46
Минимальное время сохранности программ и данных в
энергонезависимой памяти, а также время работы внутренних часов
контроллера (системного таймера), необходимое для продолжения работы
контроллера после возобновления электроснабжения должно составлять не
менее 48 ч [23].
Функции безопасности для контролируемого системой оборудования
должны реализовываться непосредственно через периферийные
устройства, напрямую подключенные через кабельные соединения [23].
Для каждого автоматизируемого в составе системы исполнительного
устройства, агрегата/установки должны быть предусмотрены щиты
индивидуального ручного управления и сигнализации по месту,
выполняющие следующие функции [23]:
индикация текущего состояния контролируемого оборудования,
значения критических параметров;
индикация исправности;
переключение режимов управления (Ручной/Автоматический);
управление (Включение/Выключение, выбор ступеней
управления, задание значения величины для аналогового управления);
подтверждение (квитирование) аварии.
Допускается группирование указанных функций для нескольких
однотипных единиц оборудования в пределах одной функциональной зоны
[23].
Допускается реализация отдельных функций индивидуального
ручного управления и сигнализации через модули ввода/вывода сигналов
[23].
Не допускается отключение функций безопасности через данные
устройства.
Пассивные аналоговые датчики должны удовлетворять следующим
требованиям [22]:
47
в случае использования первичного преобразователя с
сопротивлением до 200 Ом (например, Pt 100, Ni 100), они должны быть
подключены по трех- или четырехпроходной схеме;
в случае использования первичного преобразователя с
сопротивлением свыше 1000 Ом (например, Pt 1000, Ni 1000, термисторы
NTC), может использоваться двухпроводная схема подключения).
Параметры выходных/входных сигналов исполнительных устройств
должны соответствовать требованиям настоящего ТЗ к унифицированным
нормированным сигналам модулей ввода/вывода ПЛК.
Для всех электроприводных устройств должны быть предусмотрены:
подтверждение состояния Включено/Выключено с помощью
сигнала обратной связи на дополнительных контактах защитного или
коммутирующего устройства;
контроль состояния защитного устройства с помощью сигнала
обратной связи через дополнительные контакты.
Для аналоговых позиционирующих устройств сигнал положения
должен определяться по отдельному сигналу положения с привода [22].
Система должна иметь возможность интеграции с другими
автоматизированными системами и оборудованием. Механизм
взаимодействия должен быть реализован на основе открытых
протоколов/технологий: BACnet, LON, OPC, ModBus RTU, Modbus TCP,
PROFIBUS, PROFINET.
Необходимо предусмотреть защиту от несанкционированного
доступа к компонентам системы.
Для уровня автоматического управления все устройства
индивидуального ручного управления и сигнализации по месту (щиты,
шкафы, пульты) должны быть оборудованы замковыми механизмами,
доступ к контроллерным средствам, пультам управления должен быть
закрыт системой паролей [25].
48
Маркировка должна быть однозначно использована в технической
документации и человеко-машинном интерфейсе на станции оператора (на
мнемосхемах, в отчетах, при сигнализации) [22].
Все кабели, относящиеся к системе, должны быть четко и
единообразно промаркированы с обоих концов и соответствовать
кабельным журналам и проектным схемам подключений/соединений [22].
Все контроллеры и периферийные устройства должны быть четко и
надежно промаркированы с указанием адресов точек данных.
В щитах, шкафах, в местах подключения периферийных устройств
на клемных колодках должны быть промаркированы отдельные провода и
клеммы.
Все контрольно-измерительные устройства (датчики) должны иметь
четкие и долговременные обозначения, совпадающие с обозначениями в
исполнительной документации. Датчики должны быть легко доступны для
технического обслуживания. Датчики, установленные вне помещений,
должны иметь соответствующее исполнение [22].
Контроллерные устройства, модули ввода-вывода, коммутационно-
релейное слаботочное оборудование должно устанавливаться в отдельных
секциях управления, размещенных в одном конструктиве с комплектными
распределительными устройствами. Допускается выносное исполнение
секций управления в виде отдельных щитков в случае необходимости [20].
Для устанавливаемых в шкафах автоматики контроллеров
интерфейсы входов/выходов, модули сопряжения и разъемы необходимо
монтировать так, чтобы они были легко доступны для обслуживания.
Электропитание контроллеров, а также слаботочных модулей
ввода/вывода, коммуникационных устройств должно быть выполнено от
источников бесперебойного питания (ИБП): центральной сети
бесперебойного питания либо от установленного по месту
непосредственно в шкаф управления. ИБП должны быть подключены по 1-
49
ой категории электроснабжения. Параметры ИБП должны обеспечивать
работу в аккумуляторном режиме со временем, достаточным для
безопасного отключения ПЛК при сбоях рабочего электроснабжения.
2.3. Расчет коэффициентов ПИД-регуляторов
Схема теплообменника представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема теплообменника
На рисунке 4 обозначено:
Gк.в – расход котловой воды на теплообменник;
G1 – расход теплоносителя через теплообменник;
G2 – расход теплоносителя с теплообменника, перепускаемый
повторно трехходовым клапаном на теплообменник;
Gко
– расход воды контура отопления через теплообменник.
Gдр. – расход котловой воды на другие нужды;
t
к.в
– температура теплоносителя, (котловой воды);
t
вых.т
– температура теплоносителя (котловой воды) на выходе
теплообменника;
50
t
вх.т.
– температура теплоносителя (смешанная t
к.в
и
t
вых.т
) на входе
теплообменника;
t
к.о вх
и t
к.о вых
– температура контура отопления на входе и выходе
теплообменника;
С
В.
– удельная теплоемкость воды.
Горячая вода с котлового контура с предполагаемой температурой
t
к.в. вх
подается через трехходовой клапан на теплообменники, для нагрева
воды контура отопления, используемой потребителем. Расход воды
контура отопления проходящей через теплообменник G
к.о
. принимается
неизменным.
В схеме применяется трехходовой клапан типа смеситель (два входа,
один выход). На одном входе – нагретая вода с котлового контура, на
другом входе вода на выходе с теплообменника, перепускаемая повторно
на теплообменник. На выходе клапана – смешанная вода с котлового
контура и вода с выхода теплообменника, которая поступает на вход
теплообменника. Так как в этой схеме имеется перепуск теплоносителя с
выхода теплообменника через клапан снова на теплообменник, то расход
теплоносителя через теплообменник равен сумме расхода котловой воды и
расходу теплоносителя с теплообменника, перепускаемым повторно [13].
кв
(19)
Тепловой баланс теплообменника:
кв
ко
(20)
где
кв
Q
- количество тепла, отдаваемое теплоносителем в теплообменнике;
ко
Q
- количество тепла, получаемое контуром отопления в теплообменнике.
кв
В
????
вхт
выхт
????
(21)
где
T
- кпд теплообменника. Тогда:
ко
ко
С
В
????
ковых
ковх
????
(22)
В
????
вхт
выхт
????
ко
С
В
????
ковых
ковх
????
(23)
51
Раскроем уравнение (23):
В
????
вхт
выхт
????
ко
С
В
ковых
ко
С
В
ковх
(24)
ко
С
В
ковых
В
????
вхт
выхт
????
ко
С
В
ковх
(25)
Из полученного выражения (25) определим расчетное значение
температуры воды контура отопления [12]:
ковых
В
????
вхт
выхт
????
ко
С
В
ковх
ко
С
В
(26)
Таким образом, из полученного уравнения следует, что чем выше
расход теплоносителя через теплообменник (G
1
), и чем выше температура
на входе в теплообменник (t
вх.т.
)
тем выше температура контура отопления
на выходе из теплообменника (t
к.о вых
). А так как t
вх.т.
температура
теплоносителя на входе теплообменника является результатом смешения
двух потоков t
к.в
и
t
вых.т
то [12]:
вхт
кв
кв
выхт
кв
(27)
кв
(28)
Поскольку температура с котлового контура является постоянной, из
полученных уравнений следует, что чем выше расход котловой воды (G
к.в
),
тем выше температура на входе теплообменника (t
вх.т.
)
и больше расход
теплоносителя через теплообменник (G
1
),
а отсюда выше температура
теплоносителя контура отопления на выходе теплообменника (t
к.о вых
) [12].
Регулируемым параметром является температура воды в контуре
отопления после теплообменниак (температура прямой воды контура
отопления – Θ
п.в.ко
). Диапазон поддержания параметра 40 – 95
0
С.
Возмущающими воздействиями на параметр являются [17]:
- температура воды котлового контура (Θ
в.к.к
),
- температура обратной воды контура отопления (Θ
о.в.к.о
),
Управляющим воздействием является расход котловой воды через
теплообменник (Gк.в). Структурная схема математической модели
теплообменника представлена на рисунке 5 [17].
52
Рисунок 5 - Структурная схема математической модели
теплообменника.
Расход котловой воды через теплообменник изменяется
трёхходовым клапаном, установленным перед теплообменником, для ее
перераспределения между теплообменником и перепуском в обратную
линию на котел. Таким образом обеспечивается заданная температура
контура отопления в зависимости от требуемой тепловой мощности и
температуры наружного воздуха по заранее заданной отопительной
кривой. В противоточном пластинчатом теплообменнике поверхностного
типа происходит передача тепла от более нагретого тела – котловой
воды, к менее нагретому телу – воде отопительного контура. Пройдя
теплообменник, нагретая вода отопительного контура поступает к
потребителю [17].
Передаточная функция по каналу: степень открытия трехходового
клапана – температура теплофикационной воды на выходе контура
отопления:
????
????
(29)
53
Основное назначение регулятора – формирование управляющего
сигнала Y, задающего управляющее воздействие и направленного на
уменьшение рассогласования E (отклонения текущего значения
регулируемой величины Р
ИЗМ
от заданного значения уставки Р
УСТ
) [20].
В операторной форме управляющее воздействие ПИД-регулятора
определяется следующим образом:
????
П
И
Д
????
(30)
где Y – управляющее воздействие регулятора;
E – величина рассогласования равная P
УСТ
- P
ИЗМ
;
K
П
– коэффициент усиления пропорциональной части (П) регулятора;
T
И
– постоянная времени интегральной части (И) регулятора;
T
Д
– постоянная времени дифференциальной части (Д) регулятора.
На практике, при работе цифровых регуляторов используются
разностные формулы, позволяющие работать не с непрерывным во
времени сигналом, а с квантованным. С учетом сказанного управляющий
сигнал на выходе цифрового ПИД-регулятора, реализованного
посредством одноименного блока контроллера, определится следующим
образом [20]:
????
П
И
Д
????
(31)
где Δt – квант времени;
i – номера шага расчета;
n – количество шагов расчета.
Как видно из формул, составляющие части ПИД-регулятора
обеспечивают выработку управляющего воздействия, направленного на
уменьшения ошибки и пропорционального следующим параметрам
рассогласования:
пропорциональная – величине;
интегральная – величине и длительности;
54
дифференциальная – величине и скорости изменения.
На рисунке 6 показаны переходные процессы для ПИ и ПИД
регуляторов, рассчитанных методом оптимального модуля и методом
апериодической устойчивости [20].
Рисунок 6 - Переходные процессы для ПИ и ПИД регуляторов
Из графика переходных процессов (рисунок 6) можно сделать вывод
о том, что ПИД-регулятор, рассчитанный методом апериодической
устойчивости является предпочтительнее ПИ-регулятор, рассчитанный
методом оптимального модуля оказался более быстродействующий, но с
незначительным перерегулированием. По возмущающему воздействию и
для ПИ, и для ПИД регулятора лучшим является метод оптимального
модуля. Как показывает практика, выбирать метод настройки нужно в
зависимости от конкретного производства, учитывая при этом
характеристики переходного процесса [20].
Расчет САУ производим в программе AsimLin. В программе нет
возможности указать постоянную времени датчика, но в программе
имеется передаточная функция объекта эквивалентная в нашем случае
передаточным функциям объекта и датчика вместе. Исходные данные:
=
(32)
55
где B
1
=T
об.
+Тд.=60+5=65, B
2
=T
об.
*Тд.=60*5=300, К
об
= 0,44 ????
С
о
????, τ
об
= 180
[с], К
д
= 0,133 ????
мА
С
о
????, W
ро
(Р) = К
ро
= 1, входит в объект W
им
(Р) = К
им
= 1, так
как ИМ – электропривод с постоянной скоростью вращения, управляемый
кратковременными сигналами. Передаточная функция исполнительного
механизма объединяется совместно с ПИ-контроллером. Дискретность
работы системы = 30 (с)
2.3.1 Расчет области устойчивости
Область устойчивости в плоскости K1 и K2 определяется
следующим образом:
Апериодическая граница задается в виде неравенства K1>K2.
Колебательная граница задается в виде таблицы значений.
Результаты расчета значений K1 и K2 приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Результаты расчета значений К1 и К2
К1
К2
1,62098
-1,70818
4,11363
0,49704
6,57906
2,73526
8,976
4,97845
11,2638
7,19828
13,4031
9,36639
15,35637
11,45474
17,08851
13,43591
18,56739
15,28342
19,76439
16,97201
20,65481
18,47796
21,21832
19,77936
21,43929
20,85634
21,30709
21,69138