Мощность ПЧ 15 кВт, встроен тормозной прерыватель. Двигатель с номинальным током Iн =30,3 А. Схема также предусматривает следующие виды управления:

- местное управление;

- дистанционное управление.

Для преобразователя частоты приняты следующие параметры:

- защита от понижения напряжения;

- защита от замыкания на землю;

- контроль выходных фаз;

- защита от перегрева двигателя;

- остановка двигателя по выбегу;

Воздушный конденсатор холодильник включает в себя два двигателя.

Схема выполнена для подключения одного двигателя, для остальных электродвигателей схема аналогична.

Перечень элементов для электрической принципиальной схемы (Приложение С).

5. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЙ И ПОДКЛЮЧЕНИЙ

Схемы соединений и подключений представлены на листах ДП-2068998-А1-25-00.00.000.Э0 графической части проекта и на рисунках 5.1, 5.2.

На схеме показана реализация соединений между компонентами системы управления (модули ввода/вывода, датчики и исполнительные механизмы). Использованы рекомендации [1].

В местах групповой установки датчиков установлены соединительные коробки, для объединения цепей измерения в один кабель для сокращения индивидуальных кабелей от датчиков до аппаратной, где непосредственно находится станция распределенного ввода/вывода ET200M с сигнальными модулями ввода/вывода. Подключение датчиков к сигнальным модулям показано на схеме. Присоединение с зажимом под винт (клеммы).

Для кабельных проводок от полевых датчиков до щитов торичных преобразователей предусмотрены кабели:

- для аналоговых сигналов - КВВГЭ;

- для сигналов питания - КВВГ;

- для цифровых сигналов - МКЭШВ.

Особенности подключения полевых устройств к модулям ввода/вывода: электропевмопозиционеры регулирующих клапанов RN-1…RN-6 подключаются через полевые барьеры, необходимые для согласования искробезопасных цепей с неискробезопасными; аналоговые датчики используют двухпроводную схему подключения. Реле температуры подключается через релейную гальваническую развязку. Все аналоговые датчики имеют двухпроводную схем подключения. При подключений используются 32 и 16 канальные модули ввода и вывода. Каждый модуль предполагает наличие резервных каналов, что дает возможность в дальнейшем подключить новые датчики и исполнительные механизмы.



Рисунок 5.1 - Схема соединений и подключений (начало)



Рисунок 5.2 - Схема соединений и подключений (продолжение)

6 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

В состав системы MATLAB входит пакет моделирования динамических систем Simulink. Данный пакет имеет широкие возможности для реализации методов теории автоматического регулирования при исследовании динамики автоматических систем. Воспользуемся пакетом Simulink для математического моделирования нашей системы.

6.1 Исследование и настройка контура регулирования

Задачей исследуемой системы регулирования является поддержание постоянного давления в линии подачи строго орошения в верх колонны отбензиневания с коррекцией по температуре верха колонны.

Необходимость регулирования объясняется тем, что давление бензина непосредственно определяет степень нагрева верха колонны, а последняя оказывает существенное влияние на процесс отбензиневания нефти. Этим же фактом определяются и основные требования, предъявляемые к быстродействию и точности контура регулирования: пары бензина на выходе колонны должны быть нагреты до температуры 150 °С (температура выпаривания бензина).

Регулирование давления с коррекцией по температуре заключается в том, что заданное значение давления бензина вычисляется в каждом цикле работы программы управления по методике, учитывающей изменение температуры поров (используется линейная зависимость). Поскольку при проведении исследований реальное управляющее воздействие заменяется единичным ступенчатым сигналом, учета факта коррекции не требуется [11], и все результаты, полученные для принятой системы, будут справедливы и для исходной.

6.1.1 Функциональная схема контура регулирования

Функциональная схема контура регулирования представлена на рисунке 6.1.

Объектом управления является регулирующий клапан (RN-2 на функциональной схеме); его выходным параметром является проходное сечение клапана. Участок трубопровода, соединяющий клапан с датчиком давления, осуществляет передачу среды (бензин) и ее давления, преобразуя S(t) в P(t). P(t) является входным сигналом для датчика давления (PE 59-1). Сигнал с датчика - Y(t), поступает в сумматор, где сравнивается с вычисленным задающим воздействием Yзад(kT(t)).

Рисунок 6.1 - Функциональная схема контура регулирования

В результате сравнения формируется ошибка X(t), поступающая в логическую часть ПИД-регулятора. На выходе регулятора формируется управляющий сигнал U(t), определяющий степень открытия клапана.

Особенностью полученной схемы является наличие отрицательной обратной связи выхода системы с ее входом, которая служит для измерения результата действия системы, причем обратная связь не является единичной.

6.1.2 Описание элементов передаточными функциями.

Опишем каждый элемент функциональной схемы передаточной функцией. Будем считать, что сумматоры, используемые в схеме, ни на что влияют, то есть имеют единичные передаточные функции.

· Датчик давления.

На линии подачи бензина установлен интеллектуальный датчик избыточного давления VEGABAR 52. В технической документации на датчик [2] указано, что датчик имеет свойства инерционного звена, со временем отклика сенсорного модуля Tс = 0,043 с. Дополнительно, в датчике установлено время демпфирования Tд = 1 с, необходимое для устранения влияния пульсаций при подаче мазута. Время демпфирования добавляется к времени отклика сенсора, т.е. общее время отклика датчика:

Tдд = Tс + Tд = 0,043 + 1 = 1,043 с. (6.1)

Встроенный процессорный блок датчика позволяет корректировать собственную нелинейность и воздействие внешних влияющих факторов.

Т.о. датчик давления можно представить типовым инерционным звеном:

. (6.2)

Коэффициент kдд определим, исходя из условий: минимальному давлению мазута Рmin = 1 МПа (1·106 Па) соответствует выходной сигнал датчика Ymin = 4 мA (0,004 А), а максимальному - Рmax = 3 МПа (3·106 Па) соответствует выходной сигнал датчика Ymax = 20 мA (0,02 А). Тогда:

. (6.3)

Подставив (6.1) и (6.3) в (6.2), получим передаточную функцию в численном виде:

.

· Труба.

Принимая во внимание малую длину трубы между регулирующим клапаном и датчиком давления, не учитываем возможное транспортное запаздывание и падение давления в трубе. Исходя из этого, будем рассматривать трубу типовым усилительным звеном с коэффициентом усиления, равным единице:

.

