Автоматизированная система управления компрессорной установки

2.4 Временные параметры управления

Система управления должна постоянно контролировать свое собственное состояние и работоспособность отдельных элементов: датчиков, вторичных приборов, блоков питания и т.д. и при необходимости выдавать на дисплей оператора соответствующую информацию.

Алгоритм самодиагностики системы управления разрабатывается в соответствии функциональными нормами, временными характеристиками и из соображения безопасности.

Частота опроса датчиков должна составлять:

для виброаппаратуры серии ТХ 3654 - 10 000 раз в секунду;

для датчиков давления Rosemount - не менее 12 раз в секунду;

для датчиков температуры - не менее 1 раза в секунду;

Частота смены значений параметров на дисплее, в таблице параметров и на групповых графиках - один раз в секунду.

При отказе любого одного датчика на дисплей оператора (в правом нижнем углу) должна выводиться информация в табличном виде об отказе соответствующего датчика и должна включаться предупредительная сигнализация (световая и звуковая).

2.5 Особенности характеристик систем управления

Основным направлением в регулировании потока систем подобного типа является иерархическая завершенность, или обоснованность совмещения оборудования. Данный принцип позволяет пренебречь значениями факторов, оказывающее значительное воздействие на систему. Основные критерии принципа сводятся к разработке системы пуска и поддержания параметров:

1. Регулирование нагнетателей путем изменения частоты вращения Механизм регулирования давления (напора) и подачи компрессора при изменении характеристик сети показан на рис. 2.5.1. Если необходимо обеспечить регулирование напора и его стабилизацию в соответствии с заданным значением H_З при произвольном изменении характеристик сети от 1 до 3 (см. рис. 2.5.1, а), то выполняют измерение давления в магистрали и с помощью регулятора давления автоматически меняют частоту вращения компрессора (от щ₁ до щ₂) так, чтобы давление оставалось постоянным. При этом характеристики компрессора изменяются от 1^! до 3'. Расход компрессора меняется от Q_A до Q_С. Точки А, В, С, на характеристиках компрессора 1^!, 2', 3' являются рабочими точками при разных сопротивлениях магистрали, соответствующих характеристикам сети 1, 2, 3. При изменении заданного значения Н₃ будут соответственно меняться характеристики и параметры компрессора.

Рис. 2.5.1

Компрессорные агрегаты обычно объединяются в компрессорные станции, при этом несколько компрессоров работает параллельно на одну сеть.

Регулирование подачи компрессорной станции изменением частоты вращения компрессоров, имеющих различные характеристики, иллюст-рируется рис. 2.5.2.

Рис. 2.5.2

Если два компрессора с суммарной характеристикой 2 работают на сеть с характеристикой 1 в точке А с производительностью Q_A и необходимо уменьшить их производительность до Q_A', то это можно сделать двумя способами: уменьшить частоту вращения обоих компрессоров (их характеристики 3 и 4 и суммарная характеристика 2') или снизить, но более значительно, частоту вращения одного из компрессоров (характеристика 5 при сниженной частоте вращения). Регулирование производительности изменением частоты вращения одновременно двух компрессоров по своим показателям равноценно регулированию частоты вращения компрессора при его одиночной работе.

С точки зрения экономичности регулирования более выгодным является одновременное изменение частоты вращения всех параллельно работающих компрессоров. Однако это связано с увеличением капитальных затрат на оснащение всех агрегатов регулируемым электроприводом. Поэтому для компрессорных станций достаточно иметь только один регулируемый агрегат и осуществлять более глубокое регулирование отключением отдельных компрессоров.

Ряд применяемых компрессоров, не требует регулирования скорости: подавляющее большинство заводских компрессорных установок и др. Поэтому для них используют асинхронные или синхронные (обычно при мощностях свыше 300 кВт) двигатели переменного тока, управление которыми осуществляется магнитными или бесконтактными пускателями (при малых мощностях), стандартными или специальными пусковыми станциями. Для асинхронных и синхронных двигателей такие станции предусматривают прямой, реакторный и автотрансформаторный способы пуска.

2. Совместная работа нагнетателей

В состав технологических схем подачи, как правило, несколько нагнетателей. Совместная работа нагнетателей в большинстве случаев вызвана следующими причинами:

? один нагнетатель не может обеспечить требуемую подачу или давление, а замена его другим, более мощным, невозможна;

? в процессе эксплуатации в соответствии с требованиями техно-логического процесса возникают режимы, связанные с продолжительным изменением расхода и сопротивления сети (изменение режима осуществляется отключением одного из нагнетателей);

? требуется обеспечить надежность работы всей системы в целом;

? архитектурно-планировочные решения зданий приводят к со-зданию сложных разветвленных сетей, для регулирования которых с наибольшей эффективностью требуется установка нескольких нагнетателей.

Включение нагнетателей в совместную работу может быть па-раллельным, последовательным и смешанным (комбинированным).

3. Параллельное включение нагнетателей

Параллельное включение двух и большего числа нагнетателей рекомендуется тогда, когда требуется увеличение подачи, а соответствующее увеличение частоты вращения рабочего колеса или размеров нагнетателя невозможно из-за чрезмерного усиления шума, конструктивных или архитектурно-планировочных причин.

Известны три основные схемы параллельного включения нагнетателей: полностью параллельное включение (рис. 2.5.3, а) и полупараллельное включение по схемам, показанным на рис. 2.5.2, б и в.

На рис. 2.5.3 в сеть включены нагнетатели с одинаковыми характеристиками. Для упрощения анализа пренебрежем сопротивлением индивидуальных участков сети (участки 1 - 2). В этом случае, как и в случае любого совместного включения, главным является определение режима работы не только всей системы в целом, но и каждого из нагнетателей. Функциональная зависимость давления нагнетателя от его подачи сложна и чаще всего задается графически в виде характеристики P=f(L), поэтому наиболее простой способ анализа - графический. Обычно применяют метод суммарной характеристики нагнетателей.

