44
данных – как в реляционные базы данных верхнего уровня, так и в базы данных
реального времени; рисование трендов с богатыми возможностями; вывод
отчётов установленной формы и т.п. Однако все такие программы обладают
таким необходимым уровнем. В мире написано около двух десятков
программных пакетов от разных фирм для управления технологическим
процессом.
Если объем автоматизации достаточно велик, нужно выбирать уже не
отдельные части, а готовую систему, которую придётся только
конфигурировать. Однако выбор системы управления ещё более сложная задача,
поскольку в финансовом отношении разница между покупкой разрозненных
продуктов от разных поставщиков и единой системы от одного поставщика
может разниться на разы, а иногда и на порядки. Однако зачастую покупка
интегрированной (в смысле покупки у одного генерального поставщика)
системы более рентабельна по причине постоянной технической поддержки
производителем, сертификации всей системы в целом, гарантии на всю систему,
а не на отдельные части. Кроме того, при покупке системы в обязательном
порядке производится обучение технического персонала, что в свою очередь
приводит к тому, что система работает более эффективно и устойчиво.
Для решения задачи выбора системы управления проведено широкое
исследование рынка современных систем промышленной автоматики, проведён
сравнительный анализ среди ведущих фирм по автоматизации [18].
При проведении анализа были рассмотрены технико-экономические
предложения семи ведущих фирм производителей РСУ [14]. В тендере приняли
участие следующие фирмы: Emerson, Honeywell, Invensys, Rockwell Automation,
Siemens, Schneider Electric, Yokogawa.
По итогам анализа выбрана система управления МФК1500 фирмы
TECON.
2.2.1 Разработка и описание функциональной схемы объекта
автоматизации
После анализа технологического процесса устанавливаются следующие
параметры контроля, регулирования, сигнализации, блокировки (таблицы 6,7, 8).
45
Таблица 7 - Параметры контроля
№ п/п
Наименование параметра
Предельное
значение
параметра
1
2
3
1
Температура воздух в установку
50
0
С
2
Уровень в основной колонне АП 304
8 кПа
3
Уровень в колонне технического кислорода АП 309
11 кПа
4
Давление воздуха на входе в БКО
60 кПа
5
Расход воздуха в основной теплообменник АП301
24000
н
6
Температура регенерирующего газа
285
0
С
7
Перепад давления в основной колонне АП304
9 кПа
8
Давление в колонне АП309
70 кПа
9
Температура отбросного газа в теплообменник АП301
-182
0
С
10
Температура жидкого азота из теплообменника АП312
-178
0
С
11
Температура чистого азота в теплообменник АП301
-178
0
С
12
Температура чистого азота потребителю
20
0
С
13
Давление чистого азота потребителю
50 кПа
14
Температура газа в турбодетандеры (Т/Д411, Т/Д421)
-175
0
С
15
Температура газа из турбодетандеров (Т/Д411, Т/Д421)
-186
0
С
16
Расход газа из турбодетандеров (Т/Д411, Т/Д421)
14000
н
17
Давление отбросного газа на регенерацию
15 кПа
18
Температура отбросного газ на регенерацию
20
0
С
19
Температура масла в редуктор агрегата турбодетандера
ТД411
65
0
С
20
Давление азота в лабиринтные уплотнения ТД411
50 кПа
21
Давление азот в полости проставки ТД411
18 кПа
23
Давление азота в лабиринтные уплотнения ТД421
50 кПа
24
Температура масла в редуктор агрегата турбодетандера
ТД421
65
0
С
Таблица 7 - Параметры блокировки
№ п/п
Наименование параметра
Блокировка
мин
макс
1
2
3
4
1
Концентрация чистого азота потребителю
5 ppm
-
2
Давление масла в редуктор ТД411
1МПа
3
Давление масла в редуктор ТД421
1МПа
Таблица 8 - Параметры сигнализации
№ п/п
Наименование параметра
Предельное
значение
параметра
Сигнализация
мин
макс
1
2
3
4
5
1
Давление воздух в установку
0,6 МПа
0,55 МПа
46
Продолжение таблицы 8
1
2
3
4
5
2
Уровень конденсата в
влагоотделителе АП101
1400 мм
1400 мм
3
Уровень основной колонны
АП304
5 кПа
5 кПа
4
Уровень основном конденсаторе
АП305
27 кПа
23 кПа
27 кПа
5
Температура отбросного газа в
теплообменник АП301
-182
0
С
-178
0
С
6
Давление в основном
конденсаторе АП305
190 кПа
170 кПа
190 кПа
7
Температура чистого азота в
теплообменник АП301
5,5 ppm
5 ppm
5,5 ppm
8
Температура газа в
турбодетандеры (Т/Д411, Т/Д421)
-175
0
С
170
0
С
9
Давление масла в редуктор ТД411
(ТД421)
0,15 МПа
0,1 МПа
11
Температура масла в редуктор
агрегата турбодетандера ТД411
(ТД421)
65
0
С
65
0
С
13
Уровень в конденсаторе колонны
технического кислорода АП309
12 кПа
12 кПа
15
Давление в колонне технического
кислорода АП309
48 кПа
48 кПа
16
Расход кислорода
60
40
н
17
Температура паров жидкости из
конденсатора в АП 301
-182
0
С
-178
0
С
Система автоматизации уровня в колонне АП309 включает
одноконтурную АСР, которая стабилизирует уровень на заданном значении
расходом. Эта система автоматизации удовлетворяет всем требованиям.
