Индуктивный сигнализатор конечных положений тип 4746-2

Сигнализаторы конечных положений выдают сигнал при повышении или занижении предельной установленной величины. Этим сигналом могут управляться как световая и звуковая сигнализация, так и управляющие клапаны или другие переключающие агрегаты. Кроме того, они пригодны для присоединения к центральным управляющим системам или сигнализации. Контакты проходимы и по выбору устанавливаются как замыкающие или размыкающие контакты. При замыкающем контакте управляющий флажок выдвинут, контакт закрыт, при открывающем - флажок утоплен.

Технические характеристики:

· контактные контура тока в искробезопасном исполнении ЕЕхiaIICT6;

· бесконтактное считывание предельных величин через флажки и инициаторы (по DIN 19 234).

Пневматический отсечной клапан "открыт-закрыт" тип 3351

Для блокирования используем пневматический отсечной клапан тип 3351, который состоит из клапана действия "открыт - закрыт", пневматического сервопривода тип 3271, В комплект отсечного клапана входит датчик сигнала предельных величин тип 4746-2 и магнитный клапан тип 3701-4.

Технические характеристики:

· условный диаметр Д_у = 50 мм,

· условное давление Р_у 10…40 МПа,

· температура от -10 до 220⁰С.

Корпус клапана может быть изготовлен из серого чугуна, стального литья, коррозионностойкого стального литья. Верхняя часть клапана и кожух мембраны в неразъемном исполнении.

В зависимости от формы седла клапана и компоновки конуса клапан имеет две позиции безопасности, которые срабатывают при сбросе давления на мембрану и при отключении оперативного тока.

Клапан "Пружина закрывает" - при отключении подачи воздуха клапан закрывается. Клапан "Пружина открывает" - при отключении подачи воздуха клапан закрывается. Направление потока через клапан зависит от среды и избранного положения безопасности.

Спецификация на средства автоматизации приводится в Приложении 3.

Обоснование выбора микропроцессорных систем.

При выборе микропроцессорного комплекса необходимо учитывать следующие требования:

? высокая надежность системы;

? высокая скорость обработки и передачи информации, необходимая для осуществления своевременного управления;

? гибкость при разработке системы управления;

? качественное управление процессом;

? распределённость;

? небольшие габариты системы;

? возможность работы с различными типами датчиков, исполнительных механизмов;

? удобство монтажа оборудования системы и настройки технических средств;

? удобный человеко-машинный интерфейс;

? возможность модернизации системы управления без прекращения работы оборудования;

? непрерывный самоконтроль в процессе работы и подробная самодиагностика при обнаружении неисправностей;

? соответствие требованиям норм взрывопожарной безопасности;

? согласованность с другими системами управления.

Кроме того, АСУТП на базе средств вычислительной техники должна соответствовать требованиям Госгортехнадзора ПБ 09-170-97 "Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств", техническому заданию и обеспечивать:

? постоянный контроль за параметрами процесса и управление режимом для поддержания их регламентированных значений;

? регистрацию срабатываний и контроль за работоспособным состоянием ПАЗ;

? постоянный контроль за состоянием воздушной среды в пределах объекта;

? постоянный анализ изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможных аварий;

? действия средств управления ПАЗ, прекращающих развитие опасной ситуации;

? проведение операций безаварийного пуска/останова и всех необходимых для этого переключений;

Сравнение микропроцессорных комплексов приводится в Приложении 3

Системы управления фирм Yokogawa и Emerson имеют сходные технические характеристики по надежности, потребительским характеристикам, реализуемым функциям соответствуют поставленным задачам управления.

В 1975 году выпущена система CENTUM - первая в мире распределенная система управления производством.. В последнее время в России появляется тенденция внедрения на опасных производствах именно системы Centum (только в Нижнекамске недавно внедрены на производстве Этилена, Полиолефинов и Танеко). Centum CS3000 является собственной разработкой фирмы Yokogawa.

Centum CS3000 позволяют резервировать все компоненты системы - контроллеры, блоки питания, сеть управления, платы ввода-вывода. Резервирование основных компонент обеспечивает более высокую надежность. Некоторые отличия систем не представляются решающими для автоматизации сравнительно несложного объекта средней информационной мощности. В этих условиях решающую роль играют потребительские характеристики.

Система управления Centum CS3000 гарантировано прослужит срок 10 лет, также с точки зрения обслуживающего персонала она предоставляет все заложенные функции более доступно. Среди всех фирм, документация по системе управления Centum CS3000 наиболее полно и хорошо переведена на русский язык.

Распределенная система CENTUM CS3000R3 открывает новую эру в классе распределенных систем управления крупнотоннажными производствами.

CENTUM CS3000R3 продолжает линию распределенных систем управления CENTUM фирмы Yokogawa. Системы управления семейства CENTUM зарекомендовали себя как надежные, отказоустойчивые и удобные в эксплуатации и обслуживании системы.

Основные задачи, решаемые системами управления CENTUM:

§ безопасное ведение технологических процессов,

§ реализация решений задач оптимального управления,

§ обеспечение устойчивости процессов регулирования,

§ управление периодическими процессами,

§ взаимодействие с подсистемами верхнего и нижнего уровня,

§ сбор и накопление данных.

Система Centum CS3000R3 разработана для управления относительно большими производствами. CS3000R3 отличается от других систем управления семейства Centum тем, что она гибко масштабируема и организована по доменному принципу.

Основные достоинства системы:

§ Гибкая система резервирования, позволяющая резервировать:

§ элементы центрального процессора,

§ системные интерфейсы,

§ системные магистрали передачи данных

§ модули ввода/вывода

§ коммуникационные модули

§ модули Foundation Fieldbus.

§ Гибкая конфигурация каждого рабочего места оператора с возможностью независимого накопления исторической информации.

§ Доменный принцип организации позволяет организовать истинно распределенное управление.

§ Высокая плотность модулей ввода/вывода (64-х канальные модули дискретных сигналов)

§ Высокая скорость передачи данных по внутренней шине (шина ESB, скорость 128 Мбит/с)

§ Большой объем оперативной памяти контроллеров (до 32 Мбайт)

§ Возможно применение 2-х экранных консолей как с ЖК-дисплеями, так и с ЭЛТ-дисплеями.

§ Рабочее место оператора комплектуется сенсорной клавиатурой, позволяющей осуществить прямой доступ к любому технологическому окну путем нажатия функциональной клавиши.

Связь с подсистемами верхнего и нижнего уровней:

§ передача информации в общезаводскую сеть с использованием протокола OPC,

§ связь с подсистемами нижнего уровня (ПЛК, SCADA).

§ Функция виртуального тестирования, позволяющая выполнять отладку прикладного программного обеспечения

§ без подключения контроллеров, с подключением контроллеров.

Система ПАЗ ProSafe-RS

1. Общие сведения

Настоящие ТУ содержат техническое описание системы ProSafe-RS и ее элементов. ProSafe-RS - измерительная система безопасности, аттестованная сертификационной организацией Technische Ueberwachungs-Verein (TUV) (Германия), и соответствующая требованиям Уровня 3 безопасности и работоспособности (Safety Integrity Level - SIL) по стандарту IEC 61508.

2. Аппаратно-программное обеспечение

В состав системы ProSafe-RS входят Контроллер Системы Безопасности (SCS), Инженерная Станция Системы Безопасности (SENG) и шина управления в реальном времени V net, объединяющая системы SCS и SENG.

Контроллер SCS обеспечивает эксплуатационную безопасность, а станция SENG выполняет функции проектирования и текущего обслуживания контроллера SCS. Возможна интеграция системы ProSafe-RS с интегрированной системой управления производством CENTUM CS 3000 R3 (далее называемой "CS 3000").

Для управление контроллером SCS может использоваться Станция Оператора (HIS) системы CS 3000.

3. Инженерная Станция Системы Безопасности (SENG)

Для настройки конфигурации системы ProSafe необходима установка пакета программного обеспечения CHS5100 Safety System Generation and Maintenance Package, предназначенного для формирования и обслуживания системы безопасности, на универсальном ПК (IBM PC/AT-совместимом компьютере). В данной конфигурации станция SENG выполняет функции проектирования и технического обслуживания.

Подробное описание функций SENG содержится в техническом описании (GS 32S04C10-01E) пакета программного обеспечения формирования и обслуживания системы безопасности - CHS5100 Safe System Generation and Maintenance Package. Станция SENG функционирует под ОС Microsoft Windows XP Professional.

По поводу вопросов совместимости программного обеспечения SENG и приложений от сторонних производителей и ограничений на их использование при работе в среде Windows обращайтесь в торговые представительства компании.

4. Контроллер Системы Безопасности (SCS)

Контроллер SCS выполняет функции обеспечения эксплуатационной безопасности, регистрации последовательности событий (SOER), интеграции с системой CENTUM CS 3000, подключения к шине Modbus, обеспечивающей связь контроллера SCS с другими системами.

Контроллер SCS состоит из Модуля Системы Безопасности (SCU) (узел ЦПУ) и Модулей Узлов Безопасности (узел в/в). Существует два типа узлов ЦПУ: основной модуль системы безопасности и температурно-адаптивный модуль системы безопасности (оснащенный вентилятором).

Для подключения узла ЦПУ к узлу в/в может использоваться шина ESB.

Допускается монтаж модуля в/в как в узле ЦПУ, так и в узле в/в.

5. Основной тип

SSC10S-S (модель): Основной модуль системы безопасности (монтируемый в стойке)

SSC10D-S (модель): Дублированный модуль системы безопасности (монтируемый в стойке)

6. Применимые стандарты

Элементы аппаратного обеспечения системы ProSafe-RS соответствуют перечисленным ниже стандартам. Однако различные элементы соответствуют различным стандартам, поэтому для получения информации о соответствии стандартам необходимо использовать соответствующую документацию, содержащую техническое описание.

Стандарт PLC

EN 61131-2

Стандарт функциональной безопасности

IEC 61508

Стандарты безопасности

[CSA]

CSA C22.2 № 1010.1 (для ТУ, предусматривающих источник питания переменного тока 100-120 В)

[Маркировка CE] Директива для низковольтного оборудования (Low Voltage Directive)

EN 61010-1 (ТУ, предусматривающие источник питания 220-240 В переменного тока и 24 В постоянного тока)

Операторский уровень. Аппаратная обеспеченность.

В качестве пульта оператора выбираем ЭВМ, реализованную на процессоре Intel Pentium Core2Duo, 2,26 ГГц.

Конфигурация ЭВМ:

процессор Intel Pentium Core2Duo;

материнская плата с шиной PCI, со встроенным контроллером последовательного асинхронного порта COM и параллельного порта LPT, с котроллером жестких дисков, контроллером клавиатуры и платой Vnet;

ОЗУ 2048 Mb;

жесткий диск ёмкостью 250 Гб;

видеокарта c видеопамятью 256 Mb;

монитор 21 дюйм по диагонали;

принтер для печати отчетов;

мышь.

Связь с контроллером осуществляется с помощью интерфейса Vnet, данные с которого поступают на процессор Intel Pentium Core2Duo. Процессор в соответствии с программным алгоритмом производит дальнейшую обработку принятых данных, визуализацию процесса, накопление данных на внешнем носителе, вывод отчетов.

