том случае, если в системе используются аналоговые датчики. В такой ЦСАУ непрерывный сигнал ошибки E(S) поступает на входной преобразователь АЦП. Съем информации производится в дискретные моменты времени. После цифровой обработки в соответствии с требуемым управляющим алгоритмом управляющее воздействие поступает на выходной преобразователь ЦАП. Выходной преобразователь ЦАП в ЦСАУ одновременно является экстраполятором нулевого порядка, сигнал на его выходе постоянный в течении периода дискретности Т [23].

С учетом вышеизложенного структурная схема, по которой будет осуществляться расчет переходного процесса, может быть преобразована к виду, представленному на рисунке 4.3б.

а

б

Рисунок. 4.3 Структурные схемы ЦСАУ

Передаточные функции отдельных частей системы могут быть представлены следующим образом. Передаточная функция регулятора D(Z) будет определяться формулой (4.6):

 (4.6)

где Кп - коэффициент пропорциональности;

Ти - постоянная интегрирования.

Приведенная часть системы состоит из двух элементов: фиксатор нулевого порядка H0(S) и непрерывная часть системы Wоб(S).

(4.7)

(4.8)

4.1.3 Расчет оптимальных параметров настройки дискретного регулятора

Расчет оптимальных настроек цифровых регуляторов, работающих в режиме получения достаточной информации об изменении регулируемых величин, может осуществляться методами расчета непрерывных и дискретных регуляторов. Для расчета будем использовать аналитический метод расчета непрерывного регулятора для непрерывного объекта с помощью расширенных КЧХ. В данном методе получают комплексную частотную характеристику W(m, jw) из передаточных функций заменой S на (jw - mw). m - степень колебательности системы.

Для начала расчета зададимся степенью колебательности m = 0,2.

Запишем передаточную функцию объекта:

(4.9)

Запишем передаточную функцию ПИ - регулятора:

(4.10)

где, С0=Кп/Ти, С1=Кп - параметры настройки ПИ - регулятора.

Исходным для расчета границы области заданной степени колебательности является соотношение:

Wн(m, jw) · Wp(m, jw) = -1 (4.11)

Тогда можно записать систему двух уравнений

(4.12)

(4.13)

(4.14)

(4.15)

(4.16)

(4.17)

Решаем эту систему относительно С0 и С1. В результате получаем систему зависимости С0 (w) и С1 (w), в которой задавая различные значения частоты w от 0 до значения, при котором С0 становится отрицательной величиной или до значения частоты среза, можно построить искомую границу заданной степени колебательности m. Расчёт был произведён в математическом редакторе MathCad. В таблице 4.1 приведены искомые параметры настройки регулятора.

Таблица 4.1 - Параметры настройки регулятора

w	С0	С1	w	С0	С1
0	0	-0.673	0,5	0.507	0.615
0,05	0.009	-0.597	0,55	0.563	0.769
w	С0	С1	w	С0	С1
0,1	0.033	-0.503	0,6	0.602	0.92
0,15	0.071	-0.394	0,65	0.630	1.065
0,2	0.122	-0.273	0,7	0.645	1.202
0,25	0.181	-0.14	0,75	0.654	1.33
0,3	0.247	0.002	0,8	0.640	1.448
0,35	0.317	0.15	0,85	0.596	1.553
0,4	0.388	0.304	0,9	0.520	1.645
0,45	0.446	0.459

Для определения оптимальных параметров настройки регулятора построим график зависимости С0 от С1 (Рисунок. 4.4).

Рисунок.4.4 График зависимости С0 от С1

Опустим перпендикуляр на ось абсцисс из точки соответствующей максимальному значению С0. Точка пересечения перпендикуляра и оси абсцисс даст нам оптимальное значение коэффициента пропорциональности Кп.опт = 1,33. Поделив Кп.опт на максимальное значение С0 получим оптимальное значение постоянной интегрирования Ти.опт = 2,03.

4.1.4 Построение переходного процесса замкнутой CAP

Любая промышленная САР должна обеспечивать определенные качественные показатели процесса регулирования. Качество процесса регулирования обычно оценивают по переходной характеристике hf(t) по отношению к единичному ступенчатому воздействию. Основными показателями качества являются: время регулирования, перерегулирование, колебательность.

Временем регулирования tр (время переходного процесса) в практических расчетах считают время, по истечении которого, начиная с момента приложения воздействия на систему, отношение значения регулируемой величины hf(t) от ее установившегося значения hf0 не превышает заданную точность регулирования еf0. Таким образом, время регулирования определяет длительность (быстродействие) переходного процесса.

Перерегулированием f называется максимальное отклонение ?hfmax регулируемой величины от установившегося значения hf0, выраженное в процентах по отношению к hf0. Перерегулирование должно составлять не более 8% (по условию задания).

Колебательность системы характеризуется числом колебаний регулируемой величины за время регулирования tp. Если за это время переходный процесс в системе совершает число колебаний меньше заданного по условиям технологии, то считается, что система имеет требуемое качество регулирования в части ее колебательности.

Показатели качества регулирования определяются непосредственно по кривой переходного процесса.

Для расчета воспользуемся Z - преобразованием. Расчет будем проводить без учета запаздывания системы, которое учтем после. Период квантования выберем равным Т = 0,5 с.

Передаточная функция разомкнутой системы будет иметь вид:

(4.18)

Подставив данные и воспользовавшись Z - преобразованием получим:

(4.19)

(4.20)

(4.21)

Определим передаточную функцию замкнутой системы:

(4.22)

Найдем корни характеристического уравнения замкнутой системы:

1+W(Z)=0 (4.23)

Z1 = 0,51 + 0,05j;

Z2 = 0,51 - 0,05j.

Можно сделать вывод, что система устойчива в замкнутом состоянии.

Для нахождения выходной функции Y(Z) воспользуемся формулой (4.24):

(4.24)

После упрощения Y(Z) получим y[nT] путем деления числителя на знаменатель. Коэффициенты полинома и будут определять значения переходного процесса в моменты времени nT. Расчет был проведён в математическом редакторе MathCad.

В результате расчета получаем данные для построения переходного процесса, представленные в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Данные для построения переходного процесса

nT	y[nT]	nT	y[nT]
0	0	17	1.029
1	0	18	1.024
2	0	19	1.019
3	0.328	20	1.014
4	0.569	21	1.011
5	0.743	22	1.008
6	0.864	23	1.006
7	0.947	24	1.004
8	1.000	25	1.003
9	1.032	26	1.002
10	1.049	27	1.001
11	1.057	28	1.001
12	1.057	29	1.000
13	1.054	30	1.000
14	1.049	31	1.000
15	1.042	32	1.000
16	1.036

По полученным данным построим график переходного процесса, представленный на рисунке 4.4.



Рисунок.4.4 График переходного процесса

Оценим качество переходного процесса.

Длительность переходного процесса определяется по формуле (4.25):

tp = 14·0,5 с = 7 с. (4.25)

Перерегулирование:

= (4.26)

Качество полученного переходного процесса удовлетворяет предъявляемым требованиям < 8 %. Из этого следует, что рассчитанные настройки регуляторов являются оптимальными.

4.2 Расчёт показателей надёжности

Надёжность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и транспортирования.

Расчет надежности аппаратных средств производится при прогнозировании на стадиях технического и эскизного проектирования, а также при техническом обслуживании агрегата.

Основными нормируемыми показателями надёжности являются:

- вероятность безотказной работы P(t);

- среднее время отказа системы Тс;

- интенсивность отказов л;

- средняя наработка на отказ Tср.

Вероятностью безотказной работы P(t) называется вероятность того, что при определённых условиях эксплуатации в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки t не произойдёт ни одного отказа. Вычисляется эта величина по следующей формуле:

(4.27)

Среднее время отказа системы определяется по формуле:

(4.26)

где, - интенсивность отказов системы, состоящей из нескольких элементов, которые находятся в основном соединении.

(4.27)

Наработка на отказ - среднее время между соседними отказами. Определяется по статическим данным для одного устройства по формуле:

(4.28)

где, n - число отказов устройства за время наблюдения;

ti - время исправной работы устройства между (i-1) и i отказами [24].

Рассмотрим цепочку реализующую измерение расхода газа в сепараторе и рассчитаем для неё необходимые показатели надёжности. В составе цепочки четыре элемента (рисунок 4.5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.5 - Структурная схема системы измерения расхода

В таблице 4.3 приведены значения средней наработки на отказ и интенсивности системы.

Таблица 4.3 - Качественные показатели элементов системы

Наименование элемента	Среднее время безотказной работы (mt), час	Интенсивность отказов, 1/ч
Датчик расхода Метран 331	50000	1,4·10-5
Входной модуль 1756-IF16	400000	0,15·10-5
Центральный процессор 1756-L1	400000	0,05·10-5
ЭВМ	100000	1,4·10-5

Данные из таблицы 4.3 подставим в формулу (4.27) определим интенсивность отказов рассматриваемой цепочки: