Опыт создания лабораторно-тренажерного комплекса для подготовки специалистов в области автоматизированных систем управления технологическими процессами

РАН.-1996 - с. 276.

4. Приказ Министерства образования Российской Федерации от 19.02.03 № 593 «О внесении изменений в приказ Минобразования России от 26.02.01 № 631» «О рейтинге высших учебных заведений».

5. Москалев А.К., Слабко В.В., Череми-скина Е.В. Разработка метода оценки деятельности вузов // Материалы Всероссийской научно-методической конференции «Повышение качества высшего профессионального образования», Красноярск.- 2009.- часть 2 -с.265-268.

Д.А. Даденков, А.Б. Петроченков

ОПЫТ СОЗДАНИЯ ЛАБОРАТОРНО-ТРЕНАЖЕРНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) представляют собой сложные человеко-машинные комплексы. Это совокупность крупных социально - технических подсистем, симбиоз данных и знаний, экономико-математических моделей, инструментальных и технических средств, а также специалистов, предназначенных для обработки информации и принятия решений.

Спрос на специалистов в области управления и проектирования АСУТП интенсивно расширяется в связи с повсеместным проведением модернизации устаревших средств управления и внедрением качественно новых систем управления, соответствующих современному уровню развития техники. Но за последние годы традиции и опыт проектирования АСУТП оказался во многом утраченным, кадровый состав проектных институтов был ослаблен, а выпускники вузов, приступая к работе, не всегда могут рассчитывать на помощь более опытных коллег. Поэтому имеется объективная потребность в модернизации процесса подготовки студентов в области проектирования АСУТП.

Традиционные методики подготовки специалистов по АСУТП недостаточно эффективны. Как показывает практика, студентам даже после прослушивания лекционного курса, выполнения лабораторных, практиче-

ских и курсовых работ бывает сложно самостоятельно сформулировать цели, критерии и принципы управления объектом, если аналог проекта АСУТП или типовые проектные решения отсутствуют. Особые трудности у студентов возникают при формулировании целей и задач автоматизации, а также в определении степени охвата технологических и производственных процессов контуром автоматизации. Все перечисленные проблемы связаны с ограниченным доступом студентов к исследованию реальных технологических процессов.

В Пермском государственном техническом университете подготовкой специалистов в области автоматизированных систем управления технологическими процессами занимается кафедра микропроцессорных средств автоматизации. Современные экономические условия и быстрые темпы развития технических и программных средств автоматизации требуют от выпускников специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» не только теоретических, но и практических навыков. Для решения проблем, описанных выше, предлагается использовать некоторые инновационные подходы при разработке и проведении лабораторных и практических занятий со студентами.

Одним из таких подходов является соз-

дание и внедрение в учебную практику программно-технических тренажных комплексов, направленных, в отличие от распространенных учебных стендов, не только на моделирование реальных объектов, а на имитацию обстановки, в которой происходит принятие проектных решений на основе последовательного ознакомления студентов с задачами обследования технологического процесса (ТП), с выявлением потребности в автоматизации ряда задач, с обоснованием эффекта от автоматизации, с выбором идеи и алгоритмов управления.

Для проведения практических занятий со студентами на кафедре микропроцессорных средств автоматизации разработан лабораторный стенд, являющийся моделью реальной автоматизированной системы управления технологическими процессами. В основе учебной установки заложен процесс транспортировки жидкости в трубопроводе - упрощенная модель технологических процессов водоснабжения на существующих производствах. Лабораторная установка позволяет имитировать трехуровневую иерархическую автоматизированную систему управления (АСУ):

- нижний уровень - измерительные и исполнительные механизмы (датчики, реле уровня, отсечные клапаны, насос);

- средний уровень - системы контроля и управления (программируемый логический контроллер);

- верхний уровень - SCADA - система Trace Mode 6.

Каждая из подсистем АСУТП (нижнего, среднего и верхнего уровней) связана с другими подсистемами физической модели реального технологического объекта информационными связями в соответствии со своей иерархической структурой.

Коротко рассмотрим создание учебного проекта автоматизированной системы управления экспериментальной установкой в SCADA-системе Trace Mode 6 [1].

