Особенности проектирования АСУТП на тренажерном комплексе

Раздел IV

Автоматизированные системы управления

Т.А. Пьявченко, Е.М. Колесников

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АСУТП НА ТРЕНАЖЕРНОМ

КОМПЛЕКСЕ

Основная цель работы заключается в раскрытии возможностей тренажерного комплекса, позволяющего создать двухуровневую автоматизированную систему управления реальным объектом в среде SCADA-системы Трейс Моуд (TRACE MODE).

Толчком к появлению тренажерного комплекса послужила отечественная SCADA-система фирмы "AdAstra Research Group, Ltd" (г. Москва) TRACE MODE, предназначенная для сквозного программирования распределенных иерархических автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Благодаря универсальности, высокой производительности, поддержке свыше 1600 российских и иностранных контроллеров, а также гибкой ценовой политике Трейс Моуд завоевала популярность в странах дальнего и ближнего зарубежья [1].

Разработанный на кафедре САУ тренажерный комплекс состоит из объекта управления (ОУ), нагревателя, охладителей, датчика и промышленных модулей ввода/вывода. На этом комплексе обучающиеся проектируют двухуровневую иерархическую АСУТП, представленную на рис. 1.

На этом рисунке введены следующие обозначения: ТП -технологический процесс, Д -датчик, РО - регулирующий орган, ИБ - исполнительный

блок, УСО - устройство связи с объектом, АРМ -

автоматизированное рабочее место диспетчера. В качестве технологического процесса в тренажерном комплексе используется процесс нагрева

замкнутого объема с поме-

щением в него различных предметов. Нижний уровень

иерархической структуры

предназначен для реализации Рис. 1. Двухуровневая иерархическая АСУТП локальной системы управления.

Верхний уровень этой структуры, реализованный на ПК, представляет собой автоматизированное рабочее место. В качестве диспетчера могут выступать разработчики системы или операторы,

которыми в учебном процессе являются студенты, выполняющие лабораторные работы.

На нижнем уровне управления на базе указанных блоков создан контур регулирования температуры, в котором исследуются различные законы управления. Помимо функций управления, в тренажерном комплексе реализованы функции измерения и контроля по предельным значениям таких параметров объекта, как влажность и давление. Для измерения этих параметров используется универсальный цифровой датчик NL-1HTS. При конструировании стенда использовались промышленные устройства автоматизации фирмы НИЛ АП (г. Таганрог), в частности, модуль ввода-вывода серии NL-4RTD, имеющий 4 аналоговых, изолированных друг от друга входа, 3 дискретных выхода, встроенный алгоритм пропорционально-интегрально-дифференциального закона управления и возможность обмена данными с помощью интерфейса RS-485. Для связи модуля ввода-вывода и цифрового датчика с компьютером операторской станции используется модуль преобразователя интерфейса RS-485 в RS-232 NL-232C, позволяющий подключать промышленные модули через COM-порт. В качестве исполнительных блоков выступают нагреватель и охладитель. Нагреватель представляет собой набор резисторов большой мощности. Охладителями являются вентиляторы охлаждения. Исполнительные блоки подключены к выходам модуля ввода-вывода.

Применение SCADA-системы позволяет выполнить управление объектом в режиме реального времени, создать графический интерфейс, тренды различных параметров, архивирование данных и отчет тревог при аварийных и предаварийных ситуациях.

Проект в SCADA-системе имеет древовидную структуру. В него входят следующие компоненты: ресурсы, содержащие библиотеки картинок, анимаций и пользовательских объектов, загружаемых из библиотеки компонентов; шаблоны программ, содержащие алгоритмы FBD-программ, используемых в проекте; шаблоны экранов, содержащие статические изображения мнемосхем, которые представляют проект в мониторе реального времени (МРВ); база каналов, содержащая все каналы, необходимые для обмена информацией между компонентами проекта; система, отображающая все узлы проекта (МРВ, микроМРВ); источники/приёмники, предназначенные для связи МРВ с УСО.

