Разработка автоматической системы управления водогрейным котлом КВГМ-100

На щит в операторной комнате также выведены параметры воды, природного газа, мазута, дымовых газов, которые регистрируются на приборах А 542, оборудованных самописцами. Приборы аналоговые показывающие одноканальные и двухканальные А 542 предназначены для измерения силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в электрические сигналы.

1.2.4 Проблемы в системе управления и контроля за технологическими процессами

Существующий уровень автоматизации промышленной котельной рождает большое количество проблем в системе управления и контроля за технологическими процессами.

Токовые преобразователи, подключенные к датчикам давления и температуры, выдают унифицированные сигналы 0 - 5 мА. В случае отсутствия контакта в реле, тока в измерительной цепи нет, и на вход регулятора ничего не поступает. Регулятор воспринимает это, как отсутствие давления в котле и стремится как можно быстрее уменьшить ошибку, т.е. подается сигнал на максимальное открытие клапана подачи газа в котел. Это может привести к разрыву котла и крупной аварии, влекущей за собой человеческие жертвы. При нагревании такого большого сосуда необходимо строго соблюдать динамику роста температуры, для равномерного прогрева его стенок.

У рабочего персонала возникают трудности и при эксплуатации, и ремонте регистрирующей и показывающей аппаратуры. Многие приборы, установленные здесь, требуют серьезной конструктивной доработки. Совершенно не продумана система визуализации хода процесса. Оператор видит не истинные графики изменения рабочих параметров, а лишь их отображение самопишущими приборами (это очень неудобно). При возникновении необходимости у оператора просмотреть ход процесса одной из прошлых смен, ему понадобится потратить много времени, чтобы отмотать диаграммную бумагу назад. Требуется так же много времени, чтобы сопоставить диаграмму из самописца с эталонным графиком изменения параметра (в случае, если это необходимо). Постоянная нехватка специальной бумаги, перьев, капилляров, чернил - затрудняет эксплуатацию. Большие неудобства создает наличие различных типов самопишущих приборов, требующих строго определенных расходуемых материалов.

1.3 Постановка задачи на разработку системы автоматического управления

Проект, по которому строилась производственная котельная, был разработан в 70-х годах. А за последнее время уровень развития электроники и микроэлектроники многократно возрос. Существующий уровень автоматизации перестал удовлетворять возрастающим требования нашего времени. Низкая надежность и точность аппаратуры приводят к большим экономическим затратам и ухудшению условий труда. Полнее о проблемах, возникающих в системе управления и контроля за технологическим оборудованием, описано в пункте 1.3.1.

Основная цель разработки новой системы - повышение экономической эффективности производства.

Основные функции создаваемой системы заключаются в следующем:

Управление работой технологического объекта;

Предоставление возможности оперативного контроля;

Ведение информационной базы об объекте управления;

Мониторинг процесса.

Основываясь на практике внедрения автоматических систем управления на других предприятиях подобного профиля, предлагается установить на промышленную котельную одну из систем, предназначенную для решения задач автоматического управления технологическим процессом в реальном масштабе времени, имеющую распределенную структуру и взаимодействующую с объектом управления через микропроцессорный контроллер. Информация о контролируемых и регулируемых параметрах будет поступать на контроллер (смотри рисунок 7). Он будет её обрабатывать и выдавать управляющие воздействия, согласно заложенной в него программы. Далее информация об объекте управления передается на ведущую систему, которая управляет работой самого контроллера. Введение такой иерархии позволяет четко распределить функции между системами. Ведущая система будет установлена на ПЭВМ, прочно вошедшую во все сферы человеческой деятельности и доказавшую свое право на существование.

Основные функции контроллера будут заключаться в следующем:

Получение контролируемых параметров от объекта управления;

Передача данных параметров на ПЭВМ;

Управление ходом технологического процесса путем выработки управляющих сигналов и передачи их соответствующим устройствам, согласно заложенному алгоритму работы.

Замена контроллером, существующего сейчас оборудования, позволит точно соблюдать технологические условия производства продукта, что приведет к повышению его качества. Ведь точность механического задания алгоритма работы невозможно сравнить с программой, записанной в виде машинных кодов. Значительно уменьшится время, затрачиваемое рабочим персоналом, на обслуживание оборудования. Понизятся материальные затраты, связанные с поверкой и ремонтом приборов. Размер рабочих площадей, на которых установлено данное оборудование во много раз сократится, что позволит использовать их в других целях.

Ведущая операционная система реализует следующие функции:

Управление работой контроллеров, подключенных к ней;

Создание и ведение базы данных контролируемых параметров объекта управления;

Визуализация протекания процесса;

Обеспечение интерфейса "человек - машина";

Генерирование и хранение рапортов;

Подготовка и вывод на печать видеокадров и технологической информации.

Виртуальная схема разрабатываемой системы приведена на рисунке 8.

Описанные выше функции были реализованы и на старом оборудовании, с применением показывающих приборов и самописцев. Однако, такая реализация является не удовлетворительной. Малая надежность, конструктивное несовершенство, большое количество расходуемых материалов и неудобность доступа к ранее записанной информации поставили вопрос о замене их на более совершенную технику. Огромное количество самописцев и показывающих приборов будет заменено на одну локальную техническую станцию, содержащую в себе ПЭВМ, программное обеспечение и средства отображения информации. Оборудование одной такой станции обойдется в 4 - 5 раз дешевле, чем установка на объекте последних модификаций работающих сейчас приборов. Вся информация будет стекаться сюда, что значительно облегчит работу оператора и повысит качество оперативного контроля.

Большим плюсом будет то, что протекание процесса будет представлено в более удобном для человека виде. Так же, на данном этапе получится большая экономия материальных средств.

После внедрения системы в целом, облегчится оперативный контроль и управление, повысится безопасность условий труда. Нельзя забывать и о том, что переход на более современное оборудование, приведет к повышению моральной культуры производства и даст толчок рабочему персоналу к своему профессиональному совершенствованию.

1.3.1 Обзор существующих методов решения поставленной задачи

В результате сложившейся ситуации, когда существующий уровень автоматизации не удовлетворяет возрастающим требованиям по более высокой точности ведения технологического процесса, необходимо найти пути выхода из сложившегося положения. Существует несколько вариантов.