· Регулирующий клапан.

Для регулирования давления используется пневматический регулирующий клапан для жидкого топлива Samson 241-7-нефть, поставляемый в комплекте с сервоприводом Samson 3277 и интеллектуальным электропневматическим позиционером Samson 3780. Отметим, что все навесное оборудование устанавливается и тестируется на заводе-изготовителе для параметров, указываемых в опросном листе на клапан, поскольку определение свойств клапана является сложной задачей, решаемой для конкретной конфигурации клапана. Для выбранного оборудования и параметров процесса, в соответствии с характеристиками, приведенными в [20], можно рассматривать клапан как типовое колебательное звено с постоянными времени: Т1кл = 0,28 с; Т2кл = 0,45 с.

Т.о. передаточная функция клапана:

. (6.4)

Коэффициент kкл определим, исходя из условий: минимальному сигналу Umin = 4 мA (0,004 А) на входе позиционера соответствует давление среды на выходе клапана Smin = 1 МПа (1·106 Па), а максимальному - Umax = 20 мA (0,02 А), соответствует давление Smax = 3 МПа (3·10-6 Па). Тогда:

. (6.5)

Подставив (5.5) в (5.4) с учетом Т1кл = 0,28 с; Т2кл = 0,45 с, получим передаточную функцию клапана в численном виде:

.

· ПИД-Регулятор.

Функции регулятора выполняет контроллер. Будем рассматривать упрощенный способ решения задачи регулирования с использованием методов линейных систем, поскольку центральный процессор контроллера обладает высоким быстродействием (не учитываем дискретность управления).

ПИД-регулятор требует при настройке задания 3-х параметров: коэффициента усиления пропорционального канала kп, коэффициента усиления интегрального канала kи и коэффициента усиления дифференциального канала kд. Так как в состав регулятора входит форсирующее звено второго порядка, запишем:

, (6.6)

где: , .

Записать выражение (6.6) в численном виде пока не представляется возможным, так как Т21Р и Т2Р неизвестные параметры, определяемые через настройки регулятора.

6.1.3 Структурная схема контура регулирования

На основе функциональной схемы составим структурную схему контура регулирования давления (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 - структурную схему контура регулирования давления

Для использования методов теории автоматического управления требуется наличие замкнутой структуры, то есть необходимо привести исходную структурную схему к структуре с единичной обратной связью. Преобразование осуществим путем переноса сумматора, а фиктивное звено отбросим, поскольку при описании неважно каким образом получено Pзад(t). Структурная схема после преобразования изображена на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 - Структурная схема после преобразования

Запишем в условных обозначениях звеньев конкретные выражения их передаточных функций в числовом виде (где это возможно). Окончательная структурная схема представлена на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 - Окончательная структурная схема

6.1.4 Исследование контура регулирования

Исследование системы будем вести в системе MATLAB, в пакете моделирования динамических систем Simulink, предназначенного для решения задач анализа и синтеза систем автоматического регулирования. Simulink имеет широкие возможности для реализации методов теории автоматического управления при исследовании динамики автоматических систем. Исследуемая система задается в виде структурной схемы, набираемой из типовых звеньев, имеющихся в библиотеке Simulink. При использовании методов анализа Simulink производит для заданной структуры расчет передаточной функции, частотных характеристик и переходного процесса, выдает результаты расчета в виде графиков.

Для исследования системы, вводим полученную структурную схему (рисунок 6.4) системы в окно модели, преобразовывая ее в соответствии с требованиями программы (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5 - Структурная схема в MATLAB

Для устранения негативного влияния колебательной характеристики клапана на качество системы наиболее рационально будет выбрать такие параметры регулятора, которые будут аналогичны параметрам двигателя, то есть:

; (6.7)

. (6.8)

При таких настройках выражение в скобках числителя передаточной функции регулятора и выражение в знаменателе передаточной функции клапана сокращаются, чем и обеспечивается компенсация колебательных свойств клапана.

На первом этапе исследования для определенности примем коэффициент усиления интегрального канала регулятора равным Kи = 1, тогда из (6.7) и (6.8):

Kп = 0,45;

Kд = 0,0784.

График переходного процесса для исходных настроек ПИД-регулятора представлен на рисунке 6.6.

Рисунок 6.6 - График переходного процесса для исходных настроек ПИД-регулятора

Видно, что система получилась устойчивой с колебательным переходным процессом. Длительность переходного процесса tпп = 5,15 с (время регулирования tпп определяется как время, протекшее от начала переходного процесса до момента установления на выходе системы значения параметра, отличающегося не более, чем на 5% от установившегося значения). Перерегулирование составляет 18,6 %, статическая ошибка равна нулю (присутствует интегральная составляющая). Анализируя полученные результаты, делаем вывод: хотя полученная система и является устойчивой, качество процесса - неудовлетворительное. При использовании ПИД-регулятора можно получить лучшее качество (обеспечить апериодический переходный процесс, или уменьшить перерегулирование до рекомендуемых значений - у < 15%) если удастся подобрать соответствующие настройки регулятора.

Будем искать оптимальные настройки регулятора с использованием логарифмических частотных характеристик.

Для построения ЛАХ и ЛФХ системы, задаем точки входа/выхода в структуре модели и разрываем цепь обратной связи.

ЛЧХ исследуемой модели при исходных настройках регулятора показаны на рисунке 6.7 - кривые L1() и 1() (PressureNew_1 на графиках Magnitude и Phase).

Из рисунка 6.7 видно, что общий вид ЛАХ при начальных настройках регулятора - оптимальный, остается выбрать коэффициент усиления системы, пользуясь правилами: во-первых, в окрестностях частоты среза в пределах не менее 0,6 дек в обе стороны наклон ЛАХ должен составлять -20 дБ/дек в этом случае переходный процесс будет апериодическим; во-вторых, запас устойчивости системы по фазе должен лежать в пределах от 20 до 50, или, в крайнем случае, быть выше этих значений; в-третьих, запас устойчивости системы по амплитуде должен быть не менее -15 дБ.