Системы мониторинга, диспетчерского управления и сбора данных (SCADA -Supervisory Control And Data Acquisition) в настоящее время являются основным и наи-

более перспективным методом автоматизированного управления динамическими системами (процессами) в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. Исходя из того, что технологический процесс экспериментальной установки достаточно простой, то выбор 8САБА обусловлен тем, что система не должна быть чрезмерно сложной в освоении и обладать избыточностью ресурсов. Гибкость системы при создании как простых, так и сложных проектов, простота привязок графических элементов к реальным переменным технологического процесса при помощи аргументов, динамическое получение и передача информации на исполнительные механизмы, невысокие требования к ресурсам компьютера - всё это обеспечивают более легкое освоение студентами 8САБА.

Первым этапом создания проекта в любой 8САБА является создание графических экранов. Для рассматриваемого проекта необходимо изобразить не только технологическую схему экспериментальной установки, но также предусмотреть элементы индикации, управления и визуального наблюдения за ходом технологического процесса.

Созданный графический экран необходимо «оживить» при помощи анимации. Анимация заставляет объект изменять свой вид при изменении значения определенных параметров технологического процесса. В нашем проекте анимация применяется для визуализации процесса протекания воды по трубопроводу, в зависимости от состояния отсечных клапанов и насоса. Кроме этого, уровень воды в баках отображается в соответствии с показаниями, получаемыми с датчиков. Все анимационные эффекты позволяют более наглядно представить технологический процесс и упростить управление системой.

На основе рассматриваемой экспериментальной установки можно моделировать целый ряд реальных технологических процессов. Для разработки алгоритмов управления был выбран технологический процесс, который является упрощенной двухконтурной моделью системы водоснабжения. Вода из

основного резервуара циклически перекачивается по малому контуру обратно в основной резервуар, а по большому контуру поступает в дополнительный резервуар.

Разработка любой АСУТП для более точного и качественного управления требует создания математической модели, на основе которой проводится синтез регуляторов контролируемых технологических параметров. Поэтому для получения оптимальных параметров при синтезе регулятора необходимо знать математическое описание объекта управления, а для этого требуется провести идентификацию объекта управления. Коротко рассмотрим процедуру идентификации объекта управления в рассматриваемой учебной системе водоснабжения.

Для упрощения задачи идентификации объекта управления выполним сначала декомпозицию системы, разбив её на отдельные динамические звенья, и получим математическое описание всех элементов системы в отдельности.

Расчёт передаточных функции динамических звеньев насоса и тиристорного преобразователя частоты ведется с помощью специальной программы, разработанной в пакете математического моделирования МаАаЬ [2], согласно технических и паспортных данных насоса и преобразователя. В результате расчетов получено, что насос и преобразователь частоты описываются следующими передаточными функциями:

W = -

K н

6,283

К т

3,25

W =-

тп (TTn p +1) (0,0072p +1) Передаточную функцию датчика давления упрощенно, пренебрегая временем запаздывания, примем за апериодическое звено первого порядка. Для расчета параметров передаточной функции, воспользуемся паспортными данными на датчик [3], а также снимем при помощи Trace Mode и пакета Excel его передаточную характеристику.

По полученным табличным данным в пакете Excel строим график. Расчет коэффициента Кдат производим, исходя из свойств

линейности характеристики датчика:

к = М д (мА) = 8,69 - 4,65 = 1235 дат АРД (КПа) 3,71 - 0,44 ,

Постоянную времени датчика находим в паспортных данных [3]. Таким образом, датчик давления описывается следующим динамическим звеном:

W = Кдат = 1,235

дат

Определим теперь вид и параметры неизвестной пока передаточной функции системы трубопровода. Для начала введем в рассматриваемую систему ряд ограничений:

- система разомкнутая, нет обратной связи, воздействующей на механизм;

- вода протекает только по малому контуру системы трубопровода и поступает в основной резервуар (клапан подачи воды в основной резервуар открыт, а в дополнительный закрыт).

Вид передаточной функции определим по характеру переходного процесса давления в трубопроводе, при изменении задающего воздействия скачком. Снятие переходной характеристики будем производить при помощи специально разработанного в Trace Mode интерфейса, на основе графических трендов [1].

По снятой в Trace Mode характеристике делаем вывод, что в системе присутствует небольшое перерегулирование, а вид переходного процесса имеет колебательный характер. Рассмотренные выше передаточные функции основных элементов системы имеют вид апериодических звеньев и не могут создавать перерегулирование. Отсюда следует, что такая характеристика может существовать только при наличии в системе колебательного звена, а это значит, что таким звеном описывается система трубопровода

[4]:

Wq6 =

К,

об

Определение параметров передаточной функции системы трубопровода производим в 2 этапа [4]:

- определение коэффициента усиления

(Коб);

- определение постоянной времени (Т) и коэффициента демпфирования.