Рис. 2.5.3

Давления, создаваемые каждым нагнетателем в точках 1 и 2, одинаковы, а общая подача равна сумме подач отдельных нагнетателей. Отсюда следует правило построения суммарной характеристики параллельно включенных нагнетателей: при одинаковом давлении нужно сложить подачи.

Построение суммарной характеристики давления показано на рис. 2.5.4. Абсциссы а, представляющие собой подачу одного нагнетателя, суммируются при каждом значении давления. При включении нагнетателей в сеть с характеристикой (1 + 1) режим работы определяется точкой А. При этом суммарная подача нагнетателей определяется величиной L_A(1+1) а суммарное давление - величиной Р₁₍₁₊₁₎, при этом Р₁₍₁₊₁₎ = Р_А(1+1), т.е. давление, создаваемое каждым нагнетателем при совместной работе, равно суммарному давлению. Подача каждого нагнетателя составляет половину общей и может быть определена графически по положению точки А", т. е. L₁₍₁₊₁₎ = 0.5L_А(1+1) = L_A. КПД обоих нагнетателей равен КПД каждого из них и определяется пересечением ординаты, проходящей через точку А", с характеристикой КПД нагнетателя. Пересечение этой ординаты с характеристикой мощности определяет затраты мощности каждым нагнетателем. Суммарные затраты мощности равны сумме мощностей отдельных нагнетателей: N_{A(l +1)} = 2N₁₍₁₊₁₎.

Рис. 2.5.4

При отключении одного из нагнетателей характеристика сети P(L₍₁₎) становится круче вследствие уменьшения площади поперечного сечения для прохода воздуха между точками 1 и 2. Рабочая точка переходит из положения А в положение А^! (см. рис. 4.14). При этом параметрами работы нагнетателя становятся L₁₍₁₎ > L₁₍₁₊₁₎, P₁₍₁₎ < P₁₍₁₊₁₎ и N₁₍₁₎ > N₁₍₁₊₁₎. Это приводит к перегреванию обмоток электродвигателя. Поэтому при выключении одного из нагнетателей его индивидуальный участок необходимо перекрыть клапаном (чтобы исключить бесполезное перетекание газа по нему из-за разности давлений Р₂ - Р₁), а в сеть оставшегося в работе нагнетателя ввести дополнительное давление Р_Ш так, чтобы рабочая точка переместилась в положение А". При этом затраты мощности составляют N₁₍₁₊₁₎, и перегревания электродвигателя не происходит.

Построение суммарной характеристики нагнетателей с разными характеристиками в принципе не отличается от предыдущего построения.

При параллельной работе нагнетателей с разными характеристиками представляется целесообразным определять средний КПД нагнетателей:

(2.5.1)

Из формулы (2.5.1) следует, что более мощные нагнетатели должны работать с максимальным КПД, а регулировать расход в системе целесообразнее менее мощным нагнетателем.

Рассмотренный выше метод построения суммарной характеристики нагнетателей можно применять при любом числе нагнетателей.

4. Последовательное включение нагнетателей

Последовательное включение двух или большего числа нагнетателей применяется тогда, когда давление, создаваемое одним нагнетателем, недо-статочно для преодоления сопротивления сети.

При последовательном включении одно и то же количество газа последовательно перемещается всеми нагнетателями, а давление, необходимое для преодоления сопротивления всей сети, равно сумме давлений, создаваемых каждым нагнетателем. Так как кинетическая энергия, сообщенная потоку первым нагнетателем, не теряется на удар, то общее статическое давление больше суммы статических давлений отдельных нагнетателей. Например, три одинаковых последовательно включенных нагнетателя создают полное давление 3P_1(1+1+1).

Если нагнетатель включить последовательно с более мощным, то его подача может увеличиться до значений, гораздо больших, чем его собственная максимальная подача. При этом он станет сопротивлением для более мощного нагнетателя, т. е. при сохранении направления подачи (L > 0) разность давлений с обеих сторон нагнетателя изменит знак.

Работа нагнетателя возможна при L >0 и Р > 0 (1 квадрант), при L < 0 и Р > 0 (II квадрант), при L > 0 и Р < 0 (IV квадрант). Работа нагнетателя в III квадранте невозможна, так как поток не может пойти в обратном направлении через нагнетатель (L < 0) при давлении перед нагнетателем большим, чем за ним. Обычно характеристику снимают только в I квадранте, т. е. при нормальной работе нагнетателя, тем более что для снятия характеристики во II и IV квадрантах требуется специальное оборудование.

5. Система управления компрессором с преобразователем частоты

Наиболее современным является регулирование с помощью преобра-зователей частоты, которые позволяют плавно регулировать частоту вращения электродвигателя компрессора и поддерживать давление в системе при разных расходах перекачиваемого газа. При малых расходах газа двигатель компрессора вращается с малой скоростью, необходимой только для поддержания номинального давления, и не расходует лишней энергии. При увеличении расхода газа преобразователь увеличивает частоту вращения электродвигателя, повышая производительность компрессора при сохранении заданного давления.

На рис. 2.5.5 показана функциональная схема регулирования электродвигателя компрессора с использованием преобразователя частоты Micromaster440 фирмы «Siemens». На вход системы подаются сигналы задания давления и сигнал реального давления, получаемый с датчика давления, установленного в цепи обратной связи. Отклонение между реальным и заданным значениями давления преобразуется ПИД-регулятором в сигнал задания частоты для преобразователя. Под воздействием сигнала задания преобразователь изменяет частоту вращения электродвигателя компрессора и стремится привести разность между заданным и реальным значениями к нулю.

Рис. 2.5.5

Данная схема является модульной и применима для создания проекта, в котором будет реализован алгоритм управления.

Современные преобразователи частоты позволяют создавать системы управления (СУ) без дополнительных аппаратных средств, так как имеют встроенные программные функции, позволяющие реализовывать узел сравнения и ПИД-регулятор. Однако в сложных системах регулирование давление в системе с использованием простых средств регистрации не дает желаемого эффекта. Поэтому, данный способ регулирования совмещают с микропроцессорной системой управления.

Рис. 2.5.6

Система управления (рис. 2.5.6) включает в себя микропроцессорную систему и преобразователь частоты, позволяющий регулировать подачу компрессора изменением его частоты вращения. Функции принадлежности входных и выходных сигналов, правила принятия решений формируются на основе программы, разработанной и внедренной в контроллер данной системы, следящей за ходом технологического процесса.

Значение давления Р определяется датчиком давления, сигнал с которого после двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразования поступает в микропроцессорную систему управления в виде целого числа (от 0 до 4000).

Для более качественного управления процессом в системе используется динамико математическое моделирование, в котором часто фигурирую сложные формы анализа состояния среды. Система также оперирует косвенными переменными, участвующими в вычислении, в частности такие как: скорость изменения давления v_Р, которая учитывает динамику протекания процесса, и задает особенности внутреннего лексикона задания переменных регулирования.

Для регулирования с помощью преобразователя частоты скорости электропривода компрессора используется сигнал задания скорости _щ, который поступает с выхода цифроаналогового преобразователя микропроцессорной системы управления. Формированием управляющего сигнала обеспечивается изменение частоты вращения щ, которое определяется целым числом. В лингвистических переменных управление изменением частоты вращения может быть представлено несколькими уровнями, в зависимости от степени регулирования и сложности динамики.

На основе принципов работы и регулирования составляются основные правила функционирования. Если анализировать все возможные состояния условий, то для этого составляется сводная таблица условий, в которой столбцы соответствуют условиям одного параметра, строки - условиям другого параметра, а на их пересечениях записываются выводы, соответ-ствующие этим условиям.

Делая вывод, можно сказать что, применение частотно-регулируемого привода дополнительно обеспечивает следующее:

­ Снижается износ коммутационной аппаратуры из-за отсутствия больших пусковых токов при включении двигателя компрессора.

­ Оптимизация давления в пневмосети снижает утечки сжатого воздуха.

­ Увеличивается срок службы электродвигателя из-за снижения его нагрузки и отсутствия тяжёлых пусковых режимов.



3. СОЗДАНИЕ ЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КУ

3.1 Анализ и разработка структурной схемы конструктивных и технологических элементов механизма движения поршневого компрессора

Поршневой компрессор относится к классу сложных систем. Общая численность конструктивных элементов (КЭ) и технологических элементов (ТЭ) может составлять 10⁴-10⁶ единиц.

Одним из решений проектирования сложных конструктивных схем является внедрение современных информационных технологий и методик в общем и CALS-методологии в частности. Концепция и стандарты CALS определяют набор правил и регламентов, в соответствии с которыми строится взаимодействие субъектов.

Использование новых информационных технологий неизбежно влечет за собой пересмотр существующих принципов и методов проектирования. Сегодня уже не достаточно получения геометрической или математической модели проектируемого изделия и набора чертежей. В процессе моделирования необходимо получать динамические пространственные модели, отражающие полную структуру изделия, его взаимодействие с оборудованием. Создание полной электронной модели изделия - основная задача CALS-технологии.

Согласно принципам разработка любой сложной системы должна начинаться со структурно-функционального анализа и моделирования ее в целом и всех ее подсистем в частности. Для этого применяется семейство методологий моделирования IDEF, позволяющее исследовать структуру, параметры и характеристики объектов моделирования. В настоящее время стек методологий IDEF включает ряд частных методологий для моделирования систем, в том числе:

IDEF0 - методология моделирования, используемая для создания функциональной модели, с помощью наглядного графического языка IDEF0, отображающая структуру, процессы и функции системы в виде набора взаимосвязанных функций (функциональных блоков), а также потоки информации и материальных объектов, преобразуемые этими функциями. Моделирование средствами IDEF0 является первым этапом изучения любой системы;

IDEF1 - применяется для построения информационной модели, отображающей структуру и содержание информационных потоков внутри системы, необходимых для поддержки функций системы. Позволяет отображать и анализировать их структуру и взаимосвязь;

IDEF1X (IDEF1 Extended) - методология построения реляционных структур. IDEF1X относится к типу методологий «Сущность-взаимосвязь» и используется для моделирования реляционных баз данных, имеющих отношение к рассматриваемой системе;

IDEF2 - методология динамического моделирования развития систем, позволяющая создавать динамическую модель меняющихся во времени поведения функций, информации и ресурсов системы;

IDEF3 - методология моделирования процессов, происходящих в системе, предназначенная для создания сценариев и описания последовательности операций для каждого процесса;

IDEF4 - методология объектно-ориентированного проектирования и анализа систем. Средства IDEF4 позволяют наглядно отображать структуру объектов и принципы их взаимодействия, позволяя анализировать и оптимизировать сложные объектно-ориентированные системы;

IDEF5 - методология определения онтологий (словарей) исследования сложных систем. С помощью словаря терминов и правил позволяет описать онтологию системы. В итоге могут быть сформированы достоверные утверждения о состоянии системы в некоторый момент времени, на основе которых делаются выводы о дальнейшем развитии системы и производится её оптимизация.

IDEF9 - методологии моделирования требований.