Рисунок 6.7 - ЛЧХ исследуемой модели при исходных настройках регулятора

Примечание:

т. А соответствует частоте сопряжения щс = 1/Тдд = 0,958;

т. B, C, D - частоты среза при соответствующих настройках регулятора;

т. E, F, G - значения ЛФХ при соответствующих настройках регулятора.

Отметим, что при изменении kи кривая L1() будет перемещаться вверх или вниз параллельно самой себе, 1() остается неизменной. Варьируя kи, можно из L1() получить такую Lопт(), которая будет иметь наиболее оптимальный вид, то есть соответствовать более высокому качеству переходного процесса.

Для исходных настроек ПИД-регулятора ЛЧХ имеют следующие характеристики: щс<щр - система устойчива; щс лежит на участке с наклоном -20 дБ/дек; запас устойчивости системы по фазе цз = 51; дБ, поскольку ц1(щ) не пересекает прямую -180. Видно, что единственное условие, которое не выполняется - в окрестностях частоты среза в пределах не менее 0,6 дек в обе стороны наклон ЛАХ должен составлять -20 дБ/дек. Для выполнения этого требования нужно уменьшить Ки.

Возьмем Kи = 0,5, тогда из (6.7) и (6.8):

Kп = 0,225;

Kд = 0,0392.

ЛЧХ при данных настройках регулятора показаны на рисунке 6.7 - кривые L2() и ц2() (PressureNew_2 на графиках Magnitude и Phase). Видно, что для щс все еще не обеспечивается расстояние 0,6 дек до точки перегиба.

Возьмем Kи = 0,3, тогда:

Kп = 0,135;

Kд = 0,02352.

ЛЧХ для данных настроек представлены на рисунке 6.7 кривыми L3() и ц3() (PressureNew_3 на графиках Magnitude и Phase). В данном случае выполняются все требования для получения оптимального, с точки зрения качества, переходного процесса.

Переходные процессы для всех принятых настроек регулятора представлены на рисунке 6.8.

Оценку качества настроенной системы производим по графику переходного процесса и по логарифмическим характеристикам (кривые L3(щ) и ц3(щ) на рисунке 6.7).

Время регулирования tпп находим по графику переходного процесса (рисунке 6.8 кривая PressureNew_3): tпп = 7,39 с.

Запас устойчивости системы по фазе: .

Запас устойчивости по амплитуде: дБ.



Рисунок 6.8 - Переходные процессы для всех принятых настроек регулятора

6.1.5 Выводы по результатам исследования

В настроенной системе переходный процесс является апериодическим, со временем регулирования tпп = 7,39 с.

Для такого процесса величина перерегулирования равна нулю. Система обладает избыточным запасом устойчивости по амплитуде и по фазе, поскольку для систем удовлетворительного качества запас по фазе лежит в пределах (20…50)°, а запас по амплитуде не должен быть меньше 15 дБ (по модулю). Для полученной системы имеем превышение данных значений, что означает лишь недоиспользование свойств системы. Таким образом, считаем, что система удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к устойчивости и быстродействию.

Настройка контура регулирования представлена на листе ДП-2068998-А1-25-00.00.000.Д (Настройка контура регулирования) графической части и на рисунке 6.9.



Рисунок 6.9 - Настройка контура регулирования

7 ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

7.1 Разработка алгоритмов управления

Общий алгоритм управления и алгоритм аварийного управления, разработанные в ходе проектирования и предназначенные для облегчения задач написания программ управления, представлены на листе ДП-2068998-А1-25-00.00.000.Д (Алгоритм управления) графической части проекта и на рисунке 7.1.

Общий алгоритм управления дает представление о последовательности реализуемых действий, его особенность - наличие параллельных процессов. В начальном состоянии (блок 01) - программируемый контроллер выключен, АРМ оператора включена и работает под управлением ОС Windows XP. Следующие далее ветви параллельных процессов (учет независимости включения ПК и запуска ПО) описывают этапы инициализации системы. После включения ПК (блок 2),выполняется подпрограмма его инициализации (блок 3) и, в случае неисправности (блок 4) выдается сообщение о сбое (блок 6) с остановкой процесса инициализации системы. При успешной инициализации, ПК переходит в режим готовности (блок 5), ожидая установления связи с верхним уровнем. Блоки 8-12 описывают процесс запуска программного обеспечения АСУ ТП на АРМ. В случае успешного завершения теста и установления связи с ПК, на экран АРМ выводится признак готовности системы к работе (блок 13) - вывод главного экрана интерфейса оператора с основным меню. После этого система переходит в режим ожидания команды оператора (блок 14). Введенную команду система распознает (блок 15) и при ее успешной идентификации (блок 16) выдает команду на загрузку соответствующей программы (блок 18), иначе выводит сообщение оператору (блок 17) и ожидает следующей команды.



Рисунок 7.1 - Алгоритмы управления

В блоке 18 происходит выбор режима работы F. Если F=1, то осуществляется переход в режим наладки. В данном режиме осуществляется комплексная настройка системы управления, ее диагностика, отработка функций управления, проверка полноты и качества срабатывания блокировок аварийной защиты и пр. F=2 соответствует переходу в дистанционный режим атмосферной перегонки. В данном режиме осуществляется запуск атмосферной перегонки, эксплуатация. Отметим, что из этого режима при налаженной работе блока можно перейти в автоматический режим атмосферной перегонки.

Рассмотрим более подробно предопределенный процесс автоматического режима атмосферной перегонки. В начале работы опрашивается датчик температуры вверху ректификационной колонны (блок 24), если температура равна заданному значению (блок 25), то система опрашивает следующий датчик, если же есть отклонения от заданной температуры, происходит ПИД-регулирование и выдача необходимого воздействия (блок 27), после этого опрашивается датчик уровня колонны (блок 28). Если значение удовлетворяет заданным параметрам (блок 29), переход к следующему датчику, если же уровень принимает предельно максимальное или минимальное значение, происходит предаварийное оповещение, сигнализация (блок 30) и останов насосов (блок 31). При нормальном течении процесса, опрашиваются датчики температуры на выходе ХВК (блок 33), если температура не соответствует заданным значениям (блок 34), осуществляется ПИД-регулирование (блок 35) и вывод выходного воздействия на двигатели (блок 36). Далее опрашивается датчик давления в емкости (блок 37), если параметры не соответствуют уставкам (блок 38), осуществляется воздействие на запорно - регулирующие клапаны (блок 40), при достижении максимального или минимального значения, срабатывает предаварийная сигнализация (блок 39). Следующими опрашиваются датчики уровня и перепада уровня в емкости (блок 44), если существуют отклонения от заданного уровня (блок 45), осуществляется ПИД-регулирование (блок 50) и выдача выходного воздействия на соответствующие клапаны (блок 51) и двигатели моторов (блок 47). При минимально допустимом уровне в емкости, срабатывает предаварийная сигнализация (блок 46) и останов насосов. При нормальном ходе процесса программа осуществляет следующий опрос датчиков по той же схеме.

