Поддерживаемые интерфейсы

2хEthernet 100BaseT,

1хUSB1.1,

2хRS-232,

1хRS-232/485,

1хRS-485

Поддерживаемые протоколы передачи данных

Modbus RTU/ASCII/TCP

Последним рассмотрим контроллер МФК1500. МФК1500 в линейке оборудования ТЕКОН позиционируется как контроллер среднего класса. Контроллер предназначен для построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процессов среднего и высокого уровня сложности и может применяться как в составе централизованных, так и распределенных систем управления.

МФК1500 имеет распределенную архитектуру и модульную конструкцию. Один контроллер может включать несколько шасси на 4, 8 и 16 посадочных мест. В составе одного контроллера могут использоваться до 64 модулей ввода/вывода. Архитектура контроллера МФК1500 имеет дублированную систему питания, состоящую из двух шин, подключенных к двум источникам питания. Источники питания могут быть подключены к сети переменного тока напряжением от 93 до 240 В или постоянного тока напряжением от 100 до 240 В. Таким образом можно обеспечить питание контроллера от двух фидеров питания как переменного, так и постоянного тока. Выход из строя любого источника питания или короткое замыкание одной из шин 24 В не приводит к отказу контроллера, равно как и короткое замыкание питания на модуле.

Дублированная внутренняя шина данных МФК1500 разрешает многомастерную работу. Это позволяет при фиксированном цикле опроса всех модулей выделять отдельные сигналы в особый тип инициативных сообщений. При изменении таких сигналов модули УСО сами передают в ЦП данные измененных каналов, что позволяет повысить быстродействие системы защит при сохранении общего цикла опроса модулей УСО. Протокол обмена обеспечивает гарантированное время доставки как инициативных сообщений от модулей ввода/вывода к ЦП, так и сообщений от ЦП к самим модулям УСО. Любой модуль может передавать инициативные сообщения как по результатам диагностики, так и по факту изменения входного сигнала. Гарантированное время доставки инициативных сообщений зависит от общего количества модулей и составляет от 1 мс до 6 мс (6 мс - для контроллера, состоящего из 64 модулей).

Базовым СПО контроллеров ТЕКОН является СПО TeNIX®, включающее ядро многозадачной ОС Linux с драйверами и файловой системой, а также подсистему ввода/вывода, взаимодействующую со встроенным программным обеспечением модулей УСО. СПО TeNIX® контроллеров МФК1500 имеет удобное встроенное средство конфигурирования, тестирования, и мониторинга состояния ресурсов контроллера - программу TUNER (рис. 5). Программа TUNER имеет пользовательский Web-интерфейс. Доступ к программе TUNER осуществляется по протоколу TCP/IP при использовании любого графического Internet браузера современных операционных систем: Internet Explorer, Opera, Netscape, Mozilla, Google Chrome и т.д.

Учитывая, что необходимые в дипломном проекте средства коммуникации расположены в самом базовом модуле, произведем выбор модуля ввода аналоговых сигналов, модуля ввода дискретных сигналов и модуля вывода дискретных сигналов.

В качестве данных модулей выберем AI4 (4-канальный модуль аналогового вывода), DI16 (16-канальный модуль ввода дискретных сигналов) и DO16 (16-канальный модуль вывода дискретных сигналов).

Внешний вид контроллера МФК1500 с модулями AI4, DI16 и DO16 показан на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Внешний вид контроллера МФК1500 с модулями AI4, DI16 и DO16

Технические характеристики контроллера МФК1500 с модулями AI4, DI16 и DO16 в таблице 2.12.

Таблица 2.11 - Технические характеристики контроллера МФК1500 с модулями AI4, DI16 и DO16

Техническая характеристика	Значение
Напряжение питания, В	24 DC, 220 AC
Степень защиты корпуса	IP20
Температурный режим эксплуатации, ?С	-40…60
Центральный процессор	INTEL XScale® 533 МГц
Операционная система	ОС Linux
Объем оперативной памяти	64 Мб
Объем энергонезависимой памяти хранения ОС и программ	32 Мб
Количество аналоговых входов (модуль AI4), шт.	4
Количество дискретных входов (модуль DI16), шт.	16
Количество дискретных выходов (модуль DO16), шт.	16
Тип входного аналогового сигнала	±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА
Тип входного дискретного сигнала	сухой контакт
Тип выходного дискретного сигнала	24 DC, открытый коллектор
Поддерживаемые интерфейсы	2хEthernet 100BaseT, 1хRS-232, 2хRS-485
Поддерживаемые протоколы передачи данных	Modbus TCP/RTU/ASCI

Сведем данные по удовлетворяющим требованиям к контроллерам в единую таблицу и выберем из них наилучший вариант для решения задач в данном дипломном проекте. Обобщенные данные по рассмотренным контроллерам представлены в таблице 2.12.

