Автоматизированная система управления автоматическим пуском и остановом паровой турбины на базе ПЛК ОВЕН

Для контроля и поддержания требуемого уровня давления в трубопроводе, следует управлять текущим положением заслонки регулирования. Для этого необходимо определить тип переходного процесса изменения давления. Для этого следует синтезировать схему системы регулирования. Данная схема представлена на рисунке 3.1:






Рисунок 3.5 – Структурная схема объекта управления

Основной задачей проектируемой системы управления контуром поддержание требуемого уровня давления в трубопроводах НПС. Работа станции выполняется при заданном давлении (скорости) потока или заданном диапазоне изменения входной величины (давления или скорости).
Данный контур управления состоит из следующих элементов: регулятор, исполнительный механизм (заслонка с приводом), объект управления (установка), измеритель давления (скорости) потока, обратная отрицательная связь, задатчик давления (скорости) на входе СУ.

ПЛК – программируемый логический контроллер; ИП – измерительный преобразователь.
ИП представляет собой датчик давления.
В качестве датчиков давления в данном проекте используются преобразователи Элемер-АИР-30, передаточную функцию которого, для приближенного расчета, можно представить в виде инерционного звена:

где: kИП – коэффициент усиления ИП, примем равным 1.
ТИП – постоянная времени измерительного преобразователя.
Значение ТИП определим технических параметров преобразователя Элемер-АИР-30:
Время задержки измерения давления которое определяет продолжительность переходного процесса не превышает . За это время значение сигнала на выходе инерционного звена будет равно выходному значению.
Постоянная времени данного инерционного звена может быть определена в размере ;[12]
Таким образом, суммарная длительность задержки для данного датчика составит:

Коэффициент преобразования kдд вычислим, на основании данных о минимальном и максимальном давлениях:
минимальному давлению Рmin = 0,1 МПа (0,1·106 Па) соответствует выходной сигнал датчика Ymin = 4 мA (0,004 А), а максимальному – Рmax = 6 МПа (6·106 Па) соответствует выходной сигнал датчика Ymax = 20 мA (0,02 А).
Тогда коэффициент может быть определен следующим образом:

Определим передаточную функцию для полученного измерительного преобразователя, при учете, что суммарное время преобразования составляет 0,45 с:

Заслонка регулирования может быть представлена аналогичным колебательным звеном с передаточной функцией вида:

где: – коэффициент усиления заслонки;
, – постоянная времени заслонки. Примем для данного элемента звено с постоянными времени с; и .,
Коэффициент усиления заслонки kЗ, определим, исходя из условий, что минимальному сигналу Umin = 4 мA (0,004 А) на входе позиционера соответствует давление среды на выходе клапана , а максимальному – , соответствует давление .:
.
Тогда, подставляя в формулу конкретные значения, получаем

Звено промышленного логического контроллера можно представить в следующем виде:
,
где неизвестными параметрами, определяемыми в результате настройки регулятора, являются:
, .
Функциональная схема САР контура управления имеет вид (рисунок 3.2)

Рисунок 3.6 - Функциональная схема управления давлением

После соответствующих структурных преобразований схема примет следующий вид(Рисунок 3.7)

Рисунок 3.7 - Структурная схема после преобразования

Для определения характера переходного процесса и выбора коэффициентов усиления регулятора для исследуемого объекта, воспользуемся программой MathLAB Simulink
Представим исследуемую САР в виде совокупности типовых звеньев:

Рисунок 3.8 – Модель исследуемой системы в MathLAB

Снижая отрицательные моменты от влияния колебательной характеристики заслонки на качество управления системы регулирования, выберем параметры заслонки, равные параметрам двигателя
; .
Принимаем коэффициент усиления интегрального канала регулятора равным Kи =1 , и соответственно остальные коэфициенты: Kп = 0,45; Kд = 0,0784. График переходного процесса с данными параметрами представлен на рисунке 3.5.

Рисунок 3.9 – График переходного процесса исследуемой САР

Из представленного на рисунке 3.9 графика можно сделать следующие выводы:
Исследуемый объект устойчив, так как переходный – сходящийся;
Характер переходного процесса – апериодический;
Длительность переходного процесса составляет 0.49 сек.

Логарифмические частотные характеристики L1(() и (1(() исследуемой модели при исходных настройках регулятора показаны на рисунке 3.6.

Рисунок 3.10 – Логарифмические частотные исследуемой модели при исходных настройках регулятора


Рисунок 3.11 - АФЧХ элемента
По данному графику на рисунке 3.11 можно сделать вывод, что:
поскольку частота среза меньше частоты фазового сдвига, т.е. ωс<ωπ, то система устойчива по критерию Найквиста;
частота среза ωс лежит на участке с наклоном -20 дБ/дек;
запас устойчивости системы по фазе φз = 92(;
Таким образом, считаем, что система удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к устойчивости и быстродействию.

Однако, для того, чтобы добиться получения оптимальной характеристики целесообразно использовать окно response optimization, которое представлено на рисунке 3.8. Задавая в настройках регулируемые параметры, в данном случае это характеристики ПИД –регулятора, появляется возможность получить оптимальную характеристику системы при заданных условиях.
В ходе выполнения оптимизации программа строит графики при различных параметрах. Итоговый график представлен голубым цветом. После выполнения оптимизации можно ознакомиться с полученными значениями ПИД-регулятора.

Рисунок 3.12 – Результирующие значения параметров ПИД -регулятора


Рисунок 3.12 – Работа программы Response Optimization


Рисунок 3.13 – Полученный после оптимизации график работы системы

Статическая ошибка, в случае использования ПИД-регулятора, равна 0. Перерегулирование, не превышает 5%, время регулирование – 0.21с, время установления – 0.32с.
Таким образом, можно говорить о достаточном качестве данной системы управления

3.4 Архитектура системы управления

Верхний уровень включает в себя: ПЛК, коммутационный модуль, станции распределенного ввода - вывода.
Система автоматизации организована на базе технических средств и содержит следующие компоненты:
Нижний уровень, реализован базе станций управления (СУ);
Верхний уровень, реализован на базе операторской станции;
Сеть управления, реализована на базе резервированной сети.
Технические средства нижнего уровня.
Станции управления обеспечивают реализацию следующих функций:
Сбор и обработку информации, поступающей от аналоговых и дискретных датчиков объекта управления, диагностику каналов ввода;
реализацию алгоритмов логического управления и регулирования;
выдачу управляющих воздействий на дискретные и пропорциональные исполнительные механизмы, диагностику выходных каналов, диагностику работоспособности линий связи, функционирование программ управления;
реализация алгоритмов автоматической защиты и блокировки технологического оборудования.
Технические средства верхнего уровня.
Верхний уровень системы строится на основе операторской станции.
Операторская станция включает в себя основные функции:
Отображение информации о состоянии объекта управления.
Сигнализацию о нарушениях технологического процесса, аварийных ситуациях.
Настройку коэффициентов регуляторов, параметров работы исполнительных механизмов;
Отображение данных по накапливаемым параметрам;
Формирование журнала действий оператора;
Выдачу заданий на регуляторы и исполнительные механизмы;
Обеспечение развитой системы безопасности.
Сеть управления системы функционирует на основе резервированной локальной сети, обеспечивает обмен информацией со скоростью 10 Мбит/с. и реализуется на базе коаксиального кабеля.

3.5 Алгоритм программной части

Под алгоритмом управления понимается описание процедуры обработки информации о наблюдаемые переменные состояния с целью определения управляющих воздействий, реализуемых для получения требуемых показателей управляемого процесса как в установившемся, так и в переходном режиме.
В данной работе разработаны следующие алгоритмы АС:
алгоритм пуска/останова технологического оборудования,
алгоритм сбора данных измерений,
алгоритм автоматического регулирования технологическим параметром.