Рассмотрим подпрограмму ПИД-регулирования. В начале подпрограммы происходит обнуление начальных значений интеграла и ошибок (блок 57). Затем считывается значение управляемого параметра (блок 58) и вычисление отклонения (блок 59). Затем вычисляются пропорциональная (блок 61), интегральная (блок 64) и дифференциальная (блок70) составляющие управляющего воздействия (блок 72). После этого осуществляется выходное воздействие (блок 73). Для дальнейшего процесса необходимо переопределение переменных (блок 74) и согласование быстродействия (блок 75).

На схеме алгоритмов изображена программа управления насосными агрегатами с опросом основных датчиков. Рассмотрим этот алгоритм подробнее. В начале программы происходит опрос датчика давления на выкиде насоса (блок 78), если значение удовлетворяет необходимым параметрам (блок 79) происходит опрос следующего датчика, в противном случае выдается сигнализация (блок 80). Следующим опрашивается датчик уровня в бачке затворной жидкости (блок 81), если значение удовлетворяет заданному (блок 82), переход к опросу следующего датчика, если нет, то выдача сигнализации по месту и в операторную (блок 83) и останов насоса при критически минимальном значении (блок 84) . Далее происходит опрос датчика температуры подшипников насоса (блок 85). При достижении максимально значения выдается оповещение (блок 87) и останов насоса (блок 88). При нормальном течении процесса программа осуществляет следующий опрос датчиков по той же схеме.

7.2 Программное обеспечение STEP7Lite

Стандартное программное обеспечение SIMATIC для создания программ,

используемых в программируемых логических контроллерах, на языках программирования контактный план, функциональный план или список операторов для станций SIMATIC S7-300.

ПО выполняет следующие функции:

сбор информации о теплотехнических параметрах и состоянии технологического оборудования;

обработку информации, поступающей от датчиков технологических параметров, положение и состояние приводов исполнительных механизмов (ИМ);

управление ИМ в автоматическом режиме, обеспечение выполнения технологических операций в соответствии с алгоритмом управления;

автоматическое управление основными параметрами;

дистанционное управление ИМ с пульта оператора;

отображение текущих значений теплотехнических параметров, информации о режимах работы и состояния системы;

аварийная защита, отключение, блокировка при возникновении аварийной ситуации;

аварийную предупредительную сигнализацию (световую и звуковую).

Пакет программного обеспечения STEP 7 Lite используется для конфигурирования и программирования логических контроллеров SIMATIC семейств S7-300 и C7, а также станций ET 200М и ET 200S (отдельно-стоящих). В STEP 7 Lite создание решения автоматизации происходит в несколько этапов . На рисунке, приведенном ниже, показаны шаги , которые необходимо выполнить в большинстве проектов.

Рисунок 7.2 - Структура проекта

Первым шагом является конфигурирование аппаратуры (рисунок 7.2).

Рабочая область конфигурирования программируемого контроллера состоит из следующих областей:

* Графическое изображение, в котором корзины с модулями изображены так как они выглядят в действительности.

* Таблица, представляющая отдельную корзину и содержащая дополнительную информацию о модулях (заказной номер, адреса и т. д .),.

* "Hardware Catalog [ Каталог аппаратуры ]", из которого можно выбирать необходимые аппаратные компоненты.



Рисунок 7.3 - Конфигурация аппаратуры

В программе STEP 7 Lite приходится работать с адресами сигналов ввода / вывода, битов памяти, счетчиков, таймеров, блоков данных и функциональных блоков. Можно обратиться к этим адресам, используя абсолютное значение адреса . Однако программу будет значительно легче читать, если будут пользованы символьные обозначения адресов. Для этого необходимо создать таблицу символов (рисунок 7.4).

Рисунок 7.4 - Таблица символов

Третьим шагом является создание программы управления. Для этого необходимо выбрать язык программирования.

Языки программирования:

Языки программирования SIMATIC, используемые в STEP 7 Lite, соответствуют стандарту DIN EN 6.1131-3.

* LAD (Ladder Logic [ Контактный план ]) - это графический язык программирования . Cинтаксис команд похож на синтаксис коммутационной схемы. LAD позволяет следить за сигналом при его прохождении через различные контакты, составные элементы и выходные катушки.

* STL (Statement List [ Список операторов ]) - это текстовый, машинно-ориентированный язык программирования. Если программа написана на STL, то отдельные команды, в большинстве случаев, соответствуют шагам, которые ЦПУ выполняет при обработке программы. Чтобы облегчить программирование в STL включены некоторые конструкции языков программирования высокого уровня ( такие как доступ к структурированным данным и параметры блоков ).

* FBD (Function Block Diagram [ Функциональный план ]) - это графический язык программирования, использующий для представления логики элементы булевой алгебры. Кроме того, возможно использование сложных функций (такие как, математические функции) вместе с логическими блоками.

Циклическая обработка программы является стандартным режимом для программируемого логического контроллера. Операционная система периодически вызывает OB1, и с этого вызова начинается циклическое исполнение программы пользователя. Чтобы в ЦПУ во время циклической обработки программы находился непротиворечивый образ сигналов процесса, ЦПУ обращается не непосредственно к адресным областям входов (I) и выходов (Q) модулей ввода - вывода, а к внутренней области памяти ЦПУ, которая содержит отображение входов и выходов процесса.



Рисунок 7.5 - Управляющая программа на языке LAD

Рисунок 7.6 - Управляющая программа на языке FBD

В дипломном проекте была разработана часть управляющей программы управления насосными агрегатами. Программа соответствует алгоритму управления, приведенному на листе ДП-2068998-А1-25-00.00.000.Д. Исходный код программы на языке LAD приведен на рисунке 7.7.