Основное требование системного подхода при изучении какого-либо объекта - рассмотрение системы как единого целого, т.е. определенной одним функциональным блоком (черным ящиком) со своими входами и выходами. Контекст модели очерчивает границы моделируемого процесса и описывает его взаимосвязи с внешней средой и другими процессами, определяя модель процесса как часть целого. В контекст IDEFO-модели входит определение единственного субъекта моделирования, его полное, точное и адекватное описание, называемое целью модели, созданное с одной точки зрения на модель. Согласно IDEF0 контекст системы представляется контекстной диаграммой, а диаграммы нижнего уровня описывают детализированные аспекты системы.

Рис. 3.1- Контекстная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК



Рис. 3.2 - Структурно-функциональная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК

Контекстная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК приведена на рис. 3.1. На рис. 3.2 представлена структурно-функциональная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК.

В основу методологии IDEF0 положен процесс декомпозиции, основанный на объектно-ориентированном подходе к рассмотрению объекта проектирования как системы взаимосвязанных элементов. Полученная при анализе информация представляется в виде иерархической структуры в графическом виде - диаграммы дерева узлов.

Согласно принципам объектно-ориентированного подхода к процессу проектирования требуется глубокая декомпозиция структуры изделия до уровня КЭ и ТЭ, их идентификации на основе единой системы условных обозначений. Поэтому предлагается к рассмотрению структурная схема механизма движения и уравновешивания поршневого компрессора как системы (СУПК), в которой выделены основные функциональные, конструкторские и технологические элементы, входящие в его состав.



Рис. 3.3 - Верхние уровни (0-й - 2-й) диаграммы узлов

На наивысшем нулевом уровне (рис. 3.3) расположен сам СУПК, принятый к рассмотрению как метасистема. В метасистеме выделены три подсистемы первого уровня - это кривошипно-шатунный механизм, цилиндропоршневая группа и механизм уравновешивания. В процессе дальнейшей декомпозиции к рассмотрению принимаются подсистемы первого уровня и т.д., каждая из которых рассматривается как система более низкого уровня (рис. 3.4).

Декомпозиция каждой из подсистем всех уровней позволила создать диаграмму, представляющую собой структурную схему объекта моделирования, в которой указаны основные КЭ и ТЭ, а также их характеристики. Разработанная схема учитывает характерные особенности конструкции и достаточно полно описывает моделируемую систему до уровня КЭ и ТЭ.

Рис 3.4 - Подсистема четвертого уровня

На основании проведенного анализа полученной диаграммы были получены следующие результаты:

? создан перечень основных технико-экономических характеристик, которые отражают разнообразие возможных вариантов исполнения данного объекта;

? определены и разработаны базы данных стандартизованных и унифицированных деталей, необходимые для проектирования СУПК;

? составлен перечень данных, используемых как исходные, при выполнении проектировочных и поверочных расчетов;

? определен перечень требуемых математических моделей КЭ и ТЭ для разработки САПР СУПК.

3.2 Рассмотрение виброакустических характеристик полученной модели

В машинах такого типа вследствие возвратно-поступательного движения поршня, возникает нестационарность динамических воздействий, что характеризуется более сложным, в отличие от роторных машин, характером вибрационного состояния. Это приводит к возникновению дополнительных источников вибрации:

­ неуравновешенные силы инерции вращающихся F_r и поступательно движущихся масс F_S;

­ момент сил инерции М_и вращающихся и поступательно движущихся масс;

­ опрокидывающий момент М_опр;

­ крутильные колебания коленчатого вала;

­ пульсация давления газа в цилиндрах и межступенчатых коммуникациях;

­ удары элементов механизма движения, цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и клапанов.

Одной из характерных особенностей диагностирования поршневых машин является то, что колебания, проявляющиеся вследствие неисправностей, накладываются на общее вибрационное состояние от неуравновешенности масс. Это приводит к необходимости рассмотрения двух подходов:

1. анализ колебаний компрессора как единого целого, возникающих от его неуравновешенности;

2. анализ вибрации узлов компрессора, возникающей от дефектов.

Другой особенностью поршневых машин является функционирование узлов механизма движения в условиях циклически изменяющихся нагрузок. Это приводит к появлению в них ударов. Расчет скорости соударения и времени появления ударных импульсов для каждого сопряжения позволяет выделить их в виброакустическом сигнале. В результате динамического анализа механизма движения поршневого компрессора с учетом зазоров в подвижных соединениях получили:

(3.1)

где _а- множитель, характеризующий реакцию связи а; Т - кинетическая энергия механической системы (механизма движения компрессора), и Q_j - соответственно обобщенная реактивная и активная силы; f_a - уравнение связи а контактного движения деталей; R - число обобщенных координат.



Рис. 3.5 - Схема компрессора с контрольными точками измерения вибрации: 1-6 - контрольные точки; 1 - фундамент; 2 - электродвигатель; 3 - станина компрессора.

При этом в качестве обобщенных координат q_j рассматривалось относительное движение деталей сопряжений в поле зазора и угол поворота колен вала. Зазоры учитывались в узлах "поршень-цилиндр", "башмак крейцкопфа-направляющая", а также в крейцкопфном и шатунном подшипниках скольжения. Введение в уравнения движения реактивной составляющей позволило описать весь цикл виброударного режима работы механизма с помощью одних и тех же зависимостей.

Для выделения информативных диагностических признаков в амплитудном спектре, по результатам моделирования, был определен основной характер взаимодействия функциональных узлов:

(3.2)



3.3 Моделирование алгоритма управления в программном пакете математического моделирования MATHLAB

Для выполнения расчетного анализа разработаны математические модели различных схем циклов сжижения: одноступенчатые и двухступенчатые схемы циклов. Модели реализованы в диапазоне давлений и температур газа на входе в УСПГ соответственно 3,5..5,5 МПа и 233..288К.

