Громаков Е.И. Автоматизация нефтегазовыми технологическими процессами

Подождите немного. Документ загружается.

131

применения релейного управляющего воздействия, для других сложно

реализовать ПИД-регулирование.

Известно, что на динамику регулирования (в частности, на время

регулирования t

) наибольшее влияние оказывает величина отношения

запаздывания к постоянной времени объекта τ/Т. Эта величина часто ха-

рактеризует собой степень трудности регулирования объекта.

При определении минимально возможного времени регулирования t

для различных законов регулирования и типов регуляторов (при их на-

стройке) можно руководствоваться рекомендациями для выбора закона

регулирования, приведенными в таблице выбора регулятора (см. таблица

4).

Таблица 4. Таблица выбора регулятора

Пределы

отношения

Соотно

шение

Характеристика

объекта

Закон

регулирования

тип

регулятора

по

запаздыванию

инерционности

по

степени

регулируемости

0 <

< 0,05

Без

запаздывания

Очень

хорошо

регулируемый

Релейный

непрерывный

ПИ

ПД

ПИД

регулятор

0,05 <

<0,1

большой

инер

ционностью

малым

запазды

ванием

Очень

хорошо

регулируемый

Релейный

непрерывный

ПИ

ПД

ПИД

регулятор

0,1 <

< 0,2

существенным

транспортным

запаздыванием

Хорошо

регулируемый

Релейный

непрерывный

ПИ

ПД

ПИД

регулятор

0,2<

<0,4

существенным

транспортным

запаздыванием

Еще

регулируе

мый

Непрерывный

или

цифровой

ПИ

ПД

ПИД

регулятор

0,4<

<0,8

существенным

транспортным

запаздыванием

Трудно

регулируемый

Непрерывный

или

цифровой

ПИ

ПД

ПИД

регулятор

0,8<

большим

транспортным

запа

дыванием

Очень

трудно

регулируемый

Непрерывный

или

цифровой

ПИ

ПД

ПИД

регулятор

большим

транспортным

запаздыванием

Очень

трудно

регулируемый

Цифровой

регулятор

упредителем

≥

6,5

Непрерывный

или

цифр

вой

регулятор

≥

Непрерывный

или

цифр

вой

ПИ

регулятор

≥

Непрерывный

или

цифр

вой

ПИД

регулятор

132

В этой таблице приведены рекомендации, исходя из величины от-

ношения запаздывания τ к постоянной времени объекта Т.

Если τ/Т < 0,2, то можно выбрать релейный, непрерывный или

цифровой регуляторы.

Если 0,2 < τ/Т < 1, то рекомендуется непрерывный или цифровой

ПИ-, ПД-, ПИД-регулятор.

Если τ/Т > 1, то выбирают специальный цифровой регулятор с уп-

реждением, который компенсирует запаздывание в контуре управления.

Однако этот же регулятор рекомендуется применять и при меньших от-

ношениях τ/Т.

На параметры объекта (в частности, на величину запаздывания)

значительное влияние оказывает взаимное расположение исполнитель-

ных органов (например, нагревательного элемента и первичного преоб-

разователя, датчика). Наличие запаздывания объекта резко ухудшает

динамику замкнутой системы.

Пусть выбор осуществляется в классе ПИД- алгоритмов.

В ПИД-алгоритмах наиболее часто используются П-, ПИ,- ПИД-

законы регулирования.

Передаточная функция П-алгоритма W

(s) = K

. Модуль, реали-

зующий этот тип алгоритма, вырабатывает управляющий сигнал про-

порционально величине ошибки (чем больше ошибка Е, тем больше

сигнал Y).

Исходя из соотношения t

/τ (см. таблица4), наибольшее быстродей-

ствие обеспечивает П-закон регулирования. Однако если расчетный ко-

эффициент усиления П-алгоритма К

оказывается небольшим, а это ча-

ще всего наблюдается в системах с запаздыванием, то такой регулятор

не обеспечит высокой точности регулирования, т. к. в этом случае вели-

чина статической ошибки САР оказывается большой.

Если расчетный коэффициент К

≥ 10, то выбирается П-алгоритм, а

если К

< 10, то рекомендуется введение в закон управления интеграль-

ной составляющей.

ПИ-алгоритм – это пропорционально-интегральный тип. Он пред-

ставляет собой сочетание П- и И-составляющих.

Передаточная функция ПИ-алгоритма W

ПИ

(s) = K

+ 1/Т

s. ПИ яв-

ляется наиболее распространенным на практике алгоритмом и обладает

следующими достоинствами:

1) обеспечивает нулевую статическую ошибку регулирования;

2) достаточно прост в настройке, т. к. настраиваются только два па-

раметра (коэффициент усиления К

и постоянная времени интегрирова-

ния T

). При таком алгоритме управления имеется возможность опти-

мизации величины отношения К

/Т

→ мин что обеспечивает управле-

133

ние с минимально возможной среднеквадратичной ошибкой регулиро-

вания;

3) обладает малой чувствительностью к шумам в канале измерения

(в отличие, например, от ПД-типа).