Рисунок 7.7 - управляющая программа на языке LAD

Программно-математическое обеспечение STEP7Lite представлено на листе ДП-2068998-А1-25-00.00.000.Д (Программно-математическое обеспечение) графической части проекта и на рисунке 7.8 .

Рисунок 7.8 - Программно-математическое обеспечение

7.3 Графический интерфейс оператора

7.3.1 Обзор существующих SCADA-программ

В настоящее время большое распространение при создании программно-технических комплексов получили пакеты программ визуализации измерительной информации на дисплейных пультах операторов, называемых конфигураторами пультов оператора, или SCADA-программами. SCADA - это аббревиатура термина Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных. В последнее время эти системы имеют более точное название: MMI/SCADA, где MMI (Man Machine Interface) определяет наличие человеко-машинного интерфейса. Эти пакеты позволяют создавать полное высококачественное программное обеспечение пультов оператора, реализуемых на различных разновидностях персональных компьютеров и рабочих станций компьютерных сетей.

На российском рынке получили распространение несколько десятков SCADA-программ, обзор некоторых приведен в таблице 7.1:

Таблица 7. 1

SCADA-система	Фирма-изготовитель	Страна
Factory Link	United States DATA	США
InTouch	Wonderware	США
Genesis	Iconics	США
Genie	Advantech	США
RealFlex	BJ Software Systems	США
FIX	Intellution	США
Simplicity	GE Fanuc Automation	США
RSView-32	Rockwell Software	США
WinCC; ProTool	Siemens	Германия
VipWin	Festo	Германия
IGSS	Seven-Technologies	Дания
Sitex	Jade Software	Великобритания
Trace Mode	AdAstra Research	Россия
Image	Техно-линк	Россия
Круг-2000	НПФ «Круг»	Россия
Owen Process Manager	ПО «Овен»	Россия
VTS Next Step; Master-SCADA	InSAT Company	Россия

Основные функции SCADA-программ в части разработки дисплейного пульта (инструментальный комплекс SCADA) и в части работы пульта в реальном масштабе времени (исполнительный комплекс SCADA) следующие [19,23]:

сбор текущей информации от контроллеров или других приборов и устройств, связанных непосредственно или через сеть с пультом оператора (в том числе на основе стандартных протоколов DDE, OPC);

первичная (вычислительная и логическая) обработка измерительной информации;

архивирование и хранение текущей информации и ее дальнейшая необходимая обработка;

* представление текущей и исторической информации на дисплее (реализация анимированных мнемосхем, гистограмм, анимационных изображений, таблиц, графиков, трендов);

* выделение аварийных и предаварийных ситуаций с автоматической генерацией сигналов тревоги;

ввод и передача команд и сообщений оператора в контроллеры и другие устройства системы;

регистрация всех действий оператора (ручной запуск процесса, аварийный останов, изменение настроечных параметров системы и т.д.);

регистрация всех ошибок и событий внутри системы управления (аппаратные тревоги, ошибки работы сети и т.д.);

защита от несанкционированного доступа и предоставление различных прав пользователям во время работы с системой;

печать отчетов и протоколов произвольной формы в заданные моменты времени, представление и запись аварийных ситуаций в моменты их возникновения;

решение прикладных программ пользователя и их взаимосвязь с текущей измеряемой информацией и управленческими решениями;

информационные связи с серверами и другими рабочими станциями через разные сетевые структуры.

SCADA - система Genesis32

Для подключения оборудования предусмотрена поддержка интерфейса OPC. Большинство производителей предлагают ОРС-сервера для своих контроллеров. Встроенных драйверов нет. Для подключения собственных устройств предлагается конструктор ОРС-серверов - ПО, облегчающее создание ОРС-сервера.

Специальных средств реализации реального времени нет. Пропускная способность ОРС-сервера сильно зависит от конфигурации системы и может составлять от 1000 до 60000 элементов в секунду. В пакете есть компонент для управления технологическими процессами с операторского компьютера.

Модуль ControlWorx поддерживает все языки стандарта IEC1131

Система состоит из следующих основных модулей:

GraphWorX32 - средство визуализации контролируемых технологических параметров и оперативного диспетчерского управления на верхнем уровне АСУТП.

TrendWorX32 - средство накопления и представления текущих данных в виде графических зависимостей от времени.

AlarmWorX32 - набор программных компонентов для обнаружения аварийных событий, оповещения оперативного персонала, приема подтверждений восприятия информации об аварийных событиях и регистрации информации об авариях в базе данных.

DataWorX32 - OPC - сервер, предназначенный для организации единого моста между множеством клиентских и серверных компонентов системы.

Ограничивается только кол-во точек ввода-вывода (одновременно считываемых из ОРС-сервера в конкретный момент времени). Ограничивается с помощью лицензии. Есть варианты лицензий на 75, 150, 300, 500, 1500 точек и лицензия без ограничений. Все остальные ограничения зависят от производительности компьютера.

InTouch компании Wonderware

Программный комплекс InTouch компании Wonderware предназначен для разработки систем автоматизации промышленных предприятий, охватывающих все уровни производства - от управления технологическими процессами до управления производством.

На сегодняшний день InTouch - это один из широко признанных программных пакетов класса MMI для промышленной автоматизации, общее число его установок по всему миру превышает 30 тысяч. Пакет разрабатывался как инструмент для самой распространенной в мире программно-аппаратной платформы - PC-совместимого компьютера с операционной средой DOS/WINDOWS. Однако сегодня фирма Wonderware, тщательно отслеживая тенденции развития рынка PC-совместимых персональных компьютеров и программного обеспечения для них, предлагает следующее поколение пакета - InTouch для WINDOWS 95 и InTouch для WINDOWS/NT. Таким образом, можно надеяться, что в распоряжении разработчиков, создающих системы промышленной автоматизации на базе InTouch и самой распространенной и дешевой программно-аппаратной платформы, всегда будут самые современные базовые средства.

В InTouch различают несколько типов скриптов:

Application Scripts (скрипты уровня приложения) относятся ко всему приложению и используются для запуска других приложений, имитации технологических процессов, вычисления значений переменных и т.д.

Window Scripts (скрипты уровня окна) связываются с конкретным окном.