С помощью перечисленных компонентов в АРМ тренажерного комплекса создается мнемосхема технологического процесса с возможностями оператором-диспетчером изменять тип регулятора, его параметры, сохранять в архиве состояния объекта управления, экплуатируемого в различных режимах, создавать отчет тревог, наблюдать графики изменения переменных состояния как ОУ, так и регулятора в реальном времени. Для задания температурного режима, коэффициентов регулятора, выбора режима работы, формирования управляющего воздействия и моделирования работы широтно-импульсного модулятора используются FBD-программы (FBD-Functional Blocks Diagrams), в которых заложен конкретный алгоритм операций над входными данными. В зависимости от того, из каких блоков состоит программа, можно судить о её назначении. В тренажерном комплексе предоставляется возможность приобрести навыки создания программ, формирующих управляющее воздействие и моделирующих работу ШИМ. Обучающийся на тренажерном комплексе имеет возможность разрабатывать свои программы и оформлять их в виде FBD-блоков, что облегчает создание сложного ПО.

Для осуществления взаимодействия устройств связи с объектом и ПЭВМ выбран механизм OPC-сервера. OPC-сервер представляет собой программу, позволяющую осуществить передачу информационных и управляющих сигналов от ПЭВМ к исполнительным блокам. OPC сервер NLopc является программной системой, позволяющей подключить аппаратуру, выпускаемую НИЛ АП, к программному обеспечению сторонних производителей, если оно удовлетворяет стандарту ОРС, в частности, к SCADA-системе TRACE MODE 6.

SCADA-система TRACE MODE 6 позволяет выполнить идентификацию ОУ по его разгонной характеристике. Тренд разгонной характеристики ОУ (зависимость температуры в замкнутом объеме от времени) показан на рис. 2.

4В0 МО 400 Ж0 эго 280 24.0 гоо

34.05.0611:44:21 11:9 агі іі:5 6:21 12:0 221 120 821 121 4:21 12:20:21 122 S21 ігзггі

Рис. 2. Тренд разгонной характеристики ОУ

Анализ этой характеристики позволил получить модель ОУ в виде инерционного звена с запаздыванием, т.е.

к

К/р) = "

-РТза

ТоР + 1

где к0 - коэффициент передачи как отношение установившегося значения температуры в ОУ к полному току нагревателя, То - постоянная времени ОУ с учетом инерционности нагревателя и датчика температуры, Тзап - величина запаздывания.

Для проектирования системы регулирования температуры нижнего уровня иерархической структуры АСУТП был выбран ПИ-регулятор с параметрами, рассчитанными в соответствии с представленной в [2] методикой. С учетом передаточной функции разомкнутого контура регулирования

крегк0 (Ти Р + !) -1

W (p) =

-ртз

выражения для амплитудно-частотной характеристик будут иметь вид:

Ти P(To p +11

А

к рег код/ Т*1 ю ^ 1 п

А(ю) = —I 0 0 > Ф(ю) = -Т -ю• тзап - • Т0) +

Тию^ (Т|2ю2 +1) 2

Определив значение постоянной времени интегрирования в регуляторе как Ти = Т0 , запишем выражение ф(ю) для частоты среза юср в виде

п

Ф(юср) = -~^-юср • тзап -агс1Б(юср • То) + агсї§(Тоюср) = -п + Уср

или

ж

- юср  тзап =-~^ + УсР’ откуда найдем величину

ю = (+ П - V )/Т .

ср ' >2 • ср / зап

Поскольку на частоте среза амплитудно-частотная характеристика разомкнутой системы равна 1, то из уравнения А(юСр) = 1 можно найти

Т0 ' юср

величину коэффициента крег как -----------------. Однако это значение необходимо

к0

скорректировать с учетом коэффициента пересчета блока ШИМ, используемого для управления реле, подключающего питание к нагревателю.

Коэфициент пересчета к*, возникающий из-за несоответствия формата кода

АЦП, используемого в датчике, и формата кода временного интервала, рассчитывается по следующей формуле:

*

нагрева

где * нагрева - время нагрева объема от *иин С д° *маКС С , Л - шЗГ КБантованИЯ

временного интервала, равный в используемой SCADA-системе величине разрешения (времени пересчета блока ШИМ), NщП - разрядность АЦП датчика.

При этом скорректированный коэффициент пропорциональности кп = крег  к*.

Эксперимент на тренажерном комплексе был выполнен со следующими параметрами: Л* = 0,055 с, NщП = 10 разрядам, крег =0,17, Ти = 670с,

К и = 1 / Ти =0,0015 с-1. В процессе эксперимента следовало обеспечить

апериодический переходный процесс длительностью *нагрева =25 мин.

На отобразившемся после запуска проекта экране (рис. 3) можно задавать рассчитанные параметры регулятора и, для наглядности, нажатием кнопки Тренд

Рис. 3. Экран “АРМдиспетчера”

переходить к экрану наблюдения за переходными характеристиками. Для системы, созданной с помощью тренажерного комплекса, представлены 2 графика: верхний показывает изменение температуры в процессе регулирования, нижний -изменение влажности в процессе контроля (рис. 4). Как видим, задание по температуре в 45 оС отрабатывается за заданное время с незначительным перерегулированием (< 5%).

fm (ВО 56.0 52.0 -43.0 44 .о 40.0 36.0 32.0 28.0 24.0 20.0 600 56.0 52.0 48.0 44.0 40.0 щшшш

4|Д'ИП1С Т емпер.1

32.0 28.0 24.0 20.0

ВлПЖН!

29.06.06 [QS- 1Ф <3= 4:24:00 14:30:00 14:36:00 14:4 Ф 4 I 2:00 14:48:00 14:5 4:00 15:00:00 15:0 6:00

<1

Рис. 4. Графики изменения температуры и влажности в ОУ

SCADA-система TRACE MODE поддерживает три архива: локальный архив СПАД - система промышленного архивирования данных, отчет тревог, глобальный регистратор. При эксперименте на тренажерном комплексе формировались сообщения в отчет тревог. При этом в случае выхода параметра за пределы нормы он помечался красным цветом и соответствующей надписью, к сожалению при черно-белой печати различия в цвете не видны (рис. 5).

События:

Н мя канала Кодировка Сообщение"

Т ип

Дата

Время

Т емперагура в норме

ІИІ м 11.10.200G 09:05.12.4 IN М Т емпераггура выше нормы

* 11.10.2006 09:05.33.0 STOP 02

* * 11.10.200G 09:06.58.0 LOGIN 0

* 11.10.2006 09:07.00.0 START 02

ІЛІ м 11.10.2006 09:07.01.0 OUT М 00 00 00 ... Т емпераггура выше нормы

ІИІ м 11.10.2006 09:07.02.0 Раскод 00 00 00 ... Т емпераггура ниже нормы

0  11.10.2006 09:07.02.6 Раскод 00 00 00 ... Т емпераггура в норме

н А 11.10.2006 09:07.03.1 IN М Аварийно низкая температура

и А 11.10.2006 09:07.03.1 Раскод 00 00 00 ... П ерегрузка датчика температуры

[Щ М 11.10.2006 09:07.04.2 IN М Т емпераггура ниже нормы

0 и 11.10.2006 09:07.06.5 IN М Т емперагура в норме

Рис. 5. Бланк отчета тревог

Практическая ценность использования тренажерного комплекса очевидна. Он позволяет изучать работу современного оборудования и программных средств, вопросы создания АСУТП на основе SCADA-системы TRACE MODE, дает возможность проверить на практике результаты идентификации объекта и работу различных алгоритмов управления, сравнить результаты теоретического моделирования и реального эксперимента.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Руководство пользователя Трейс Моуд. Версия 6.4. М.: AdAstra Research Group, Ltd. 2006. - 814 c.

2. Пьявченко Т.А. Расчет параметров ПИД закона управления для объектов с транспортным запаздыванием. Известия ТРТУ. Тематический выпуск: Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием “Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении”. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006, №5(60). - C. 83 - 88.

В.В.Шадрина, Е.М.Колесников АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ ДАЛЬНЕГО ТРАНСПОРТА ГАЗА

Одной из ведущих отраслей топливно-энергетического комплекса страны является газовая промышленность. Ставится задача проектирования информационно-управляющей системы. Наличие диспетчера в контуре управления и ведение процесса координации на естественном языке приводит к необходимости учета трудностей представления знаний диспетчера в виде алгоритмов и согласованности полученного ЭВМ решения с его оценкой. Крайне важной представляется возможность использования для описания и формализации допустимых режимов работы технологического оборудования теории нечетких множеств.

Основным управляющим элементом в комплексе сооружений, входящих в магистральный газопровод, служат компрессорные станции (КС). Практически именно параметрами работы КС определяется режим работы газопровода. Наличие КС позволяет регулировать режим работы газопровода при колебаниях потребления, максимально использовать аккумулирующую способность газопровода. [1,4-7]. Решение задачи автоматизации для систем дальнего