ПИД-алгоритм – это пропорционально-интегрально-дифференциальный

тип.

Передаточная функция ПИД-алгоритма W

ПИД

(s) = K

+ 1/Т

s + Т

Этот алгоритм используется довольно часто, поскольку он сочетает

в себе достоинства всех выше рассмотренных. Однако следует учиты-

вать то, что эти достоинства реализуются только при его оптимальных

настройках, когда настраиваются все три параметра – K

, Т

и Т

С увеличением запаздывания в САР резко возрастают отрицатель-

ные фазовые сдвиги, что снижает эффект действия дифференциальной

составляющей алгоритма.

Кроме этого, наличие шумов в канале измерения в системе с ПИД-

регулятором приводит иногда к значительным случайным колебаниям

управляющего сигнала регулятора, что увеличивает дисперсию ошибки

регулирования и износ исполнительного механизма. Вот почему для

объектов регулирования с относительно малым уровнем шумов и вели-

чиной запаздывания τ > 0,2T рекомендуется выбирать ПИД- алгоритм.

Для таких объектов ПИД-алгоритмы позволяют обеспечить хорошее

качество регулирования, достаточно малое время выхода на режим и

невысокую чувствительность к внешним возмущениям.

Следует иметь в виду также то, что при неточном задании коэффи-

циентов настройки ПИД-алгоритм может иметь худшие показатели, чем

двухпозиционный релейный регулятор, и даже перейти в режим автоко-

лебаний. Для типовых модулей (программ ПЛК), реализующих П-, ПИ-,

ПИД-алгоритмы, известны простейшие аналитические и табличные ме-

тоды настройки.

Пример описания раздела разработки алгоритма САР.

Структурная схема САР представлена в альбоме схем (ФЮРА.

425280. 001 ЭС 10, пример – приложение). Количественные значения

коэффициентов, постоянных времени и запаздывания в передаточных

функциях рассчитаны и представлены в виде нижеследующего пред-

ставления…

Модель Simulink приведена в ФЮРА. 425280. 001 ЭС 10.

Результаты моделирования представлены графиками (ФЮРА.

425280. 001 ЭС 10).

Выбор параметров ПИД регулятора осуществлялся путем исполь-

зования методики Цидлера.

134

Результирующий переходный процесс приведен на рисунке (ФЮ-

РА. 425280. 001 ЭС 10)…

Задание по разработке алгоритма САР

Студент в КП должен обосновать выбор канала регулирования, со-

гласованного с преподавателем технологического объекта управления

(ОУ). В КП необходимо осуществить проектирование способа регули-

рования выбранного канала.

В разделе выбора параметров ПИД-алгоритма регулирования необ-

ходимо разработать структурную схему САР, согласованного с препода-

вателем технологического объекта управления. В пояснительной записке

рекомендуется этот раздел завершить выбором коэффициентов регулято-

ра. Для этого следует воспользоваться эмпирическими формулами мето-

дики Цидлера «Настройка по реакции на входной скачок», предваритель-

но спроектировав САР в среде Simulink (приложение 12).

Пусть, к примеру, необходимо стабилизировать ПИД-регулятором

объект с передаточной функцией

(

)

( )

0,3

0,87

3,1 1

x p

u t р

−

⋅

= =

(9)

Составляем

структурную

схему

моделирования

среде

Simulink

(

рисунок

51).

Рисунок 51. Модель САР в Simulink

Выход

объекта

x(t)

подключается

ко

входу

регулятора

ПИД

Управляющее

воздействие

регулятора

подается

через

ЦАП

на

регули

рующий

орган

Им

может

быть

привод

дросселирующего

устройства

135

либо

источник

энергетического

воздействия

на

объект

управления

Вы

ход

объекта

управления

должен

суммироваться

возмущающим

воз

действием

Алгоритм

настройки

•

модели

САР

выключаются

интегральная

дифференциальная

составляющие

ПИД

;

•

определяется

предельный

коэффициент

мах

усиления

(

пропор

циональная

составляющая

, Gain 2),

при

котором

САР

объект

перехо

дят

колебательный

режим

Вначале

увеличивается

до

тех

пор

пока

САР

объект

переходят

колебательный

режим

•

определяется

период

колебаний

t c;

•

вычисляются

коэффициенты

настройки

согласно

следующим

примерным

соотношениям

–

для

регулятора

К = 0,5·K

мах

;