Key Scripts (клавишные скрипты) привязываются к какой-либо клавише или комбинации клавиш клавиатуры. Это может быть полезным при создании каких-либо глобальных для всего приложения функций (возврат в главное окно, окончание сеанса работы с приложением и т. д.).

Touch Pushbutton Action Scripts (скрипты, запускаемые кнопками) очень похожи на клавишные скрипты и связываются с объектами, которые будут использоваться в качестве исполнительных кнопок. Эти скрипты запускаются при каждом нажатии на объект-кнопку.

Condition Scripts (скрипты по изменению логического выражения) связываются с логической переменной или выражением, которое будет принимать значения либо "истина", либо "ложь". Логические скрипты могут содержать в себе и аналоговые переменные.

Data Change Scripts (скрипты по изменению данных) связываются либо с переменной, либо с полем переменной. Эти скрипты исполняются только один раз, когда значение переменной либо поля меняется на величину, превышающую значение допуска, заданного в словаре переменных.

ActiveX Event (скрипты событий ActiveX) предназначены для поддержки механизма реакции на события в ActiveX - объектах. С каждым событием может быть связан один скрипт типа ActiveX Event, запускающийся в WindowViewer во время исполнения приложения.

Quick Function - скрипты, которые могут вызываться из других скриптов и использоваться в выражениях при определении динамических свойств объектов.

SCADA - система Trace Mode 5

Поддерживаются 1426 устройств по протоколам OPC, DDE, HART, ProfiBus, ModBus и другим.

Возможность работы в режиме реального времени

Монитор реального времени (МРВ) - это мощный сервер реального времени - основной элемент распределенной АСУ ТРЕЙС МОУД. Предназначен для сбора данных с УСО через встроенные и пользовательские драйверы, OPC и DDE клиенты, математической обработки, осуществления непосредственного цифрового и супервизорного управления, генерирования алармов, ведения отчета тревог, визуализации техпроцесса на мнемосхемах, осуществления сетевого обмена с другими узлами проекта, поддержки обмена с клиентскими модулями ТРЕЙС МОУД через DCOM, обмена данными с независимыми приложениями через OPC и DDE серверы, а также для осуществления информационного обмена с внешними базами данных.

Минимальное время реакции монитора реального времени составляет 0,001 с. Архитектура ТРЕЙС МОУД обеспечивает высочайшую производительность в реальном времени.

МРВ способен принимать данные через 32 последовательных порта. На его базе возможно создавать системы, работающие в режиме горячего резервирования. Для МРВ существуют драйверы к более чем 300 контроллерам и УСО наиболее используемых в АСУТП России. Драйверы к наиболее популярным контроллерам встроены в МРВ.

По числу поддерживаемых протоколов контроллеров и УСО, реально использующихся в АСУТП России и СНГ, ТРЕЙС МОУД значительно опережает другие SCADA-системы.

МРВ имеет модульную структуру на 128/1024/32000х16/64000х16 каналов, теги неограниченны.

Система разработчика включает в себя следующие компоненты:

1. Редактор базы каналов (РБК) - инструмент разработки распределенной базы данных реального времени. В РБК создаются узлы проекта - операторские станции и контроллеры, производится настройка на платы ввода/вывода и контроллеры (DLL, DDE, OPC), задаются технологические границы и алармы, производится визуальное программирование алгоритмов управления на языках Techno FBD и Techno IL (IEC 1131-3), программируются функции резервирования, настраивается сетевой обмен, связь с базами данных и приложениями, создается система архивирования данных. РБК производит автоматическое генерирование отчетной документации по проекту АСУТП. Поддерживаются технологии автопостроения проекта.

2. Редактор представления данных (РПД) - инструмент разработки экранных форм операторского интерфейса. В РПД для каждого узла проекта создаются графические экраны, формируется статичные мнемосхемы процесса, осуществляется их динамизация путем векторной и AVI-анимации. Создаются виртуальные органы управления, тренды реального времени и исторические, формируются отчеты тревог. Осуществляется встраивание ActiveX - компонентов.

3. Редактор шаблонов (РШ) - инструмент разработки шаблонов и сценариев формирования документации о ходе технологического процесса. В РШ можно создать статичную основу отчетного документа, установить ссылки на каналы и тренды в серверах реального времени, написать сценарии автоматического формирования отчетной документации о проекте.

7.3.2 Анализ и выбор среды разработки интерфейса оператора.

В данной главе были рассмотрены наиболее популярные среды разработки графического интерфейса для оператора. Все они имеют схожие функции и характеристики. Различаются они прежде всего ценой и поддерживаемым оборудованием. В связи с этим я выбрала систему Wonderware InTouch, так как она зарекомендовала себя на российском рынке и имеет хорошую характеристику цена/качество.

Основные отличия пакета InTouch по сравнению с другими программными продуктами:

- Надежность и устойчивость в работе - 9 лет разработки и эксплуатации более чем 150000 установленных систем на промышленных объектах.

- Простота использования и неограниченные возможности для разработчика (любое число мнемосхем, неограниченная сложность алгоритмов и пр.).

- Использование стандартных протоколов обмена данными (DDE, OPC, TCP/IP и др.).

- Высокая скорость работы благодаря механизму, динамически регулирующему скорость опроса входных сигналов ( опрос происходит только при изменении значения контролируемого параметра).

- Архитектура клиент-сервер для эффективной работы в сети. База данных ведется только на сервере, нет необходимости копировать ее на клиентские станции.

- Открытость - можно добавлять и использовать готовые компоненты других фирм вследствие поддержки технологий ActiveX и OPC.

- Интеграция с другими программными пакетами фирмы Wonderware и простой обмен данными с популярными программными пакетами для Windows - Microsoft Excel, Microsoft Access, Microsoft Visual Basic и др.

- Самое большое число готовых серверов ввода-вывода - более 600.

- Возможность создания библиотек алгоритмов.

- Истинно многозадачный режим функционирования (многопоточное выполнение пользовательских алгоритмов).

- Возможность работы с более чем 120000 сигналов и параметров (тэгов).

- Автоматический контроль качества сигналов, поступающих с датчиков и контроллеров.

- Работа как сервис Windows NT - функционирование программы не нарушается процессом регистрации пользователя в операционной системе.

- Распределенная система отслеживания и регистрации аварийных ситуаций одновременно поддерживает множество серверов ("провайдеров") аварийных ситуаций, что дает возможность операторам видеть информацию об авариях во многих удаленных местах синхронно.

7.3.3 Описание графического интерфейса оператора

Графический интерфейс оператора представлен на листе ДП-2068.998-А1-25-00.00.000.Д (Интерфейс оператора) графической части проекта и на рисунке 7.9.

Главный экран дает оператору представление о состоянии и ходе техпроцесса атмосферной перегонки нефти. На главном экране показаны:

- основное технологическое оборудование: колонна отбензинивания, отпарная емкость, теплообменник, воздушные конденсаторы холодильники (ХВК-1-4);

- исполнительные механизмы, задействованные при атмосферной перегонке: сырьевые насосы Н-1, Н-2/1, Н-2/2, Н-3/1, Н-3/2, основные регулирующие клапаны и задвижки;

- трубопроводы, связывающие технологическое оборудование и исполнительные механизмы;

- основные контролируемые и регулируемые параметры техпроцесса: температура жидкости по ходу техпроцесса; подача охлаждающего острого орошения в колонну, сброс газа при превышении давления; уровни в колонне, емкости и пр.;



Рисунок 7.9 - Графический интерфейс оператора

- индикация состояния исполнительных механизмов: для насосов - надписи «вкл.», «выкл; для регулирующих и отсечных клапанов - открытие клапана в процентном соотношении.

Отметим, что каждый объект управления представленный на экране может быть вызван на панель управления для получения более детальной информации, например значений регламентированных и аварийных границ параметра, состояния блокировки, значение уставки и т.д. Для этого оператору достаточно нажать на кнопку, расположенную рядом с интересующим его объектом, либо непосредственно на сам объект.

Взаимодействие оператора с системой отображения организовано с помощью мыши и функциональной клавиатуры.

Поскольку на одном экране невозможно показать все параметры, характеризующие ход техпроцесса, все оборудование и исполнительные механизмы, отразить все нюансы (потеряется наглядность отображения техпроцесса) - наряду с общим, используются и более подробные экраны, отражающие некоторую часть техпроцесса. Переход с общего экрана на частные осуществляется через меню выбора экрана, расположенное в правой части (справедливо для любого экрана). Всего имеется 5 частных экранов:

- экран «ХВК»: раскрывает процесс охлаждения газопродуктовой смеси в воздушном конденсаторе холодильнике - отображены входная и выходные температуры (рисунок 7.10);

Рисунок 7.10 - Экран «ХВК»

- экран «Емкость»: показывает процесс проходящий в отпарной емкости -отображены все параметры, характеризующие работу с возможностью просмотра значений, установленных для предупредительных и предельных уровней. На рисунке 7.11 изображено окно датчика давления в емкости;

Рисунок 7.11 - Значения давления в емкости

- экран «Колонна»: отражает процесс ректификации в колонне, значения уровня, давления, температуры. На рисунке 7.12 мы можем видеть экран датчика уровня в емкости с подробным описанием текущих параметров и уставок;

Рисунок 7.12 - Информация об уровне в колонне

- экран «Насосный агрегат»: дает полную информацию о состоянии используемых насосов, можно вызвать панели управления по каждому насосу для получения детальной информации (эти же панели вызываются из общего экрана по нажатию кнопки Насосный агрегат) (рисунок 7.13);

Рисунок 7.13 - экран «Насосный агрегат»

- экраны «Клапаны»: дают сводку по всем используемым в системе клапанам - отображаются состояния клапанов с возможностью вызова панели управления по каждому клапану для получения более детальной информации.

При нажатии на датчик можно также получить более детальную информацию, значение уставки, минимального и максимального значений, текущего значения.

Меню режима и выбора, расположенное в нижней части, позволяет получить сводную информацию по текущему режиму работы блока. В данном меню активным является только один элемент, соответствующий текущему режиму работы блока, остальные заблокированы, с целью предотвращения получения недостоверной информации. При нажатии на активную кнопку режима выводится панель, предоставляющая детальный обзор по рабочему режиму (режим работы, входные параметры, сводка по этапам процесса и запущенным командам, информация о пользователях и пр.), возможность выхода на общий экран установки и ряд других возможностей.

Панель «Тренды» - предоставляет возможность просмотра параметров техпроцесса за требуемый промежуток времени. Построение трендов возможно как для аналоговых, так и для дискретных сигналов за любой промежуток времени, для которого в системе имеются архивные данные. При построении графиков оператор имеет возможность изменять их внешний вид (задавать интервал времени для отображения, изменять число показываемых кривых, выполнять печать).

Рисунок 7.14 - График изменения параметров в реальном времени

Можно сделать вывод, что система отображения информации обеспечивает выполнение следующих функций:

- представление технологической информации на экранах мониторов( по запросу или автоматически) в виде мнемосхем с различной детализацией, но которых воспроизводится информация о текущем состоянии технологического процесса и значения технологических параметров; в виде специальных кадров регуляторов;

- автоматическую сигнализацию и регистрацию достижения параметром аварийной и предупредительной границ;

- управление оператором механизмами в соответствии с технологическим регламентом; система управления обеспечивает защиту от неправильных действий оператора;

- формирование и отображение на дисплее различных групп графиков измерения технологических параметров.

8 РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ОТ ВНЕДРЕНИЯ АСУ ПРОЦЕССОМ АТМОСФЕРНОЙ ПЕРЕГОНКИ НЕФТИ

Экономический эффект рассчитывается по условиям использования продукции за расчетный период. Суммарный по годам периода экономический эффект рассчитывается по формуле:

Эт = Рт - Зт, (8.1)

где Рт - стоимостная оценка результатов внедрения АСУ;

Зт - стоимостная оценка затрат на создание АСУ.

За расчетный период (tрп) примем первый год эксплуатации АСУ.

Уточним (1):

Эт = Рувел.вып.бен - (Зпр+Зкомпл+Змонт+ЗПО+ Зобуч.+Зобсл.), (8.2)

где Рувел.вып.бен - результат увеличения выпуска бензина и тяжелых фракции;

Зпр - затраты на проектирование конструкторской документации;

Зкомпл - затраты на КТС АСУ;

Змонт - затраты монтаж КТС и пусконаладочные работы;

ЗПО - затраты на программное обеспечение АСУ;

Зобуч - затраты на обучение персонала;

Зобсл - затраты на обслуживание АСУ.

8.1 Затраты на проектирование конструкторской документации

При определении трудоёмкости разработки каждого документа на каждой стадии выполнения работ могут использоваться нормативные документы конкретных предприятий или типовые нормы времени.

Типовые нормы времени на разработку конструкторской документации имеют следующие особенности:

· они разработаны для условий единичного производства;

· при выполнении чертежей в масштабе 1:1;

· каждая норма установлена для определенного формата чертежа;

· аппликации не используются.

Трудоемкость разработки конкретного документа определяется по формуле:

, (8.3)

где: Ттабл. - норма времени на разработку соответствующего документа, приведенная в таблице;

К1 - коэффициент, учитывающий тип производства для разрабатываемого устройства;

К2 - коэффициент, учитывающий использование аппликаций;

К3 - поправочный коэффициент;

К4 - коэффициент, приводящий фактический формат документа в соответствии с предусмотренным в таблице.

В соответствии с таблицами, приведенными в [14] коэффициенты равны:

К1 = К2 = К3 = 1

В таблице 8.1приведены нормы времени и коэффициенты, используемые в расчетах.

Таблица 8.1

Наименование документа	Единица объема работы	Количество, лист	Норма времени, час	К4	Общая трудоёмкость, чел·час
Техническое задание	А4	9	3,0	1	27
Техническое предложение: - пояснительная записка - ведомость технического предложения	А4 А4	12 4	4,8 0,3	1 1	57,6 1,2
Эскизный проект: - пояснительная записка - ведомость эскизного предложения	А4 А4	12 4	4,1 0,5	1 1	49,2 2
Технический проект: - пояснительная записка - ведомость технического проекта	А4 А4	95 5	4,3 0,5	1 1	408,5 2,5
Рабочая конструкторская документация: - функциональная схема - структурная схема - схема электрическая соединений и подключений - Алгоритм функционирования АСУТП - схема интерфейса оператора	А1 А1 А1 А1 А1	2 1 1 2 2	70*0,8 53*0,8 70*0,5 70* 84*	1,6 1,6 3,2 1 1	179,2 67,84 112 140 168
- подготовка и оформление расчетов - проведение технических расчетов - ведомость спецификаций - ведомость покупных изделий	А4 А4 Строка Строка	10 10 100 110	11,7 13 0,12 0,3	1 1 1 1	117 130 12 33
Работы, сопутствующие разработке конструкторской документации: - нормоконтроль текстового документа - нормоконтроль чертежа - нормоконтроль чертежа	А4 А1 А0	95 7 1	0.2 0,16 0,16	1 6,4 12,3	19 10,24 1,97

* - по данным ОАО «ОНХП».

Суммарная трудоемкость проектирования АСУ равна:

.

8.1.1 Расчет численности разработчиков

Рассчитаем оптимальное число исполнителей для разработки АСУ сроком реализации 3,5 месяца:

Ч = Тобщ / Ф , (8.4)

где:Ч - число исполнителей;

Ф - действительный фонд времени одного специалиста за 3,5 месяца с учетом 5% потерь по организационно-техническим причинам, час.

Действительный фонд времени определится по формуле:

Ф = Фн • (1 - 0,05). (8.5)

где: Фн - фонд времени работы 1 специалиста за период выполнения проекта, час.

Для периода март - июнь 2007 года при пятидневной восьмичасовой рабочей неделе Фн = 75 • 8 = 600 часов.

Тогда по формуле (8.5), действительный фонд времени составит:

Ф = 600 • 0,95 = 570 часов.

По формуле (8.4) число исполнителей для выполнения всего проекта в указанный срок составит:

Ч = 1538,25 / 570 = 2,69 чел,

следовательно, необходимо задействовать 3 человека.

Для выполнения проекта необходимы следующие специалисты:

· 1 инженер-проектировщика 1 категории;

· 2 инженера - проектировщика 2 категории.

В таблице 8. 2 определено примерное распределение работ между исполнителями.

Таблица 8.2

Стадии проектирования или вид работы	Квалификация исполнителей	Трудоемкость, чел·час
Разработка технического задания	Инженер-проектировщик 1 категории	27
Разработка технического предложения	Инженер- проектировщик 1 категории	58,8
Разработка эскизного проекта	Инженер- проектировщик 2 категории	51,2
Составление пояснительной записки	Инженер- проектировщик 2 категории	408,5
Составление ведомости технического проекта	Инженер- проектировщик 2 категории	2,5
Разработка функциональной схемы	Инженер- проектировщик 1 категории	179,2
Разработка структурной схемы	Инженер- проектировщик 2 категории	67,84
Разработка схемы соединений и подключений	Инженер- проектировщик 2 категории	112
Разработка алгоритма функционирования АСУ	Инженер- проектировщик 2 категории	140
Разработка схемы интерфейса оператора	Инженер- проектировщик 2 категории	168
Подготовка и оформление расчетов	Инженер- проектировщик 2 категории	117
Проведение технических расчетов	Инженер- проектировщик 1 категории	130
Составление спецификаций	Инженер- проектировщик 2 категории	12
Составление ведомости покупных изделий	Инженер- проектировщик 1 категории	33
Нормоконтроль текстового документа	Инженер- проектировщик 1 категории	19
Нормоконтроль чертежа	Инженер- проектировщик 1 категории	12,21

8.1.2 Расчет заработной платы разработчиков.

По таблице 8.2 определяем трудоемкость для каждой категории специалистов.

Инженер - проектировщик 1 категории: 459,21 чел•час.

Инженер - проектировщик 2 категории: 1079,04 чел•час.

Зная трудоёмкость выполняемых работ и квалификацию исполнителей на каждом этапе разработки, определим заработную плату.

Тарифный фонд заработной платы специалистов одной категории:

Зтар = Тс • Сч , (8.6)

где: Тс - суммарная трудоемкость работы специалистов одной категории;

Сч - стоимость 1 часа работы специалиста.

Оклад инженера-проектировщика 1 категории по тарифной сетке ОАО «Омскнефтехимпроект» составляет на 01.01.2007 года 8000 руб./мес., а инженера- проектировщика 2 категории - 6200 руб./мес. Стоимость 1 часа работы при количестве рабочих дней в месяц - 21 и 8-часовом рабочем дне составит: