Универсальная система управления маслонапорной установкой гидроэлектростанции

Такая реализация позволяет использовать одни и те же управляющий контроллер и программу с МНУ различных мощностей, достаточно лишь использовать соответствующую силовую автоматику с соответствующими входными сигналами. Если какое то из устройств отсутствует (например, охладитель масла), то этот программный модуль необходимо отключить.

2.7 Структурная схема системы управления

Для управления процессом работы необходимо устройство, которое будет собирать данные о состояние технологического процесса, обрабатывать полученные данные и вырабатывать сигналы управления для поддержания параметров на заданном уровне. Для этого используем микроконтроллер. Он состоит из блока центрального процессора обеспечивающего выполнение арифметическо-логических действий и управляет всем процессом в соответствии с его рабочей программой. Модулей сбора цифровых и аналоговых данных обеспечивающих подключение датчиков, их питания и опрос. Модуль цифрового вывода, преобразующего сигналы микроконтроллера в электрические сигналы управления исполнительных органов. Для подключения датчиков и нагрузок в каждом модуле имеется необходимое число выводов.

Для сопряжения с центральным контроллером ГЭС к блоку центрального процессора подключен коммуникационный модуль обеспечивающий реализацию протокола сети PROFIBUS.

Питание модулей и датчиков производится от источника питания управляющего контроллера. Питание этого источника и исполнительных механизмов производится от сети собственных нужд ГЭС.

Контроль уровня в гидроаккумуляторе осуществляется четырьмя дискретными датчиками уровня. Два из которых являются аварийными, а два определяют нормальный уровень масла в сливном баке.

В сливном баке устанавливаются два дискретных датчика уровня определяющих переполнение сливного бака и аварийно низкий уровень в нем и один аналоговый, не использующийся для управления МНУ. Около дна сливного бака устанавливается датчик наличия конденсата, который также является дискретным и меняет свое состоянии при достищении конденсатом уровня установки датчика.

Шесть дискретных датчиков положения контролируют открытие перепускных клапанов насосов и определяют засорение масляных фильтров. Устанавливаются соответственно в блоках клапанов и в корпусе масляных фильтров.

Датчик температуры масла в сливном баке используется для определения момента включения и отключения маслоохладительной установки и ТЭНа.

Аналоговый датчик давления устанавливается в ГА и определяет давление в нем. Давление в ГА сравнивается микроконтроллером с уставками управления и при необходимости производится запуск и остановку масляных насосов.

Все аналоговые датчики подключаются к модулю аналогового ввода, а дискретные к модулю цифрового ввода. Управляющие устройства получают сигналы от цифрового модуля ввода.

Для запуска электродвигателя применяются устройства плавного пуска, при появлении управляющего сигнала высокого уровня производится запуск двигателя, при переключении на уровень «логического нуля» двигатели останавливаются. Перепускные клапана управляются электромагнитными реле, как и пневмоклапан и клапан охладительной установки. Для включения электронагревателя масла применяется электомагнитный пускатель.

Описанная структурная схема системы управления МНУ изображена на рисунке. В виде прямоугольников здесь представлены основные элементы системы, а стрелками изображены связи элементов и направления передачи сигналов.

В данном разделе мы определи основные параметры системы управления, ее структур, компоненту. Однако для окончательной проверки принятых решений и анализа качественных показателей разрабатываемой системы необходимо создать ее модели и произвести с ними эксперименты, подтверждающие или опровергающие правоту технических решений.

3 Создание логической модели системы управления МНУ

3.1 Синтез логической модели системы управления

Система управления маслонапорной установкой должна представлять собой автомат с жесткой программной логикой обеспечивающий реализацию алгоритма управления, который предусматривает выработку определенного управляющего воздействия на каждое из возможных состояний параметров технологического процесса.

Управляющие воздействия представляют собой дискретные сигналы двух логических уровней («нуля» и «единицы»). Сигнал высокого уровня рассматривается исполнительным органом как команда к запуску, а низкого уровня - к остановки устройства.

Большинство сигналов от датчиков параметров технологического процесса являются дискретными, с двумя значениями уровня, соответствующими «логическому нулю» и «единице». Показания аналоговых датчиков сравниваются с контрольными значениями и по результатам сравнения (то есть при выполнении одного или нескольких заранее предопределенных условий) происходит запуск соответствующего алгоритма выработки управляющего воздействия. Следовательно, после процедуры корпорации управляющее устройство осуществляет обработку не аналоговой величины, и даже не ее цифрового представления, а нескольких булевых переменных, являющихся значениями функций сравнения величины и некоторого контрольного значения - экстремума управляющей функции.

В ходе моделирования необходимо решать вопрос не о математическом моделировании системы, а произвести синтез логической модели управления. В силу того, что управления производится периодически при выходе параметра за пределы нормы, а контроль и регулирование работы каких либо исполнительных органов не производится (лишь включение и отключение) нет смысла рассматривать работу устройства в рамках синтеза модели системы управления. Обратная связь как таковая не осуществляется. Вместо нее производится периодический (в модели непрерывный) опрос состояния параметров системы и новая генерация управляющего воздействия, если этого требует состояние процесса.

При конструировании маслонапорной установки производится расчеты и подбор оборудования в соответствии с разработанными таблицами, созданными ведущими в отрасли научно-исследовательскими институтами на основе данных полученных расчетным и эмпирическим путями. Следовательно маслонапорная установка в состоянии выполнять свои функции при рабочем режиме ГЭС, значит нет необходимости усложнять модель введением передаточных функций датчиков и исполнительных механизмов. Достаточно точно реализовать модель логики системы управления, как объекта разработки данного дипломного проекта.

В соответствии с вывшее сказанным систему управления маслонапорной установкой мы можем представить как устройство с жесткой логикой, имеющее несколько входов и выходов связанных между собой логическими функциями. Таким образом, изменение входных сигнал ведет к изменению выходных. Следовательно, можно представить систему управления как некоторую комбинативную схему. Пользуясь теорией «конечных автоматов» можно выделить отдельные устройства для управления каждым исполнительным органом.