Моделирование динамики механизма движения компрессора с учетом зазоров позволяет определить силовые параметры в узлах, необходимые для проведения расчета на статическую и усталостную прочность. В настоящее время эти расчеты проводятся в соответствии с методиками, выше, где нормальные и касательные составляющие реакций определяются методом кинетостатики. Однако как показали теоретические исследования, это справедливо лишь в первом приближении. Максимальные значения сил в моменты ударов могут превышать соответствующие значения реакций в механизме без учета зазоров более, чем в 2 раза. Кроме этого, как показано на рис.3.5, в условиях контактного движения деталей, наблюдаются модулированные высокочастотные колебания циклическим характером нагружения узла. При этом величина реакции периодически изменяется от максимального до минимального значения. Частота этих колебаний определяется скоростью вращения колен вала, значениями зазоров во всех сопряжениях механизма, их режимом трения и тому подобное. Установлено, что ВЧ колебания появляются вследствие того, что движение деталей относительно друг друга происходит не плавно, а "рывками" - из-за влияния зазоров в подшипниках.

Для реализации максимально оптимальных характеристик компрессорной установки, на период адаптации, можно пренебречь вибрациями высокого порядка, а малые сравнительно совпадают по частоте с режимом номинальной работы двигателя в установившемся режиме. Однако характеристику установочных звеньев связует число, приведенное к общему уровню взаимодействия, относительно опоры. Поэтому, общую формулу связи входных узлов компрессора и выходных параметров прохождения в трубопровод зададим следующим образом:

; (3.3)

При учете наличия в системе мер стабилизации, которые реализуется в виде контура регулирования как скорости, так и тока якоря двигателя, можно пренебречь динамическими коэффициентами сопротивления газа в трубопроводе и толчкообразные сигналы на выходе.

3.4 Синтез системы управления привода компрессорной установки

Составим структурные схемы исходной системы. Определим передаточные функции звеньев.

Таблица 3.1

Определение передаточной функции звеньев

Название звена	Передаточная функция
	Формула	Расчёт
Компрессор	WК(р)=	WК(р)=
Звено цепи якоря	W(р)=	WЦЯ(р)=
Механическая часть двигателя	W(р)=	WМЧ(S)=
Преобразователь	W(р)=	WП(S)=

W_ИСХ = W_П*W_ЦЯ*W_МЧ*W_К =

= (3.4)

Проверим исходную систему на устойчивость, т. е. получим график переходного процесса (рис.3.6):

Рис.3.6

Из рисунка видно, что переходный процесс является расходящимся, следовательно исходная система неустойчива и требует регулирования.

Первый контур регулирования

Рис.3.7



К_Т = 0.1/8 = 0.012 , (3.5)

Найдем исходную ПФ 1 контура

W_ИСХ1(p)=W_П*W_ЦЯ*К_Т, (3.6)

W_ИСХ1(р) = 0.012 = , (3.7)

Будем настраивать внутренний контур на технический оптимум.

При настройке на технический оптимум желаемая передаточная функция имеет вид

W_ж1(р)= (3.8)

С другой стороны W_Ж1 (р)= W_рег1(р)* Wисх₁(р), следовательно

W_рег1(р)= (3.9)

W_рег1(р)=, (3.10)

Выполним проверку. Найдем желаемую ПФ замкнутой системы (3.11)

Найдем ПФ замкнутого первого контура

Ф₁(S)== , (3.12)

Для дальнейших расчетов примем

Ф₁(S) ?, (3.13)

Расчеты выполнены верно: Ф₁(S) = Ф_Ж1 (S).

Второй контур регулирования

Введем второй контур регулирования

Рис.3.8

К =27.8/8 = 3.5 (3.14)

(3.15)

Желаемая передаточная функция 2 контура имеет вид

W_ж2(р)= (3.16)

W_ж2(S)= (3.17)

W_рег2(р) (3.18)

Найдем желаемую ПФ замкнутой системы

(3.19)

Найдем ПФ замкнутого первого контура

Ф₂(р)= , (3.20)

Ф₂(S) ? (3.21)

Третий контур регулирования

Введем третий контур регулирования:

Рис.3.9

К_Д = 8/60 = 0.14 (3.22)

(3.23)

Желаемая передаточная функция 3 контура имеет вид

W_ж2(р)=, (3.24)

W_ж2(S)= (3.25)

W_РЕГ3(р) (3.26)

Найдем желаемую ПФ замкнутой системы

(3.27)

Найдем ПФ замкнутого первого контура

Ф₂(р)= , (3.28)

Найдем ПФ замкнутой и разомкнутой системы

Wраз=Ф₃*, (3.29)

, (3.30)

Проверим систему на устойчивость, т. е. получим график переходного процесса (рис.3.10):

Рис.3.10

Из рисунка видно, что время переходного процесса равно 0.3 сек, следовательно рассчитанный регулятор подходит для данной системы и система является устойчивой.

3.5 Реализация корректирующих устройств на регуляторах

В связи с тем, что контроллер, используемый в системе управления ТП, работает дискретно, то и регуляторы должны быть представлены в дискретном виде (аппроксимация Тустена или Z - преобразования).

Существуют различные методы синтеза цифровых регуляторов, основанные на теории Z - преобразования и пространства состояний. Эти методы требуют очень громоздких математических преобразований и используются в особо точных системах управления.

Рассмотрим более простой подход, состоящий в предварительном синтезе непрерывных регуляторов известными методами теории автоматического регулирования для непрерывных систем и последующем переходе к цифровому регулятору, эквивалентному синтезированному аналоговому.

Задача переоборудования аналоговых регуляторов решается как задача аппроксимации передаточной функции данного регулятора дискретной передаточной функцией цифрового регулятора.