Таблица 2.12 - Обобщенные данные по рассмотренным контроллерам

Техническая характеристика	ADAM-5000L/TCP	WinPAC 8441	МФК1500
Напряжение питания, В	24 DC	24 DC	24 DC, 220 AC
Степень защиты корпуса	IP20	IP20	IP20
Температурный режим эксплуатации, ?С	-10…70	-25…75	-40…60
Центральный процессор	32-х разрядный RISC процессор	32-х разрядный PXA270 520 МГц	INTEL XScale® 533 МГц
Операционная система	Real-time OS	Windows CE	ОС Linux
Объем оперативной памяти	4 МБ	128 МБ	64 Мб
Объем энергонезависимой памяти хранения ОС и программ	512 кБ	96 Мб + 1 Гб внешней	32 Мб
Количество аналоговых входов (модуль AI4), шт.	8	4	4
Количество дискретных входов (модуль DI16), шт.	16 (универсальных каналов)	8	16
Количество дискретных выходов (модуль DO16), шт.		8	16
Тип входного аналогового сигнала	±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА	±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА	±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА
Тип входного дискретного сигнала	сухой контакт	сухой контакт	сухой контакт
Тип выходного дискретного сигнала	24 DC, открытый коллектор	24 DC, открытый коллектор	24 DC, открытый коллектор
Поддерживаемые интерфейсы	1хEthernet 100BaseT, 1хRS-232, 2хRS-485	2хEthernet 100BaseT, 1хUSB1.1, 2хRS-232, 1хRS-232/485, 1хRS-485	2хEthernet 100BaseT, 1хRS-232, 2хRS-485
Поддерживаемые протоколы передачи данных	ModBus RTU/ TCP	Modbus RTU/ASCII/TCP	Modbus TCP/RTU/ASCI

По данным таблицы 2.12 видно, что все выбранные контроллеры удовлетворяют требованиям, но я выбрал контроллер WinPAC 8441, потому что у него имеется большее количество поддерживаемых интерфейсов, имеется USB-интерфейс, у других контроллеров его нет, также у него больший объём оперативной памяти и энергонезависимой памяти, по сравнению с другими выбранными контроллерами.

2.5 Обоснование и выбор способа повышения надёжности АСУТП

Надежность является одним из важнейших требований к системам АСУ ТП и АСУП. Надежность - это свойства сохранять во времени значения всех параметров и выполнять требуемые функции в заданных условиях применения.

Обеспечение необходимого уровня надежности требует проведения специального комплекса работ, выполняемых на разных стадиях создания и эксплуатации АСУ ТП.

Для обеспечения уровня надежности АСУ ТП необходимо учитывать следующие особенности:

- АСУ ТП является многофункциональной системой, функции которой имеют различную значимость и, соответственно, характеризуются разным уровнем требований надежности их выполнения;

- в работе АСУ ТП участвуют различные виды обеспечения, в том числе так называемый «человеческий фактор», который может в существенной степени влиять на уровень надежности в АСУ ТП;

- в состав АСУ ТП входит большое количество разнородных элементов (включая технологический и эксплуатационный персонал).

Эффективным методом повышения надежности является диагностический и эксплуатационный методы, которые позволяет предупреждать отказы оборудования, основываясь на прогнозировании моментов их появления. Для этого используют резервирование.

Резервирование метод повышения надёжности технических устройств или систем. Основной целью резервирования в АСУТП является обеспечение высокого коэффициента готовности системы, т.е. вероятности того, что она окажется работоспособной в произвольный момент времени, кроме запланированных периодов регламентированного обслуживания.

В основе метода резервирования лежит очевидная идея замены отказавшего элемента исправным, находящимся в резерве. Для реализации идеи необходимо обеспечить минимальное время перехода на резерв и минимальную стоимость оборудования при заданной вероятности безотказной работы в течение определенного времени (наработки). Наработкой называется продолжительность работы объекта, выражаемая в единицу времени или количества циклов. Различают наработку до отказа (MTTF, англ. Mean time to failure) от начала эксплуатации до первого отказа и наработку между отказами (MTBF, англ.Mean time between failures) от начала работы после ремонта до очередного отказа. Используют среднее значение этих величин. Среднюю наработку между отказами называют наработкой на отказ.

Резервирование может быть как общим, когда резервируется вся система в целом, так и раздельным (поэлементным). Для повышения надежности АСУ, разрабатываемой в данном дипломном проекте, целесообразно применить раздельное резервирование в силу его меньшей затратности, а также большему снижению вероятности отказа всей системы по сравнению с общим (маловероятно, что откажут одновременно и основной элемент, и его резерв).

Резервировать следует элементы, имеющие либо самую низкую надежность (наименьшую вероятность безотказной работы P(t) или наибольшую интенсивность отказов ), либо элементы, чей отказ наиболее критичен для выполнения системой своих функций. В соответствии с требованиями международного стандарта МЭК 61508, посвященного вопросам функциональной безопасности программируемых электронных систем, в обязательном порядке выполняется резервирование процессорного модуля с модулями ввода-вывода (контроллера), блока питания контроллера, а также промышленных сетей.

Резервирование будем производить с кратностью 1:1, т.е. осуществим дублирование, поскольку кратность 2:1 (троирование) является излишним для обсуживаемых систем, где целью является обеспечение непрерывности управления или увеличение коэффициента готовности, а не собственно увеличение вероятности безотказной работы.

Использование резервного контроллера целесообразно производить в качестве нагруженного («горячего») резерва.

Для обеспечения безотказной работы системы управления предусмотреть необходимый уровень резервирования элементов:

- 100% резервирование контроллеров подсистемы контроля и управления;

- 100% резервирование логических контроллеров подсистемы ПАЗ;

- 100% резервирование блоков питания в шкафах подсистемы контроля и управления;

- 100% резервирование блоков питания в шкафах подсистемы ПАЗ;

- 100% резервирование входов/выходов ПАЗ;

- два раздельных ввода питания 220 В, 50 Гц для каждого шкафа АСУТП.

Система должна сохранять возможность выполнения основных функций при выходе из строя отдельных элементов и их замене в горячем режиме (on-line) без отключения всей системы и без остановки технологического процесса. Автоматическое переключение на резервные устройства должно быть безударным.

Отказы основного контроллера выявляются в процессе постоянного тестирования и обмена информацией с АРМ оператора. Тестирование заключается в выполнении программы самодиагностики на каждом программном цикле. Тестированию подлежат следующие компоненты и функции:

- ядро центрального процессора (математические операции АЛУ);

- ОЗУ контроллера (ошибки четности и контрольной суммы);

- флэш-память и целостность программ в ней (контрольная сумма программы);

- шины ввода/вывода.

При обнаружении любых неисправностей, выходы основного контроллера (и модуля вывода по его команде) переводятся в безопасное состояние. Далее происходит запуск и инициализация резервного контроллера и далее управление осуществляется им, неисправный контроллер отключается и подлежит замене (ремонту).

Обнаружение ошибок при диагностике и переход на резервный контроллер фиксируется в журнале операций и выводится на АРМ оператора. Дополнительная безопасность обеспечивается модулем вывода, который при обнаружении отсутствия связи с контроллером управления в течение некоторого времени также переводит свои выходы в безопасное состояние.

Под безопасным состоянием подразумевается состояние выходов контроллера, при котором подключенные к ним исполнительные механизмы находятся в состоянии, наиболее безопасном для объекта управления, не приводящим к его поломке. Регулирующие и отсечные клапаны при исчезновении (отключении) управляющего сигнала должны занимать безопасное для технологического процесса положение в соответствии с требованиями технологического регламента.

При отказе в работе измерительного преобразователя, участвующего в контуре регулирования и характеризующегося недостоверным сигналом, поступающим в систему, должно быть предусмотрено удержание выходного сигнала на исполнительный механизм на предыдущем уровне.

В системе должна быть предусмотрена возможность хранения базы данных и файлов конфигурации системы на внешнем носителе информации и оперативной загрузки их в Систему.

Надежность технических средств и программного обеспечения, предназначенных для реализации каждой из функций системы, должна обеспечивать в совокупности выполнение требований по надежности функций:

- среднее время безотказной работы не менее 40 000;

- среднее время восстановления не более 0,2 часа.

Вероятность безотказной работы программного обеспечения переключения (драйвер резервирования) и шины обмена данными будем считать равными единице (абсолютно надежными).

Следует отметить, что дублирование контроллера подразумевает также и дублирование его блока питания.

Надежность выполнения функций на стадиях проектирования оценивается расчетным методом по характеристикам элементов, участвующих в реализации функций. На стадии внедрения надежность оценивается по фактическим статистическим данным по сбоям и отказам функций системы.

Требуемый уровень надежности некоторых элементов системы можно добиться, своевременно проводя техническое обслуживание, ремонт оборудования и сетей, а также поверку средств измерений.

В процессе технического обслуживания выполняются следующие работы: внешний осмотр, соблюдение условий эксплуатации, целостность оборудования и подключенных к ним кабелей, наличие заземления, наличие пломб, производится удаление загрязнений (пыль, грязь), проверка работоспособности оборудования, проверка сопротивления изоляции кабелей.

Ремонт оборудования совмещают с планово-предупредительным ремонтом (ППР) технологической установки. В ходе ремонта производится разборка оборудования, замена деталей и узлов оборудования, выработавших свой ресурс, (например замена чувствительных элементов датчиков, замена литиевых батареек), чистка клапанов, протяжка всех клеммных соединений (в датчиках, клеммных коробках, клапанах, в операторной в шкафах управления), замена металлорукава на всех кабелях находящихся на территории технологической установки. Также во время ремонта должны быть проделаны все работы, которые осуществляются в процессе технического обслуживания.

Для повышения надежности работы приборов и датчиков применяют конструктивно-технологические методы.

Конструктивно-технологические методы повышения надежности включают в себя следующее:

- ослабление механических напряжений в наиболее нагруженных элементах конструкции (упругих элементах, опорах, шарнирах и т. п.). С целью увеличения запасов прочности расчет механических напряжений должен вестись с учетом инерционных сил, возникающих при воздействиях вибрации, ударов и т. п. Если нагрузка носит периодический характер, то особое, внимание нужно обратить на исключение резонансных явлений, так как механический резонанс деталей часто приводит к их поломке;

- ослабление режимов работы электрических элементов (сопротивлений, конденсаторов, полупроводников и др.). Это достигается недогрузкой элементов по рассеиваемой мощности, по падению напряжения, по силе тока по сравнению с номинальными значениями, установленными для данного элемента. Применение ослабленных режимов является одним из наиболее эффективных способов повышения надежности электрических элементов. Выигрыш в надежности определяется степенью снижения эксплуатационных коэффициентов;

- ослабление тепловых режимов работы как механических, так и электрических элементов. В электрических элементах высокие температуры способствуют уменьшению сопротивления изоляции, возникновению пробоя и изменению физических характеристик. Ослабление тепловых режимов электрических элементов достигается ослаблением режимов их работы и тем самым уменьшением количества тепла, выделяемого самими элементами;

- разгрузка мест пайки. Многие приборы и датчики содержат электронные схемы с большим числом соединений. Соединения, выполняемые посредством пайки или сварки, являются одним из слабых мест и при вибрации могут разрушаться. Необходимо разгружать места пайки путем укрепления проводников; наилучший результат дает закрепление проводника в непосредственной близости от места пайки. Надежность пайки существенно повышается при переходе на печатные схемы. Еще больший эффект дает замена паяных соединений сварными, но так же, как и при пайке, необходимо место сварки разгружать. Одним из современных способов разгрузки мест пайки и сварки является заливка электронных узлов изоляционным материалом (пенполиуретаном или др.);

- защита от воздействия пониженного давления, влаги, песка, пыли. Наиболее эффективным способом защиты, широко применяемых в современных приборах и датчиках, является герметизация корпуса. Особенно эффективна герметизация в сочетании с заполнением внутренней полости инертным газом или жидкостью.