Функция управления МНУ можно разделить на следующие подфункции составляющие алгоритм управления отдельными устройствами МНУ.

? Управление основным маслонасосом;

? Управление резервным маслонасосом;

? Управление компенсационным маслонасосом;

? Управление электропневмоклапаном;

? Управление клапаном маслоохладителя охладителя;

? Управление электронагревателем.

Последовательная реализация всех этих модулей даст нам логическую модель системы управления маслонапорной установкой.

3.2 Моделирование алгоритма управления в программном пакете математического моделирования MATHLAB

Логическую модель для проверки ее правильности реализуем в среде моделирования MATHLAB. Данный программный покат позволят простыми и наглядными средствами программы Simulink реализовать автоматически обкатываемую компьютером модель, с возможностью совершать вычислительные эксперименты с моделью.

Для начала разобьем модель на три функциональных модуля.

? Модуль управления насосами;

? Модуль управления пневмоклапанном;

? Модуль управления температурой в сливном баке.

Указанные выше модули отражают весь алгоритм управления маслонапорной установкой. И осуществляя контроль за выходом параметров за аварийные рамки. Засорение фильтров и контроль положения клапана не производится, так как в модели не отражен режим генерации предупредительных сообщений и не учитываются возможные неполадки в механизмах. Так как нет возможности прогнозировать производительность МНУ и потребление масла ГЭС задавать значения контролируемых параметров будем с помощью генератора входного воздействии в форме синусоидального сигнала определенной частоты и амплитуды.

3.3 Модель блока управления пневмоклапанном

Для управления пневмоклапанном ГА МНУ соберем следующую модель в программе Simulink. Готовая модель представлена на рисунке. Для симуляции изменения уровня в гидроаккумуляторе соберем генератор вырабатывающий плавно возрастающую от 0 до 5 величину. Датчики уровня реализуем с помощью элементов типа Switch. Установим их момент переключения равный порядковому номеру датчиков уровня от 1 до 4, где первый и четвертый соответственно датчики аварийно низкого и высокого уровня масла в ГА, а второй и третий (на схеме два верхних) датчики ограничивающие диапазон нормального уровня масла в ГА. Для имитации работы дискретных датчиков подсоединим ко входам элементов switch элементы Constant со значениями Нелей и единиц, так чтобы при достижении уровнем какого либо датчика он переключал бы выходной сигнал с нуля на единицу. Таким образом, реализуется контроль уровня в ГА.

Алгоритм работы пневмоклапана предусматривает, что он открывается при достижении уровнем масла места установки датчика высокого уровня и закрывается, при уменьшении уровня до переключения датчика низкого уровня на ноль. Реализуем этот алгоритм используя сумматор сигналов датчиков уровня и релейный элемент. После суммирования получаем значения от 0 до двух, при этом значение 2 соответствует уровню жидкости выше верхнего, и требует открытия клапана, а 0 соответствует уровню ниже нижнего, то есть моменту закрытия клапана. Для распознования этих состояний используем релейный элемент, который выдает значения управляющего сигнала пневмоклапана равное единице при значении входного сигнала равном 2 и отключает при падении его до значения единицы.

Подключим на выходы с датчиков уровня и в релейного элемента Scope и запустим расчет модели. Полученные графики представлены на, где средняя линия - это сигнал управления пневмоклапанном. Анализ полученных результатов показывает, что управление клапаном реализовано правильно.

Затем для обработки аварийных состояний подключим к выходам Switch 7 и 6 логический элемент «или», а к нему элемент прекращения расчетов. Теперь при появлении сигнала аварийно низкого и высокого уровня происходит прекращение работы, то есть аварийная остановка.

3.4 Модель блока управления маслонагревателем и охладительной установкой

Используя элементы Simulink создадим модель модуля управления нагревателем и охладительной установкой. На рисунке Рис. 3.1 представлена схема модели.

Рис. 3.1

Модель состоит из генератора обеспечивающего изменение значения температуры по синусоидальному закону. Маслоохладителная установка должна включаться при достижении температуры уставки ее включения и отключаться при падении температуры до номинального уровня. контроль величины по диапазону начало и конец которого находятся на значительном расстоянии позволяет ограничить частоту включения и отключения оборудования, что увеличивает его ресурс. Для реализации такого алгоритма наиболее подходящим решением будет использование релейного элемента, так как он переключает выходной сигнал именно по такому закону. Подключим к релейному элементу выход генератора температуры и зададим уставки температуры при которых производится включения и отключения маслоохладителя.

Для управления маслонагревателем все выполняем аналогично, описанной выше модели блока управления маслоохладителем, за исключением того, что температура включения маслонагревателя меньше чем температура его отключения. Следовательно, для работы релейного элемента необходимо использовать обратные величины. Подключим к выходам релейных элементов и генератора Scope и снимем диаграмму работы модели (Рис. 3.2).

Рис. 3.2

Графики показывают, что включение и отключение оборудования производится своевременно.

Подключим к выходу генератора устройства контроля выхода температуры за допустимый режим.

3.5 Модель блока управления насосами

Создадим генератор имитирующий изменение давления масла в гидроаккумуляторе. Затем с помощью релейных элементов и функций вычислении обратной величины (как описано в предыдущем пункте) соберем компаратор, управляющий включением и отключением каждого насоса.

Подключим к каждому выходу систему элементов обеспечивающих включение и отключения насосов. Разберем на примере компенсационного насоса алгоритм работы каждого из устройств, которые одинаковы, для всех насосов.

Необходимо получить режим работы соответствующий диаграмме работы насоса представленной на Рис. 3.3.

Рис. 3.3.

Для реализации такого алгоритма разобьем его на две части - включение и отключение насоса. При высоком уровне сигнала с компаратора (означающего необходимость включения какого либо насоса) этот сигнал воспринимается устройством пуска электродвигателя и он запускается. При нулевом уровне сигнала, двигатель отключается.

Для управления перепускным клапаном используется логический элемент «или». При появлении хотя бы на одном его входе сигнала высокого уровня производится открытие перепускного клапана. При Запуске насоса на один из двух входов элемента «И» приходит сигнал равный единице, на втором входе сигнал проходит через элемент задержки первоначально установленный равным единицы, как только происходит переключение сигнала через время равное времени запаздывания элемента на входах элемента «И» создается состояние при котором сигнал управления перепускным клапаном равен нулю.

При включении насоса происходит второй элемент «И» выдает сигнал на открытие перепускного клапана, а после прохода сигнала через элемент задержки сигнал на элементе «И» становится равным нулю и перепускной клапан закрывается.

Схема модели блока управления насосами представлена на Рис. 3.6.

Описанная в данном разделе логическая модель системы управления представляет собой упрощенную модель поведения системы. позволяющую производить различные эксперименты по улучшению качества управления и может быть использована как составная часть более сложной модели системы управления ГЭС.



Рис. 3.6.

4. Проектирование системы автоматизированного управления с использованием пакета Rational Rose

4.1 Определение требований к системе

Управление маслонапорной установкой производится микроконтроллером, который осуществляет сбор данных о процессе с датчиков, контролирующих параметры технологического процесса, управление исполнительными механизмами МНУ. Контроллер МНУ получает управляющие его работой сигналы от центрального контроллера ГЭС и передает ему данные о состояние технологического процесса МНУ.

Контроллер ГЭС передает полученные данные оператору, который через контроллер ГЭС способен влиять на режим работы МНУ.

Отобразим все вышесказанное на диаграмме вариантов использования (рис. 4.1).

Рис. 4.1

4.2 Построение структуры системы

Реализация аппаратной части проектируемой системы отображена на диаграмме топологии (Рис. 4.2). Диаграмма топологии является единой для системы в целом, поскольку должна всецело отражать особенности ее реализации.

Рис. 4.2

Определим структуру системы. Центральным устройством системы, функционально связанным со всеми устройствами системы будет управляющий микроконтроллер. Данная диаграмма представляет аппаратную реализацию системы управления. Все датчики и исполнительные устройства разрабатываемой системы взаимодействуют с центральным микроконтроллером, который собирает информацию о состоянии технологического процесса в установке и обрабатывая эти данные и принимает решение о включение или выключение необходимого в данной ситуации устройства.

Для уменьшения числа типов рассматриваемых объектов разделим их на классы.

4.3 Создание диаграммы классов

Каждый класс может быть представлен несколькими объектами представляющими некоторые устройства, обладающими одинаковыми атрибутами и методами. Представим созданные классы и их взаимодействие на диаграмме классов системы управления.

? Main_controller - устройство данного класса представляет собой управляющий контроллер МНУ. Взаимодействует со всеми классами и имеет для этого ряд методов:

? Ontimer

? Get_status

И ряд атрибутов представляющих собой внутренние переменные используемые контроллером при реализации управляющего алгоритма:

? Main_pump_resourse - содержит время наработки главного насоса МНУ;

? Diverter_period - содержит время открытия перепускного клапана;

? Pump1 - Pump3 - содержит сведения о состояние насосов;

? Heating - состояние нагревателя;

? Cooling - состояние охладителя;

? Level1- Level6 - определяют уровень в ГА и сливном баке;

? Pressure - показатели реального и контрольных давлений в ГА;

? Condensation - наличие конденсата в баке;

? Obstructed1- Obstructed3 - засорение фильтров;

Air_valve - состояние пневмоклапана;

? Alarm - флаг аварийного состояния системы;

? Controller_GES - система управления ГЭС. Задает параметры работы контроллера МНУ и собирает сведения о состоянии технологического процесса.

? Timer - устанавливается контроллером и отсчитывает время, вырабатывает тактовый сигнал равный заданному контроллером периоду.

? Period - величина временного промежутка генерации сигнала OnTimer

? Set_timer() - операция управления таймером

? Valve - этот класс объединяет все электромагнитные клапаны системы. Управление объектами этого класса одинаково и сводится к использованию двух методов класса:

? Open()

? Close()

То есть клапан может быть открыт и закрыт.

? Oil_pump - масляные насосы. Все три насоса обладаю имеет одинаковые составные части и порядок запуска и остановки, следовательно, можно отнести их к одному классу. Класс обладает двумя методами - включить и отключить насос.

? SwitchON()

? SwitchOFF()

? Heater - электронагреватель масла в сливном баке. Не имеет атрибутов, но может включаться и отключаться. Следовательно, имеет два соответствующих метода:

? SwitchON()

? SwitchOFF()

Приведенные ниже классы представляют собой устройства сбора сведений о состояние технологического процесса. Каждый подобный класс содержит один атрибут - значение контролируемой величины и один метод - передать значение этой величины. Для контроля состояния МНУ используются датчики представленные следующими классами:

? Pressure_sensor - датчик давления масла в ГА

? Set_timer

? Get_pressure

? Thermometer - датчик температуры в сливном баке

? Temperature

? Get_themperature

? Analogius_level_sensor - аналоговый датчик уровня не используется при управлении технологическим процессом установки, одна сбор данных о состоянии уровня масла в баке и передача ее центральному контроллеру ГЭС осуществляется контроллером МНУ, а значит необходимо реализовать класс и описать метода работы с ним.

? Level

? Get_analogius_level

? Water_sensor - датчик наличия конденсата в сливном баке

? Condensate

? Get_water

? Obstruction_sensor - датчик засорения масляных фильтров

? Obstructed

? Get_obstruction

? Valve_position_sensor - датчик открытия перепускного клапана

? Position

? Get_obstruction

? Discrete_level_sensor - дискретный датчик уровня масла

? Level

? Get_level

Теперь, когда были установлены и описаны все классы, представляющие компоненты системы управления МНУ, необходимо создать объекты представляющие каждый компонент и указать его принадлежность к какому либо из описанных выше классов.

4.4 Взаимодействие компонентов системы

Объекты системы и их взаимодействие удобнее всего описать используя диаграмму взаимодействия изображенную на рисунке. На данной диаграмме изображены все устройства представленные на диаграмме топологии и еще несколько таймеров, которые входят в состав контроллера, но для описания алгоритма работы и улучшения структурирования системы удобнее будет рассматривать, как объекты некого самостоятельного класса Timer. Все объекты системы взаимодействуют только с одним - контроллером. Мы имеем дело с централизованной системой.

Как видно из диаграммы взаимодействия между объектами осуществляются с использованием описанных в предыдущем пункте методов класса, объектом которого является устройство. Порядок взаимодействия компонентов во времени удобнее всего представить на диаграмме последовательности взаимодействия.

4.5 Построение алгоритма работы системы

Создаваемая нами система работает по принципу логического автомата. То есть алгоритм ее работы можно представить как ряд определенных статических состояний в каждом из которых осуществляются какие либо заранее известные действия, описанные программой функционирования МНУ.

Переход из состояния в состояние происходит при наступлении одного из условий перехода, представляющего собой условие математической логики или наступление какого либо события, обработка которого должна осуществляться в другом статическом состояние системы. Возможно и осуществления безусловного перехода, если все действия предусмотренным состоянием были выполнены.

Для рассматриваемой нами системы управления мну можно следующие состояния описывающие весь цикл управления маслонапорной установкой ГЭС:

? Предпусковая проверка системы (Sistem_test);

? Ожидание сигнала таймера (Idle);

? Сбор данных датчиков (Get_sensor_data);

? Обработка данных, выработка управляющих воздействий (Process_Data);

? Остановка рабочего процесса (Stoping_process);

Так как рабочий процесс системы управления МНУ представляет собой последовательный переход между статическими состояниями удобнее всего будет составить диаграмму состояний.

Запуск системы осуществляется в точке Begin_working_circle и сразу же переходит в состояние проверки системы Sistem_test где производится опрос датчиков системы, параметры контролируемые данными датчиками могут не соответствовать начальным условиям запуска и система перейдет в состояние остановки. Контролируется температура масла в баке, его уровень, уровень и давление в ГА. Все действия производятся при входе в состояние. Если давление в гидроаккумуляторе меньше номинального или сработал один из аварийных датчиков уровня система перейдет в состояние остановки. В данном случае необходимо произвести перезапуск системы после корректировки параметров в ручном режиме.

Если не все параметры в норме производится переход в состояние ожидания сигнала таймера. Так как быстродействие процессора контроллера многократно превосходит время изменения состояния МНУ, нет необходимости постоянного контроля параметров техпроцесса, а правильнее осуществлять его периодически, по сигналу системного таймера. Для реализации процедуры ожидания и используется состояние Idle. Как только получен сигнал от системного таймера начинается опрос всех датчиков системы, а затем переход в состояния обработки полученных данных и выработки управляющих воздействий для корректировки технологических параметров.

Внутри этого состояния выделено несколько подсостояний, каждое из которых вводится для удобства восприятия и представляет собой алгоритм управления генерации управляющих сигнал для исполнительных устройств.

Из состояния обработки данных существует несколько условных переходов в режим остановки. Вызвано это необходимостью распознать аварийный режим работы и своевременно остановить МНУ, не допустив ее повреждения. Значения этих параметров рассматривалось при описании контрольных параметров системы при описание установки.

Если же аварийного или инициированного контроллером ГЭС прекращения работы не производится система находится в состоянии обработки данных до окончания проверки всех условий выработки управляющих воздействий.

Первым делом обрабатываются параметры давления и если оно превышает номинальное производится остановка включенных насосов (подпроцесс Pumping). Если же давление ниже уставки включения компенсационного, основного или резервного насоса производится включение соответствующего насоса, или не производится ни каких действий (в случае если насос уже запущен).

Затем после запуска или остановки необходимых насосов переходим в подсостояние управления пневмоклапанном. Пневмоклапан открывается, если он был закрыт, а уровень в ГА достиг наибольшего рабочего значения. Если же уровень упал ниже наименьшего, а клапан был открыт. производится его закрытие.

После окончания подсостояния управления уровнем переходим в подсостояние регулирования температуры в ГА. Если она ниже температуры включения нагревателя, а нагреватель не включен производится посылка сигнала на его включение. Если температура выше уровня включения охладителя и при этом он до сих пор не запущен производится открытие клапана охладителя.

Последним проверяются параметры которые могут позволить своевременно диагностировать неисправность и выявить наступление предаварийного состояния и передача состояния системы центральному контроллеру ГЭС.

Как только все подсостояния пройдены, система вновь попадает в состояние ожидания.

В режиме остановки МНУ производится отключение всех исполнительных механизмов, после чего система завершает свой рабочий цикл.

Представленный в данном пункте алгоритм работы носит упрощенный характер, он достаточен для понимания механизма работы системы управления МНУ. Но так как предполагаемый для используемый в САУ МНУ контроллер не поддерживает доступные в пакете Rational Rose языки программирования, нет смысла более подробно описывать алгоритм управления. Хотя при необходимости любое состояние системы может быть расширено и дополнено до реализации необходимого уровня отражения процесса управления, при этом число и структура основных состояний отражена достаточно полно.

4.6 Создание программного кода

Программный пакет Rational Rose позволяет произвести генерацию заготовки программного кода компьютерной модели САУ МНУ на основных языках программирования. Произведем генерацию программного кода. на языке С++, для этого создадим диаграмму компонентов, отражающая организацию и взаимосвязи программных компонентов, представленных в исходном коде, двоичных или выполняемых файлах. Связи в данном типе диаграммы представляют зависимости одного компонента от другого и имеют специальное отображение через значок «зависимости».

Для каждого из классов создается два файла: заголовочный (с расширением .h), который содержит описание класса, и файл реализации (с расширением .cpp), где содержится программная реализация методов класса.

Поэтому каждый класс на диаграмме компонентов будет представлен двумя видами компонентов: Package Specification и Package Body. Первый вид представляет собой определение пакета (заголовочный файл с расширением .h), второй - тело пакета (файл с расширением.cpp).

Компоненты на диаграмме названы также, как и классы, которые они представляют. Связями зависимости на диаграмме показано, что для заголовочного файла контроллера требуются файлы датчиков и устройств, которые в свою очередь используются для компиляции самих файлов датчиков и устройств.

Программный код, полученный с помощью программного пакета Rational Rose, помещен в приложение А.

5 Аппаратная и программная реализация системы управления МНУ ГЭС

5.1 Аппаратная реализация управления

Подбор аппаратной части, то есть аппаратная реализации описанной выше системы управления должен проводиться в точном с соответствии с описанными в разделе 2,1 требованиями к системе управления МНУ. Это очень важная часть проектирования АСУ так как непосредственно управление процессом и реализация алгоритма управления будет производится именно выбранными нами узлами и элементами автоматики.

Следовательно, для обеспечения качественного управления объектом и обеспечения требуемых свойств и качеств системы управления, необходимо произвести правильный подбор компонентов системы. Необходимо выбрать такие приборы и устройства, технические характеристики которых позволят им выполнять предусмотренные для них технологическим процессом функции с в рамках необходимых критериев качества. Необходимо обеспечить совместимость узлов, то есть возможность совместного функционирования различных устройств автоматики реализующих одну систему управления. Для реализации этого требования, необходимо исключить устройства допускающие возникновения наводок в других узлах и чувствительных к таким наводкам. Соединяемые узлы должны обладать совместимым интерфейсом. Необходимо так же учесть экономическую целесообразность применения каждого элемента в системе.

Будим подбирать компоненты системы исходя из соображения, что питание всей системы будет осуществляться от единого блока питания системы управления напряжением 24 вольта.

Центральным устройством системы управления маслонапорной установкой является микроконтроллер с него и начнем подбор компонентов.

Выбор платформы системы управления

Систему управления будем строить на базе управляющего контроллера фирмы Siemens S7-300 simatic. Данная линия продукции этой фирмы включает значительное количество различным по характеристикам управляющих процессоров центральных модулей, модулей ввода вывода данных, измерительных преобразователей и др.

Использование продукции именно этой фирмы обусловлено наличием достаточного количества разновидностей устанавливаемых модулей, позволяющих создавать на их базе практически любые сложные системы управления.

Модули обладают хорошей совместимостью, а расширяемая структура контроллера позволяет производить модернизацию системы, а так же замену минимального количества элементов при ремонте, при этом замена отдельного модуля может производится в короткие сроки, что позволяет уменьшить простой МНУ снизив тем самым связанными с простоем затраты.

Контроллеры данной серии обладают хорошими показателями производительности и очень надежны. Средняя наработка на отказ составляет около 10 лет, что вполне приемлемо для нашей системы управления.

Фирма Siemens имеет в нашей стране развитую дилерскую сеть, что позволяет организовать своевременную поставку комплектующих при возникновение необходимости их замены. Хорошо организовано сопровождение продукции в течении всего жизненного цикла изделий. Все это упрощает обслуживание системы и значительно сокращает сроки проведения ремонтных работ.

Серия S7 до сих пор расширяется, и модернизируется, что дает нам уверенность в возможности дальнейшего совершенствования системы управления путем замены отдельных модулей более совершенными.

5.2 Описание линии контроллеров S7-300

5.2.1 Модульное построение

S7-300 построен по модульному типу. Из обширного спектра модулей можно составить контроллер для каждой конкретной задачи управления индивидуально.

Спектр модулей включает в себя:

? центральный процессор управления для различных диапазонов производительности;

? сигнальные модули для цифрового и аналогового ввода/вывода;

? функциональные модули для технологических функций;

? сопроцессор для коммуникационных задач;

? блоки питания для подключения S7-300 к напряжению питания AC 120/230V;

? модули подключения для соединения носителей модулей в структуре из нескольких носителей модулей;

Все модули S7-300 защищены кожухом по классу защиты IP 20, т. е. они герметизированы и работают без применения вентилятора. Такое исполнение позволяет использовать контроллер в условиях агрегатного участка ГЭС во всем диапазоне влажности воздуха которая бывает в данном помещение.

5.2.2 Структура S7-300

S7-300 состоит из следующих модулей:

? блок питания (PS);

? центральный процессор управления;

? сигнальные модули (SM);

? функциональные модули (FM)

? коммуникационный процессор

Несколько S7-300 могут взаимодействовать друг с другом при помощи кабеля шины. По техническому заданию и при осуществлении проектирования системы управления предполагалось, что контроллер МНУ ведет передает параметры технологического процесса и получает инструкции по управлению МНУ от центрального контроллера ГЭС по средствам сети PROFIBUS. Наличие данной функции у контроллеров S7-300 позволяют использовать их в нашей системе.

Для программирования S7-300 используется программатор (PG). PG соединяется с CPU при помощи кабеля PG.

В Таблице 5.1 представлены основные элементы системы S7-300 и выполняемые ими функции.