В инженерной практике наибольшее применение нашла аппроксимация, полученная на основе билинейного преобразования или аппроксимация Тустена.

Согласно этой аппроксимации:

; , (3.31)

где Т - интервал дискретизации по времени

Однако, этим методом можно пользоваться только тогда, когда интервал дискретизации по времени для цифровой системы Т мал по сравнению с самой малой постоянной времени системы управления Т. Согласно теореме Котельникова - Шеннона непрерывный сигнал достаточно точно восстанавливается по совокупности его дискретных значений, если

Т 0,5 Т._. (3.32)



На практике необходимо иметь больший коэффициент запаса

Т ( 0,1 - 0,2 ) Т. (3.33)

Определим период дискретизации (Т): это обратная величина от частоты контроллера, но лучше взять частоту АЦП, которая в нашем случае равна 48КГц=48000Гц. Выбор частоты АЦП связан с тем, что скорость обработки информации в первую очередь зависит от скорости работы АЦП.

, (3.34)

Проверим соблюдение условия (теорема Котельникова - Шеннона)

Т 0,5 Т._. (3.35)

0.00001 0,5*0.02, (3.36)

0.00001 0.01, (3.37)

Условие соблюдается, следовательно период дискретизации выбран правильно.

Произведем перевод полученных регуляторов в дискретные.

Синтез цифровых регуляторов по средствам программы MatLab

W_рег1(р) =, (3.38)

W_рег1(z) =, (3.39)

W_рег1(р) =, (3.40)

W_рег1(z) =, (3.41)

W_рег3(р) , (3.42)

W_рег3(z) , (3.43)



4. Проектирование системы автоматиЧЕСКОГО управления с использованием пакета Rational Rose

Создание протокола записи

На диаграмме вариантов использования видно, что режим работы задается оператором вариантом использования Remote Control. После запуска оператором процесса контроллер, получая данные от датчиков, управляет устройствами. Контроллер выдает информацию о текущем состоянии процесса оператору в виде Out info, что показано на диаграмме вариантом использования. Архивирование работы системы также представлено в виде Out info.

Рис. 4.1 - Диаграмма вариантов использования



Рис. 4.2 - Диаграмма топологии

4.1 Построение структуры системы

Физическое представление системы управления не может быть полным, если отсутствует информация о том, на какой технологической платформе она реализована. Поэтому после того, как основные функции системы определены, следует определиться с аппаратной частью проектируемой системы. На основании этого построим диаграмму топологии (рис. 4.2). Диаграмма топологии является единой для системы в целом, поскольку должна всецело отражать особенности ее реализации.

Центральным устройством системы управления, функционально связанным со всеми устройствами системы и управляющий ими, является контроллер, что соответствует определенным выше требованиям к системе.

Далее определяем, каким образом устройства, показанные на диаграмме топологии, взаимодействуют между собой. Для этого сначала разделим устройства в зависимости от выполняемых ими функций на следующие категории (классы):

? Контроллер (класс Controller) - посылает запросы датчикам и управляющих сигналов исполняющим устройствам.

? Клапаны (класс Valve) - открытие и закрытие.

? Датчик давления (класс P_Sensor) - измерение давления.

? Устройство регулирования частоты (класс Frequency_Device) - задание токовых сигналов.

? Датчик температуры (класс T_Sensor) - измерение температуры.

? Датчик смещения (класс C_Sensor) - измерение смещения вала ротора.

? Датчик вибрации (класс V_Sensor) - измерение вибраций.

? Двигатель (класс Moto) - общий класс объекта ЭД;

? Воздушный компрессор (класс Air_Compressor) - общий класс объекта компрессор;

? Насос (класс Pump) - общий класс объекта насос;

? Ресивер (класс Receiver) - общий класс спускного механизма.

Рис. 4.3 - Диаграмма взаимодействия объектов системы.



После декомпозиции системы (разбиения на классы), представим ее как совокупность взаимодействующих объектов соответствующих классов (рис. 4.3).

На данной диаграмме приняты следующие обозначения:

Frequency_Device - частотный регулятор привода компрессора;

Moto - приводной электродвигатель компрессора;

Compressor - воздушный компрессор подачи охлаждения;

Oil_Pump - маслонасос системы охлаждения;

Water_Pump - водяной насос подачи охлаждения;

Temperature_Buter_Sensor - датчик температуры масла;

Temperature_bearings_Sensor - датчик температуры подшипников;

Temperature_Moto_Sensor - датчик температуры двигателя;

Pressure_In_Sensor - датчик давления газа на входе компрессора;

Pressure_Out_Sensor - датчик давления газа на выходе компрессора;

Pressure_Refall_Sensor - датчик перепада давления;

Pressure_butter_Sensor - датчик давления масла;

Pressure_chill-water_Sensor - датчик давления охлаждающей воды;

Pressure_blown_Sensor - датчик давления обдува воздуха;

Pressure_Stek_Sensor - датчик давления воздуха в стойку;

Vibration_H_Sensor - датчик вибрации горизонтальный;

Vibration_L_Sensor - датчик вибрации вертикальный;

Center_Sensor - датчик осевого сдвига;

Gas_In_Valve - клан подачи газа на вход компрессора;

Gas_Out_Valve - клан выкида газа с компрессора;

Butter_Out_Vale - клапан слива масла;

Chill-Water_Out_Valve - клапан слива охлаждающей воды;

Stek_Valve - клапан подачи воздуха в стойку;

Blow_Valve - клапан подачи воздуха на обдув ЭД;

Baipas_Valve - байпасный клапан.

На диаграмме видно, что всем объектам класса Valve контроллером посылаются управляющие сигналы на закрытие (Close) и открытие (Open) соответствующего клапана. Датчикам T_Sensor, P_Sensor, V_ Sensor, C_ Sensor контроллер посылает запросы на выдачу соответственно сигнала (Get_Param). Объектам класса Pump, Compressor контроллер посылает управляющие сигналы на включение (Start) и отключение (Stop).