Первый вариант - самый простой, но не самый лучший. Можно произвести замену существующей контрольно-измерительной аппаратуры на более современные модификации, установленных здесь моделей, оставив, при этом, в неизменном виде идеологию системы. Вместо работающих сейчас регуляторов, установить современные регулирующие приборы типа "Протар-110".

1

Данные регуляторы позволяют адаптировать себя под специфику технологического процесса при помощи программирования. Вместо установленного токового преобразователя, можно применить новый, типа Ш-711, многоканальный, с процессорной обработкой сигнала, или установить интеллектуальные датчики. А в качестве регистрирующей аппаратуры поставить одноканальные приборы Диск-250. Однако таким усовершенствованием можно решить лишь часть проблем, возникших в данное время. Количество установленного оборудования не уменьшится, так же остро будет стоять проблема с расходуемыми материалами, запасными частями и ремонтом, а по материальным затратам данный вариант самый дорогой, даже по сравнению со вторым вариантом.

Второй вариант заключается в некотором изменении существующей структуры системы, предоставив контроль и управление за технологическим процессом микропроцессорному контроллеру. Такой контроллер позволит управлять сразу несколькими объектами и заменит собой некоторое число регуляторов и морально устаревшие программные задатчики. С установкой контроллера повысится надежность всей системы и точность управления технологическим процессом, уменьшится время, затрачиваемое на ремонт оборудования. Неизменными останутся устройства отображения и регистрации данных. При такой реализации можно получить выигрыш и в материальном плане. Однако и этот способ не самый лучший.

Третий вариант решит практически все проблемы, возникающие к системе контроля и управления за технологическим процессом. Установив на заводе микропроцессорные контроллеры и систему автоматизированного управления технологическим процессом, можно добиться положительного результата. Система автоматизированного управления будет взаимодействовать с объектом управления через контроллер и позволит убрать практически всё устаревшее оборудование, а также будет установлен ПЧ. В её состав также войдет локальная технологическая станция, куда будет стекаться вся информация. Положительно решатся задачи по мониторингу и архивированию хода процесса, упростится оперативный контроль. А в материальном отношении установка такой системы обойдется значительно дешевле, чем реализация двух первых способов, смотри таблицу 2.

Таблица 2. Стоимость оборудования в рублях.

Наименование оборудования	Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
	Кол-во	Цена	Кол-во	Цена	Кол-во	Цена
Термопреобразователь Ш-711	12	117600	-	-	-	-
Задатчик	24	23520	-	-	-	-
Регулятор "Протар 110"	12	274400	-	-	-	-
Прибор А542	12	148960	-	-	-	-
Прибор "Диск 250"	-	-	36	176400	-	-
ДУП - М	24	25088	24	25088	24	25088
Блок питания	4	26132	2	13066	2	13066
Контроллер "Ремиконт 112"	-	-	1	42666	1	42666
Частотный преобразователь "VEB"	-	-	-	-	1	84000
ПЭВМ	-	-	-	-	1	13070
Итого	615700	257220	177890

1.4 Разработка функциональной схемы и расчет математической модели

1.4.1 Описание функциональной схемы

Функциональная схема в разрабатываемом проекте (см. приложение 2) отображает принцип передачи сигналов с котлоагрегата на контроллер и передачи этой информации на ПЭВМ. Где оператор может контролировать и регулировать через ПЭВМ изменение параметров под заданный уровень.

На водогрейном котле КВГМ-100 установлены датчики давления и температуры, которые снимают параметры: расход газа, расход мазута, температуру обратной и прямой сетевой воды, давление первичного воздуха, давление разряжения в топке котла, расход воздуха дутьевого вентилятора №1,2 и содержание кислорода О₂.

После этого датчики передают токовый сигнал с измеренными параметрами на микропроцессорный контроллер "Ремиконт-112". Контроллер подключен к пульту управления и к ПЭВМ, на экран которой выводится информация в виде мнемосхем (подробней в пункте 1.7.1.). Оператор может управлять ходом технологического процесса изменяя контролируемые параметры с пульта управления или с ПЭВМ.

1.4.2 Описание математической модели

Рассматривая водогрейный котел в целом можно выделить три основных контура: температуры, давления и соотношения газ-воздух. Но основным все таки является контур по температуре (см. приложение 3).

Для анализа совместной работы инерционного контура регулирования температуры и малоинерционного контура регулирования соотношения рассмотрим математическую модель двухконтурной системы.

Система регулирования температуры в котле является двухконтурной подчиненной. Внешний контур осуществляет регулирование температуры по сигналу рассогласования расхода газа. Сигналу рассогласования поступает на вход регулятора подачи газа, с которого поступает на трехпозиционный регулятор, который определяет направление вращения электродвигателя. Электродвигатель с помощью РО управляет положением заслонки, вследствие чего меняется подача газа. С заслонки сигнал, определяющий расход топлива, поступает на объект регулирования.

Внутренний контур регулирования расхода воздуха настроен так, что осуществляет подачу воздуха в объект регулирования в строгом соответствии с подачей топлива, поэтому его можно представить как отдельный контур.

Внутренний контур осуществляет регулирование расхода воздуха по сигналу рассогласования расхода. Сигнал задания расхода получается в результате увеличения сигнала расхода топлива в раз. Сигнал задания расхода поступает на сравнивающий элемент. Сигнал рассогласования расхода воздуха поступает на регулятор расхода. С регулятора сигнал поступает на вентилятор с частотно - регулируемым приводом, в результате чего меняется частота вращения вала двигателя вентилятора, и следовательно, расход подаваемого в горелку воздуха.

Для нахождения неизвестных коэффициентов воспользуемся методом наименьших квадратов.

Априорно известно, что

, (1.1)

т.е. (1.2)

(1.3)

(1.4)

Возведя в квадрат и просуммировав по всем дискретным значениям получим:

(1.5)

- сумма квадратов отклонений температур по всем дискретным значениям. Программа на языке СИ, приведенная в (приложении 7), находит минимум функции F(К₂,Т) и в качестве результата выдает искомые коэффициенты.

К₂=0,017 Т=50 мин.