2.2.2 Описание плана трасс
Чертежи плана трасс являются проектным документом, на основе
которого производятся монтажные работы в части установки щитов,
соединительных коробок, приборов и других средств автоматизации, а также
прокладки электрических и трубных проводок (приложение В). Эти чертежи
предназначены для указания координат установки оборудования.
На плане трасс показаны: контуры зданий объекта и промышленной
площадки, с указанием планировочных отметок, а также обозначение осей и
рядов строительных колонн; расположение технологического оборудования и
47
проводок; места установки первичных приборов, расположенных на
технологическом оборудовании и трубопроводах; символы приборов,
регуляторов и других средств автоматизации; изображение соединительных
коробок, шкафов, пультов; изображение электрических и трубных проводок и
конструкций, на которых они прокладываются.
2.2.3 Описание схемы подключения модулей УСО
На схеме подключения модулей искробезопасности МФК1500 с помощью
условных графических изображений показаны: общий вид шкафа модулей
искробезопасности RittalPS 4000, схема подключения датчиков к модулю
искробезопасности. Данная схема разрабатывается на основе функциональной
схемы автоматизации и схемы внешних проводок. Модули расположены на
объединительных платах. На каждую плату подводится питание 24 В от блоков
питания. Предусмотрено резервирование блока питания. Питание шкафа
барьеров осуществляется с помощью источника бесперебойного питания[16].
Для удобства монтажа разрабатывается диаграмма контуров управления.
На данной схеме показаны контуры управления. От датчика сигнал по кабелю
доводится до соединительной коробки. От коробки сигнал по кабелю поступает
в шкаф контроллера, откуда сигнал поступает в модуль ввода и далее в систему
управления. В системе управления показано по какому закону вырабатывается
управляющее воздействие. Из системы управления управляющее воздействие
через модуль вывода, соединительную коробку поступает на исполнительный
механизм.
Приходим к выводу, что исследуемая структура включает такие
особенности, как температурный режим, высокая химическая активность среды,
повышенная взрывопожароопасность технологического процесса. Эти
требования предполагают выбор искробезопасной, надёжной и высокоточной
системы КИП, как датчики Метран, которые обеспечивают непрерывное
преобразование измеряемых величин избыточного/абсолютного давления.
При выборе микропроцессорных систем остановились на МФК1500,
который позволяет резервировать все компоненты системы - контроллеры,
блоки питания, сеть управления, платы ввода-вывода.
48
Для решения задач используем ЭВМ на основе современного процессора
Intel модели Core i5, оснащённая двумя мониторами и видеокартой с
поддержкой двухмониторного режима, которая имеет большой выбор
программного и аппаратного обеспечения, с высоким быстродействием и имеет
относительно невысокую стоимость.
Системы MES позволяют оптимизировать производство и сделать его
более рентабельным, повышая эффективность производственных процессов [39].
Система SCADA позволяет, не программируя создавать систему контроля,
сбора данных и оперативное диспетчерское управление и визуализацию данных
конечному пользователю.
49
Глава 3. Разработка законов регулирования уровня кубовой
жидкости в колонне технического кислорода АП309
IN
OUT
АП309
ДР302
LТ
38-1
Рисунок 3- Цифровая САР уровня
Объектом регулирования является колонна технического кислорода
АП309, в которой поддерживается заданное значение уровня (рисунок 3).
Регулирующее воздействие вносится изменением расхода кубовой жидкости,
подаваемой в колонну. Объект подвержен воздействию возмущений в виде
отклонений расхода поступающего на разделение сырья, отклонения
температуры кубовой жидкости в колонне технического кислорода АП309. Они
вызывают отклонение уровня кубовой жидкости от заданного значения.
Требуется разработать законы регулирования уровня кубовой жидкости в
колонне технического кислорода АП309, обеспечивающие время регулирования
не более 100с и перерегулирование не более 35%.
Передаточная функция объекта управления описывается апериодическим
звеном первого порядка с запаздыванием: [13]
2
1,2
îá
1
7,0
p)(W
p
e
p
(1)
Кривая переходного процесса для
p)(W
об
представлена на рисунке 4.
50
35
36
37
38
39
0 2 4 6 8 10 12 14 16
40
42
41
у, t
t,мин
Рисунок 4 – Переходная характеристика передаточной функции W
об
(p)
3.1 Структурная схема контура
При построении систем автоматического регулирования
технологическими процессами весьма часто оказывается, что контур управления
обладает чистым запаздыванием. Аналогично, как и при построении линейных
систем без запаздывания, задача синтеза управляющего устройства заключается
в выборе соответствующих коэффициентов воздействия по координате
ошибки[5].