3. Расчет системы автоматического управления

3.1 Разработка функциональной и структурной схемы системы автоматизации

Регулирование давления водорода осуществляется за счет изменения положения штока клапана с плунжером.

В состав системы регулирования давления водорода входят: ИП - интеллектуальный позиционер в составе блока управления электроприводом клапана, МР - мотор-редуктор (электропривод с редуктором), Ш - шток, КЛ - клапан регулирования давления.

Рассмотрим параметры процесса для конкретного технологического режима. Параметры приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Параметры технологического режима

Параметр	Значение
Давление водорода, кг/см2 - максимальный - условно-номинальный	36 30
Положение (ход) штока, мм - при максимальном давлении - при условно-номинальном давлении	16 13,33
Время полного хода штока (на 16 мм), с	36

Таким образом, функциональную схему объекта управления можно представить как показано на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема объекта управления



Выходным сигналом интеллектуального позиционера (ИП) является заданное положение штока клапана G_sp, выраженное в миллиметрах пропорциональное амплитуде управляющего сигнала (u): максимальному уровню управляющего сигнала 10В (входное значение) соответствует заданное положение (перемещение) штока (G_sp) на 16 мм.

Выходной координатой мотор-редуктора МР является скорость вращения вала s червячной передачи, приводимой в движение мотор-редуктором. Поскольку определяющее значение имеет положение штока с плунжером, определяемое имеющимся люфтом и шагом передачи при номинальных оборотах, данный элемент в структурной схеме учитывает инерционность электропривода и выборку люфта при разгоне именно до номинальных оборотов (условно принятых за единицу), а не конкретное значение скорости вращения.

Выходной координатой штока (Ш), приводимого в движение мотор-редуктором (МР), является фактическое положение штока в миллиметрах (G_pv).

Выходной координатой клапана является давление водорода (Р), пропорциональный открытию клапана, т.е. фактическому положению штока с плунжером (G_pv).

Поскольку интеллектуальный позиционер представляет собой, по сути, вычислительное устройство, предназначенное для формирования задания по положению штока в зависимости от входного сигнала управления, он может быть описан передаточной функцией безынерционного звена W(s)=K.

Произведем расчет параметров передаточной функции интеллектуального позиционера. Коэффициент передачи (передаточную функцию) определим по формуле (3.1).

(3.1)



где G_sp - заданное положение штока в процентах;

u - управляющий сигнал (напряжение).

Передаточную функцию мотор-редуктора, равно как и передаточные функции клапана представим как апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией вида (3.2).

(3.2)

где K - коэффициент передачи объекта;

Т - постоянная времени объекта.

Рассчитаем параметры передаточной функции мотор-редуктора. Как было отмечено выше, данный элемент учитывает инерционность электропривода и выборку люфта при разгоне именно до номинальных оборотов (условно принятых за единицу), а не конкретное значение скорости вращения вала. Таким образом, K_мр=1. Постоянную времени мотор-редуктора можно определить приблизительно как треть времени выхода на номинальные обороты с данной нагрузкой. Отсюда Т_мр=0,11с.

В результате передаточная функция мотор-редуктора примет вид (3.3)

(3.3)

Рассчитаем параметры передаточной функции штока. Данный элемент может быть описан передаточной функцией идеального интегрирующего звена вида (3.4).

(3.4)



где Т_ш - постоянная времени штока, определяемая из паспортного значения времени полного хода штока.

Поскольку Т_ш=36с (см. табл. 3.1), передаточная функция штока примет вид (3.5).

(3.5)

Рассчитаем параметры передаточной функции клапана. Коэффициент передачи определим по формуле (3.6).

(3.6)

где Р - давление на выходе клапана;

G_pv - положение штока в миллиметрах.

Принимая постоянную времени клапана равной 8 секундам, получим передаточную функцию данного элемента (3.7).

(3.7)

На основании функциональной схемы (рисунок 3.1) построим структурную схему (рисунок 3.2), содержащую все функциональные элементы системы регулирования давления водорода в рабочей емкости

Рисунок 3.2 - Структурная схема объекта управления



На основании структурной схемы разработаем модель в приложении Siumulink пакета MatLab (рисунок 3.3) и произведем ее исследование.

Рисунок 3.3 - Модель разомкнутой системы в MatLab

Рисунок 3.4 - Настройка блока Saturation

Графики переходных процессов элементов системы показаны на рисунках 3.5 - 3.6. Для проверки работы модели в определенных регламентом технологических режимах введем ограничение (Saturation) по положению штока клапана в виде 13,33 мм (рисунок 3.4), соответствующее номинальному давлению водорода 30 кг/см2 (см. таблицу 3.1).