Программа моделирования переходного процесса в системе и нахождения оптимальных настроек регулятора позволяет наглядно продемонстрировать качество переходного процесса, как при оптимальных настройках, так и при настройках, отличных от оптимальных. В качестве начального условия для моделирования изменения температуры воды примем исходную температуру 0⁰С, в качестве задания - температура 200⁰С без ограничения по скорости нагрева. Оптимальными настройками для нашей системы являются:

Кп=54,7

Ки=1,8

Можно определить значения коэффициентов к₂ - к₅, то есть степень влияния сигналов автоподстройки на величины параметров настройки регулятора. Принимая во внимание то, что автоподстройка осуществляется по изменению величины одного и того же сигнала, а следовательно значения сигналов на входах Х₂ - Х₅ будут одинаковы рассчитаем:

1

((1.6) - (1.9))

1.4.3 Описание параметров настройки

К₂ - К₅ - масштабные коэффициенты, определяющие степень влияния сигналов автоподстройки соответственно на параметры: ?, Т_М, К_П, Т_И (Т_Д);

Н₃, Н₄ - соответственно порог срабатывания и гистерезис нуль-органа;

? - зона нечувствительности;

К_П - коэффициент пропорциональности;

Т_И,Т_Д - постоянные времени соответственно интегрирования и дифференцирования;

Т_М - коэффициент, обычно устанавливаемый равным времени перемещения исполнительного механизма, соответствующего 100%-му изменению регулируемого параметра;

Т_К - постоянная времени динамической балансировки алгоритма.

1.5 Разработка алгоритма работы котла КВГМ-100

1.5.1 Описание алгоритма работы

Технологический процесс работы котла КВГМ-100, состоит из нескольких этапов. Следовательно, и сама программа будет работать, тоже в несколько этапов.

Алгоритм работы контроллера Р-112 можно представить в виде:

Регулятора воздуха;

Регулятора разрежения в топке котла.

Регулятор воздуха. С помощью ключа на пульте управления дискретный сигнал подается на дискретный вход контроллера "Ремиконт - 112". Откуда подается на 6 вход алгоблока 2.8 (43 ПЕР) и инверсно на 7 вход этого же алгоблока. Согласно логике работы алгоблока 43 ПЕР, при наличии логической единицы на 6 входе включается 2 вход алгоблока, который в свою очередь подключается к аналоговому выходу (11) этого алгоблока. При наличии логической единицы на 7 входе, подключается 3 вход алгоблока к аналоговому выходу (11). Аналоговые входа 2 и 3 масштабируются с помощью коэффициентов К₂ и К₃. Поэтому имеется возможность масштабировать сигнал по давлению газа поступающий с датчиков давления в соответствии с количеством выбранных горелок (1 или больше).

Отмасштабированный сигнал давления газа представляет собой задания по давлению воздуха для регуляторов 2.7(11 РИС) и 2.8(02 РАН). Сигнал заводится на 2-е входа регуляторов с инвертированием.

В алгоблоке 2.7(11 РИС) инвертированный сигнал по давлению воздуха суммируется с реальным значением давления воздуха поступающего с датчика давления и формирует сигнал рассогласования в соответствии с которым формируется выходной сигнал алгоблока 2.7(11РИС). При отрицательном значении увеличивается сигнал выхода и наоборот при положительном значении уменьшается сигнал выхода, при этом добиваются, чтобы была равна нулю. Сформированный сигнал с выхода (11) подается на импульсный выход контроллера Р-112 для управления исполнительным механизмом МЭО. Аналогично параллельно работает регулятор 2.8(02РАН). С аналогового выхода (11) алгоблока 2.8(02 РАН) сформированный аналоговый сигнал подается на аналоговый выход контроллера для управления частотным преобразователем (ПЧ).

При автоматическом режиме выход аналогового регулятора 2.8(02 РАН) подключается к выходу (11) этого же алгоблока.

При отсутствии автоматического режима алгоблок 2.8(02РАН) переходит в режим слежения, т.е. на аналоговый выход подключается 6 вход алгоблока на который подается сигнал с ручного задатчика.

Регулятор разрежения в топке котла. Разрежение в топке котла снимается с двух датчиков (39а) и (39г). Поскольку сигнал нестабилен применяется некоторое преобразование в двух алгоблоках 1.4(23 СЛЖ) и 1.8(53 СИТ). Сигнал с датчиков разрежения (39а) и (39г) приходит на 2 и 3 входа алгоблока 1.4(23 СЛЖ) и на 1 и 3 входа алгоблока 1.8(53 СИТ). На 2 вход алгоблока 1.8(53 СИТ) приходит усредненный сигнал с выхода (11) алгоблока 1.4(23 СЛЖ). С выхода (11) алгоблока 1.8(53 СИТ) выбранный сигнал поступает на 2 входа импульсного регулятора 2.1(12 РИН) и регуляторов 3.1(02 РАН) и 3.2(02 РАН). Одновременно на эти же алгоблоки с выхода алгоблока 1.2(34 КОР) поступает на 3 входа инверсный сигнал с датчиков расхода (41в) и (41д), совместно выводится информация на показывающий прибор измерения расхода устанавливаемого по месту (FI 41г).

При работе на схеме с направляющими аппаратами в работу вступает импульсный регулятор 2.1(12 РИН). На 2 вход поступает сигнал разрежения и на 3 вход коллектирующий сигнал по расходу воздуха с алгоблока 1.2(34 КОР). Сигнал суммируется с заданием, после чего происходит разбаланс и формируется управляющий сигнал. Далее управляющий сигнал поступает на алгоблоки 2.2(45 ИЗО) и 2.3(45 ИЗО), кроме того эти алгоблоки необходимы для синхронизации направляющих аппаратов дымососов.

Предварительно отслеженный сигнал о положении исполнительного механизма (39ж) и (39м) поступает на 4 и 5 входа алгоблока 2.1(12 РИН), что соответствует входам нуль-органа, где происходит формирование дискретного сигнала. Сформированный дискретный сигнал с выхода 12.1 попадает на 2 и 3 входа алгоблоков (45 ИЗО) и с выхода 12.2 попадает на 3 и 2 входа этих же алгоблоков. В алгоблоках (45 ИЗО) формируется сигнал для управления исполнительными механизмами МЭО и если один направляющий аппарат опережает другой, то в этих алгоблоках включается логика "Запрета", что позволяет синхронизировать направляющие аппараты.

Кроме этого есть возможность работы на одном дымососе котла. Преключателями (Д1) или (Д2) выбирают дымосос, далее сигнал поступает на дискретный 8 вход алгоблоков (45 ИЗО). С алгоблока 2.1(12 РИН) сигнал будет уже поступать на 6 входа алгоблоков (45 ИЗО), что позволяет не включать логику "Запретов" и запускает в работу один дымосос.

Тоже самое с учетом работы аналоговых регуляторов происходит и при работе с ПЧ. При отсутствии автоматического режима или выборе преобразователя алгоблоки 3.1(02 РАН) и 3.2(02 РАН) находятся в режиме слежения, т.е. отслеживают сигнал задатчика на 6 входах. При наличии обоих сигналах на выход (11) этих алгоблоков подается сигнал сформированный регулятором.

При одинаковых настройках регулятора на выходе и формируется одинаковый сигнал и на входа 4 и 5 нуль-органа заводится частота преобразователя.

Блок-схема алгоритма, таблицы коэффициентов и конфигурации приведены в приложении 4.

1.5.2 Стандартные алгоритмы, примененные в алгоритме работы

При разработке алгоритма, управляющего работой котла, использовались стандартные алгоритмы из библиотеки алгоритмов контроллера Ремиконт. Их названия приведены в таблице 3.

Таблица 3. Алгоритмы из библиотеки контроллера Ремиконт.

Номер алгоблока	Код алгоритма	Полное название алгоритма
2.8	43 ПЕР	Переключение
1.2	34 КОР	Корень квадратный
1.4	23 СЛЖ	Слежение
1.8	53 СИТ	Среднее из трех
2.1	12 РИН	ПИД импульсный с нуль-органом
3.1	02 РАН	ПИД аналоговый с нуль-органом
3.2	02 РАН	ПИД аналоговый с нуль-органом
2.7	11 РИС	ПИД стандартный
2.8	02 РАН	ПИД аналоговый с нуль-органом
2.2	45 ИЗО	Избирательное отключение
2.3	45 ИЗО	Избирательное отключение
3.3	45 ИЗО	Избирательное отключение
3.4	45 ИЗО	Избирательное отключение

РАН (02) - ПИД аналоговый с нуль-органом.

Алгоритм формирует сигнал рассогласования и осуществляет пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) преобразование этого сигнала.

Сигнал рассогласования формируется как разность между суммой трех входных сигналов и сигналом задания. Суммирование входного сигнала осуществляется с помощью двух сумматоров.

Сигнал рассогласования равен:

(1.10)

Сигнал задания х_здн находится в диапазоне 102,3 %, поэтому суммарный сигнал двух сумматоров также не должен выходить за этот диапазон.

ПИД-преобразование выполняется в соответствии с передаточной функцией:

(1.11)

На входе ПИД-звена вводится зона нечувствительности и сигнал рассогласования инвертируется. При сигнал на входе ПИД-звена равен нулю; при на вход ПИД-звена поступает сигнал, равный .

На выходе ПИД-звена установлен стандартный ограничитель. При достижении порога ограничения интегрирование в ПИД-звене прекращается и выходной сигнал интегратора "замораживается".

Параметры настройки.

k₂ - k₅ - масштабные коэффициенты соответственно по входам 2 - 5 алгоритма. Сигнал на входе 1 не масштабируется;

H₁, H₂ - уровни ограничения выходного сигнала. Соответственно по минимуму и максимуму;

Н₃,Н₄ - соответственно порог срабатывания нуль-органа и гистерезис;

Д - зона нечувствительности;

Т_и,Т_д - постоянные времени соответственно интегрирования и дифференцирования;

Т_м - коэффициент, обычно устанавливаемый равным времени перемещения исполнительного механизма, соответствующего 100%-му изменению регулируемого параметра;

Т_к - постоянная времени динамической балансировки алгоритма.

РИС (11) - ПИД импульсный стандартный.

Алгоритм формирует сигнал рассогласования и совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости приближенно выполняет ПИД-преобразование этого сигнала.

Сигнал рассогласования формируется как разность между суммой пяти входных сигналов Х₁ - Х₅ и сигналом задания.

Суммирование входных сигналов осуществляется с помощью двух сумматоров. Первый сумматор стандартный, но без фильтра. Выходной сигнал второго

(1.12)

Свойства второго сумматора аналогичны свойствам первого за исключением того, что суммируются лишь два входных сигнала. Сигнал рассогласования равен:

(1.13)

Сигнал задания x_здн находится в диапазоне ±102.3%, поэтому суммарный сигнал двух сумматоров также не должен выходить за этот диапазон.

Алгоритм содержит ПДД²-звено, имеющее передаточную функцию:

(1.14)

Что совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости дает передаточную функцию вида:

 (1.15)

Т_м и Т_м,0 - соответственно, установленный оператором коэффициент, определяющий полное время перемещения исполнительного механизма, и действительное время, с которым работает исполнительный механизм. Полное время перемещения исполнительного механизма - время его включения, которое приводит к 100%-му изменению регулирующего параметра. Обычно Т_м=Т_м,0. При этом, устанавливаемый оператором коэффициент k_п характеризует действительный коэффициент пропорциональности регулятора. В противном случае значение коэффициента пропорциональности равно k_пТ_м/Т_м,0.

На входе ПДД²-звена сигнал инвертируется и вводится зона нечувствительности. Имеется возможность установить четыре дискретных значения минимальной длительности импульса t_{и мин}, которая зависит от произведения двух параметров Д и Т_м и определяется из таблицы 4.

Таблица 4.

д = Д х Тм, % х с	Tи мин, с
0 <д ?25.6	0.12
25.6 < д ? 51.2	0.24
51.2 < д ? 76.8	0.36
д > 76.8	0.48

Если выбирается Т_м=Т_м,0 , то при любых значениях д ? 12 "автоматически" устанавливается максимально допускаемая длительность минимального импульса, при которой отсутствуют автоколебания в замкнутой системе в режиме одного включения. Если д < 12, автоколебания возможны в режиме одного включения.