Рабочую станцию и контроллер предлагаю оснастить источниками бесперебойного питания Liedert UPStation GXT3000RT, что обеспечивает защиту при посадке напряжения в сети и дает возможность безопасной остановки системы в случае полного отключения питания.

Уровень MES.

MES (Manufacturing Execution System) - это автоматизированная система управления и оптимизации производственной деятельности, которая в режиме реального времени инициирует, отслеживает, оптимизирует, документирует производственные процессы от начала выполнения заказа до выпуска готовой продукции.

Международная ассоциация производителей систем управления производством (MESA) определила одиннадцать типовых обобщенных функций MES систем:

1. Контроль состояния и распределение ресурсов (RAS) - Управление ресурсами производства (технологическим оборудованием, материалами, персоналом, документацией, инструментами, методиками работ);

2. Оперативное/Детальное планирование (ODS) - Расчет производственных расписаний, основанный на приоритетах, атрибутах, характеристиках и способах, связанных со спецификой изделий и технологией производства;

3. Диспетчеризация производства (DPU) - Управление потоком изготавливаемых деталей по операциям, заказам, партиям, сериям, посредством рабочих нарядов;

4. Управление документами (DOC) - Контроль содержания и прохождения документов, сопровождающих изготовление продукции, ведение плановой и отчетной цеховой документации;

5. Сбор и хранение данных (DCA) - Взаимодействие информационных подсистем в целях получения, накопления и передачи технологических и управляющих данных, циркулирующих в производственной среде предприятия;

6. Управление персоналом (LM) - Обеспечение возможности управления персоналом в ежеминутном режиме;

7. Управление качеством продукции (QM) - Анализ данных измерений качества продукции в режиме реального времени на основе информации поступающей с производственного уровня, обеспечение должного контроля качества, выявление критических точек и проблем, требующих особого внимания;

8. Управление производственными процессами (PM) - Мониторинг производственных процессов, автоматическая корректировка либо диалоговая поддержка решений оператора;

9. Управление техобслуживанием и ремонтом (MM) - Управление техническим обслуживанием, плановым и оперативным ремонтом оборудования и инструментов для обеспечения их эксплуатационной готовности;

10. Отслеживание истории продукта (PTG) - Визуализация информации о месте и времени выполнения работ по каждому изделию. Информация может включать отчеты об исполнителях, технологических маршрутах, комплектующих, материалах, партионных и серийных номерах, произведенных переделках, текущих условиях производства и т.п.;

11. Анализ производительности (PA) - Предоставление подробных отчетов о реальных результатах производственных операций. Сравнение плановых и фактических показателей.

Сервер собирает и хранит данные производственных процессов с полным разрешением и предоставляет данные реального времени и архивные данные вместе с данными конфигурации, событий, сводок и связанные с ними данные продукции для клиентских приложений на рабочих станциях.

3.3 Разработка и описание функциональной схемы автоматизации ТОУ

Установление параметров контроля, регулирования и управления, пределов их изменений и требуемой точности измерения. Функциональная схема является основным проектным документом, определяющим структуру и уровень автоматизации технологического процесса, проектируемого объекта и оснащение его приборами и средствами автоматизации. Функциональная схема представляет собой чертеж, на котором при помощи условных изображений показывают технологическое оборудование, органы управления, приборы и средства автоматизации, и другие агрегатные комплексы с указанием связи между приборами и средствами автоматизации. После анализа технологического процесса устанавливаются следующие параметры контроля, регулирования, сигнализации, блокировки.

Таблица 3 - Параметры контроля (индикации)

Поз.	Наименование параметра	Предельное значение параметра
1-1	Температура питания колонны K-336	80 OC
2-1	Температура на линии в конденсатор Т-338	75 OC
3-1	Температура флегмы в колонну K-336	50 OC
4-1	Давление верха колонны K-336	-0,7 кгс/см2

Таблица 4 - Параметры регулирования

Поз.	Наименование параметра	Предельное значение параметра
5-1	Температура верха колонны поз. К-336	90 °С
5-3	Расход флегмы в колонну K-336	1,2 т/ч
6-1	Уровень в кубе колонне К-336	900 м
7-1	Температура куба колонны K-336	135 °С
8-1	Уровень в емкости E-304	900 м
9-1	Уровень в емкости E-351	1600 мм
10-1	Уровень в емкости C-337	850 мм
11-1	Давление на линии в гидрозатвор Г-2	0,2 кгс/см2

Таблица 5 - Параметры сигнализации

№	Наименование параметра	№ позиции прибора на схеме	Единицы измерения	Допустимые пределы технологических параметров	Требуемый класс точности приборов
1	Уровень в кубе колонны К-336	3-1	мм	min 200 max 900	50
2	Давление верха колонны K-336	6-1	кгс/см2	max -0,9	0,05
3	Уровень в емкости Е-304	8-1	мм	min 200 max 800	49
4	Уровень в емкости Е-351	9-1	мм	min 400 max 1600	97



Для качественного регулирования параметров процесса в схеме регулирования используем ПИ- и ПИД-законы регулирования.

Для предупреждения возникновения аварийных ситуаций технологический процесс оснащен системой предупредительной и аварийной сигнализации и системой противоаварийной защиты.

Схема технологической сигнализации должна обеспечивать одновременную подачу светового и звукового сигналов; съем звукового сигнала, нажатием кнопочного выключателя; повторность срабатывания исполнительного устройства звуковой сигнализации (при вторичном отклонении параметра после его отключения нажатием кнопочного выключателя); проверку исполнительных устройств сигнализаторов (световых и звуковых) от одного кнопочного выключателя.



4. Математическое обеспечение

4.1 Построение математической модели

Возьмем некоторый контур регулирования из рассматриваемой системы, наиболее влияющий на происходящий в системе процесс. Одним из таких контуров является контур регулирования температуры в верху колонны К-336 расходом флегмы на орошение (рис.4.1).

Рис. 4.1 Контур регулирования расхода с коррекцией по температуре

Для построения математической модели необходимо снять кривые разгона по основному и по вспомогательному контуру. Для этого на каждый контур поочередно нужно подать единичное ступенчатое воздействие. Кривые разгона для основного и вспомогательного контура показаны на рис. 4.2 и рис. 4.3:



Рис. 4.2 Кривая разгона основного контура (регулирование температуры)

Рис. 4.3 Кривая разгона вспомогательного контура (регулирование расхода флегмы)



Пусть передаточные характеристики по каналу регулирования и по каналу возмущения таковы:

(5)

Расчет каскадной АСР предполагает определение настроек основного и вспомогательного регуляторов при заданных динамических характеристиках объекта по основному и вспомогательному каналам. Поскольку настройки основного и вспомогательного регуляторов взамозависимы, расчет их проводят методом итераций. На каждом шаге итерации рассчитывают приведенную одноконтурную АСР, в которой один из регуляторов условно относится к эквивалентному варианту.

Рис. 4.4 Структурные схемы эквивалентной одноконтурной системе регулирования с основным и вспомогательным регулятором

Расчет начинают с основного регулятора. На первом шаге принимают допущение о том, что рабочая частота основного контура намного меньше, чем вспомогательного. Тогда в первом приближении настройка регулятора:

. (6)

На втором шаге рассчитывают настройки вспомогательного регулятора для эквивалентного объекта (рис. 4.4) с передаточной функцией



(7)

В случае приближенных расчетов ограничиваются первыми двумя шагами. При точных расчетах их продолжают до тех пор, пока настройки, найденные в двух последних итерациях не совпадут с заданной точностью.

4.2 Расчет и исследование автоматической системы регулирования

Расчет настроек регулятора методом расширенных характеристик

Расчет настроек П-регулятора.

Найдем расширенные амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики:

(8)

(9)

(10)

(11)

>> [num,den]=pade(9,2)

>> z=tf([num],[den])

>> w1=tf([0.8],[1,1])

>> w2=tf([1],[5,1])

>> w=w1*w2*z

>> wp=1,1497

>> step(feedback(w*wp,1))



Показатели качества:

1) у_ст=1-0.47=0.33

2) у_дин=0.779-0.478=0.301

3) Тпп=67,1 с

4)

5)

Рис.4.5 Переходный процесс системы с П-регулятором

Расчет настроек ПИ - регулятора

Построим плоскость с1, с0 и найдем оптимальные настройки ПИ-регулятора.

(12)

.(13)



Рис.4.6 Кривая равной колебательности системы с ПИ-регулятором

>> wpi=tf([0.924,0.139],[1,0])

>> step(feedback(w*wpi,1));

Показатели качества:

1) у_ст=1-1=0

2) у_дин=1.6-1=0.6

3) Т_ПП=111 с

4)

5)



Рис.4.7 Переходный процесс системы с ПИ-регулятором

Расчет настроек ПИД - регулятора

Для того, чтобы найти с2, мы найдем АЧХ и ФЧХ методом незатухающих колебаний:

;(14)

;(15)

;(16)

(17)

;

=1,7125; ; =0,152

=6,85; ; =0,173



Рис.4.6 Кривые равной колебательности системы с ПИД-регулятором при различных настройках С₂

Таким образом получаем три набора настроек ПИД-регулятора. Строим переходные процессы.

>>wp1=tf([0.7013,0.967,0.75],[1,0])

>> w1=feedback(w*wp1,1)

>> p2=tf([0.5,0.874,0.551],[1,0])

>> w2=feedback(w*wp2,1)

>> wp3=tf([1,1.115,1.1435],[1,0])

>> w3=feedback(w*wp3,1)

>> step(w1,w2,w3)

Показатели качества:

1) у_ст=1-1=0

2) у_дин=1.46-1=0.46

3) Т_ПП=47,6 с

4)

5)



Рис.4.7 Переходные процессы системы при различных настройках С₂

Как видно из графиков переходных процессов, оптимальным набором настроек для ПИД - регулятора являются настройки, при с2=3.425.

Рис.4.8 Переходные процессы системы оптимальных настройках С₂

Расчет каскадной системы автоматического регулирования

Передаточные функции объекта по основному и вспомогательному каналам равны:

.(18)



Для расчета одноконтурных АСР используем метод Циглера-Никольса.

Сначала определим приближенные настройки основного ПИ-регулятора регулятора. Находим передаточную функцию эквивалентного объекта:

; (19)

и его частотные характеристики:

;(20)

; (21)

.

Критическую настройку регулятора и критическую частоту находим из системы уравнений:

.

Рабочие настройки ПИ-регулятора принимаем равными:

; = 5,443; = 0,45*= 0,45*5,443 = 2,449; = 0,08** = 0,08*5,443*0,288 = 0,1254.

Проводим расчет приближенных настроек вспомогательного П-регулятора.



=;

его частотные характеристики:

;

;

.

; = 1,167; = 0,5*= 0,5*1,167 = 0,5835.

Проводим уточнение настроек регуляторов. Для этого создаем LTI-объект с передаточной функцией

,где W_p1(p) =

>> [num,den]=pade(9,2)

>> e=tf([num],[den])

>> Wob=tf([0.8],[5,6,1])*e

>> [num,den]=pade(1,2)

>> e2=tf([num],[den])

>> Wob1=tf([2.6],[1.5,1])*e2

>> Wekv=(0.5835/(1-Wob1*0.5835))*Wob

Частотные характеристики эквивалентного объекта находим графическим способом. Для этого с помощью команды nyquist строим годограф АФХ и определяем критическую частоту и соответствующее ей значение АЧХ



Рис.4.9 Годограф системы с ПИ-регулятором

Критическая частота соответствует точке пересечения годографа с отрицательной действительной полуосью. После чего уточняем настроечные параметры ПИ-регулятора. Уточненные настройки ПИ-регулятора: = 1,4625;= 0,075. Теперь создаем LTI-объект с передаточной функцией

, где

>> Wpi=tf([2.449,0.1254],[1,0])

>> Wekv1=Wob1-Wob*Wpi

>> nyquist(Wekv1)

Рис.4.10 Годограф системы с П-регулятором



Аналогично получаем уточненные настройки П-регулятора: =0,5944

Строим переходные процессы в одноконтурной АСР:

>> Wpi=tf([1.4625,0.075],[1,0])

>> W=Wob*Wpi

>> step(feedback(W,1))

Рис.4.11 Переходный процесс в одноконтурной системе

в каскадной АСР:

>> Wpi=tf([1.4625,0.075],[1,0])

>> WW=feedback(0.5944,Wob1)

>> Wkaskad=feedback(Wpi*WW*Wob,1)

>> step(Wkaskad)



Рис.4.11 Переходный процесс в каскадной системе

Рис.4.12 Сравнение переходных процессов в одноконтурной и каскадной системе

Расчет цифровой системы регулирования

Проведем расчет цифровой системы регулирования в несколько этапов.

1) Расчет цифрового П-регулятора, адаптированного для аналоговых расчетов

(22)



Расчет значений параметров методом расширенных частотных характеристик также проводится по расширенным амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристикам объекта регулирования, где .

При цифровой реализации П-алгоритма расширенная амплитудно-фазовая характеристика (РАФХ) определяется выражением:

.(23)

После замены , получаем следующую зависимость:

;(24)

;(25)

.(26)

>> [num,den]=pade(1,2)C1=1.101

>> e=tf([num],[den])

>> W1=1-e

>> W2=tf([1.101],[1,0])

>> W3=W1*W2

>> Wcif=W3*Wob

>> Wcifp=feedback(Wcif,1)

>> step(Wcifp)



Рис.4.13 Переходный процесс системы с цифровым П-регулятором, адаптированным для аналоговых расчетов.

2) Расчет цифрового ПИ-регулятора, адаптированного для аналоговых расчетов

Рассчитаем цифровой ПИ-регулятор вручную:

Проведем замену и добавим передаточную функция демодулятора. Поскольку в качестве демодулятора используется фиксирующая цепь нулевого порядка с передаточной функцией:

(28)

то передаточные функции ПИ-регулятора со взаимозависимыми настройками при цифровой реализации алгоритмов определяются по формулам:



(29)

Расчет значений параметров методом расширенных частотных характеристик также проводится по расширенным амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристикам объекта регулирования. Линия m = const строится в области положительных значений настроек С1 и С0, где

,.

При цифровой реализации ПИ-алгоритма расширенная амплитудно-фазовая характеристика (РАФХ) в соответствии с выражением определяется выражением:

.

После замены , получаем следующую зависимость:

.

После преобразований, аналогичных выполненным для аналогового ПИ-регулятора, получаются формулы для расчета линий m = const в плоскости параметров настройки цифрового регулятора при в заданном интервале квантования сигналов по времени Т:



(30)

С1=0,693; С0=0,136

>> Ti=C1/C0

>> w11=0.5/Ti+W1

>> w22=tf([C1],[0.5,0])

>> Wcifpi=w11*w22

>> Wcifpiz=feedback(Wcifpi,1)

>> step(Wcifpiz)

Рис.4.14 Переходный процесс системы с цифровым ПИ-регулятором, адаптированным для аналоговых расчетов

3) Получение цифрового П-регулятора с помощью встроенной функции MatLab

>> Wp=tf([1.1497],[1])

>> Wdp=c2d(Wp,0.5,'tustin')

Sampling time: 0,5

Рис.4.15 Структурная схема одноконтурной системы регулирования

Рис.4.16 Переходный процесс в системе при периоде квантования 0,5 секунд

Рис.4.17 Переходный процесс в системе при периоде квантования 2 секунды



4) Получение цифрового ПИ-регулятора с помощью встроенной функции MatLab

>> Wpi=tf([0.924,0.139],[1,0])

>> Wdpi=c2d(Wpi,2,'tustin')

Transfer function: Sampling time: 2

Рис.4.18 Переходный процесс в системе при периоде квантования 0,5 секунд

Рис.4.19 Переходный процесс в системе при периоде квантования 2 секунды



4) Получение цифрового ПИД-регулятора с помощью встроенной функции MatLab

Wpid=tf([3.425,1.345,0.159],[1,0])

Wdpid=c2d(Wpid,2,'tustin')

Transfer function: Sampling time: 2

Рис.4.20 Переходный процесс в системе при периоде квантования 0,5 секунд

Рис.4.21 Переходный процесс в системе при периоде квантования 2 секунды



6) Получение цифровой каскадной системы автоматического регулирования с помощью встроенной функции MatLab

Wpi=tf([1.4625,0.075],[1,0])

Wdpi=c2d(Wpi,2,'tustin')

Transfer function: Sampling time: 2

Рис.4.22 Структурная схема каскадной системы регулирования

Рис.4.23 Переходный процесс в системе при периоде квантования 0,5 секунд



Рис.4.24 Переходный процесс в системе при периоде квантования 2 секунды



5. Описание информационного обеспечения

5.1 Перечень входных и выходных сигналов РСУ

Перечень входных и выходных сигналов РСУ представлен в приложении №2.

5.2 Описание информационного обеспечения системы

Основой информационного обеспечения системы является базы данных (БД). БД состоит из внутримашинной и внемашинной базы данных.

Внемашинная БД содержит информацию, находящуюся вне поля деятельности вычислительных средств, и содержится на переносных носителях информации, а также в виде печатных документов.

Внутримашинная БД содержится в оперативных и постоянных запоминающих устройствах вычислительных комплексов, на дисковых устройствах хранения информации. Внутримашинная БД имеет распределенную по узлам системы организацию и состоит из базы данных реального времени, архивной БД и БД конфигурации.

Система оперирует со следующими основными потоками информации:

информация о состоянии объекта управления;

команды системы управления, поступающие на ИМ;

сигнализация, автоматически выводимая на рабочие станции;

информация о состоянии объекта управления;

ограничения и задания по ведению технологического процесса, вводимые диспетчерским персоналом системы;

информация, формируемая системой в автоматическом режиме в виде отчетных документов;

информация, передаваемая между уровнями системы;

информация, записываемая в базу данных системы.

Внутримашинная база данных включает в себя:

база данных конфигурации СО и СИ;

база данных конфигурации контроллеров;

архив данных, формируемый системой за текущий месяц;

протоколы сообщений о событиях в системе и о действиях оператора, формируемые за текущий месяц.

Внемашинная база данных включает в себя:

-альбом форм документов и кадров видеограмм;

-перечни входных и выходных сигналов и данных;

-распечатки баз данных конфигурации;

-дистрибутивные носители с программным обеспечением и базами данных;

-распечатки отчетных документов или файлы с отчетными документами на внешних носителях информации;

-копии архива данных за текущий год, обновляемые ежемесячно, и копия архивных данных системы за предшествующий год.

5.3 Описание массивов исторических данных (архивов)

В системе Centum CS 3000 есть возможность сохранения исторических данных с последующей возможностью их вывода в виде исторических трендов. Архив создается на каждый день в отдельном файле. Имя файла соответствует дате создания в формате мм.дд.гг. расширением *.lgh. Данные в файл записываются каждый час или при выходе значения параметра за мертвую зону. Приблизительный размер архива может составлять 40Мб в день, плюс-минус 5Мб.

Данные хранятся в специальном формате, и чтобы их посмотреть, нужно воспользоваться историческими трендами или специальной программой Hist Data, которая передает архивные данные за определенный период времени в файл с расширением *.csv, который можно просмотреть в Microsoft Excel.

5.4 Состав выходных данных (сигнализация и сообщения)

В системе Centum CS 3000 действуют следующие оповещения:

-сообщения о текущем состоянии объекта;

-сообщения о нарушениях в процессе;

-системные сообщения о нарушениях в аппаратном и программном обеспечении системы;

-руководящие сообщения оператору.

Сообщения о текущем состоянии объекта используются для анализа состояния процесса в текущий момент времени.

Сообщения о нарушениях в процессе представляют собой сигналы тревоги и служат для сообщения оператору места и причины сигнала тревоги, возникшей в результате аварии в процессе. Максимально возможное число сообщений 200.

Системные сообщения предназначены для выдачи информации о неисправности в аппаратном обеспечении системы, например модулях ввода\вывода, об ошибках вычисления, возникающих в вычислительных выражениях, определенных пользователем, нарушения в функциональных блоках и т.п. С данным сообщением, как правило, работает инженер, обслуживающий систему управления.

Руководящие сообщения оператору представляют собой программу действий оператору, которую он должен выполнить при определенной ситуации в ходе технологического процесса, либо сведения, которые он должен знать для осуществления успешного контроля.



6. Описание стандартного программного обеспечения.

6.1 Операционная система

В качестве системного программного обеспечения на рабочих и инженерных станциях выбрана операционная система Microsoft Windows XP Professional. Выбор данной операционной системы обусловлен требованиями, предъявляемыми программным обеспечением Centum CS3000.

Windows XP - эта операционная система является прямым наследником Windows2000, и продолжателями линейки WindowsNT. Этот факт и определяет основные особенности WindowsXP. Это полностью 32-разрядная ОС с приоритетной многозадачностью. В её основе лежат те же принципы, на которых базировались все NT. Это:

- Совместимость. Система может иметь привычный интерфейс ОС семейства Windows, с некоторыми добавлениями и расширениями, поддержку файловых систем NTFS, FAT16 и FAT32. Большинство приложений, написанных под MSDOS, W9x, NT4, а также некоторые программы под OS/2 и POSIX, запускаются и функционируют без проблем. При проектировании NT учитывалась возможность работы системы в различных сетевых средах, поэтому в поставку входят средства для работы в Unix- и Novell-сетях.

- Переносимость. Система работает на различных процессорах семейства x86 производства Intel и AMD. Уже существует 64-битная версия для поддержки новейших процессоров семейства Intel.

- Масштабируемость. В WindowsXP реализована поддержка технологии SMP.

- Система безопасности. Реализована привычная для NT система безопасности на уровне пользователей.

- Распределённая обработка. WindowsXP имеет встроенные в систему сетевые возможности, что обеспечивает возможность связи с различными типами компьютеров-хостов благодаря наличию разнообразных транспортных протоколов и технологии "клиент-сервер".

- Надёжность и отказоустойчивость. Архитектура ОС защищает приложения от повреждения друг другом и самой операционной системой. При этом используется отказоустойчивая структурированная обработка особых ситуаций на всех архитектурных уровнях, которая включает восстанавливаемую файловую систему.

- Локализация. Система предоставляет возможности для работы во многих странах мира на национальных языках, что достигается применением стандарта ISO Unicode.

- Расширяемость. Благодаря модульному построению системы становится возможно добавление новых модулей на различные архитектурные уровни ОС.

Минимальные системные требования к рабочей станции с ОС Windows XP Professional:

- Минимальная частота процессора 233 МГц;

- ОЗУ 64 Мб;

- Накопитель типа жесткий/магнитный диск 1,5 Гб.

Рекомендуемая конфигурация для DeltaV 7.4:

- Pentium 4 с частотой 1.4 ГГц;

- ОЗУ 512 Мб;

- Накопитель типа жесткий/магнитный диск 40 Гб.

6.2 Структура программного обеспечения

Инженерная станция. На станцию инженера устанавливается SCADA-система CENTUM CS3000 фирмы Yokogawa. В конфигурацию системы включены среда разработки и среда исполнения.

Проект создается в среде разработки и представляется в виде двух частей: визуализация процесса и конфигурирование контроллера.

Визуализация процесса осуществляется с помощью графического редактора - Graphic Builder и построителя трендов Trend Acquisition Pen Assignment Builder. В графическом редакторе производится создание мнемосхем и групп управления.

Контроллер конфигурируется с помощью следующих основных программных средств:

-IOM Builder, посредством него определяются характеристики модулей и каналов ввода/вывода;

-Control Drawing - средство для создания схем управления с возможностью детального конфигурирования каждого функционального блока.

Также предоставлена возможность виртуального тестирования работы контроллера.

Среда исполнения на инженерной станции аналогична среде исполнения на станции оператора.

6.3 Функции частей программного обеспечения

Программное обеспечение станции оператора построено таким образом, что оно обеспечивает систему управления следующими функциями:

-отображение информации о ходе технологического процесса в виде цветных графических мнемосхем;

-оперативное управление технологическим процессом с функциональной клавиатуры, с защитой от несанкционированного доступа;

-вывод на дисплей и регистрация на внешнем носителе аварийных, технологических и системных сообщений;

-сбор информации об истории процесса;

-обмен данными по сети Ethernet c ЭВМ верхнего уровня, ведение архива на сервере.

Программное обеспечение инженерной станции обеспечивает систему разработки проекта следующими функциями:

-определение общих свойств проекта (константы, защита, приоритеты сигнализации);

-определение управляющих функций (характеристики станции управления участком, модулей ввода/вывода, схем управления);

-определение функций управления и контроля (характеристики станции оператора, графических окон, трендов, назначения функциональных клавиш и комбинации панелей управления);

-виртуальное тестирование созданного проекта. При выполнении виртуального теста вместо реальной FCS используется программа-имитатор FCS, выполняемая на персональном компьютере для имитации функций и операций FCS.

6.4 Методы и средства разработки программного обеспечения

Программное обеспечение контроллеров представлено совокупностью алгоритмов, написанных на одном из четырех языков программирования: язык функциональных блоков (FB); язык структурированного текста (ST); язык диаграмм функциональных последовательностей (SFC); язык ступенчатой логики (LL). Все алгоритмы реализуются в виде программных модулей, которые создаются, а затем закладываются в контроллеры. В контроллере одновременно могут выполняться программы на всех этих языках, и результаты одних программ могут быть переданы для работы другим программам.

С помощью языка ступенчатой логики и диаграмм последовательного управления в основном строятся алгоритмы блокировок и срабатывания системы ПАЗ, а также управления исполнительными механизмами.

Исходя из требований к разрабатываемой системе, технической структуры системы и предлагаемого метода решения задачи можно разработать следующий алгоритм решения задачи:

-анализ объекта автоматизации: параметры процесса, требующие обработки системой; параметры регулирования, параметры контроля; параметры сигнализации и блокировки;

-построение схемы управления технологическим процессом станцией управления;

-создание интерфейса оператора;

-тестирование и отладка работы разработанного программного обеспечения без использования оборудования, применяя виртуальную станцию управления;

-тестирование с использованием реальной станции управления участком;

-настройка системы в целом на реальный объект.

Исходя из алгоритма решения задачи и особенностей системы программирования CENTUM СS 3000, можно выделить следующие этапы создания новой системы:

Утверждение проекта.

На данном этапе создаем новый проект и определяем общую и детальную информацию о проекте. Общая информация включает в себя: модель системы управления, имя пользователя, наименование организации/предприятия, общие сведения о проекте. Детальная информация содержит имя проекта, место расположения файла с данным проектом на диске, комментарий к проекту.

Определение общих элементов системы.

Определение общих элементов системы включает создание папки FCS и папки HIS.

При создании папки FCS указывается тип станции управления участком, тип базы данных, адрес станции в сети, комментарий. Кроме того, указываются константы FCS, определяющие работу станции: ширина импульса, интервал последовательности запуска, тип действия оператора Sebol, режим работы станции MLD-SW.

Создание папки HIS заключается в задании типа станции, ее адреса, число компонент, комментарий. После этого осуществляется установка HIS на сети.

Определение функций управления.

Данный этап включает определение ввода/вывода сигналов и построение схемы управления для станции управления FCS.

Определение ввода/вывода осуществляется с помощью IOM Definition Builder. В папке IOM создаем новое модульное гнездо. При создании модульного гнезда указываем категорию и тип модульного гнезда. Для каждого терминала (клеммы в гнезде) записываем модель аналогового модуля (входные и выходные аналоговые модули AMN11) и дискретные модули (выходные дискретные модули АDM51T).

Построение схемы управления технологическим процессом станцией управления FCS.

Схему управления процессом строят с помощью Control Drawing Builder на основе анализа объекта автоматизации, определения параметров процесса, требующих обработки системой, параметров регулирования, параметров контроля, параметров сигнализации и блокировки. На основании функциональной схемы автоматизации строится схема управления процессом станцией управления FCS.

Схема управления задает последовательность обработки входных сигналов и выработки управляющих воздействий станцией управления FCS.

Функции управления технологическими процессами станцией FCS базируются на двухуровневой иерархии, что существенно облегчает модернизацию схем управления и процедуру инжиниринга. На нижнем уровне иерархии используется самый маленький элемент управления - функциональный блок. На верхнем уровне используется чертеж схемы управления, объединяющий функциональные блоки в соответствующую проекту схему автоматического управления (каскадную, по возмущению, взаимосвязанную и т. д.).

Схемы управления состоят из двух или более функциональных блоков управления. Они предназначены для упрощения инженерных работ и работы по техническому обслуживанию за счет группировки отдельных функций управления технологическим оборудованием в схему управления. Схема управления дает пользователю задавать мониторинг производства в целом и по отдельным фазам, а также определять системы управления по типу оборудования.

В состав функции управления технологическими процессами станцией FCS входят:

-функции автоматического регулирования;

-вычислительные функции;

-функции управления очередностью.

Каждому типу функций соответствует свой тип функциональных блоков. Библиотека функциональных блоков включает блоки аналогового и логического управления, вычислительные блоки, блоки лицевых панелей и блоки приборов. Эти функции могут компоноваться друг с другом и с другими компьютерными функциями для создания дополнительных модернизированных функций.



7. Описание прикладного программного обеспечения

7.1 Описание алгоритмов (проектных процедур)

Процесс ректификации углеводородов является непрерывным, поэтому для управления им разработан алгоритм на языке функциональных блоковых диаграмм (FBD). Для каждого из контуров регулирования был создан модуль с функциональным блоком PID.

Рис.7.1. Алгоритм управления одноконтурной схемой регулирования

Рис.7.2. Алгоритм управления каскадной схемой регулирования (внутренний контур)



Рис.7.3. Алгоритм управления каскадной схемой регулирования (внешний контур)

Модуль управления включает следующие функциональные блоки:

- Аналоговый вход (AI) - обеспечивает доступ к одной измеряемой аналоговой величине со статусом, получаемой из канала в/в:

- IO_IN - определяет ТПУ входа канала, используемого для PV;

- OUT - значение и статус аналогового выхода блока;

- ПИД (PID) - в этом функциональном блоке объединены все алгоритмы, необходимые для обработки входного аналогового канала, пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования и обработки выходного аналогового канала:

- BKCAL_IN - значение аналогового входа от BKCAL_OUT блока AO;

- BKCAL_OUT - значение, передаваемое на блок AO для обеспечения безударного перехода при замыкании контура;

- CAS_IN - значение задания SP от другого PID блока при каскадной схеме регулирования;

- CONTROL_OPTS - позволяет указать варианты стратегии управления;

- IN - подключение переменной процесса PV от выхода AI блока;

- OUT - значение и статус аналогового выхода;

- Аналоговый выход (AO) - назначает аналоговое выходное значение устройству КИПиА по указанному каналу ввода/вывода:

- CAS_IN - значение удаленного задания от PID блока;

- BKCAL_OUT - значение, необходимые входу BKCAL_IN PID блока для обеспечения безударного перехода при замыкании контура управления;

- OUT - значение и статус выхода блока;

- IO_OUT - определяет ТПУ выходного канала.

Модуль управления каскадной схемой регулирования включает аналогичные модули, но при этом выходной сигнал корректирующего контура является уставкой для стабилизирующего контура.

7.2 Интерфейс оператора

Для реализации человеко-машинного интерфейса применяется ПО DeltaV. Для взаимодействия технолога-оператора с системой используются следующие окна.

Окно общего обзора. Предназначено для контроля за работой всего производства в целом и для получения доступа к более подробным окнам. В этом окне отображается весь процесс целиком.

Графические окна. Относятся к наиболее важным типам операционных панелей. Представляют собой графическое изображение основного технологического оборудования, средств КИП, и отображают структуру алгоритмов управления, и их состояние.



Рис.7.4. Интерфейс оператора

Окно настройки. Содержит всю информацию необходимую для настойки регулятора и клапана. Текущее значение параметра, задание, выход регулятора, коэффициенты регулятора. Также есть возможность ручного управления.

Рис.7.5. Окно настройки регулятора



Окно регистрации хода процесса. Отображают данные о ходе процесса во времени. В проекте используется два окна трендов: тренды реального времени и архивные тренды.

Рис.7.6 Окно трендов модуля

Рис.7.7 Окно истории процесса

Окно регистрации пользователей. Позволяет осуществить вход пользователей в систему и произвести конфигурацию пользователей, с установлением прав доступа.



Рис.7.8 Окно регистрации пользователей



Заключение

В данном дипломном проекте рассмотрена модернизация системы управления процессом выделения фракции ароматических углеводородов из бензола на базе современных технических средств автоматизации.

Для обеспечения высокого качества управления предложена система управления Centum CS3000 фирмы Yokogawa, использующая современные технические средства автоматизации, которые позволяют реализовать:

- на верхнем уровне - управляющий модуль на базе контроллера;

- конфигурирование с помощью инженерной станции;

- контроль и ручное управление с помощью рабочей станции.

Разработанная система достаточно проста в использовании и надежна. Она позволяет значительно улучшить и облегчить работу оператора, обеспечить качественное управление процессом, более полно и экономично использовать ресурсы.

Эта система соответствует всем требованиям по обеспечению безопасности производства и экологии.

Размещено на Allbest.ru