Для определения коэффициента усиления используем структурную схему разомкнутой системы (рис. 1).

Коэффициент усиления объекта определяется по формуле [4]:

Kоб -

K „,

0,495

Так как полученная характеристика линейная, то:

DIд (мА) _ 8,66 - 4,9

К с

DU З

10 - 2,4

- 0,495

K дат K тп K н

1,235 • 3,25 • 6,283 Для нахождения коэффициента усиления Ксист следует снять передаточную характеристику на выходе разомкнутой системы.

ЗТП

После определения коэффициента усиления объекта, остаётся определить постоянную времени и коэффициент демпфирования передаточной функции трубопровода, кото-= 0,0196рые с помощью формул и технических данных определить достаточно сложно. Поэтому для их определения используем приблизительную методику.

иЗТП K тп и, f K Лнас K об P K K дат 'дат

Рис. 1. Структурная схема разомкнутой системы

Промоделируем разомкнутую систему (рис. 2) с помощью пакета Ма1!аЬ/ 81тиПпк [1]. Зададимся величиной неизвестных параметров передаточной функции объекта управления для первоначального моделирования системы: примем постоянную времени Т=1 с, а коэффициент демпфирования 4=0,5.

В результате первого моделирования, вид переходного процесса не совпадает с реальным переходным процессом, снятым на лабораторном стенде, так как он более «растянут» по времени. Однако, он имеет близкий к реальному переходному процессу вид, поэтому будем подбирать постоянную времени объекта, сохраняя при этом величину коэффициента демпфирования и проводить моделирование системы так, чтобы графики переходных процессов совпали.

В результате нескольких экспериментов с моделью удалось установить, что при Т=0,4 графики смоделированного и реального переходных процессов практически совпадают. Тогда передаточная функция объекта управления принимает вид: = О.0196

Таким образом, решая задачу идентификации объекта управления, были определены параметры всех звеньев рассматриваемой системы. Результаты проведения идентификации планируется использовать в дальнейшем для построения замкнутой системы регулирования давления в учебной системе водоснабжения, на основе которой будут разработан ряд экспериментов по изучению и настройке регуляторов в автоматизированных системах управления.

Специальный проект для проведения идентификации объекта управления лабораторной установки, созданный в SCADA-системе Trace Mode, пакетах Excel и Matlab/Simulink, является учебным пособием для проведения лабораторных работ по изучению основ построения технологических процессов и автоматизированных систем управления.

Данный комплекс рассматривается, в том числе, и как виртуальный тренажер (см. рис. 2) для формирования необходимых знаний, умений и навыков у студентов и инженерно-технического, c возможностью анализа и отладки внедряемых проектов АСУ ТП, позволяющий эффективно осуществлять разработку и отладку программного обеспе-

чения в лабораторных условиях, уменьшить сроки их внедрения. стоимость разработки проектов и сократить

Рис. 2. Структурная схема лабораторно-тренажерного комплекса

Вообще, основная цель данной разработки - это создание оптимальной и устойчивой учебно - организационной, научно - методической, нормативно - административной среды, обеспечивающей поддержку современных подходов к образовательному про-

цессу, ориентированной на интеграцию научно образовательного потенциала вуза с отраслевой промышленностью региона и установление партнерских отношений с потенциальными работодателями выпускников вуза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Электронная справочная система Trace Mode 6.

2. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6 в математике и моделировании.- М.: Солон-Пресс, 2005.

3. Датчик давления Метран-100. Руководство по эксплуатации.

4. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. - СПб.: Профессия, 2003.

В.В. Ахмадиев, В.И. Лукашев

ИННОВАЦИИ И ПРОГРЕСС, ТРЕНАЖЕР-ИСПЫТАТЕЛЬ БУДУЩЕГО

Стратегические направления государственных программ преимущественно формируются в отрыве от реальных инновационных возможностей отраслей и научных коллективов, представленных в них. В настоящее время на исследования и разработки на железнодорожном транспорте России тратится менее 0,6% валового внутреннего от-

раслевого продукта и более чем в 2 раза меньше от полутора процентного (1,5%) размера отраслевых расходов, как это было принято ранее. В то же время в ЕС рекомендуется своим странам к 2010 году достигнуть уровня ассигнования на науку более 3,5% валового внутреннего продукта.

В отрасли пока не созданы понятные и