По графикам переходных процессов (рисунок 3.5-3.6) можно сделать вывод о том, что все параметры технологического процесса и полученная нами модель эквивалентны объекту автоматизации и его технологическим режимам. Удаление ограничения приводит к отклонению давления водорода, т.е. система нуждается в регуляторах, обеспечивающих стабилизацию технологических параметров в соответствии с заданием.

Рисунок 3.5 - Переходный процесс по перемещению штока клапана

Рисунок 3.6 - Переходный процесс по давлению водорода

3.2 Описание методики и расчет параметров настройки регулятора

В состав системы регулирования входят два контура:

- контур регулирования положения штока клапана с плунжером;

- контур регулирования давления водорода в рабочей емкости.

Как показывает практика построения систем автоматического регулирования, для систем, содержащих несколько контуров регулирования, целесообразно применение подчиненного регулирования координат.

Применение подчиненного регулирования координат в рассматриваемом случае позволит повысить надежность системы, поскольку при разрыве внутреннего контура, например, вследствие обрыва кабель-трассы датчика, регулятор внешнего контура сыграет роль компенсатора и не позволит переходному процессу выйти из-под контроля. Кроме того, применение каскадного регулирования улучшает динамические показатели системы за счет превентивной отработки возмущений по положению штока, не допуская влияния их на давление водорода.

Проведём синтез регуляторов с подчиненным регулированием координат, и будем настраивать контуры регулирования на желаемый вид апериодического звена. При настройке на апериодическое звено перерегулирование должно отсутствовать.

Предварительно определим значения коэффициентов перегрузки, учитывая данные по номинальных и максимальным значениям выходных координат контуров, представленным в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Коэффициенты перегрузки и данные для их расчета

	Положение штока, мм	Давление водорода, кг/см2
Номинальное значение	13,33	30
Максимальное значение	16	36
Коэффициент перегрузки,%	20%	20%

Контур регулирования положения штока клапана включает в себя интеллектуальный позиционер, мотор-редуктор и шток. Выходной координатой у этого контура является положение штока в миллиметрах.

Номинальное задающее напряжение равно (3.8).



(3.8)

Произведём расчет регулятора для контура положения штока клапана. Схема контура регулирования положения штока клапана показана на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - Схема контура регулирования положения штока

Коэффициент обратной связи контура регулирования положения штока равен (3.9).

(3.9)

Передаточная функция регулятора для контура регулирования положения штока равна отношению желаемой передаточной функции к исходной передаточной функции контура (3.10).

, (3.10)

(3.11)

где с.

, (3.12)

, (3.13)

(3.14)

Исходя из формулы (3.10) находим передаточную функцию регулятора для контура регулирования положения штока с плунжером (3.15).

(3.15)

Поскольку порядок числителя больше порядка знаменателя, домножим знаменатель на скобку (0,001s+1). В результате передаточная функция регулятора для контура регулирования положения штока с плунжером (3.16).

(3.16)

Рассчитаем регулятор для контура регулирования давления водорода. Данный контур включает в себя интеллектуальный позиционер, шток, приводимый в движение мотор-редуктором и клапан. Выходной координатой контура является давление водорода.

Номинальное задающее напряжение равно (3.17).

(3.17)

Схема контура регулирования давления водорода показана на рисунке 3.8.



Рисунок 3.8 - Схема контура регулирования давления водорода

Коэффициент обратной связи контура регулирования давления водорода равен (3.18).

(3.18)

Передаточная функция регулятора для контура регулирования давления водорода равна отношению желаемой передаточной функции к исходной передаточной функции контура (3.19).

, (3.19)

(3.20)

где с.

(3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)

Применяя формулу (3.22) находим исходную передаточную функцию контура регулирования давления водорода (3.25).

(3.25)

Отсюда по формуле (3.19) находим передаточную функцию регулятора для контура регулирования давления водорода (3.26).

(3.26)

Проведем эксперимент на основе полученных расчетных данных. Для этого соберем модели замкнутых контуров системы автоматического управления в Simulink и определим соответствие показателей качества процесса начальным требованиям.

Модель замкнутого контура регулирования положения штока представлена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Модель замкнутого контура регулирования положения штока

Поскольку в контуре присутствует регулятор, ограничитель хода штока можно убрать.



Рисунок 3.10 - График переходного процесса по контуру регулирования положения штока

Из графика переходного процесса (рисунок 3.10) видно, что установившееся значение равно 13,33 мм. Перерегулирование, как и следует, отсутствует.

Модель замкнутого контура регулирования давления водорода представлена на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 - Модель замкнутого контура регулирования давления водорода



Рисунок 3.12 - График переходного процесса по контуру регулирования давления водорода

График переходного процесса по контуру регулирования давления представлен на рисунке 3.12. Из графика переходного процесса видно, что установившееся значение равно 30кг/см². Перерегулирование, как и следует при настройке на апериодическое звено, отсутствует. Как видно из графика, регулятор успешно отрабатывает возмущения.

Задача синтеза регулятора успешно решена.



4. Разработка прикладного программного обеспечения АСУТП

4.1 Алгоритмы программ контроля и управления

Разработаем алгоритмы основных программ контроля и управления технологическим процессом. Алгоритм программы регулирования давления водорода в ёмкости Е-4 регулирующим клапаном с электроприводом приведен на рисунке 4.1.