Алгоритм РИС имеет нуль-орган, может работать в режиме дистанционного управления и переходить в отключенное состояние. В данном алгоритме отсутствует звено балансировки узла дистанционного управления. В связи с этим при переходе на дистанционный режим выходной сигнал алгоритма скачком принимает значение сигнала на входе 6. В данном алгоритме предусмотрена возможность динамической и статической балансировки алгоритма. Балансировка производится при отключении алгоритма, что имеет место в одном из режимов ДИСТ, РУЧН, СЛЕЖ. В отключенном состоянии звенья Д и Д² обнуляются, поэтому после включения алгоритма при постоянном сигнале рассогласования и в комплекте с исполнительным механизмом постоянной скорости, алгоритм ведет себя как интегрирующее звено.

Параметры настройки.

k₂ - k₅ - масштабные коэффициенты соответственно по входам 2 - 5 алгоритма. Сигнал на входе 1 не масштабируется;

Н₃,Н₄ - соответственно порог срабатывания нуль-органа и гистерезис;

Д - зона нечувствительности;

K_п - коэффициент пропорциональности;

Т_и,Т_д - постоянные времени соответственно интегрирования и дифференцирования;

Т_м - коэффициент, обычно устанавливаемый равным времени перемещения исполнительного механизма, соответствующего 100%-му изменению регулируемого параметра;

Т_к - постоянная времени динамической балансировки алгоритма.

РИН (12) - ПИД импульсный с нуль-органом.

С учетом особенностей, присущих алгоритмам импульсного регулирования, алгоритм РИН соответствует алгоритму РАН.

СЛЖ (23) - слежение.

Алгоритм отслеживает сигнал , образованный разностью между суммой трех входных сигналов и сигнала задания. Входные сигналы суммируются с помощью стандартного сумматора.

Функция слежения заключается в следующем. В установившемся режиме сигнал у на входе звена слежения равен сигналу . Если сигнал изменится, причем скорость этого изменения будет больше скорости слежения, равной 100/TI [%/мин], сигнал у начнет изменяться с постоянной скоростью 100/T1 [%/мин], стремясь сравняться с сигналом . Если скорость изменения сигнала меньше скорости слежения, сигнал у в каждом цикле успевает сравняться с сигналом и поэтому сохраняется равенство у =.

На выходе звена слежения установлен стандартный ограничитель.

Параметры настройки.

k₂ - k₃ - масштабные коэффициенты соответственно по входам 2 - 3 алгоритма. Сигнал на входе 1 не масштабируется;

k₅ - коэффициент, определяющий степень автоподстройки параметра TI;

H₁, H₂ - уровни ограничения выходного сигнала. Соответственно по минимуму и максимуму;

Н₃,Н₅ - соответственно пороги срабатывания двух пороговых элементов;

H₄ - гистерезис, одинаковый для обоих пороговых элементов;

TI - постоянная времени фильтра;

Т₄, Т₅ - постоянные времени звеньев динамической балансировки соответственно алгоритма и узла дистанционного управления.

КОР (34) - корень квадратный.

Алгоритм выполняет операцию извлечения корня из двух сигналов, сформированных каналами a и b. Извлечение корня из положительных сигналов выполняется по формуле:

(1.16)

где у - выходной сигнал алгоритма; х_a, х_b - сигналы соответственно по каналам a и b; все сигналы выражаются в процентах.

Извлечение корня из отрицательного числа выполняется по формуле:

(1.17)

Таким образом, при стопроцентном сигнале по одному из каналов и при нулевом сигнале по другому каналу выходной сигнал алгоритма также равен 100 %

Параметры настройки.

k₂ - k₅ - масштабные коэффициенты соответственно по входам 2 - 5 алгоритма. Сигнал на входе 1 не масштабируется;

H₁, H₂ - уровни ограничения выходного сигнала. Соответственно по минимуму и максимуму;

Н₃,Н₅ - соответственно пороги срабатывания двух пороговых элементов;

H₄ - гистерезис, одинаковый для обоих пороговых элементов;

T₂, T₃ - постоянная времени фильтра соответственно по каналам a и b;

Т₄, Т₅ - постоянные времени звеньев динамической балансировки соответственно алгоритма и узла дистанционного управления.

ПЕР (43) - переключение.

Алгоритм выполняет функцию коммутатора аналоговых сигналов. Алгоритм подключает к аналоговому выходу один из пяти сигналов: один внутренний (сигнал задания) и четыре внешних, поданных на входы 1 - 4. Дискретные команды на переключение подаются на входы 5 - 8 алгоритма. Команда, поданная на вход с меньшим номером, имеет приоритет над командами, поданными на вход с большим номером. Сигнал на дискретном выходе в двоичном коде фиксирует текущее положение переключателя.

Алгоритм считается выключенным, если на его дискретные входы не подано ни одной команды. В этом случае к аналоговому выходу алгоритма подключен внутренний задатчик. Если на любой из входов 5 - 8 подан дискретный сигнал, к аналоговому выходу подключается один из входов 1 - 4, при этом считается, что алгоритм работает в режиме дистанционного управления и ведущий алгоблок переходит в режим СЛЕЖ. В алгоритме предусмотрена балансировка любого из входов 1 - 4. Параметры балансировки устанавливаются при помощи коэффициента Т₅. При Т₅ = 0 балансировка отсутствует. При 0 < Т₅ < ? вводится динамическая балансировка, благодаря которой при переходе в режим ДИСТ (при переключении с задатчика на любой из каналов 1 - 4) выходной сигнал меняется плавно с постоянной настраиваемой скоростью V=100/Т₅ [%/мин]. Также плавно и с тойже скоростью происходит переход с одного из входов на любой другой. При Т₅ = ? исходная разница в сигналах "замораживается" и присутствует как постоянна добавка к текущему сигналу. Алгоритм переходит в отключенное состояние, если он работает в одном из режимов ДИСТ, РУЧН, СЛЕЖ. В отключенном состоянии вводится балансировка канала задатчика, которая заключается в том, что к сигналу задатчика добавляется сигнал компенсации, устанавливающий точное равенство аналоговых сигналов по цепи задатчика и на выходе алгоблока. В алгоритме предусмотрено два вида указанной балансировки - динамическая и статическая. При динамической балансировке, после включения алгоритма (при отсутствии команд на входах алгоритма 5 - 8 и режимов РУЧН, СЛЕЖ) сигнал компенсации уменьшается до нуля с постоянной настраиваемой скоростью V=100/Т₄ [%/мин]. Статическая балансировка осуществляется с помощью соответствующего автоматического изменения сигнала задатчика. После включения алгоритма последнее значение сигнала задания запоминается. При статической балансировке звено динамической балансировки обнуляется (Х₉=0). Выбор вида балансировки канала задания осуществляется при помощи коэффициента Т₄. При Т₄=0 балансировка отсутствует, при 0 < Т₄ < ? вводится динамическая, а при Т₄ = ? - статическая балансировка.