Рисунок 3.12 – Блок схема работы САУ

При подаче питания контроллер инициализирует порты ввода-вывода, переводя их в высокоимпедансное состояние, производит настройку и запуск таймера. Таймер отсчитывает время между выборками. При переполнении таймера генерируется запрос на прерывание и происходит запуск управления блоком.
Алгоритм сбора данных с аналоговых и цифровых датчиков представлен на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 – Алгоритм сбора данных измерений

После запуска таймера, ПЛК производит инициализацию подключенных модулей. Далее, контроллер находится в цикле ожидания таймера. Далее происходят измерение заданных параметров, а также передача полученных данных по сети. После сохранения измеренных значений происходит возврат в основную подпрограмму. На рисунке 4.5 представлена блок-схема подпрограммы работы с сетью.

Рисунок 3.14 – Блок схема подпрограммы приема данных

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одним из путей повышения эффективности технологических систем является комплексная автоматизация и механизация производства, то есть создание и внедрение таких средств и технических систем, которые позволяют выполнять производственные функции либо без участия человека, либо с ограниченным участием в уровень механизации. работы, управления и принятия решений. производство.
Необходимость коренных преобразований в производстве на современном этапе определяется высоким научно-техническим прогрессом в мире, социальными потребностями общества, важнейшей из которых является не столько увеличение количества, сколько ассортимента и качества производимой продукции. продукты. продукции всех отраслей промышленности, в том числе целлюлозно-бумажной. Таким образом, на современном этапе неизбежно будет преобладать тип массового производства, гибкость и эффективность которого зависят от комплексной автоматизации сквозного процесса проектирования, технологической готовности предприятия и фактического производства.
В результате выполнения данного проекта была разработана АСУ технологического процесса управления автоматическим пуском и остановом паровой турбины.
В ходе реализации проекта были проведены следующие мероприятия:
Проведен анализ объекта автоматизации, определены возможности автоматизации и составлено техническое задание на проект.
На основе проведенного анализа и конфигурации ТЗ разработана блок-схема системы, а также структура отдельных блоков системы.
Установлен алгоритм работы программы управления системой.
Для решения задачи использовались современные программируемые логические контроллеры. В документе проанализированы самые популярные автоматы разных производителей, проанализированы их достоинства и недостатки, разработаны схемы и дизайн.
Система автоматизации обеспечивает эффективный контроль и управление технологической установкой, предотвращает аварийные ситуации на предприятии, снижает затраты ручного труда, создает условия для эффективного технического и информационного взаимодействия с высшим уровнем управления и обеспечивает высшие системы управления достоверной и оперативной информацией.
Автоматическая проверка состояния технологического процесса, предупредительная сигнализация при выходе технологических показателей за установленные пределы – после обработки полученной информации контроллер отслеживает все отклонения в технологическом процессе и передает данные в SCADA-систему.
Автоматическая обработка и хранение поступающих технических данных, расчет, усреднение удельных показателей - все технологические показатели сохраняются в виде трендов на операторской станции. Продолжительность хранения информации зависит от многих показателей и определяется местом, выделенным на магнитном диске; когда пространство заполнено, самые старые данные перезаписываются.
Данная система автоматизации разработана в соответствии с техническим заданием и полностью отвечает исходным требованиям.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Алексеев Г.В., Бриденко И.И., Головацкий В.А., Кузьмина И.А. Компьютерные технологии при проектировании и эксплуатации технологического оборудования: Учебное пособие – 4-е издание, исправленное и дополненное. – СПб.: «ГИОРД», 2018. – 256 с.
Амлинский, Л.З. Справочник проектировщика АСУ ТП. / Амлинский, Л.З., Смилянский Г.Л., Баранов В.Я. и др. -М.: Машиностроение, 2008. -527с.
Арбузов В.М., Петрунин С.Ю., Кашин Д.А. Автоматизация технологических процессов котельных агрегатов: Учебное пособие для вузов. – М.: ООО «Недра», 2018. – 105 с.
Воробьёв С.А., Кузнецов А.А., Силантьев С.Ю., Ефимов В.Н. Моделирование систем управления. – М.: «Энерго», 2017. – 186 с.
Гайфулин Т.А., Костомаров Д.С. Анализ современных систем мониторинга. Известия ТулГУ. Технические науки. - 2013. - №9. Ч.2. - С. 51-55.
Громаков Е.И. Автоматизация нефтегазовыми технологическими процессами: Учебно-методическое пособие. – Томск: Издательство Томского политехнического университета (ТПУ), 2018. – 368 с.
Евгеньев Г.Б., Евгеньева О.Г., Орешин В.С. Основы автоматизации технологических процессов и производств: Учебное пособие, в двух томах. – Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. – 316 с.
Жмудь В.А. Моделирование, исследование и оптимизация замкнутых систем автоматического управления: Монография. – Новосибирск: Издательство НГТУ, 2016. – 335 с.
Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие – 3-е издание, стереотипное. – М.: Издательский дом «Альянс», 2018. – 464 с.
Кондратьева В.П., Криворотов В.В., Кондюкова А.С., Шершнева Е.Г., Жирухин Г.И., Домникова Л.В. и другие. Экономика пищевой промышленности на предприятиях: Учебное пособие для вузов. – М.: Издательство «Всё для обучения», 2020. – 461 с.
Коновалов Б.И., Лебедев Ю.М., Семёнов В.В., Силяева А.А., Идрисова Л.Л. и другие. Теория автоматического управления: Учебное пособие – 4-е издание, переработанное. – СПб.: Издательство «Лань», 2016. – 220 с.
Кукин П.П., Лапин В.Л., Подгорных Е.А., Калашников С.И., Маркелов П.В. и другие. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств. Охрана труда: Учебник. – М.: «Высшая школа», 2018. – 285 с.
Электрические и оптические сети SIMATIC NET. SIMATIC. Руководство. Выпуск 05. 2008. -370с.
Электротехнический справочник. Т.2. Электротехнические устройства. Изд. 6-е. / Под ред. Г.В. Герасимова. -М.: Энергоиздат, 2007. -640с.
Юраев В.А., Костина Т.В., Петрова Р.А., Комиссаров Р.И., Слухаев А.Ю. и другие. Современные устройства автоматики: Учебник для вузов. – М.: Издательство «БукЪ», 2017. – 284 с.
Яковлев А.А., Пантелеев В.Н., Прошин В.М., Тартыгина О.В. и другие. Основы автоматизации современного производства: Учебное пособие для вузов. – М.: «Академия», 2018. – 112 с.
Якошенко Ю.Е., Ступнев А.А., Сибикин П.А., Луговой О.Н., Дьяченко А.А. и другие. Теория автоматического управления. Книга 1. – М.: Издательство «Энергетик», 2017. – 324 с.



Приложение 1.

Конфигурирование областей ввода/вывода контроллера ПЛК150-220 для совместной работы с операторной панелью СП270 .
Перед разработкой алгоритма управляющей программы определим конфигурацию областей ввода/вывода контроллера. Область ввода/вывода ПЛК включают в себя (дискретные и аналоговые) входы и выходы, модули расширения функционала (в том числе организующие обмен информацией между ПЛК и отдельными приборами и устройствами, связанными по сети с ПЛК). Обмен данными программа ПЛК осуществляет через область ввода/вывода (%I и %Q).
Конфигурация ПЛК150-220 имеет вид, представленный на рисунке П1.1:

Рисунок П1.1 – Конфигурация областей ввода/вывод ПЛК150-220
Задание конфигурации ПЛК осуществляется в среде разработки «CoDeSys» с помощью утилиты PLC Configuration (Конфигуратор ПЛК), расположенной во вкладке ресурсов Организатора объектов. В экранной форме отображается конфигурация ПЛК – ряд модулей, каналов, параметров в соответствующих окнах.

















ПЛК

Заслонка

Трубопровод


ИП

YЗ(t)

(Y(t)

U(t)

S(t)

P(t)


Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата





Разраб.

Пров.

Н.контр.

Утв.

Лит.

Лист

Листов

5

37







Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

7



Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

6