В соответствии с алгоритмом, программа функционирует следующим образом. Входными данными для работы программы являются задание давления водорода (P_SP), параметры настройки ПИД-регулятора (KP, KI, KD) и параметризуемая зона нечувствительности клапана (DB). В качестве входных данных от измерительных преобразователей используются измеренное значение давления водорода (P_PV), и обратная связь по положению штока клапана (POS_PV).

Первоначально определяется рассогласование (?P) между заданным (P_SP) и измеренным (P_PV) значением давления водорода. Вычисленное значение рассогласования по давлению водорода используется подпрограммой для расчета по ПИД-закону задания по положению штока клапана (POS_SP), т.е. реализовано каскадное регулирование.

По вычисленному на следующем шаге рассогласованию по положению штока клапана (?POS) как разности между рассчитанным на предыдущем шаге заданном положении (POS_SP) и полученным с датчика положения штока клапана значении (POS_PV), определяется необходимость включения электропривода и направление вращения его ротора, т.е. перемещения штока (OPN, CLS), с учетом зоны нечувствительности привода (DB). В случае если рассогласование по положению штока меньше зоны нечувствительности клапана, включения электропривода не происходит (OPN=0, CLS=0). В противном случае при отрицательном рассогласовании происходит закрытие клапана (OPN=0, CLS=1), а при положительном - открытие (OPN=1, CLS=0).

Таким образом, выходными сигналами программы являются команды управления электроприводом клапана OPN (открытие) и CLS (закрытие), т.е. реализуется трехпозиционное управление исполнительным устройством.

4.2 Разработка человеко-машинного интерфейса

Человеко-машинный интерфейс (HMI, ЧМИ) является средством организации взаимодействия между человеком и АСУТП. Главными требованиями к интерфейсу являются простота, информативность, защита от несанкционированных действий (авторизация доступа), а также выдача запросов подтверждения на действия потенциально опасного характера.

В большинстве своем человеко-машинный интерфейс содержит стандартные графически элементы: тренды, ползунки, кнопки, статические и динамические текстовые элементы и т.д.

В разработанном проекте человеко-машинный интерфейс представлен одним экраном (рисунок 4.2), на котором изображены: основная мнемосхема процесса регулирования давления водорода в ёмкости Е-4, уставка по давлению водорода и тренд (график изменения давления водорода в ёмкости Е-4).

На экране отображается мнемосхема процесса, его основные параметры и состояние устройств. Мнемосхема снабжена поясняющей анимацией.

Состояние исполнительных устройств отображается с помощью динамизации цветом. Для этого задается свойство «Базовый цвет» с видом индикации «Arg=Конст» и константой «1».

Для выполнения статических надписей и отображения численных значений параметров используется ГЭ «Текст» с настраиваемым одноимённым свойством. В последнем случае указывается вид индикации «Значение» и выполняется привязка к соответствующему аргументу.



Рисунок 4.1 - Основная мнемосхема процесса регулирования давления водорода в ёмкости Е-4

Сигнализация отклонения от уставки по давлению водорода выполняется анимационным клипом типа «Сигнальная лампа».

На экране параметров настройки регулятора имеются статические и динамические элементы «Текст», куда можно ввести соответствующие значения уставок по давлению водорода в ёмкости Е-4. Введенные значения отображаются в этих же графических элементах.

Для ГЭ «Текст», служащего для ввода значений, настраивается свойство «mousePressed», для которого задается тип передачи «Ввести и передать» с привязкой к соответствующему аргументу.

Экран «Тренд» содержит одноименный графический элемент, предназначенный для визуализации динамики изменения давления водорода в ёмкости Е-4.

Основными настраиваемыми свойствами данного ГЭ являются свойства кривых на одноименной вкладке, а именно цвет, толщина линии, а остальные свойства остаются без изменений.



4.3 Написание пользовательских программ управления

В составе прикладного программного обеспечения разрабатываемой САР можно выделить программу регулирования давления водорода в ёмкости Е-4 по ПИД-закону клапаном с электроприводом по трехпозиционному закону путем выдачи управляющих сигналов OPN (открытие) и CLS (закрытие) для соответствующего канала управления (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Программа регулирования давления водорода в ёмкости Е-4

Программа функционирует следующим образом. Блок вычитания «X-Y» служит для вычисления рассогласования по давлению водорода в ёмкости Е-4 как заданного (P1_SP) и измеренного его (P1_PV) значений.

Затем, по вычисленному значению рассогласования, блоком ПИД-регулятора «PID» по ПИД закону (4.1) с заданными коэффициентами пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих выполняется расчет требуемого положения штока клапана. По умолчанию, выходной сигнал формируется в процентах, поэтому ограничения выходного сигнала: MAX - на максимальное и MIN - на минимальное, в данном случае не задаются.

(4.1)

где i - текущий такт пересчета;

KP, KD и KI - соответственно коэффициенты при пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих;

?t - период пересчета блока в секундах (длительность такта).

Поскольку блок управления клапаном «KLP» в качестве задания воспринимает процент закрытия клапана, а на выходе регулятора - процент открытия, выполним с помощью блока вычитания «X-Y» расчет задания по проценту закрытия клапана как разности 100% и рассчитанного процента открытия, т.е. рассчитаем заданное положение штока клапана.

Блок KLP предназначен для управления устройством типа «регулирующий клапан». Блок анализирует следующие цифровые сигналы (0 или 1): сигналы концевых выключателей открытия и закрытия, сигнал электрической части (привода) и сигнал о наличии электрического напряжения. Кроме того, блок анализирует аналоговый сигнал в диапазоне 0-100, показывающий реальное положение клапана (0 - полностью открыт, 100 - полностью закрыт).

Вход CMD задает направление движения клапана: положительная величина - открытие, отрицательная - закрытие. При выполнении этих команд на выходе OPN формируется сигнал открытия (значение 1), на выходе CLS - сигнал закрытия (значение 1). В режиме отслеживания неотрицательное значение входа CMD (0-100) задает положение, которое должен занять клапан.

Вход PT используется для задания времени хода клапана (в секундах). Если контроль положения клапана блокирован, блок вычисляет текущее положение клапана и выводит полученное значение на выход Q%L (аналогично ZDV).

На вход CDI подается реальное положение клапана (аналоговый сигнал в диапазоне 0-100, соответствующий проценту закрытия).

На вход IOP подаются следующие сигналы:

- бит 0 (0x1) - сигнал концевого выключателя открытия (1 - открыто полностью, 0 - закрыто или открыто не полностью);

- бит 3 или 8 (0x8 или 0x100) - сигнал электрической части (привода) (0 - не работает, 1 - работает);

- бит 2 или 9 (0x4 или 0x200) - сигнал о наличии напряжения: 0 - норма, 1 - авария).

На вход ICL подаются следующие сигналы:

- бит 0 (0x1) - сигнал концевого выключателя закрытия (1 - закрыто полностью, 0 - открыто или закрыто не полностью);

- биты 3 и 8 (0x8 и 0x100) - аналоги битов 3 и 8 IOP;

- бит 2 или 9 (0x4 или 0x200) - аналоги битов 2 и 9 IOP.

Если на ICL ничего не подано, то ICL = IOP & 6.

Аналогично ZDV, сигналы концевых выключателей имеют более высокий приоритет по сравнению с данными о положении клапана (как вычисленными, так и полученными от устройства).

Таким образом, в программе блок работает в режиме отслеживания - на вход CMD подается требуемый процент закрытия клапана (положение штока). Блок сопоставляет задание с сигналом датчика положения штока GT, подаваемого на вход CDI и сигналами концевых выключателей по положению штока (IOP - клапан открыт, ICL - клапан закрыт) и формирует, исходя из результата, сигналы управления электроприводом клапана - OPN=1 на открытие и CLS=1 - на закрытие. При OPN=1 CLS=0 и наоборот.

Программа сигнализации по отклонению давления водорода в ёмкости Е-4 от задания представлена на рисунке 4.3.



Рисунок 4.3 - Программа сигнализации по отклонению давления водорода в ёмкости Е-4 от задания

Описание блока больше (>). Если измеренное значение давления водорода в ёмкости больше, чем заданное значение давления водорода, срабатывает сигнализация по превышению - Давление_высокое =1. Если же за допустимые границы значение давления не вышло, данная сигнализация не активна - Давление_высокое =0.

Описание блока меньше (<). Если измеренное значение давления водорода меньше, чем заданное значение давления водорода, срабатывает соответствующая сигнализация - Давление_низкое =1. Если же за допустимые границы значение давления не вышло, данная сигнализация не активна - Давление_низкое =0.

4.4 Конфигурирование информационных потоков

Конфигурирование информационных потоков начнем с создания узлов: RTM - для АРМ оператора и EmbeddedRTM - для PC-based контроллера.

В слое Источники/приемники создадим группу PC-based_контроллеры и затем ОЕМ_WinPAC(WinCon). Переименуем ее в WinPAC-8441. Произведем «установку» в слоты контроллера (рисунок 4.10) модулей I-8017H для приема аналоговых сигналов от датчика давления (PT) и датчика положения штока клапана (GT) и модуль дискретного ввода/вывода I-8054 для приема дискретных входных сигналов от датчиков концевого положения; выдачи дискретных сигналов управления пускателем электропривода клапана и нереверсивным пускателем электродвигателя насоса.

Выполним настройку данных аппаратных тегов в соответствии с документацией и перенесем данные группы тегов в соответствующие узлы, что приведет к созданию в них каналов с привязкой к аппаратным тегам.

Каналы, используемые для обмена данными между контроллером и АРМ оператора (передача уставок, порогов сигнализации и т.д.) создадим методом автопостроения по аргументам экранов и программ.

Аргументы программ с привязками к каналам показаны на рисунке 4.5; аргументы экрана с привязками к каналам - на рисунке 4.6. Порядок сохранен тем же, в котором данные программы и экраны рассматривались в пояснительной записке. Вид навигатора проекта в результате всех выполненных действий показан на рисунке 4.7.

Рисунок 4.4 - Аргументы программ с привязками к каналам

Рисунок 4.5 - Аргументы экранов с привязками к каналам



Рисунок 4.6 - Навигатор проекта

Рисунок 4.7 - Навигатор проекта

Прикладное программное обеспечение разработано. Перейдем к рассмотрению вопросов охраны труда и окружающей среды.



Заключение

В ходе выполнения дипломного проекта было осуществлено тщательное изучение технологического процесса подачи рецикла водорода в буферную ёмкость Е-4 установки по производству водорода. Проведенное исследование показало, что в настоящий момент отсутствует регулирование давления водорода в ёмкости Е-4, в связи с чем, было предложено врезать регулирующий клапан с электроприводом, который способен обеспечить надежное, качественное, безопасное и эффективное поддержание требуемых технологических параметров процесса.

Математической основой разработки САР явилось моделирование исходной системы и оценка показателей качества ее функционирования. Учитывая полученные результаты, в дипломном проекте методом подчиненного регулирования был произведен синтез регуляторов для каждого контура и произведен компьютерный эксперимент с моделью скорректированной системы, доказавший эффективность произведенной коррекции.

Для качественного выбора оборудования АСУТП в проекте были сформулированы требования к технологическому оборудованию, а также средствам измерения и управления и на их основе выбраны соответствующие средства автоматизации: датчик давления, управляющий контроллер и регулирующий клапан с электроприводом. Кроме того, с целью повышения надежности функционирования системы было произведено аппаратное резервирование (дублирование) контроллерного оборудования, а именно центрального процессора модулей ввода - вывода, блоков питания и т.д.

Для реализации спроектированной системой функций контроля, управления и регулирования было разработано соответствующее программное обеспечение (проект) в SCADA-системе Trace Mode 6. По предварительно разработанному алгоритму функционирования на языке FBD международного стандарта МЭК 61131-3 были созданы управляющие и регулирующие программы. Диспетчерский контроль и управление были реализованы в виде экрана оператора с мнемосхемой процесса, средствами задания и отображения текущих параметров (и их трендов) и визуализацией аварийных ситуаций. Произведено конфигурирование сетевых параметров и настройка аппаратных ресурсов.

Также в дипломном проекте рассмотрен вопрос охраны труда и окружающей среды. В результате оценки труда оператора АСУ ТП по степени тяжести и напряженности были предложены меры по снижению монотонности труда.

В завершение проекта был произведён расчет экономической эффективности внедрения описанной выше системы, а так же сроки окупаемости. Проведённый расчёт показал экономическую целесообразность внедрения АСУ ТП, представленной в данном дипломном проекте.



Список использованных источников

1. Ахметов С. А. Технология глубокой переработки нефти и газа: Учебное пособие для вузов. - Уфа. Гилем, 2002. - 672с.

2. Абросимов А. А. Экология переработки углеводородных систем: Учебник для вузов по химико-технологическим специальностям. - М.: Химия, 2002. - 608 с. - ISBN 5-7245-0098-3.

3. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ воздухе рабочей зоны» (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 27 апреля 2003 г.)

4. Гигиенические нормативы ГН 1.1.725-98 Перечень веществ, продуктов, производственных процессов, бытовых и природных факторов, канцерогенных для человека. (утв. постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 23 декабря 1998 г. N 32)

5. ГОСТ 24.701 - 86. Надёжность автоматизированных систем управления. Основные положения. - Введение 1987.07.01. - М.: Изд-во стандартов, 1986.

6. ГОСТ 19.002-80 Схемы алгоритмов и программ. Правила выполнения. - Введ. 1981.07.01. - М.: Изд-во стандартов, 1981.

7. ГОСТ Р 12.4.209-99 Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты органа слуха. Вкладыши. - Введение 1999.12.28 №765 - ст.

8. ГОСТ Р 12.4.191-99 Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Полумаски, фильтрующие для защиты от аэрозолей. - Введение 1999.12.28 № 731 - ст.

9. ГОСТ Р 50949-2001 Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерений и оценки эргономических параметров и параметров безопасности. - Введение 2001.12.25 №576 - ст.

10. ГОСТ 50923 - 96. Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие эргономические требования и требования к производственной среде. Методы измерения. - Введение 1996.07.10 №451.

11. Методические указания к выполнению экономической части дипломного проекта по специальности 220301. / Сост. В.В. Сухинина, В.Д. Чичкина. - Самара; Сама. Гос. Техн. Ун-т., 2010.

12. ПБ 08-622-03 Правила безопасности для нефтеперерабатывающих заводов и производств. - Утв. 05.06.2003 №54.

13. Р 2.2.2006-05 «Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда» (утв. Главным государственным санитарным врачом России 29.07.05)

14. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы.

15. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий». (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 6 апреля 2003 г.)

16. Сингеев С.А. С 38 Охрана труда и окружающей среды: учеб. -метод. пособие / С.А. Сингеев, Б.М.Маврин, А.А. Прозоров. Самара: Самар. гос. Ун-т, 2009. -56с.

17. СН 2.2.4/2.1.8.562-96 Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. Санитарные нормы. - Введ. 1996.10.31 №36.

18. Технологический регламент установки по производству водорода цеха № 15 ОАО «Сызранский НПЗ».

19. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30 декабря 2001 г. N 197-ФЗ.

20. Федеральный закон Российской Федерации от 10 января 2002 г. N 7-ФЗ «Об охране окружающей среды»

21. ARMTORG.RU Портал трубопроводной арматуры., 2006 - 2012. - Режим доступа: WWW. URL: http://armtorg.ru/ - 03.06.2012

23. in SAT Интеллектуальные системы автоматизации технологии. 2002-2012.- Режим доступа: WWW. URL: http://www.insat.ru/prices/info.php?pid=4644 - 02.06.2012

24. Metra Tech Управление процессом начинается с измерений. Расчет системы автоматического управления. Интернет-журнал,2007-2010.-Режим доступа: WWW. URL: http://metratech.ru/pages.php?id=159 - 02.06.2012

25. PLK systems Вертикали и горизонтали промышленной автоматизации. Интернет каталог. Copyright © PLC systems, 2006-2011. -http://www.plcsystems.ru/catalog/ICPDAS/detail.p hp?ID=31276

Размещено на Allbest.ru