Таблица 5.1
Компонент	Функция	Иллюстрация
Профильная шина Принадлежности: элемент для прокладки экрана	Является носителем модулей для S7-300
Блок питания (PS)	Преобразует напряжение сети (AC 120/230 В) в рабочее напряжение DC 24 V для питания S7-300, а также для электропитания цепей нагрузки DC 24 V
CPU Принадлежности: * CPU 313/314/315/315-2DP - плата памяти - буферная батарея (как альтернатива - аккумулятор для часов реального времени у CPU 315/315-2 DP) * CPU 314 IFM - буферная батарея (альтернативно аккумулятор для часов реального времени) - фронтштекер * CPU 312 IFM - Фронтштекер	Исполняет программу пользователя; подает питание 5 В на расположенную с задней стороны модулей шину S7-300; при помощи интерфейса MPI обменивается информацией с другими абонентами сети MPI. Кроме того, Вы можете использовать CPU 315-2 DP в подсети PROFIBUS: * в качестве Master-устройства DP * в качестве ведомого DP (DP-Slave) к Master- устройству DP S7/M7 или к другому Master-стройству DP.
Сигнальные модули (SM) (модули цифрового ввода, модули цифрового вывода, модули цифрового ввода/вывода модули аналогового ввода модули аналогового вывода модули аналогового ввода/вывода) Принадлежности: фронтштекер	Адаптируют различные уровни технологического сигнала к S7-300.
Функциональные модули (FM) Принадлежности: фронтштекер	Для критичных к времени и требующих много памяти задач обработки сигнала процесса, таких, например, как позиционирование или регулирование
Коммуникационный процессор (CP) Принадлежности: соединительный кабель	Разгружают CPU от коммуникационных задач, например, CP 342-5 DP для связи с PROFIBUS-DP
SIMATIC TOP connect (соединитель) Принадлежности: вставляемый спереди модуль с подсоединением посредством плоской ленты	Для электромонтажа цифровых модулей
Интерфейсный модуль (IM) Принадлежности: соединительный кабель	Соединяет отдельные ряды S7-300 друг с другом.
Кабель шины PROFIBUS с шинным штекером	Соединяет пользователей подсети MPI или PROFIBUS друг с другом
Кабель PG	Связывает PG/PC с CPU
Повторитель RS 485	Для усиления сигналов в подсети MPI или PROFIBUS, а также для соединения сегментов подсети MPI или PROFIBUS
Программатор (PG) или PC с пакетом программного обеспечения STEP 7	Для конфигурирования, параметрирования, программирования и тестирования S7-300

5.3 Выбор модуля центрального процессора

Из всего разнообразия микропроцессоров серии S7-300 выбираем CPU315-2DP, так как обладает рядом необходимых нам свойств, отличающих его от других контроллеров данной серии. Основным отличием является возможность поддержки интерфейс сети Profibus.

CPU 315-2 DP отличаются следующими свойствами:

может использоваться как Master-устройство DP (DP-Master) или как Slave-устройство DP (DP-Slave)

? 48 Кбайт рабочей памяти;

? 80 Кбайт встроенной загрузочной памяти RAM (может быть расширена с помощью платы памяти емкостью от 16 Кбайт до 512Кбайт, в CPU программируемы до 256 Кбайт;

? Скорость: ок. 0,3 мс на 1000 двоичных команд;

? При смешанной централизованной и децентрализованной структуре в целом могут быть подключены до 1024 байт входов и 1024 байт выходов;

? как DP-Slave CPU конфигурируется в STEP 7, начиная с версии 3.1 или с помощью COM PROFIBUS начиная с версии 3.1.

Характеристики мощности CPU 315-2 DP:

Рабочая память (встроенная) 48 Кбайт

? Загрузочная память

встроенная 80 Кбайт RAM

расширяемая до 512 Кбайт FEPROM (плата памяти)

в CPU программируется до256 Кбайт

? Скорость около 0,3 мс на 1000 двоичных команд

? Число меркеров - 2048

? Реманентность

устанавливаемая от MB 0 до MB 255

предустановленная 16 меркерных байтов реманентны (от 0 Мб до Mб 15)

? Количество счетчиков - 64

? Количество Таймеров - 128

? Тактовые меркеры 8 (1 меркерный байт); свободно выбираемый адрес меркерного байта (меркеры, которые могут быть использованы получения такта прикладной программе)

? Локальные данные всего 1536 байт на класс приоритета 256 байт

? Глубина вложения 8 на класс приоритета; 4

? Интерфейс DP

? Количество подключаемых Slave-устройства DP 64

? Скорость передачи до 12 МБод

? Память передачи (как DP-Slave) 122 байта выходов, конфигурируемы не более, чем в 32 адресных областях, макс. 32 байта на адресную область.

? Расстояние передачи данных зависит от скорости передачи. Для скорости 187,5 кБод:

расстояние без повторителя - 50 м

расстояние с 2 повторителями - 1100 м

расстояние 10 повторителями - 9100 м

? Количество цифровых входов - 1024

? Количество цифровых выходов - 1024

? Количество аналоговых входов - 128

? Количество аналоговых выходов - 128

? Количество блоков

OB - 14

FB - 128

FC - 128

DB - 127

SFC - 53

SFB - 7

? Часы - аппаратные часы;

? Число счетчиков рабочего времени 1;

область значений от 0 до 32767

дискретность 1 час

обладают реманентностью.

Конфигурация максимально 32 модуля на четырех носителях модулей.

Технические данные:

? Номинальное напряжение 24 В постоянного тока (-10 %/+15%);

? Потребление тока от 24 В (на холостом ходу) тип. 0,9 A;

? Ток включения 8 A;

? I²t 0,4 A2с;

? Внешняя защита питающих проводов (рекомендация) Выключатель с предохранителями; A, тип B или C;

? Мощность потерь тип. 10 Вт;

? Размеры Ш/В/Г (мм) 80/125/130;

? Вес 0,53 кг (без платы памяти и буферной батареи или аккумулятора);

? Время буферизации с буферной батареей мин. 1 год (при 25 °C и непрерывной буферизации CPU);

? Время буферизации с аккумулятором для часов реального времени тип. 120 Ч;

? Время зарядки аккумулятора тип. 1 ч;

5.4 Режимы DP-Master и DP-Slave

CPU 315-2 DP с помощью его второго интерфейса (PROFIBUS-DP) может использовать как DP-Master или как DP-Slave в сети PROFIBUS-DP. CPU 315-2 DP можете эксплуатировать как DP-Master не более, чем с 64 Slave-устройствами DP системы S7 или других систем. CPU 315-2 DP может подсоединяться как DP-Slave к Master-устройству DP системы S7 или к другому Master-устройству DP в соответствии со стандартом EN.

В нашем случае используем режим DP-Slave, так как наш контроллер получает управляющие сигналы от контроллера ГЭС.

5.5 Выбор модулей ввода вывода микроконтроллера

5.5.1 Цифровые модули ввода/вывода

В распоряжении программируемых контроллеров S7-300 имеется ряд цифровых модулей для подключения датчиков, преобразователей, нагрузок и приводов. Нам необходимо подключить 13 дискретных входов и три аналоговых входа с током 2-20 мА для приема сигналов от установленных на маслонапорной установке датчиков. Для управления исполнительными устройствами необходимо обеспечить девять дискретных выходов с напряжением 24 вольта и максимальным током нагрузки до 0,5 ампера.

Реализуем входы и выходы на базе цифровых и аналоговых модулей линии S7-300. Для обеспечения возможности расширения системы и подключения дополнительных устройств, а также для обеспечения возможности переключения датчика или исполнительного органа в случае отказа входа или выхода, которому он был подключен на другой вход или выход того же модуля, необходимо обеспечить наличие резервных входов и выходов в количестве не менее 20% от числа элементов резервируемого типа. Так как выпускаются модули с количеством входов/выходов кратным восьми, используем модули следующих видов:

? цифровой модуль ввода - 16 дискретных входов;

? аналоговый модуль ввода - 8 аналоговых входов;

? цифровой модуль вывода - 16 дискретных выходов.

Для обеспечения надежности системы будем использовать модули обладающие функцией самотестирования. Для реализации алгоритма управления основанного на выработке управляющего сигнала при измени на определенную величину какого либо контролируемого параметра используем моду генерирующие сигнал прерывания при изменении значений сигналов на входах.

5.5.2 Цифровой модуль ввода SM 321; DI 16 24 VDC

Для подключения дискретных датчиков уровня, датчиков засорения фильтров и датчиков положения перепускного клапана используем плату ввода SM 321; DI 16 24 VDC с прерываниями от процесса и диагностическими прерываниями имеющую следующие характеристики:

? 16 входов, изолированных группой из 16;

? номинальное входное напряжение 24 В постоянного тока пригоден для переключателей и 2/3/4-проводных BERO (датчиков близости);

? 2 устойчивых к короткому замыканию источника питания датчиков на 8 каналов каждый;

? для датчиков возможен дополнительный внешний источник питания;

? светодиоды состояния ”Питание датчиков в норме”;

? светодиод групповой неисправности;

? конфигурируемая диагностика;

? конфигурируемое диагностическое прерывание;

? конфигурируемое прерывание от процесса;

? настраиваемые задержки ввода.

Технические характеристики модуля

Размеры и вес

? Размеры Ш /?В /?Г - 40 /?125 /?120 мм

? Вес - 200 г

Данные, специфические для модуля

? Количество каналов ввода 16

? Длина кабеля

неэкранированного макс. 600 м

экранированного макс. 1000 м

Напряжения, токи, потенциалы

? Номинальное напряжение на L +24 В постоянного тока

? Защита от обратной полярности - Да

? Количество входов, которыми можно управлять одновременно горизонтальная установка до 60 °C - 16

вертикальная установка до 40 °C - 16

? Гальваническая развязка

между каналами и задней шиной - Да

между каналами - Нет

между напряжением на L+ и источником питания датчиков VS - Нет

? Допустимые разности потенциаловмежду различными контурами -75 В постоянного тока и 60 В переменного тока

? Изоляция проверена при 600 В постоянного тока

? Потребление тока

из задней шины макс. - 55 мА

из источника питания нагрузки L + (без источника питания датчиков VS) макс. - 40 мА

Выходы источников питания датчиков

? Выходы - 2

? Выходное напряжение при нагрузке мин. L+ (- 2,5 В)

? Выходной ток

номинальное значение - 120 мА

допустимый диапазон от 0 до 150 мА

? Дополнительное (резервное) питание - Разрешено

? Защита от короткого замыкания - Да, электронная

Данные для выбора датчиков

? Входное напряжение

номинальное значение - 24 В постоянного тока

для сигнала ”1” от 13 до 30 В

для сигнала “0” от - 3 до 5 В

? Входной ток при сигнале ”1” тип. 7 мА

? Допустимый ток короткого замыкания макс. 1,5 мА

Время/частота

? Внутреннее время обработки прерывания без задержки ввода

только для обработки прерывания макс. 250 мс

для обработки прерывания и диагностики макс. 250 мс

? Задержка ввода

конфигурируемая - Да

номинальное значение - 20 мс типовая.

? Частота на входе (при времени задержки 0,1 мс) <2 кГц

Размеры и вес

? Размеры Ш/В/Г 40/125 /120 мм

? Вес - 190 г

Данные, специфические для модуля

? Количество каналов вывода - 16

? Длина кабеля

неэкранированного макс. 600 м

экранированного макс. 1000 м

Напряжения, токи, потенциалы

? Номинальное напряжение на L + 24 В пост. тока

? Суммарный ток выходов (на группу)

горизонтальная установка до 20 °C - макс. 4 A

горизонтальная установка до 40 °C - макс. 2 A

вертикальная установка до 60 °C - макс. 2 A

? Гальваническая развязка

между каналами и задней шиной - Да

между каналами группами по 8 - Да

? Допустимые разности потенциалов между различными контурами 75 В постоянного тока и 60 В переменного тока

? Потребление тока

из задней шины макс. - 80 мА

из L+ (без нагрузки) макс. - 120 мА

? Потери мощности в модуле тип. 4,9 Вт

Данные для выбора исполнительных устройств

? Выходное напряжение при сигнале ”1” мин. L + (- 0,8 В)

? Выходной ток при сигнале ”1” номинальное значение -0,5 A

допустимый диапазон - от 5 мА до 0,6 A

при сигнале ”0” остаточный ток - макс. 0,5 мА

? Полное сопротивление нагрузки от 48 Ом до 4 кОм

? Ламповая нагрузка макс. 5 Вт

? Параллельное включение 2 выходов

для резервирования воздействия на нагрузку - Возможно (только для выходов одной и той же группы)

для увеличения мощности - Невозможно

? Приведение в действие цифрового ввода - Возможно

? Частота переключения

активная нагрузка макс. - 100 Гц

индуктивная нагрузка по IEC 947-5-1 макс. - 0,5 Гц

ламповая нагрузка макс. - 10 Гц

? Напряжение, наводимое при обрыве цепи, ограничено (внутренне) до L + (- 48 В), тип.

? Защита выходов от короткого замыкания - Да, электронная

? Порог реакции - 1 A, тип.

5.5.3 Аналоговый модуль ввода SM 331; AI 8 x 12Bit

В маслонапорной установке используется три аналоговых датчика. Это датчик уровня в баке, датчик температуры и датчик давления. Все они имеют выходной сигнал в виде то в 4 - 20 мА. И питаются напряжением 24 в. Все датчики являются изолированными. Для подключения таких датчиков используем модуль аналогового ввода SM 331; AI 8 x 12Bit

Аналоговый модуль ввода SM 331; AI 8 x 12 Bit имеет следующие характерные особенности:

? 8 входов в 4 группах каналов

? Разрешение измеряемого значения; устанавливается на группу (в зависимости от установленного времени интегрирования)

9 битов + знак

12 битов + знак

14 битов + знак

? Вид измерения, выбираемый для группы каналов:

напряжение

ток

сопротивление

температура

? Произвольный выбор диапазона измерений на группу каналов

? Программируемая диагностика

? Программируемое диагностическое прерывание

? Два канала с контролем границ

? Программируемое прерывание при переходе границы

? Гальваническая развязка с CPU

? Гальваническая развязка с напряжением нагрузки (не для 2-проводного преобразователя)

Разрешение измеряемой величины непосредственно зависит от выбранного времени интегрирования. Иными словами, чем больше время интегрирования для канала аналогового ввода, тем больше будет разрешение измеряемой величины.

Технические данные модуля

? Размеры Ш / В / Г - 40 / 125 / 120 мм

? Вес - 250 г

? Количество входов - 8

с резистивным датчиком - 4

? Длина кабеля (экранированного) макс. 200 м

Напряжения и токи

? Номинальное напряжение на L + 24 В пост. тока

? Защита от обратной полярности - Да

? Источники питания преобразователей

защита от короткого замыкания - Да

ток постоянной величины для резистивного датчика - тип. 1,67 мА

? Гальваническая развязка

между каналами и задней шиной - Да

между каналами и напряжением на L+ - Да

? Допустимая разность потенциалов между входами и MANA (UCM) при сигнале = 0 В 2,5 В пост. тока

? Потребление тока из задней шины - макс. 60 мА

из источника напряжения L + (без нагрузки) - макс. 200 мА

? Потери мощности в модуле тип. 1,3 Вт

Данные для выбора датчиков

? Ток

± 3,2 мА;

± 10 мА;

± 20 мА;

от 0 до 20 мА;

от 4 до 20 мА;

? Сопротивление

150 Ом /10 МОм;

300 Ом/10 МОм;

600 Ом/10 МОм;

? Подключение датчиков для измерения тока

как 2-проводных преобразователей - Возможно

как 4-проводных преобразователей - Возможно

5.6 Выбор источника питания системы управления

Питание контроллеров датчиков и пусковых устройств исполнительных механизмов производится от одного блока питания напряжением 24 В. По этому все датчики, пускатели и реле выбираем именно с этим напряжением питания. Блок питания должен питаться от сети собственных нужд ГЭС переменным током частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

Наличие единого блока питания позволяет упростить систему резервного питания САУ МНУ. В качестве источника питания будем использовать PS 307; 10 A из комплекта S7-300 с номинальным током нагрузки 10 А. Такой ток позволяет осуществлять питание электрическим током не только контроллер, но и датчики и линий управления исполнительных механизмов. Обеспечивает возможность развивать и модернизировать систему, подключая к ней новые устройства.

Источник питания PS 307; 10 A имеет следующие отличительные характеристики:

? выходной ток 10 A

? выходное напряжение 24 в пост. тока; защита от короткого замыкания и обрыва цепи

? подключение к однофазной системе переменного тока (входное напряжение 120/230 В перем. тока, 50/60 Гц)

? надежная электрическая изоляция в соответствии с EN 60 950

? может быть использован как источник питания нагрузки.

Технические данные

Размеры и вес

? Размеры Ш / В / Г - 200 / 125 / 120 мм

? Вес 1,2 кг

Номинальные входные данные

? Входное напряжение номинальное значение 120/230 В переменного тока

? Частота системы питания

Номинальное значение - 50 Гц или 60 Гц

Допустимый диапазон - от 47 Гц до 63 Гц

? Номинальный входной ток

при 230 В -1,7 A

при 120 В - 3,5 A

? Пусковой ток (при 25°C) 55 A

Номинальные выходные данные

? Выходное напряжение

Номинальное значение - 24 В пост. тока

Допустимый диапазон - 24 В ± 5 %, защита

? Время нарастания от размыкания цепи - макс. 2,5 с

? Выходной ток

Номинальное значение 10 A, нельзя включать в параллельные конфигурации

? Защита от короткого замыкания Электронная, не фиксирующая, от 1,1 до 1,3 Ч IN

? Остаточные пульсации макс. 150 мВ.

Другие параметры

? Класс защиты по IEC 536 (DIN VDE 0106, часть 1) I, с проводом защитного заземления

? Изоляция

Номинальный уровень изоляции (24 В на L1) - 250 В переменного тока