Функциональный блок, задающий временные последовательности опроса датчиков, является генератор, при получении от него сигнала контроллер производит опрос датчиков.

После того, как были определена принадлежность объектов тем или иным классам, детализируем каждый класс с целью определения свойств объектов системы.

Класс Valve

Так как клапаны должны выполнять процентную функции открытия и закрытия, класс содержит атрибутов - State, и два метода: Open() и Close().

Класс Sensor

Объединил в себе все измерительные устройства, которые при необходимости запрашивают атрибут Param и метод Get_Param.

Класс Moto

Данное устройство должны выполнять функции включения и выключения, класс содержит атрибутов - State, и два метода: (Start) и (Stop).

Класс Frequency_Device

Устройство производит регулирование частоты вращения двигателя, класс содержит атрибутов m_Freq и два метода: (Up_Freq) и (Down_Freq).

Класс Air_Compressor

Данное устройство должны выполнять функции включения и выключения, класс содержит атрибутов - State, и два метода: (Start) и (Stop).

Класс Pump

Объединил в себе все насосы, которые содержат два метода: (Start) и (Stop) и атрибут - State.

Класс Receiver

Объединил в себя регулирующие органы класса Valve спуска газа.

Класс Controller.

Должен содержать в себе все введенные оператором параметры технологического процесса:

m_P_Gas_In_min - минимальное входное давление;

m_P_Gas_In_max - максимальное входное давление;

m_P_Gas_Out_min - минимальное выходное давление;

m_P_Gas_Out_max - максимальное выходное давление;

m_P_Gas_Defference_max - максимальный перепад давления;

m_T_Gas_Out_max -максимальная температура газа на выходе;

m_T_Gas_In_max - минимальная температура газа на входе;

m_Freq_max - максимальная частота вращения двигателя;

m_C_max - максимальное значение смещения вала;

m_Vibr_max - максимальное значение вибрации вала;

m_T_ bearing_max - максимальная температура подшипника;

m_T_moto_max - максимальная температура двигателя;

m_T_Oil_max - максимальная температура масла;

m_P_Oil_max - максимальное давление масла;

m_P_Oil_Reserv_max - максимальное давление масла с резерва;

m_T_time - время опроса датчиков температуры;

m_P_time - время опроса датчиков давления;

m_C_time - время опроса датчиков смещения;

m_Vibr_time - время опроса датчиков вибрации;

m_P_Water_max - максимальное давление воды;

m_P_Water_min - минимальное давление воды;

m_P_Air_max - максимальное давление воздуха на обдув;

m_P_Air_min - минимальное давление воздуха на обдув;

Все выше сказанное представлено на диаграмме классов рис. 4.4



Рис. 4.4 - Диаграмма классов системы

4.2 Построение алгоритма работы системы

Запуск системы управления КУ производится по команде оператора после того, как им были введены параметры протекания процесса. Перед запуском предполагается, что все предпусковые параметры в норме. После запуска система начинает работать в автоматическом режиме, пока не будет остановлена оператором. При этом система должна автоматически обеспечивать предупреждение аварийных ситуаций. При необходимости изменить параметры оператор способен во время работы системы.

Система функционирует следующим образом.

Предполагается, что все внешние параметры протекания процесса сжатия находятся в норме, тогда происходит пуск двигателя.

Если система вовремя работы обнаруживает, что любой параметр предшествует нормальному ходу реакции - подается сигнализация и происходит блокировка соответствующего устройства.

Единственное условие блокировки, лежащего вне цикла работы является давление, температура и расход циркулирующего газа.

Во время работы происходит постоянная обработка входящих величин с датчиков, что говорит о том - система находится в активном состоянии. Дублирование данных и внешний отчет способствует анализу протекания процесса.

Алгоритм обработки данных имеет вид, представленный на рис. 4.5

Рис. 4.5 - Диаграмма активности, иллюстрирующая обработку данных

4.3 Генерация программного кода

Класс в Rational Rose -- это описание общей структуры (данных и связей) для дальнейшего создания объектов. Для того чтобы генератор Rational Rose имел возможность создавать на основе описанной модели программный код, для каждого класса необходимо указать язык, для которого будет создаваться код. Также необходимо определить компонент, в котором этот класс будет храниться. Если в качестве языка для создания кода указан VC++, то пользователь получает доступ ко всей иерархии классов библиотеки MFC при помощи визуальных средств Model Assistant. Поэтому прежде чем приступить к генерации кода на Visual C++, следует создать 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».

В данном проекте будет построена упрощенная диаграмма компонентов, на которой каждый из компонентов будет представлять класс или его реализацию, хотя при разработке программного кода в большинстве случаев могут использоваться другие подходы.

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 компонентами: Package Specification и Package Body. Первый компонент представляет собой определение пакета (заголовочный файл с расширением .h), второй - тело пакета (файл с расширением.cpp).

Компоненты на диаграмме (рис. 4.6) для простоты имеют те же названия, что и класс, который они представляют.



Рис. 4.6 - Диаграмма компонентов

Кроме того, при создании компонентов в спецификации каждого из них задается язык, на котором он будет реализован (в нашем случае - VC++), а также указывается какие классы включаются в компонент (вкладка Realizes спецификации компонента). На приведенной диаграмме в каждый компонент включен только один класс с тем же именем, что и компонент.

После того, как реализация и прототипы функций определены, с помощью инструмента Model Assistant в указанных классах задаем для каждого оператора тип возвращаемого им значения, передаваемых ему параметров и тело функции (Default Code Body). В классе Controller задается определение структуры params и содержащиеся в ней поля, представляющие задаваемые оператором параметры процесса.