–

для

ПИ

регулятора

К = 0,45·К

мах

, T

= 0,8·t (

);

–

для

ПИД

регулятора

К = 0,6·К

мах

, T

= 0,5·t (

), T

= 0,12·t (

);

•

рассчитанные

коэффициенты

устанавливаются

модель

САР

регистрируется

ее

переходный

процесс

;

•

модель

САР

график

переходного

процесса

поместить

альбом

схем

2.11 Разработка ПО для ПЛК

Стандарт

IEC 6 1131-3

описывает

синтаксис

семантику

пяти

язы

ков

программирования

ПЛК

Этот

стандарт

имеет

очевидные

преиму

щества

получение

качественного

программного

продукта

сопрягае

мость

отдельных

программных

подсистем

на

уровне

исходных

текстов

независимость

от

типа

операционной

системы

от

субъективных

осо

бенностей

программиста

использование

общего

языка

общения

среде

разработчиков

пользователей

ПО

наконец

сокращение

финансовых

затрат

на

разработку

проектов

целом

за

счет

сокращения

времени

раз

работки

ПО

[6].

Языки

стандарта

используются

ведущими

фирмами

–

изготовите

лями

ПЛК

достаточно

распространены

известны

специалистам

АС

Набор

средств

разработки

обычно

исполняется

на

компьютере

проекти

ровщика

например

компьютере

типа

IBM PC,

состоит

из

редактора

отладчика

препроцессора

который

подготавливает

описанный

проек

тировщиком

алгоритм

формату

, «

понятному

ядру

интерпретатору

программы

проектирования

Этот

набор

имеет

современный

пользова

тельский

интерфейс

позволяет

тестировать

алгоритм

режиме

эмуля

ции

получать

листинг

алгоритма

на

языках

его

описания

результате

136

проектирования

пользовательская

программа

совместно

ядром

интерпретатором

загружается

целевой

ПЛК

для

исполнения

Ядро

интерпретатор

как

следует

уже

из

его

названия

транслирует

пользова

тельский

алгоритм

машинные

команды

во

время

исполнения

Это

позволяет

сконцентрировать

машинно

зависимый

код

таким

образом

снизить

накладные

расходы

при

переходе

на

другой

ПЛК

Для

исполняющей

системы

контроллер

загруженной

программой

может

быть

представлен

виде

показанном

на

рисунке

53.

Здесь

дис

кретные

аналоговые

сигналы

поступают

модули

ввода

данных

Цифровые

коды

этих

сигналов

затем

поступают

во

входные

регистры

ПЛК

Используя

содержание

регистров

программа

ПЛК

осуществляет

обработку

этих

сигналов

отправляет

необходимые

действия

виде

сигналов

через

модули

вывода

на

исполнительные

устройства

Как

только

сформулирована

задача

программирования

логики

кон

троллера

(

например

алгоритма

сбора

данных

то

сразу

встает

вопрос

соответствующем

программном

инструментарии

для

решения

этой

за

дачи

качестве

такого

инструментария

может

быть

выбрана

про

граммная

система

Open PCS.

Считается

что

для

специалистов

КИПиА

наиболее

понятен

язык

LD-

релейных

диаграмм

(Ladder Diagrams)..

Рисунок 52. LD-программа

137

Рисунок 53. Контроллер с загруженной программой

Программа

контроллера

написанная

на

этом

языке

представляет

со

бой

релейную

диаграмму

виде

двух

вертикальных

шин

питания

»,

меж

ду

которыми

располагают

горизонтальные

цепи

образованные

контакта

ми

средством

возбуждения

исполнительного

устройства

(

обмоткой

реле

спиралью

лампы

др

.).

Количество

контактов

цепи

произвольно

сред

ство

возбуждения

исполнительного

устройства

одно

Так

примере

(

рисунок

33, а),

при

нажатии

кнопки

SB2,

замыкается

нормально

разомкнутый

контакт

реле

КМ,

лампа

загораетсяРазмы

кание

контактов

КК1

или

кнопки

SB1

выключают

реле

КМ

лампу

HL.

Этот

алгоритм

виде

LD-

программы

представлен

на

рисунке

52.

138

Пример описания раздела разработки LD-программы ПЛК.

Поскольку

алгоритм

управления

пуска

останова

насоса

имеет

дискретный

(

двоичный

)

характер

легко

реализуется

средствами

ре

лейной

автоматики

выбираем

язык

программирования

LD. LD-

диаграмма

управления

последовательностью

пуска

останова

оборудо

вания

приведена

альбоме

схем

(

ФЮРА

. 425280. 001

ЭС

11).

Задание по разработке LD-программы ПЛК

КП

необходимо

разработать

LD-

диаграмму

схемы

пуска

останова

трехфазного

электрического

мотора

насоса

2.12 Разработка экранных форм АС

Управление

АС

может

быть

реализовано

использованием

SCA-

DA-

систем

как

отечественных

так

зарубежных

производителей

на

пример

•

Trace Mode (AdAstra,

Россия

);

•

Infinity (Elesy,

Россия

);

•

GENIE (Advantech,

Тайвань

);

•

Genesys (Iconics,

США

);

•

Real Flex (BJ,

США

);

•

FIX (Intellution,

США

);

•

Factory Suite, InTouch (Wanderware,

США

);

•

Citect (CiTechnologies,

США

)

др

Все

эти

SCADA-

системы

предназначены

для

использования

на

действующих

технологических

установках

реальном

времени

тре

буют

использования

компьютерной

техники

промышленном

исполне

нии

отвечающей

жестким

требованиям

смысле

надежности

стоимо

сти

безопасности

Все

SCADA-

системы

обеспечивают

возможность

работы

оборудованием

различных

производителей

использованием

ОРС

технологии

SCADA-

системам

используемым

нефтегазовой

отрасли

предъявляются

следующие

требования

–

соответствие

нормативам

реального

времени

» (

жестко

го

реального

времени

»);

–

способность

адаптироваться

как

изменениям

параметров

среды

темпе

этими

изменениями

так

условиям

работы

информационно

управляющего

комплекса

;

–

способность

работать

течение

всего

гарантийного

срока

без

об

служивания

(

бесперебойная

работа

годами

);

139

–

установка

отдаленных

труднодоступных

местах

(

как

геогра

фически

–

малообжитые

районы

так

технологически

–

колодцы

эста

кады

Основные

возможности

DA-

систем

–

сбор

первичной

информации

от

устройств

нижнего

уровня

;

–

архивирование

хранение

информации

для

последующей

обра

ботки

(

создание

архивов

событий

аварийной

сигнализации

изменения

технологических

параметров

во

времени

полное

или

частичное

сохра

нение

параметров

через

определенные

промежутки

времени

);

–

визуализация

процессов

;

–

реализация

алгоритмов

управления

математических

логиче

ских

вычислений

(

имеются

встроенные

языки

программирования

типа

VBasic, Pascal, C

др

.),

передача

управляющих

воздействий

на

объект

;

–

документирование

как

технологического

процесса

так

процес

са

управления

(

создание

отчетов

выдача

на

печать

графиков

таблиц

результатов

вычислений

др

–

сетевые

функции

(

ЛВС

, SQL);

–

защита

от

несанкционированного

доступа

систему

;

–

обмен

информацией

другими

программами

(

например

: Outlook,

Word

др

через

ОРС

модули

.).

Современная

SCADA

не

ограничивает

выбор

аппаратуры

нижнего

уровня

предоставляет

большой

набор

драйверов

или

серверов

вво

да

вывода

Это

позволяет

подключить

ней

внешние

независимо

рабо

тающие

компоненты

том

числе

разработанные

отдельно

программные

аппаратные

модули

сторонних

производителей

При

выборе

настройке

SCADA-

системы

можно

использовать

следующую

последовательность

соответствии

функциональной

схемой

автоматизации

рассчитать

требуемый

объем

ТЭГов

Связаться

поставщиком

SCADA

выбрать

конфигура

цию

Разработать

алгоритм

связи

SCADA

аппаратной

частью

АС

Разработать

отладить

программную

поддержку

этих

алго

ритмов

связи

использованием

программных

имитаторов

Сформировать

статические

изображения

рабочих

окон

экра

нов

диспетчерского

управления

фон

заголовки

мнемосхема

процесса

Сформировать

динамические

объекты

для

каждого

окна

Как

правило

динамические

объекты

создаются

помощью

специализированного

графического

редактора

самого

140

SCADA-

пакета

по

жестко

заданному

алгоритму

или

на

ос

нове

набора

библиотечных

элементов

последующим

при

своением

параметров

(

например

рукоятка

на

экране

Реализовать

алгоритмы

отображения

управления

архиви

рования

документирования

модулях

проектирования

эк

ранных

форм

архивирования

аварийного

управления

базе

данных

Структурная

схема

связи

аппаратной

программной

частей

АС

по

казана

на

рисунке

54.

Здесь

показана

связь

переменных

Y, S, W, E, X, Z

их

наименовани

ем

отдельными

устройствами

АС

Рисунок 54. Структурная схема связи аппаратной

и программной частей АС

На

рисунке

показана

взаимосвязь

программного

обеспечения

различных

частей

АС

использованием

RS-485

на

полевом

Ethernet-

коммуникационном

уровнях

SCADA.