Структурная схема контура (аналоговая):
Рисунок 5 - Структурная схема контура (аналоговая)
Передаточные функции аналоговых регуляторов:
1П
CpW
;
(2)
p
C
CpW
0
1ПИ
;
(3)
W
рег
(p)
W
об
(p)
y
y
0
u
51
pC
p
C
CpW
2
0
1ПИД
.
(4)
Передаточные функции клапана и измерительного преобразователя
отнесены к передаточной функции объекта.
Структурная схема контура (цифровая):
Классические методы синтеза позволяют построить непрерывный
регулятор, который описывается передаточной функцией или соответствующим
дифференциальным уравнением. Для непосредственной реализации такого
регулятора можно использовать различные аналоговые элементы, в том числе и
электронные.
В современной системе управления закон регулирования чаще всего
реализуют с помощью бортового цифрового компьютера или микроконтроллера.
В этом случае:
– отсутствует дрейф параметров элементов регулятора, т.е. их изменение
со временем, при изменении давления, температуры;
– компьютер даёт возможность реализации довольно таки сложных
алгоритмов управления, в том числе и адаптивные, что крайне трудно сделать на
базе аналоговой техники;
– для перестройки алгоритма управления не требуется менять аппаратуру,
а надо просто заменить программу обработки данных.
Цифровые вычислительные устройства представляют собой элементы
дискретного действия. Они периодически выполняют измерения входного
сигнала и расчёт нового управляющего воздействия. Период, через который эти
операции повторяются, называется интервалом квантования и обозначается
через T.
Цифровые компьютеры не дают возможность реализацию на
управляющее устройство, напрямую, описываемое дифференциальным
уравнением в непрерывном времени. Задача переоборудования состоит в замене
спроектированного непрерывного регулятора цифровым устройством, сохраняя
все существенные свойства непрерывной системы, такие как устойчивость,
качество, подавление постоянных возмущений (рисунок 6).
52
Рисунок 6 - Структурная схема контура (цифровая)
W(z) – дискретная передаточная функция цифрового фильтра, который
преобразует дискретную последовательность
k
в управляющую
последовательность u [k]. Свойства этого фильтра определяют закон управления;
W
Ф
(p) – передаточная функция фиксатора нулевого порядка, который
удерживает постоянное значение u[t] в течение очередного интервала
квантования. Роль АЦП выполняют ключи.
Фиксатор нулевого порядка восстанавливает сигнал по правилу:
u[kT + ε] = u[k],
T
0
(5)
где ε – так называемое локальное время, прошедшее с момента последнего
срабатывания импульсного элемента.
Рисунок 7 - Фиксатор нулевого порядка
Предположим, что дискретная последовательность получена в результате
квантования некоторого непрерывного сигнала. Восстановленный сигнал будет
представлять собой «ступеньки», высота которых совпадает с истинным
значением сигнала в начале интервала (рисунок 7). Если провести линию через
середины этих «ступенек», получается сигнал, смещённый относительно
исходного на T/2. Поэтому говорят, что последовательно применённые операции
квантования и восстановления сигнала с помощью фиксатора нулевого порядка
приводят к его запаздыванию на половину периода [40].
Передаточные функции цифровых регуляторов:
1П
z CW
(6)
1
01ПИ
z
z
TCCzW
(7)
W(z)
W
об
(p)
W
Ф
(p)
y
[k]
[k]
y
(t)
y
0
(t)
y
[k]
u
[k]
u
[t]
y
(t)
53
z
z
T
C
z
z
TCCzW
1
1
2
01ПИД
(8)
p
e
pW
pT
1
Ф
(9)
Все имеющиеся регуляторы будем переоборудовать с помощью
преобразования Тастина (интегрирования методом трапеций), которое является
наиболее точным из этих методов. В системе Matlab для этого можно
использовать функцию c2d из пакета Control Toolbox [6]:
>>Dpd = c2d (Cpd, T, ‘tustin’)
(10)
где Cpd – модель (например, передаточная функция) непрерывного
регулятора; T – интервал квантования.
При изучении условий устойчивости замкнутой системы по критерию
Найквиста было отмечено, что, если АФХ устойчивой разомкнутой системы
проходит через критическую точку (-1; i0), то замкнутая система находится на
границе устойчивости. В качестве границы устойчивости выступает мнимая ось
комплексной плоскости корней характеристического уравнения. Введение
степени колебательности m для получения РАФХ означает введение новой
границы устойчивости вместо мнимой оси лучи AOB (рисунок 8).
Рисунок 8 - Иллюстрация к понятию метода РАФХ
Тогда по аналогии с критерием Найквиста можно сформулировать
условия, при которых замкнутая система будет обладать заданной степенью
колебательности m*.
Если разомкнутая система имеет степень колебательности не ниже
заданного значения m*, то замкнутая система обладает заданной степенью
колебательности m*, если РАФХ разомкнутой системы проходит через
критическую точку (-1; i0); если РАФХ разомкнутой системы не охватывает
критическую точку (-1; i0), то замкнутая система имеет степень колебательности
выше заданного значения m*.
i
V
a
rctg m
U
0
A
B