Разработка автоматизированной системы управления воздушным компрессором КГЦ

,

Класс диода не ниже 11.

Напряжение в звене постоянного тока U_d, B



Действующее значение линейного напряжения U_с, B

Среднее значение тока через вентиль I_vcp, А

(3.8)

где I_d - действующее значение тока, принимаем равным номинальному току двигателя, А

(3,9)

Диоды - тип ВЛ-25-8 I_н=25 А, класс по напряжению не ниже

Выбираем транзистор типа КТ828

Постоянное напряжение коллектор - эмиттер 400 В

Постоянный ток коллектора 5А

Мощность рассеяния на коллекторе 50Вт

Теперь рассмотрим параметры схемы замещения асинхронного двигателя.

Расчеты произведем на основании данных двигателя.

Жесткость линеаризованной рабочей части механической характеристики

где М_м - критический момент двигателя, ;

- синхронная скорость двигателя, с^-1;

S_к - критическое скольжение двигателя.

Определим критический момент двигателя

где k_m - перегрузочная способность по моменту;

М_н - номинальный момент двигателя, .

Синхронная частота вращения двигателя:

где n₀ - синхронная скорость вращения, об/мин.

Рассчитаем критическое скольжение двигателя:



где - активное сопротивление ротора, приведенное к статорной обмотки, Ом;

где

реактивное сопротивление ротора, приведенное к статорной обмотке.

Рассчитаем параметры структурной схемы асинхронного двигателя при произвольном повороте вращающейся системы координат относительно пространственных векторов.

Индуктивное сопротивления рассчитаны при номинальной частоте. Поэтому для определения индуктивностей надо значения индуктивных сопротивлений поделить на номинальное значение угловой частоты после чего получим:



где =314 - номинальная угловая частота вращения магнитного потока, с^-1.

Аналогично определим индуктивности рассеивания фаз статора , и ротора ,:

Тогда полные индуктивности фаз статора и ротора будут равны :

=

Постоянная времени фазы обмотки статора



где

Постоянная времени фазы обмотки ротора

где

Коэффициент рассеяния машины

где безразмерный коэффициент определяющий отношение индуктивностей

безразмерный коэффициент определяющий отношение индуктивностей

Тогда получим:

Также для моделирования необходимо значение:

где J-момент инерции на валу двигателя,

Определим значение всех блоков структурной схемы асинхронного двигателя при произвольном повороте вращающейся системы координат относительно пространственных векторов, рисунок 3.3:



Тогда можно составить структурную схему асинхронного двигателя при произвольном повороте вращающейся системы координат относительно пространственных векторов, с подстановкой числовых значений.

3.2 Разработка параметров системы регулировании скорости при векторном управлении

В аналоговую часть входят:

- Регулятор скорости РС;

- Автономный инвертор напряжения АИН;

- Асинхронный двигатель АД;

- Обратные связи по току и потоку.

Регулятор скорости выполнен в виде сложного П - регулятора, настройку контура скорости будем производить на модульный оптимум.

Рассчитаем коэффициенты передачи датчиков обратных связей по току и напряжению.

Коэффициент передачи датчика напряжения

где

Коэффициент передачи датчика тока



где

Коэффициент передачи датчика скорости

где

Настройки контуров регулирования и расчет динамических характеристик системы регулирования скорости при векторном управлении асинхронным двигателем.

Схема построена с использованием математического описания ненасыщенного асинхронного двигателя во вращающейся системе координат. Преобразователь характеризуется коэффициентом передачи по напряжению и чистым запаздыванием на время , равное периуду ШИМ инвертора. Считается, что величины М_д и _д определяемые в модели потока, точно воспроизводят электромагнитный момент двигателя М_Д и потокосцепление ротора _Д в масштабах, характеризующихся коэффициентами передачи обратных связей по моменту и потокосцеплению ротора k_д.м. и k_д.т. соответственно. Датчик скорости имеет коэффициент передачи k_д.с. Опыт показывает, что стандартные настройки регуляторов, рассчитанные по линеаризованному описанию системы, обеспечивают удовлетворительную динамику системы, построенной по принципам подчиненного регулирования, и при ограничении выходных переменных регуляторов.

Расчет параметров АИН

Передаточная функция автоинвертора напряжения имеет вид:

Найдем ЭДС, наводимую в обмотке статора Е₁, В:

где номинальный коэффициент нагрузки.

Регулировочная характеристика инвертора имеет вид:

где k₂ =2,34 - коэффициент, зависящий от схемы соединения вентилей инвертора

Определим значения углов инвертирования, при работе с номинальной скоростью:

Номинальная выпрямленная ЭДС статорной обмотки , В



где k₁=1,35 - коэффициент, зависящий от схемы соединения вентилей;

S_н - номинальное скольжение двигателя.

где - номинальная скорость двигателя, рад/с;

- синхронная скорость двигателя, рад/с.

Из условия, что:

Определим - жёсткость линеаризованной рабочей части механической характеристики асинхронного двигателя :

Определим значения углов инвертирования, при работе с минимальной скоростью:

Выпрямленная ЭДС статорной обмотки , В:

где - максимальное скольжение двигателя.

где D=4 - диапазон регулирования частоты вращения двигателя.

Определим - жёсткость линеаризованной рабочей части механической характеристики асинхронного двигателя :

Определим коэффициент усиления инвертора К_И, по формуле:

где - максимальная жесткость линеаризованной рабочей части механической характеристики асинхронного двигателя, рад;

- минимальная жесткость линеаризованной рабочей части механической характеристики асинхронного двигателя, рад;

- выбираем из справочника, задавшись углом б

Определим постоянную времени инвертора, с:

(3.42)

где - время запаздывания инвертора, с.

(3.43)

где f=50 - частота питающей сети, Гц;

M=3 - число фаз.

Окончательно передаточная функция автоинвертора напряжения будет:

Настройка контура тока

Настройку будем производить без учета влияния перекрестных связей. Передаточная функция разомкнутого контура тока статора по оси записывается в виде:



где коэффициент передачи преобразователя;

коэффициент передачи датчика тока;

передаточная функция регулятора скорости;

коэфициент рассеяния машины;

значение чистого запаздывания.

В зоне частот, где фазовая частотная характеристика звена чистого запаздывания близка к фазовой частотной характеристике апериодического звена с постоянной времени На этом основании при расчете параметров регулятора тока можно принять малую постоянную времени равной времени чистого запаздывания и для настройки контура на модульный оптимум применить ПИ регулятор с параметрами:

где - динамический коэффициент регулятора тока;

- малая постоянная времени, с.

Определим постоянную времени регулятора тока , с:

При рассмотрении контура тока должна быть учтена обратная связь по производной потокосцепления ротора. Перенеся вход обратной связи на вход звена , получим передаточную функцию объекта контура в виде:



Поскольку обычно можно и в контуре тока применить ПИ регулятор с параметрами такими же, как в контуре тока .

Настройка контура регулирования потокосцепления ротора

Для расчета параметров регулятора в контуре, содержащим подчиненный замкнутый контур (в рассматриваемом случае - контура тока статора по оси ) рекомендуется рассматривать его как апериодическое звено малой постоянной времени, равной удвоенной малой постоянной времени подчиненного контура. Тогда передаточная функция объекта, по которой рассчитываются параметры регулятора потока, должна быть записана в виде:

где - коэффициент передачи датчика потока, принимаем равным 1;

- малая постоянная времени при отсутствии запаздывания в определении потокосцепления ротора, с;

Т₂ - постоянная времени фазы обмотки ротора, с.

Определим малую постоянную времени при отсутствии запаздывания в определении потокосцепления ротора , с:

где - эквивалентная малая постоянная времени токового контура, с;

- малая постоянная времени контура тока, с.

.

Определим параметры ПИ-регулятора потока:

где - динамический коэффициент регулятора потокосцепления.

Постоянная времени регулятора потока с:

Настройка контура регулирования электромагнитного момента двигателя

Контур не содержит звена с большой постоянной времени. В предположении, что в двигателе установлено номинальное потокосцепление ротора , передаточная функция объекта при расчете в амплитудных значения имеет вид:

где - потокосцепление ротора;

- коэффициент обратной связи по моменту;

- коэффициент обратной связи по току;

- малая постоянная времени контура регулирования момента.

В этом выражении - передаточная функция апериодического звена, которым при расчете параметров регулятора момента заменена передаточная функция замкнутого контура тока при



Для настройки контура на модульный оптимум регулятор должен быть интегрирующим с передаточной функцией:

где - динамический коэффициент регулятора момента, 1/с.

где - число пар полюсов; - потокосцепление ротора;

- коэффициент обратной связи по моменту, принимаем равным 1.

Настройка контура скорости

Настройку произведём на модульный оптимум. Поскольку объект представляет собой интегрирующее звено, для настройки на модульный оптимум надо применить пропорциональный регулятор скорости с коэффициентом k_рс:

где - коэффициент обратной связи по моменту;

J - момент инерции двигателя, ;

- малая постоянная времени контура скорости, с;

- коэффициент передачи датчика скорости.



Постоянная времени регулятора скорости т ре' с:

В элементах схемы, относящихся к модели потока, расчёты выполняются по следующим формулам:

- эффективное значение потокосцепления ротора :

- электромагнитный момент двигателя М_д, :

- частота роторной ЭДС :



3.3 Настройка контура давления

Для того чтобы произвести расчет регулятора контура давления необходимо сначала определить передаточную функцию насоса как объекта управления.

Из /4/ следует, что напор(Н), развиваемый насосом, величина пропорциональная квадрату частоты вращения:

или

где - коэффициент напора, определяющий условие выбора насоса.

Передаточную функцию насоса можно определить из /7/ как

Настройку произведём на модульный оптимум. Поскольку объект представляет собой интегрирующее звено, для настройки на модульный оптимум надо применить пропорциональный регулятор давления с коэффициентом:

где - коэффициент обратной связи по давлению;

- малая постоянная времени контура давления.

Определим значение малой постоянной времени контура давления , с

.

Полученные значения подставим в формулу и получим:

.

Поддержание значения давления при изменении нагрузки происходит без бросков и скачков, таким образом можно сказать, что контур регулирования давления настроен адекватно.



4. Разработка ПО

4.1 Описание программных средств

Использование контроллеров и ЭВМ в автоматизации технологических процессов предполагает использование ряда специализированного программного обеспечения, необходимого для разработки решений задач автоматизации. Необходимо разработать программу для контроллера, на который возлагаются функции контроля и управления процессом. Далее следует разработать человеко-машинный интерфейс, обеспечивающий связь верхнего уровня SCADA-системы с контроллерами и визуализацию процесса на мониторах операторских станций.

Большинство фирм-производителей программируемых логических контроллеров поставляют и программное обеспечение для разработки программ контроллеров, называемое средствами программирования. Используем в нашем проекте среду программирования контроллеров RSLogix 5000 фирмы Rockwell Automation, что позволит обеспечить полную совместимость программной и аппаратной частей системы.

Верхний уровень SCADA-системы разрабатывается в отдельной среде программирования. Задачей является разработка графического интерфейса, предназначенного для взаимодействия между системой и человеком (человеко-машинный интерфейс, HMI - Human Machine Interface). Для удобства использования выберем в качестве HMI сервера среду RSView 32 фирмы Rockwell Automation.

Описание среды программирования RSLogix 5000

Программный продукт RSLogix 5000 поддерживает архитектуру ControlLogix и представляет собой средство программирования контроллера Logix5000.

Стандарт языков программирования IEC1131-3 описывает множество свойств программируемого контроллера, включая операционную систему, определение данных, языки программирования и комплект инструкций.

В IEC1131-3 компоненты разделены по категориям как обязательные и необязательные или дополнительные. Вследствие этого спецификация IEC1131-3 предоставляет минимальный функциональный набор, который может быть расширен по необходимости для обеспечения требований конечного пользователя. Для достижения этого каждый производитель систем программного управления может использовать различные компоненты спецификации и предоставлять различные расширения.

Операционная система (ОС) контроллеров Logix5000 с приоритетной многозадачностью соответствует определению IEC1131-3. В IEC1131-3 ОС программируемого контроллера может содержать ноль или более задач, которые могут выполнять одну или больше программ, каждая из которых содержит одну или больше функций или подпрограмм. В соответствии с IEC1131-3, число компонентов каждой из этих категорий зависит от конкретной реализации. Контроллеры Logix5000 поддерживают множество задач, каждая из которых может содержать множество программ с неограниченным числом функций и подпрограмм. IEC1131-3 предоставляет возможность классификации различных способов выполнения задач. Задачи могут быть определены как непрерывные, периодические или основанные на событии. Непрерывные задачи не нуждаются в планировании, они могут занимать все свободное время процессора, когда другие задачи остановлены. Периодические задачи работают по плану, основанному на повторе через заданное время. Спецификация IEC1131-3 не определяет базовое время для конфигурации периодической задачи. Описываемая IEC1131-3 задача, основанная на событии, запускается при обнаружении восходящего фронта сигнала по заданному входу. Контроллеры Logix5000 поддерживают непрерывные и периодические задачи. Кроме того, период для периодической задачи является настраиваемым, с минимально возможным значением 1 миллисекунда.

Согласно спецификации IEC1131-3 доступ к памяти предоставляется посредством создания именованных переменных. Имена переменных по IEC1131-3 должны состоять из, как минимум, 6 символов (пакет программирования RSLogix5000 поддерживает минимум 1 символ), начинаться с символа подчеркивания «_» или буквы латинского алфавита (A-Z) и далее содержать любое количество символов, включая символ подчеркивания «_», буквы латинского алфавита (A-Z) и цифры (0-9). Дополнительно, строчные латинские буквы могут поддерживаться как равнозначные символы (A=a, B=b,…, Z=z). Контроллеры Logix5000 обеспечивают полную совместимость с данным определением, поддерживают опцию строчных букв и длину имен переменных до 40 символов.

Переменные по IEC1131-3 могут быть определены как доступные для всех программ в пределах ресурса или контроллера или с ограниченным доступом, предоставляемым только функциям или подпрограммам внутри одной программы. При передаче данных между множеством ресурсов или контроллеров путь доступа может настраиваться для определения местоположения данных внутри системы. Контроллеры Logix5000 обеспечивают совместимость с этим стандартом, предоставляя возможности для определения областей данных программ, области данных контроллера и возможности для настройки путей доступа к данным при использовании механизма производимых / потребляемых данных.

Представление переменных в физической памяти по спецификации IEC1131-3 определяется использованием любых элементарных типов данных или дополнительно определенных типов данных, которые создаются как группы из множества данных различных элементарных типов. Контроллеры Logix5000 поддерживают использование элементарных типов данных BOOL (1 бит), SINT (8-битовое целое), INT (16-битовое целое), DINT (32-битовое целое) и REAL (число с плавающей запятой по IEEE). Кроме того, поддерживаются производные типы данных посредством создания определяемых пользователем структур и массивов.

Спецификация IEC1131-3 определяет пять различных языков программирования и набор общих элементов. Все языки определены как необязательные, но, как минимум, один должен поддерживаться для удовлетворения требований совместимости со стандартом. Компоненты языка программирования по IEC1131-3 определены следующим образом:

- общие элементы языка;

- общие графические элементы;

- инструкции (Instruction List - IL);

- элементы структурированного текста (Structured Text - ST);

- элементы релейно-контактной логики (Ladder Diagram - LD);

- элементы функциональных схем (Sequential Function Chart - SFC);

- элементы функциональных блоков (Function Block Diagram - FBD).

Контроллеры Logix5000 и пакет программирования RSLogix5000 поддерживают общие элементы языка и элементы релейно-контактной логики. Кроме того, окружение, использующее формат импорта / экспорта ASCII, основано на языке структурированного текста.

Описание SCADA RSView 32

RSView 32 - это пакет программного обеспечения, который работает на базе операционной системы Microsoft® Windows NT®, предназначенный для разработки и выполнения прикладных программ по сбору данных, оперативному контролю и управлению. RSView 32 предоставляет простой интерфейс для Microsoft® Windows NT® со всеми его характеристиками и функциональными возможностями, которые необходимы для эффективного контроля и управления оборудованием и технологическими процессами. Вместе с управляющими элементами ActiveX серии RSTools™ и остальным комплексным семейством продуктов Rockwell Software RSView 32 обеспечивает максимальную гибкость при контроле и эксплуатации системы управления. RSView 32 легко интегрируется с программными продуктами Rockwell Software, Microsoft и другими сторонними продуктами, благодаря поддержке таких технологий, как ActiveX, VBA, OLE, ODBC, OPC и DDE.

Характерными чертами RSView32 являются:

- Интегрированное, компонентное ПО для мониторинга и управления механизмами и производственным и процессами

- Беспрецедентная совместимость с продуктами Microsoft, RSI и ПО других производителей

- Многократно используемые, настраиваемые элементы управления ActiveX, непосредственно отображаемые на экране

- Гибкая расширяемая архитектура, позволяющая добавлять требуемые расширения: RSView32 TrendX, RSView32Messenger, RSView32 RecipePro, RSView32 SPC и RSLadder.

- Поддерживаемые сетевые интерфейсы: EtherNet/IP, ControlNet, DeviceNet, DH+, а также другие сети для которых доступны серверы OPC

4.2 Разработка программных средств управления технологическим процессом

Программирование контроллеров Allen-Bradley осуществляется в специально разработанной среде RSLogix 5000. В ней настраиваются блоки ввода / вывода, контроллер, создается управляющая программа на любом из четырёх поддерживаемых языков (релейная логика, структурированный текст, функциональные блоки двух видов), создаются теги для обмена данными с модулями ввода / вывода и для оперирования этими данными. Связь ЭВМ оператора с контроллером осуществляется с помощью коммуникационного пакета RSLinx, который содержит в себе набор драйверов для связи по различным протоколам и сетям. Создание программы происходит в следующей последовательности:

1. создание проекта;

2. конфигурирование модулей ввода / вывода;

3. создание тегов;

4. ввод логики;

5. загрузка проекта;

6. контроль состояния.

Создание проекта

Создание проекта происходит в следующей последовательности:

1. Выбор пункта File New для создания нового проекта;

2. Определение проекта.

В появившемся окне вводим имя проекта (K_1), тип контроллера (1756-L1), тип шасси (1756-A17), номер слота установки контроллера (0), путь сохранения программы.

После заполнения всех полей, нажимаем кнопку OK. Появляется окно планировщика задач контроллера.

В этом окне можно создавать задачи, программы, подпрограммы контроллера, сконфигурировать блоки ввода / вывода.

Конфигурирование модулей ввода / вывода

Чтобы добавить в проект новый модуль, в контекстном меню папки I/O Configuration выбираем пункт New Module. В появившемся окне каталога модулей выбираем нужный модуль и нажимаем OK.

Далее, в появившемся окне вводим имя модуля, номер слота в шасси и т.д.

Чтобы настроить модули ввода / вывода на сигнал по току или напряжению, существует меню более полной настройки модулей.

После выбора модуля, появляется значок с его именем в папке I/O Configuration. Заходим в эту папку, выделяем нужный модуль и, нажав правую кнопку мыши, выбираем меню Properties. В появившемся окне переходим на закладку Configuration. Затем в поле Input Range (для модуля ввода) или Output Range (для модуля вывода) выбираем тип сигнала. Если сигнал токовый, то выбираем его входной / выходной диапазон (0…20 мА). Если информационный сигнал - напряжение, то также выбираем его стандартные диапазоны. Затем в поле Scaling присваиваем верхнему и нижнему уровням сигнала инженерные значения, которые будут посылаться в тег. Например, уровню входного сигнала 4 мА будет соответствовать значение тега 0, а уровню 20 мА - значение тега 55. Максимальное и минимальное инженерное значение выбирается в соответствии с диапазоном измерения датчика. Такой выбор делается для всех каналов данного модуля.

На закладке Alarm Configuration устанавливаются пределы верхнего и нижнего уровня сигнала. Т.е. если у нас входной сигнал изменяется от 0 до 20 мА, а мы зададим минимальное ограничение 4 мА, то при подаче сигнала менее 4 мА, в инженерное значение будет посылаться ноль.

Важным параметром при настройке модулей ввода / вывода является Requested Packet Interval (RPI) - время, за которое модуль должен ответить на запрос от контроллера. Если в течение этого времени ответа от модуля нет, то выдаётся ошибка связи.

Создание тегов

Среда RSLogix 5000 поддерживает пять типов данных:

- булевский тип данных (BOOL), с диапазоном 0 и 1;

- короткое целое (SINT), с диапазоном от -128 до 127;

- целое (INT), с диапазоном от -32768 до 32767;

- двойное целое (DINT), с диапазоном от -2147483648 до 2147483647;

- вещественный тип (REAL), с диапазоном от 3.402823E+38 до -1.1754944Е-38 (отрицательные значения) и от 1.1754944Е-38 до 3.402823Е38 (положительные значения), а также 0.

Также возможно создавать теги-массивы с различным типом данных и различных размерностей.

Для создания тега нужно выделить папку Program Tags или Controller Tags, в зависимости от того локальный или глобальный тег необходимо создать, затем нажать правую кнопку мыши и в появившемся контекстном меню выбрать пункт New Tag. В появившемся окне вводим имя тега, его вид и тип данных.

Организация логики

При создании проекта пакет программирования автоматически создаёт главную задачу MainTask, программу MainProgram, и поле набора логики MainRoutine. Они отображаются в виде папок.

Любая логика в MainRoutine будет выполнена всякий раз, когда выполняется MainProgram. Можно использовать MainRoutine для вызова своих программ (процедур) в пределах MainProgram.

В нашем проекте созданы две задачи: MainTask, PAZ

В задачу MainTask входят шесть процедур: MainRoutine, Flow, Level, model, PID, temp.

В задачу PAZ входит процедура PAZ.

Задача MainTask является циклической и выполняется постоянно, за исключением времени выполнения задачи PAZ.

Задача PAZ является периодической, с периодом выполнения 100 мс. В обоих задачах время сторожевого таймера установлено 500 мс. Если операция в задаче выполняется дольше, чем это заданно сторожевым таймером, то контроллер выдаёт ошибку.

Загрузка проекта в контроллер

Связь программной среды с контроллером осуществляется с помощью коммуникационного пакета RSLinx. Сначала запустим работу драйвера Virtual Backplane. Для этого в RSLinx заходим в меню CommunicationsConfigure Drivers, и выбрав нужный драйвер из списка имеющихся драйверов, нажимаем кнопку Add New.

Затем в программной среде RSLogix заходим в меню CommunicationSelect Recent Communication Path, и в появившемся окне выбираем нужный драйвер и нажимаем кнопку OK.

Выбрав нужный драйвер, заходим в меню Communication, выбираем пункт Download, и проект автоматически загружается в контроллер. После этого в том же меню выбираем пункты Go Online и затем Run, после этого загруженный проект запускается, и контроллер начинает обрабатывать данные.

Принципы построения программ на языке лестничной логики

Программа на языке лестничной логики выглядит как последовательность ступеней (Rung), следующих одна за другой сверху вниз. Ступени нумеруются целыми числами, начиная с нуля.

Выполнение программы начинается с самой верхней ступени и последовательно переходит на следующие ступени ниже.

Внутри ступени могут располагаться инструкции, имеющие разное функциональное назначение и внешний вид. Инструкции делятся на входные (input) и выходные (output), причем входные инструкции автоматически группируются в левой части ступени, а выходные - в правой. Внутри каждой ступени должна находиться хотя бы одна выходная инструкция, иначе редактируемая ступень будет считаться ошибочной - слева от ступени появится столбец из символов «e» (error).

Ступень представляет собой аналог цепи релейно-контакторной схемы. Слева подразумевается постоянное присутствие положительного сигнала, или значение логической единицы. С правой стороны ступени находится область отрицательного сигнала или логический ноль. Порядок выполнения инструкций внутри ступени имитирует движение электрического тока от положительного потенциала к отрицательному потенциалу - в данном случае слева направо. Каждая инструкция имеет входной и выходной контакт. Значение сигнала на выходном контакте зависит от значения входного контакта и результата выполнения инструкции. Большинство инструкций не выполняет своих функций при нулевом значении входного контакта и выставляет нулевое значение на выходной контакт.

Внутри ступени допускается наличие множества ветвей (Branch).

Выполнение инструкций внутри ступени с ветвями происходит также последовательно слева направо, причем при наличии нескольких параллельных ветвей следующая за ними инструкция не выполнится до тех пор, пока не выполнятся последовательно инструкции в каждой ветви, начиная с верхней ветви и кончая нижней.

Над полем ввода инструкций расположена панель инструментов, на которой находятся кнопки с мнемониками инструкций, сгруппированные по функциональному назначению. Для ввода инструкции необходимо сначала выбрать мышью позицию вводимой инструкции внутри ступени, затем можно воспользоваться одним из следующих способов:

1) нажать на соответствующую кнопку на панели инструментов;

2) выполнить команду меню «Add Ladder Element» и выбрать инструкцию из появившегося списка.

В нашем проекте в качестве регуляторов используются ПИД-регуляторы (инструкция PID). Опишем более подробно использование инструкции PID.

Инструкция PID предназначена для реализации пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования в языке Ladder Diagram.

Операнды инструкции PID:

- PID - необходимо указать предварительно объявленный тег структуры типа PID;

- Process Variable (сокращенно PV) - указывается входной аналоговый тег, выполняющий роль сигнала обратной связи;

- Tieback - указывается аналоговый тег сигнала управления от внешнего устройства или задатчика ручного управления, если не используется, то ставится 0;

- Control Variable (сокращенно CV) - выходной аналоговый тег, в который заносится результат исполнения инструкции PID - выход ПИД-регулятора;

- PID Master Loop - если данный ПИД-регулятор участвует в системе подчиненного регулирования как внутренний контур, то в данном поле указывается тег структуры типа PID внешнего контура регулирования, иначе необходимо ввести 0;

- Inhold bit - указывается двоичный тег, при значении которого равном 1 выход инструкции PID принимает значение аналогового тега, указанного в поле Inhold value.

Ниже под операндами располагаются три параметра, предназначенных для просмотра текущих значений:

- Setpoint (сокращенно SP) - задание ПИД-регулятора;

- Process Variable (сокращенно PV) - регулируемая величина;

- Output (сокращенно OP) - выход ПИД-регулятора.

Принципы построения программ на языке функциональных блоков (FBD)

Программа на языке FBD выглядит как набор функциональных блоков и связей между ними. Блоки располагаются на одном или более листов (Sheet). Местоположение блока на листе может быть произвольным. Также как и в языке лестничной логики, над областью программы располагается панель инструментов, где инструкции сгруппированы по типам.

Внутри окна программы находится панель инструментов, с помощью которой можно добавить новый лист, удалить текущий лист, перемещаться вперед и назад между листами, скрывать и показывать сетку. С помощью выпадающего списка с номерами листов можно выбирать необходимый лист для просмотра и редактирования. С помощью поля текстового ввода справа от выпадающего списка можно задать описание для текущего листа.

Добавление новой инструкции в подпрограмму производится либо командой меню «Add Element…», либо нажатием соответствующей кнопки на панели инструментов. Важно отметить, что при добавлении любой FBD-инструкции в области программных тегов создается новая структура соответствующего инструкции типа, которой по умолчанию присваивается имя в виде <мнемоника инструкции>+<порядковый номер инструкции данного типа среди программных тегов>. Имя структуры данных инструкции выводится над телом этой инструкции.

В дальнейшем допускается переименование автоматически присвоенного имени структуры. Для инструкции можно выполнить замену одной структуры на другую, вызвав выпадающий список тегов двойным щелчком мыши и выбрав нужную структуру из списка.

Каждая структура имеет набор входных и выходных контактов: входные располагаются слева, выходные - справа. Контакты блока принимают значения полей (внутренних тегов) сопоставленной с инструкцией структуры. Внешний вид контактов зависит от типа данных сопоставленного с ним поля структуры: для дискретных полей это квадрат с точкой внутри, для аналоговых полей - квадрат без точки. Если для тега структуры введено текстовое описание, то оно выводится над именем структуры. Его можно редактировать после двойного щелчка в область текста. Если описание не задано, его можно задать командой меню «Edit Main Operand Description».

Между выходными контактами одного блока и входным контактом другого может быть установлена связь, при условии, что типы данных выходного и входного контактов совпадают. Связь может быть выполнена явным образом - в виде линии, соединяющей два блока.

Когда связываются дискретные контакты, линия соединения будет пунктирной, а если связываются аналоговые контакты, то линия будет сплошной.

Можно устанавливать связи неявным образом - с помощью пары соединителей (Input/Output Wire Connectors). Это удобно при большом количестве связанных функциональных блоков для экономии места и более ясного представления программы.

Входные (ICON - Input Connector) и выходные (OCON - Output Connector) соединители (Wire Connectors) добавляются в программу по нажатию соответствующих кнопок в панели инструментов или по команде контекстного меню «Add FBD element…»

Выглядят входные и выходные соединители как прямоугольники со скругленными концами с одной стороны и треугольным выступом с другой. Для того, чтобы установить соединение, пользователю необходимо задать одинаковое текстовое имя для обоих соединителей - как входного, так и выходного. В первый раз имя соединения вводится вручную, для второго соединителя его можно выбрать из списка всех заданных соединений.

Имя соединения может выбираться произвольно, в соответствии с решаемыми задачами. Целесообразно включать в имя соединителей полезную смысловую нагрузку, для упрощения читаемости программы.

После установки соединения под каждым соединителем появляются координаты местоположения второго соединителя в поле ввода подпрограммы, например 1-С3, где 1 - это номер листа FBD-подпрограммы, С - горизонтальная координата квадрата, 3 - вертикальная координата квадрата, в котором находится второй соединитель.

Помимо внутренних соединителей ICON и OCON в FBD-программе существует возможность ссылаться на внешние данные с помощью входных ссылок IREF (Input Reference) и выходных ссылок OREF (Output Reference). Ссылки выглядят как прямоугольники с заостренной правой или левой стороной. Использование ссылки выполняет функцию присваивания значения тега или константы, на которые ссылается ссылка, параметру функционального блока, на контакт которого ссылка заводится - для входных ссылок, и, наоборот, для выходных ссылок.

При создании в программе обратных связей в пределах одной последовательности связанных блоков возникает необходимость разрешения порядка исполнения блоков: для этого необходимо выделить требуемое соединение и с помощью правой кнопки мыши вызвать контекстное меню, в котором необходимо выбрать команду «Assume Data Available» - активное присваивание данных.

После этого на конце соединения появится двойная стрелка, которая укажет на блок, который будет исполняться первым.



5. Экономическая часть

5.1 Расчёт стоимости приобретения и монтажа оборудования

В данном дипломном проекте реализована автоматизация участка нагрева нефтепродуктов блока фракционирования, расположенного на нефтеперерабатывающем заводе ООО «РН-КНПЗ». Автоматизация участка позволяет осуществить переход на новую элементную базу, что благоприятно сказывается на технических показателях системы, а как следствие и на экономических. Для обоснования экономической эффективности проекта необходимо составить смету затрат на модернизацию, определить экономический эффект и рассчитать рентабельность затрат и срок их окупаемости.

Таблица 5.1 - Смета затрат на приобретение и монтаж электрооборудования

№ п/п	Наименование электрооборудования	Количество	Стоимость за единицу, руб	Общая стоимость, руб
1	Частотный преобразователь Danfoss	1	378000	378000
2	Асинхронный двигатель	1	267000	267000
3	АСУ участка предварительного нагрева ControlLogix 5000	1	129000	129000
Итого	774000
Транспортные расходы (10%)	77400
Итого стоимость электрооборудования	851400
Строительно-монтажные работы (20%)	170280
Заготовительно-складские работы (1,5%)	12771
Итого строительно-монтажные работы	183051
Всего капитальных затрат (З)	1034451

Транспортные расходы принимают от стоимости электрооборудования в зависимости от расстояния транспортировки, в %.

Строительно-монтажные расходы принимают в зависимости от объёма работ в пределах 20-30% стоимости электрооборудования.

Заготовительно-складские расходы принимают в размере 1,3-2,0% от стоимости оборудования и транспортных расходов.

5.2 Расчёт расхода и стоимости электроэнергии

Определяем расход активной электроэнергии по агрегату, кВт-час

W_г = Р_с * Т_г * К_и, (5.1)

где Р_с - активная потребляемая мощность АСУ и ПЧ-АД, кВт;

Т_г = 8000 ч/год;

Т_г - количество часов работы участка за год;

К_и = 0,9 - коэффициент использования.

После внедрения проекта расход активной электроэнергии равен:

W_г1 = 82 Ч 8000 Ч 0,9 = 590400 кВт-час

При этом следует отметить, что до внедрения проекта расход активной электроэнергии:

W_г2 = 87 Ч 8000 = 696000 кВт-час

Определяем стоимость потреблённой электроэнергии за год внедрения проекта, руб.:

С₁ = W_г1 Ч С, руб., (5.2)

С₁ = 590400 Ч 3,02 = 1783008 руб.

где С - стоимость 1 кВт в час производимой электроэнергии для ООО «РН-КНПЗ»,

С = 3,02 руб.

Определяем стоимость потреблённой электроэнергии за год до внедрения проекта, руб.:

С₂ = W_г2 Ч С, руб., (5.3)

С₂ = 696000 Ч 3,02 = 2101920 руб.

Определяем стоимость сэкономленной электроэнергии:

, (6.4)

руб.

Экономическая эффективность может быть определена по показателю рентабельности затрат Rз, %:

Откуда получаем

Находим, за какой срок окупится новая система за счет экономии электроэнергии

S=1034451/318912=3,24 (года)

Отсюда следует, что при стоимости оборудования 3474900 рублей новая система окупится за 3,24 года.



Список использованных источников

1 Башарин, А.В. Примеры расчётов автоматизированного электропривода / А.В. Башарин, Ф.Н. Голубев, В.Г. Каперман. - М.: Энергия, 1971. - 440 с.

2 Васильченко, С.А. Система управления электроприводами. Часть 2: учеб. пособие для электротехнических специальностей вузов / С.А. Васильченко, В.А. Соловьев. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т», 2004. - 122 с.

3 Васильченко, С.А. Преобразовательная техника: учеб. пособие для электротехнических специальностей вузов / С.А. Васильченко, Н.Е. Дерюжкова, В.А. Соловьев. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т», 2002. - 120 с.

4 Вешеневский, С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе / С.Н. Вешеневский - 6-е изд., испр. - М.: Энергия, 1977. - 431 с.

5 Дерюжкова, Н.Е. Автоматизация электротехнических комплексов и систем: учеб. пособие для электротехнических специальностей вузов / Н.Е. Дерюжкова. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т», 2004. - 115 с.

6 Онищенко Г.Б. Автоматизированный электропривод переменных установок: учебник / Г.Б. Онищенко 2-е изд. М.: Академия 2005. - 412 с.

7 Копылов, И.П. Справочник по электрическим машинам / И.П. Копылов, Б.К. Клоков. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.

8 Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / Крупович, В.И. [и др.] - М.: Энергоиздат, 1982. - 415 с.

9 Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием учебник для вузов / Г.Г. Соколовский / М.: Академия 2006. - 266 с.

10 Терехов В.М., Системы управления электроприводов / В.М. Терехов, Осипов О.И. - М.: Издательский центр «Академия» 2005. - 304 с.

11 Чебовский, О.Г. Силовые полупроводниковые приборы / О.Г. Чебовский - 2 - е изд. перераб и доп. - М.: Энергоиздат, 1985. - 401 с.

12 Бычков, В.П. Электропривод и автоматизация металлургического производства / В.П. Бычков. - М.: Высшая школа, 1976. - 391 с.

13 Перельмутер, В.М. Тиристорные электроприводы прокатных станов/ В.М. Перельмутер, Ю.Н. Брауде, Д.Я. Перчик. - М.: Металлургия, 1978. - 152 с.

14 Гарнов, В.К. Унифицированные системы автоуправления электроприводом в металлургии / В.К. Гарнов, В.Б. Рабинович, Л.М. Вишеневский. - М.: Металлургия, 1997. - 192 с.

Размещено на Allbest.ru