Контроль сигналов в различных точках алгоритма ведется с помощью стандартной процедуры. В контрольных точках 1 - 8 контролируются входные сигналы алгоритма, в точках 9, 10 - сигналы динамической балансировки соответственно по каналу задания и по входам 1 - 4.

Параметры настройки.

k₂ - k₄ - масштабные коэффициенты соответственно по входам 2 - 4 алгоритма. Сигнал на входе 1 не масштабируется;

Т₄ ,Т₅ - постоянные времени звеньев динамической балансировки соответственно по каналам задания и по входам 1 - 4 алгоритма.

ИЗО (45) - избирательное отключение.

При отсутствии запретов алгоритм формирует выходной сигнал, равный размерности между сигналом на входе I и сигналом задания.

Входной сигнал фильтруется. По разностному сигналу вводится зона не чувствительности.

В алгоритме предусмотрены два типа запретов.

Запрет на знак выходного сигнала запрещает изменение сигнала в область положительных и отрицательных значений. Команды запрета подаются в этом случае на входы соответственно 2 и 3. Если команды запрета поданы одновременно на входы 2 и 3, выходной сигнал алгоритмов становится равным нулю.

Запрет на изменение выходного сигнала запрещает изменение сигнала выше или ниже (по абсолютной величине) того значения у₀, которое имел выходной сигнал в момент действия запрета. Команда запрета на увеличение сигнала подается на вход 4, на уменьшение - на вход 5. Если команды запрета поданы одновременно на входы 4 и 5, выходной сигнал алгоритма "замораживается" при любом изменении входного сигнала.

Параметры настройки.

Н₅ - зона нечувствительности;

T₃ - постоянная времени фильтра;

Т₄, Т₅ - постоянные времени звеньев динамической балансировки соответственно алгоритма и узла дистанционного управления.

СИТ (53) - среднее из трех.

Алгоритм выделяет средний по уровню сигнал из трех входных аналоговых сигналов.

Выходной сигнал фильтруется, суммируется с заданием и ограничивается стандартным ограничителем.

Параметры настройки.

H₁, H₂ - уровни ограничения выходного сигнала. Соответственно по минимуму и максимуму;

Н₃,Н₅ - соответственно пороги срабатывания двух пороговых элементов;

H₄ - гистерезис, одинаковый для обоих пороговых элементов;

TI - постоянная времени фильтра;

Т₄, Т₅ - постоянные времени звеньев динамической балансировки соответственно алгоритма и узла дистанционного управления.

1.6 Выбор и обоснование технического обеспечения

1.6.1 Контроллер регулирующий микропроцессорный Ремиконт

Назначение и основные свойства. Регулирующие микропроцессорные коннтроллеры Ремиконты - это устройства управления, выполненные на микропроцессорной элементной базе и специализированные для решения задач автоматического регулирования.

Ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 являются дальнейшим развитием регулирующего микропроцессорного контроллера Ремиконта Р-100. Ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 являются многоцелевыми контроллерами общепромышленного назначения. Они предназначены для автоматического регулирования технологических процессов в энергетической, металлургической, химической и других отраслях промышленности.

Ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 позволяют вести локальное, каскадное, супервизорное, программное, многосвязное, экстремальное регулирование, а также управление с переменной структурой. Они формируют ПИД - закон регулирования, выполняют разнообразные статические и динамические преобразования аналоговых сигналов, а также обрабатывают и формируют дискретные сигналы, выполняя основные операции управляющей логики.

Ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 могут работать как на нижнем уровне распределенной АСУТП, связываясь со средствами верхнего уровня через канал цифровой последовательной связи, так и в качестве автономного изделия.

В комплекте с Ремиконтами могут использоваться обычные датчики и исполнительные механизмы, которые подключаются к контроллерам с помощью индивидуальных кабельных связей. Сигналы, поступающие в Ремиконты, обрабатываются в цифровой форме.

Ремиконты - это программируемые устройства, но для работы с ними не нужны программисты. Программировать и работать с Ремиконтами может эксплуатационный персонал, связанный с обслуживанием аналоговой аппаратуры и не знакомый с вычислительной техникой и методами математического программирования.

Ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 поставляются с завода - изготовителя полностью готовыми к работе и программируются (настраиваются) на решение задач непосредственно на объекте с помощью клавишной панели. В процессе настройки наладчик назначает алгоритмы управления, конфигурацию управляющего контура, параметры статической и динамической настройки, а также устанавливает сигналы задания и режимы управления.

Запрограммированные параметры сохраняются при отключении питания.

Ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 имеют идентичные функциональные возможности, но различное число каналов ввода-вывода информации: Ремиконты Р-110, Р-112 рассчитаны на большое число входных-выходных сигналов, Ремиконты серии 120 - на среднее число сигналов.

Ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 имеют следующие отличия:

модель Р-110 - одиночный Ремиконт на большое (до 40 - 200) число входных-выходных сигналов, конструктивно выполнен в одном каркасе;

модель Р-112 - дублированный Ремиконт на большое (до 40 - 200) число входных-выходных сигналов; конструктивно выполнен в двух каркасах;

модель Р-120 - два одиночных Ремиконта на среднее (до 15 - 90) число входных-выходных сигналов, конструктивно выполнен в одном каркасе;

модель Р-122 - дублированный Ремиконт на среднее (до 15 - 90) число входных-выходных сигналов, конструктивно выполнен в одном каркасе;

Области применения. Ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 могут выполнять все алгоритмические задачи, которые решаются с помощью традиционных аналоговых приборов автоматического регулирования. Кроме того, они формируют программно-изменяющиеся во времени сигналы, содержат специальные средства для организации каскадного и супервизорного управления, а также выполняют операции управляющей логики.

Ремиконты хорошо подходят для автоматизации нестационарных процессов, когда приходится решать достаточно сложные задачи управления с безударным включением и отключением отдельных контуров, автоматическим переключением управляющей структуры, автоматическим изменением параметров настройки и использованием тому подобных операций, связанных с адаптацией системы регулирования к изменяющейся динамике технологического процесса.

Эти контроллеры особенно эффективны в тех случаях, когда заранее не ясно, какую схему регулирования предпочесть и имеется вероятность того, что после начального периода система будет изменяться и дополняться. Ремиконты позволяют легко справиться с такой ситуацией и непосредственно на объекте быстро и без каких-либо затрат скорректировать структуру управляющих контуров.

Ремиконты могут также успешно использоваться, если система регулирования функционально проста, но многоканальна, например в системах многоканального ПИД - регулирования при числе каналов больше 4 - 6 (для Р-120, Р-122) или 10 - 12 (для Р-110, Р-112).

Данные контроллеры целесообразно применять в распределенных АСУТП, когда необходимо организовать взаимодействие средств нижнего и верхнего уровня управления. Интерфейсные каналы, встроенные в эти модели Ремиконтов, позволяют реализовать такое взаимодействие по четырехпроводному кабелю (две витых пары).

Наличие одиночных и дублированных моделей, а также моделей на большое и среднее число каналов ввода-вывода информации, позволяет на основе Ремиконтов Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 строить системы с различными требованиями к надежности и живучести, получая в каждом конкретном случае максимальный технико-экономический эффект.

Ремиконт Р-110 используется в системах большого масштаба, предъявляющих умеренные требования к надежности и живучести.

Ремиконт Р-112 используется в системах большого масштаба, предъявляющих умеренные требования к живучести, но повышенные требования к надежности.

Ремиконт Р-120 используется в системах среднего масштаба, предъявляющих умеренные требования к надежности, а также в системах большого масштаба, предъявляющих умеренные требования к надежности, но повышенные требования к живучести.

Ремиконт Р-122 используется в системах среднего масштаба, предъявляющих повышенные требования к надежности, а также в системах большого масштаба, предъявляющих повышенные требования как к надежности, так и к живучести.

Ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 рассчитаны на следующие условия эксплуатации:

Напряжение питания, В ...........................220 или 240

Частота питающей сети, Гц .........................50 или 60

Потребляемая мощность, не более, ВА:

Р-110 ................................................180

Р-112 ................................................360

Р-120 ................................................120

Р-122 ................................................240

Относительная влажность воздуха, % .....................< 80

Окружающая температура, °С ............................0 - 40

Помещение ........................Закрытое, взрывобезопасное

Технические характеристики. Входы - выходы.

Число входов:

Аналоговых - до 64 (8 групп по 8 входов);

Дискретных - до 63 (8 групп по 8 входов, каждый вход имеет

три шины - общую, "цепь 1" и "цепь 2", всего - до 126 входов).

Число выходов:

Аналоговых - до 64 (8 групп по 8 выходов);

Импульсных - до 64 (8 групп по 8 выходов, каждый выход имеет

три шины - общую, шину "меньше" и шину больше");

Дискретных - до 63 (8 групп по 8 выходов, каждый выход имеет

три шины - общую, "цепь 1" и "цепь 2", всего - до 126 входов).

Входные и выходные аналоговые сигналы постоянного тока 0..5 мА,

0..20 мА, 4..20 мА, 0..10 В;

Входные дискретные сигналы постоянного напряжения:

логический нуль 0 ± 2.4 В;

логическая единица ± (19.2..28.8) В.

Выходные импульсные и дискретные сигналы в виде состояния

контактов:

логический нуль разомкнутое;

логическая единица замкнутое;

коммутирующая способность

по напряжению до 48 В,

по току до 0.2 А.

Обработка сигналов.

Число алгоблоков - до 64 (8 зон по 8 алгоблоков)

Число алгоритмов управления - 45

Время цикла - 0.27; 0.51; 1.02; 2.04 с

Дискретность установки сигнала задания - 0.1%

Статическая точность стабилизации параметра

(без учета погрешности датчика) ±0.15%

Разрядность АЦП 11 плюс знак

Разрядность ЦАП 10 плюс знак

Время, в течение которого при отключении питания сохраняется

запрограммированная информация, ч, не менее 360.

Состав Ремиконтов. Ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122 состоят из следующих элементов (рис. 9.):

микропроцессорного вычислителя;

устройств связи с объектом;

устройств связи с оператором;

шины внутриблочной интерфейсной связи;

модуля интерфейсной связи;

устройств питания и переключения.

В состав микропроцессорного вычислителя входят следующие модули:

процессор ПРЦ5;

постоянное запоминающее устройство ПЗУ2;

оперативное запоминающее устройство ОЗУ4.

1

1

Модуль ПРЦ5 обрабатывает информацию в соответствии с заданной программой. Процессор построен на базе микропроцессора серии К580.

В модуле ПЗУ2 "зашито" программное обеспечение контроллера, включающее программу, организующую процесс вычислений, программу всех алгоритмов управления, программу обслуживания панели оператора и внешних устройств, программу тестирования и самодиагностики.

В модуле ОЗУ4 хранятся параметры, которые может изменить оператор: информация о выбранных алгоритмах управления, об установленной конфигурации, коэффициентах, режимах, задании, времени цикла. В ОЗУ4 хранится также накапливающаяся информация, формирующаяся в процессе выполнения динамических алгоритмов. В моделях Р-110, Р-120 ОЗУ4 дублировано. Для сохранения запрограммированной и накапливающейся информации при отключении питания используется батарея сухих элементов.

1.6.2 Краткие характеристики других типов контроллеров

Основные характеристики Advant Controller 110 (ABB) приведены в таблице 5.

Таблица 5. Основные характеристики Advant Controller 110.

Процессор	Процессор Motorolla 68000
ОЗУ	256 kB для прикладных программ, 340 kB для данных.
Время цикла	0.2 мс - 20 с
Время	Часы реального времени, календарь.
Количество каналов ввода/вывода	1500
Протокол стевой передачи данных	RS 232
Язык программирования	AMPL
Самодиагностика	Питающее напряжение, ППЗУ, ОЗУ, внутренняя шина, передача данных, ошибка ввода/вывода.

Основные характеристики контроллера SLC 500 (Allen-Brodley) приведены в таблице 6.

Таблица 6. Основные характеристики контроллера SLC 500.

Процессор	SLC 5/03	SLC 5/04
ОЗУ	16 кВ	16 кВ, 32 кВ, 64 кВ
Количество входов/выходов	960 дискретных 96 аналоговых	960 дискретных 96 аналоговых
ППЗУ	EEPROM	EEPROM
Время цикла	1 мс	0.9 мс
Дискретные входы	Постоянное напряжение 24 В Переменное напряжение 120/240 В
Дискретные выходы	Реле, симистор, транзистор
Аналоговые входы/выходы	Постоянное напряжения ± В Сила тока ± 20 мА
Язык программирования	Блочное программирование APS - пакет

Сравнительные характеристики контроллеров фирмы "Honewell" приведены в таблице 7.

Таблица 7. Сравнительные характеристики контроллеров фирмы "Honewell"

Модель	S9000e	S9100e
Количество контуров регулирования	32	32
Память процессора	2кВ	8кВ
ОЗУ	256 кВ	2048кВ
Таймеры/счетчики	128	1024
Количество входов/ выходов	256	640
Язык программирования	ВРО - блочное программирование

Сравнительные характеристики контроллеров Simatic (продукция фирмы Siemens) приведены в таблице 8.

Таблица 8. Сравнительные характеристики контроллеров Simatic.

Модель	S5-90U	S5-95U
Время цикла	2мс	2мс
ОЗУ	4 кВ	16 кВ
Цифровые входы	192	448
Аналоговые входа	16	32
Язык программирования	STEP 5

1.6.3 Выбор контроллера

Согласно описанных выше характеристик, Ремиконт идеально подходит для данного типа производства. Сейчас существует много контроллеров, превосходящих Ремиконт по всем критериям (это видно из приведенного выше краткого обзора), а в особенности - по быстродействию, однако для данного процесса даже у Р-112 с временем цикла 2 секунды есть запас. А стоимость его минимум в два раза ниже, чем у современных типов. Необходимо заметить, что любой из описанных выше контроллеров, пригоден для установки на данном объекте.

Модель Р-112 зарекомендовала себя положительно в работе на других объектах. В описании завода изготовителя говорится о резервировании (в модели Р-112) как базового комплекта, так и проектно-компонуемого, что повышает надежность в работе. Однако автоматическое переключение на резервный модуль в рабочем состоянии производится только в базовом комплекте, а данные модули ломаются редко. Модули из проектно-компонуемого комплекта выходят из строя гораздо чаще, а ввод в работу резервного модуля можно осуществить только выведя контроллер из рабочего состояния, отключив его. Принимая во внимание удобную архитектуру контроллера, можно предположить, что так же просто будет сменить неисправный модуль на рабочий в Р-112, вытащив старый и вставив новый.

1.6.4 Частотный преобразователь VEB DDU - 380/390

Преобразователи частоты предназначены для непрерывного регулирования скорости вращения электродвигателей трехфазного тока. В основном они состоят из сетевого преобразователя (выпрямителя), промежуточного контура постоянного тока, преобразователя для питания электродвигателей (инвертора) и коммутирующих устройств, а также из устройств управления, регулирования и защиты.

Преобразователи частоты предусмотрены для работы в четырех квадрантах. За счет реверсирования напряжения промежуточного контура постоянного тока при сохранении направления тока в случае торможения возможна рекуперация электроэнергии. Предварительная установка заданных значений частоты или соответственно скорости вращения по выбору может осуществляться посредством системы цифрового задания (СЦЗ) или в виде постоянной уставки.

Преобразователи частоты типа DDU380/390 складываются из трех шкафов, а именно из:

информационного шкафа SI

тиристорного шкафа ST

шкафа IC-цепей

На передней раме шкафа SI располагаются кассеты систем управления (GR 6110) и регулирования (GB 5600) преобразователя частоты и их источники питания, а на панели управления - защитные автоматы вспомогательных устройств и потенциометры-задатчики. В нижней части шкафа располагается главный ввод преобразователя частоты с силовым автоматом, трансформатор тока, коммутирующим реактором сетевого преобразователя и помехоподавляющими цепями.

На поясе измерительных приборов располагаются амперметр, частотомер и красная лампочка для аварийной сигнализации.

На передней двери размещены органы управления для включения и отключения преобразователя частоты, а также для подтверждения сигналов неисправности.

В шкафу ST находятся сетевой преобразователь, состоящий из шести тиристорных блоков, и преобразователь для питания электродвигателей, состоящий из шести тиристорных и шести диодных блоков. На входе и выходе преобразователя частоты, а также в промежуточной цепи постоянного тока предусмотрены металлооксидные варисторы (МОВ) для ограничения напряжений. Кроме того, в шкафу ST имеется кассета для контроля за работой преобразователя.

Шкаф SZ укомплектован двумя сглаживающими дросселями для промежуточного контура постоянного тока и коммутирующим устройством преобразователя для питания электродвигателей, состоящим из 6 дросселей и 24 конденсаторов. Коммутирующая емкость может быть согласована с электродвигателем посредством перемычек и болтовых клемм.

Для отвода тепла потерь у каждого из трех шкафов предусмотрен крышечный вентилятор.

Силовой контур ПЧ в основном состоит из ввода питания. Сетевого преобразователя, дросселя промежуточного контура и преобразователя для питания электродвигателей.

Преобразователь частоты питается через располагающийся в шкафу SI силовой автомат и коммутирующий дроссель сетевого преобразователя. В качестве сетевого преобразователя (выпрямителя) применяется неавтономный (ведомый сетью) преобразователь по симметричной шестифазной мостовой схеме.

Дроссель промежуточного контура служит для сглаживания тока и для гальванической развязки сетевого преобразователя и преобразователя для питания электродвигателей.

Автономный инвертор (преобразователь для питания электродвигателей) формирует из зависимого от нагрузки выпрямленного тока промежуточного контура (за счет соответствующего тактирования) трехфазную систему с прямоугольными фазными токами. На напряжение электродвигателя, которое в зависимости от нагрузки формируется синусоидально, наложены пики напряжений, возникающие в следствие переключения тока на индуктивностях рассеяния.