Заключительным этапом в создании программного кода на Visual C++ является ассоциирование компонента с проектом Microsoft Visual Studio 6.0. Для этого используется инструмент Component Assignment Tool (меню Tools > Visual C++ > Component Assignment Tool…). Здесь в свойствах компонентов требуется либо указать существующий проект Visual Studio, либо создать новый проект (при этом используются средства Microsoft Visual Studio), в котором создаются классы, включенные в выбранные компоненты. С помощью этого инструмента можно также включать классы в компоненты и ассоциировать их с языком VC++ (если это еще не было сделано), методом Drag'n'Drop. После того как для всех компонентов был указан проект, в который они будут включены, можно приступать к генерации кода (меню Tools > Visual C++ > Update Code…). Если при этом был выделен класс или компонент, то произойдет обновление его кода (или создание, если он еще не был сгенерирован). Полный перечень программного кода, реализованного в данном проекте, представлен в Приложении В.



5. Аппаратная и программная реализация системы управления КУ

5.1 Аппаратная реализация управления

Реализация аппаратной части производится в соответствии с требованиями к системе управления, основные принципы которых излагаются в п.п. 2.3, 2.4 и особенностями технологического процесса, описание которых дается в п. 1.8. Фирмы, занимающиеся проектированием, установкой и наладкой САУ промышленных объектов в нефтехимической отрасли, особенно газоперекачивающей, имеют огромный опыт разработки систем подобного уровня. Поэтому, наиболее разумным было бы обратится к уже готовым решениям как построения самой системы управления, так и внедряемого оборудования. Многие фирмы при проектировании сложных объектов используют методологии, основной принцип которых описан в п. 3.1. Таким образом, можно считать, что данный метод позволит нам более рационально использовать предоставленные ресурсы.

Исходя из разумных принципов, полагаем, что все объекты обладают хорошей совместимостью, отвечают основным требования по качеству и исполнению, экономически обоснованы и имеют необходимые сертификаты соответствия ЕЭС. Архитектура САУ имеет возможность расширения и модернизации, с сохранением или улучшением предъявляемых требований. Наличие в системе контуров диагностики и самодиагностики оборудования, также приветствуется. Важным фактором также является наличие блоков защиты от помех разной природы, как электромагнитных, так и механических.



5.2 Выбор платформы системы управления

Система управления, удовлетворяющая данным требования, должна иметь либо открытый характер, способная интеграции стороннего программного обеспечения, либо поставляться как готовый набор средств программного и аппаратного управления. Остановимся на втором варианте, так как он подразумевает ряд важных особенностей:

? Полный комплект технической и программной документации на устанавливаемые компоненты;

? Нет необходимости на дополнительное приобретение программного обеспечения, так как структура и качество САУ подразумевает разработку средств управления четко выполняющие свои функции.

? Наличие информационного центра технической поддержки;

? Огромная база принципов реализуемых систем;

Одной из таких является полнофункциональная распределенная система управления технологическим процессом DeltaV. Полевые устройства foundation fieldbus, контроллеры и рабочие станции работают совместно в составе системы, обеспечивая управление каждый на своем уровне.

Данные системы нашли широкое применение на Российском рынке и имеют хорошую репутацию, ввиду того, что обладает достаточным количеством разновидностей устанавливаемых модулей, позволяющих создавать на их базе практически любые сложные системы управления.

Однако для правильного планирования системы DeltaV необходимо четкое формулирование требований к интерфейсу ПО управления процессом и установка этого ПО на должным образом сконфигурированную рабочую станцию.

Системы DeltaV эффективно используются для управления сетями различных размеров. Система DeltaV обладает возможностями гибкого планирования и моделирования размеров сети таким образом, чтобы система наиболее полно отвечала требованиям управления процессом. Минимальный набор компонентов для системы DeltaV представлен на рисунке 5.1, где показано число рабочих станций и контроллеров со всем необходимым оборудованием, которое должно быть включено в систему.

Рис. 5.1 - Минимальный комплект системы DeltaV

В этот комплект компонентов входит:

? Сеть управления, поддерживающая обмен данными между рабочими станциями и контроллерами.

? Рабочая станция, предоставляющая графический интерфейс пользователя.

? Контроллер, выполняющий функции управления и обмена данными между подсистемой ввода-вывода и сетью управления.

? Подсистема ввода-вывода, обрабатывающая информацию от полевых устройств.

? Системный источник питания DeltaV

? Групповой источник питания для полевых устройств, подключенных к системе DeltaV.

? Несущие панели, монтируемые на рейки DIN, и обеспечивающие распределение питания и обмен данными между контроллером и платами ввода-вывода.



5.3 Выбор сети управления

Сеть управления - изолированная сеть Ethernet, обеспечивающая обмен данными между контроллером и рабочей станцией. Для подключения коммуникационных линий используются концентраторы и коммутаторы Ethernet.

При планировании топологии сети принимаются во внимание следующие соображения:

? В сети управления может быть до 120 узлов.

? Сеть управления системы DeltaV должна быть выделенной сетью для обеспечения надежности и высокой производительности. К сети управления DeltaV не должны быть подключены никакие другие устройства или сети.

? Обмен данными с другими устройствами и сетями, не входящими в DeltaV, должен выполняться через Интеграционные станции.

По представленным топологиям сети управления выберем наиболее нам подходящую, т.е. симплексную сеть управления с резервированными контроллерами, схема которой представлена на рисунке 5.2

Рисунок 5.2 - Симплексная сеть управления и резервированные контроллеры

Несмотря на то, что резервированный контроллер использует два порта концентратора, он рассматривается как один узел.

При необходимости увеличение расстояния между узлами производится следующими способами: