Казаринов Л.С., Попова О.В., Барбасова Т.А. Автоматизированные информационно-управляющие системы (часть 1)
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 2.35
Результаты внедрения:
Система позволяет:
• оптимизировать работу системы;
• оперативно реагировать на аварийные ситуации;
• вести учет работоспособности u1084 масляных выключателей;
• контролировать состояния энергообеспечения.
АСУ пермской ТЭЦ-13
Заказчик: ОАО «ПЕРМЭНЕРГО», филиал ТЭЦ-13, г. Пермь.
Объект автоматизации
Объект автоматизации представляет собой одну из крупнейших тепловых
электростанций, входящих в систему АО ”Пермэнерго”, и обеспечивает
электроэнергией, паром и горячей водой производственные мощности
нескольких предприятий г. Перми (в том числе, АО “Камкабель”), а так же
снабжает горячей водой микрорайон Гайва с числом жителей свыше 70
тысяч человек. Система АСУ ТП охватывает полный комплекс оборудования
станции, связанного с потреблением природного газа и включает:
• два паровых котлоагрегата типа ТП-35;
• три паровых котлоагрегата типа ГМ-50;
• два водогрейных котлоагрегата типа ПТВМ-100;
91
• общестанционное оборудование;
• газорегуляторный пункт (ГРП).
Характеристика системы
Первая очередь АСУ ТП включает в себя пять взаимосвязанных
локальных систем автоматизации: трех котлов ГМ-50, общестанционного
оборудования и ГРП, построенных на базе SIMATIC PCS7-Compact.
Проект второй очереди АСУ ТП предусматривает автоматизацию двух
котлов ТП-35 и двух котлов ПТВМ-100 на базе четырех резервируемых
систем SIMATIC S7 400H.
Основные функции
- сбор и обработка данных о параметрах технологического процесса и
состоянии оборудования;
- отображение технологической информации на операторских станциях и
панели оператора;
- предупредительная и аварийная сигнализация;
- противоаварийная защита и блокировка оборудования;
- дистанционное управление технологической арматурой;
- автоматический розжиг газовых горелок, оборудованных блоками
АМАКС;
- регулирование технологических параметров, в том числе:
- 21 контур управления - для каждого котлоагрегата ГМ-50;
- 4 контура управления - для общестанционного оборудования;
- 6 контуров управления - для ГРП;
- идентификация предаварийных ситуаций и независимая от
операторской станции регистрация событий до и после аварии;
- архивирование и протоколирование информации;
- диагностика программно-технического комплекса в режиме Run-time.
- функциональные контроллеры SIMATIC S7 416-2DP ISA в составе
PCS7-Compact;
- защитные контроллеры SIMATIC S7 316-2DP с функцией дублирования
на основе технологии Software Redundancy;
- децентрализованная периферия SIMATIC ET200M с функцией замены
модулей;
- операторские станции реализованы на базе PC SIMATIC R145 PIII;
- панель оператора ГРП OP-17;
- связь функционального контроллера с защитными контроллерами и
децентрализованной периферией реализована с помощью резервированного
оптического кольца сети PROFIBUS;
программное обеспечение PCS7 и Pro Tool.
2.8. АВВ
В 1891 Чарльз Е.Л. Браун (Charles E.L. Brown) и Вальтер Бовери (Walter
Boveri) основывают компанию Brown, Boveri & Cie в Бадене, Швейцария.
92
Вскоре Brown, Boveri & Cie (ВВС) становится первой компанией,
передавшей на расстояние переменный ток высокой мощности
В 1988, Asea (Almanna Svenska Elektriska Aktiebolaget) и BBC
объединились и создали АВВ (Asea Brown Boveri Ltd), одну из крупнейших
электротехнических компаний мира.
АББ-лидер в области технологий для электроэнергетики и автоматизации.
Технологии, созданные Группой, позволяют промышленным предприятиям и
энергетическим компаниям повышать свою производительность, снижая
негативное воздействие на окружающую среду. Группа компаний АББ
владеет предприятиями в 100 странах, а ее штат насчитывает около 107 000
человек
ООО "АББ Автоматизация" является одним из ведущих предприятий
России по разработке, производству и внедрению автоматизированных
систем управления, релейной защиты, автоматики и промышленных
контроллеров для объектов энергетики, нефтегазового комплекса,
металлургической, горнодобывающей и других отраслей промышленности.
Предприятие имеет собственное производство, инжиниринговый, учебный и
сервисный Центры, систему закупок, логистики и управления проектами.
2.8.1. Основные направления деятельности
Автоматизированные системы управления и мониторинга
электрооборудования на электростанциях и подстанциях, включая релейную
защиту и автоматику сетей 6-750 кВ:
- АСУ ТП объектов энергетики на базе программного комплекса
MicroSCADA RU и технических средств вычислительной техники АББ и
других мировых производителей.
- cистемы мониторинга устройств РЗА производства АББ и других
производителей.
- шкафы защиты и автоматики сетей 110-750 кВ на базе терминалов АББ,
специально доработанных под российские требования, серии RELxxxRU,
RETxxxRU, REDxxxRU, REBxxxRU, RECxxxRU, REFxxxRU, REMxxxRU,
REGxxxRU.
- терминалы РЗА серии SPAC800 и SPAC810 российских заводов АББ.
- терминалы РЗА серии: SPACOM, SACO, REJ, REU, REA - концерна
АББ
Автоматизированные системы диспетчерского управления и учета
энергоресурсов:
- автоматизированные системы диспетчерского управления и контроля
(АСДУ) на базе программного комплекса MicroSCADA RU и
специализированных приложений с применением интеллектуальных
контроллеров УСО-RTU560, RTU210 и измерительных центров Contrans.
Программное обеспечение для автоматизации диспетчерских пунктов
распредсетей MicroSCADA/Open++. Программный комплекс SCADA/EMS
93
Network Manager для обеспечения функций диспетчерского и
технологического управления подразделений Системного оператора и ФСК.
- автоматизированные системы технического (АСКУТЭ) и коммерческого
(АСКУЭ) учета электроэнергии для оптового рынка электроэнергии (ОРЭ) с
применением ПО MicroSCADA, ПО Альфа-Центр, устройств УСПД-RTU300
и многофункциональных цифровых счетчиков Альфа, Евро-Альфа, ЗЭиМ-
Миттеринг-А и счетчиков других производителей.
- автоматизированные системы учета энергоресурсов (АСКУЭР), с
применением ПО MicroSCADA и приборов учета энергоносителей (газ,
тепло, вода и т.д.) концерна АББ и других производителей.
Автоматизированные системы управления технологическими
процессами, включая контрольно-измерительные приборы и промышленные
контроллеры:
- автоматизированные системы технологического управления и
мониторинга теплотехническими процессами ГРЭС, ТЭЦ и тепловых сетей
на базе ПТК Industrial IT с применением интеллектуальных контроллеров
серии AC800, контрольно-измерительных и аналитических приборов
концерна АББ.
- автоматизированные системы технологического управления и
мониторинга гидроэлектростанций и газотурбинных станций, включая ПТК
для САУ ГТС.
- автоматизированные системы управления и мониторинга
технологических процессов заводов, компрессорных станций объектов
добычи нефтегазового комплекса, включая системы частотного
регулирования и плавного пуска для технологических двигателей.
- автоматизированные системы первичного регулирования частоты и
мощности на электростанциях.
Автоматизированные системы управления и регулирования
технологическими процессами металлургических и горнодобывающих
предприятий:
- автоматизированные системы управления технологическими
процессами по всему циклу металлургического производства: станы
холодного проката, станы горячего поката, трубопрокатные станы,
сортопрокатные станы, технологические линии, металлургические краны и
т.д.;
- электрооборудование и системы автоматизации и управления для
открытых и подземных горных разработок;
- автоматизированные системы управления технологическими
процессами в цементной промышленности;
- устройства электромагнитного перемешивания, устройства
электромагнитного торможения;
- контрольно-измерительное и аналитическое оборудование;
- регулируемый электропривод и силовая электроника.
94
2.8.2. Системы управления, предлагаемые АББ Автоматизация в России
АББ Автоматизация предлагает системы управления такие как:
- 800xA;
- Advant OCS with Master SW;
- Advant OCS with MOD 300 SW;
- Compact Products 800;
- Freelance 800F, 2000;
- Safety;
- SATT;
- Symphony DCI System Six;
- Symphony Harmony INFI 90;
- Symphony Melody;
- Industrial IT и др.
Advаnt OSC обеспечивает эффективное решение для всех типов задач
автоматизации технологических процессов – от управления с одиночного
контроллера до объединенных АСУ ТП производством. Advаnt OSC это:
полный набор контроллеров и средств человеко - машинного интерфейса,
построенных на основе единой идеологии, высокая надежность и
отказоустойчивость, глубокое резервирование, удобный пользовательский
интерфейс, мощные средства САПР, использующие единую базу данных, в
т.ч - в режиме on-line, открытость для коммуникации с другими системами на
всех уровнях.
Freelance 2000 - компактная, мощная, функционально развитая система
управления (для автоматизации малых и средних объектов - до 5000
сигналов). Она реализована на базе процессорных плат и плат ввода-вывода,
монтируемых в стандартных стойках. В качестве операторских и
инженерных станций выступают персональные компьютеры.
Industrial IT в настоящее время считается наиболее перспективной среди
систем, выпускаемых концерном АББ. Высокие технологические
характеристики и постоянное развитие системы, полная интеграция с
другими системами управления, применение современных информационных
технологий, обуславливают широкий интерес к системе во всех отраслях
промышленности.
95
3. Обеспечивающие подсистемы информационно-управляющих
систем и их характеристики
3.1. Программное обеспечение цифровой фильтрации сигналов и
трендов
В последнее время широкое распространение получили дискретные
системы управления и дискретные системы передачи информации. В основу
работ таких систем положена дискретная (цифровая) обработка информации
и дискретные (цифровые) сигналы, которые описываются
последовательностями отсчетных значений в дискретном множестве точек. В
таких системах обычно вначале аналоговый сигнал подвергается
дискретизации по времени, квантованию по уровню и цифровому
кодированию. После этого в цифровом фильтре кодированная информация
подвергается математической обработке и на выходе фильтра преобразуется
в аналоговый сигнал. Поэтому важно обратить внимание на алгоритм
дискретной обработки сигнала.
Особенности дискретной фильтрации позволяют выяснить структуру
спектра дискретизированного сигнала, состоящего из бесконечного числа
повторяющихся спектров исходного аналогового сигнала. Сигнал на выходе
цифрового фильтра представляет результат дискретной свертки входного
сигнала и импульсной характеристики фильтра. Частотный коэффициент
передачи цифрового фильтра является преобразованием Фурье импульсной
характеристики и представляет собой периодическую функцию частоты с
периодом равным частоте дискретизации. Возможности цифровой
фильтрации значительно расширяются, если ввести обратную связь. Такие
фильтры называются рекурсивными.
Математическим аппаратом для исследования цифровых фильтров и
описания дискретных сигналов служат дискетное преобразование Фурье и
его разновидность - быстрое преобразование Фурье, а также дискретное
преобразование Лапласа и метод Z - преобразования, позволяющий успешно
исследовать характеристики фильтров высоких порядков.
При цифровой обработке сигналов возникает специфическая
погрешность, называемая шумом квантования. Необходимо знать основные
характеристики этой погрешности, а также характеристики шума округления
и быстродействия арифметического устройства цифрового фильтра.
В сложных системах управления сегодня применяются наблюдатели
состояния (в литературе также встречается термин “построители состояния”).
Наиболее распространенным в системах автоматического управления
наблюдателем состояния является фильтр Калмана, но при построении
многомерной структуры системы управления нецелесообразно применять
такое сложное и относительно дорогостоящее устройство, как фильтр
Калмана, опыт показывает, что достаточно ограничится применением более
простого экспоненциального фильтра.
96
1. Основы цифрового фильтра
Сигналы в реальных системах в отличие от идеализированных
представлений функций в математическом анализе обладают двумя
дополнительными свойствами:
1) наличием информационной и шумовых компонент в структуре
сигнала;
2) разверткой в реальном времени.
Наличие информационной и шумовых компонент говорит о том, что
любой реальный сигнал
)(tх
может быть представлен в виде комбинации
информационного сигнала и помехи:
),()()(
0
txtxtх
(3.1)
где
)(tx
– информационный сигнал,
)(tx
– помеха.
Развертка сигнала в реальном времени говорит о том, что мы не знаем
будущего поведения сигнала и вынуждены основывать вычисления в рамках
автоматизированной системы, используя только прошлое поведение сигнала.
Наглядно, это может представить соотношением
,0),(
,0?,
)(
приtx
при
tx
(3.2)
где
t
– текущий момент времени,
– интервал прогноза,
– интервал ретроспективы.
В данной работе рассматриваются системы реального времени. Поэтому
ограничение реального времени (3.2) необходимо учитывать при построении
алгоритмов обработки информации.
Производить обработку зашумленных сигналов в автоматизированных
системах нерационально. Помехи вызывают перегрузку вычислительных
ресурсов и искажают информационные процессы. Поэтому все зашумленные
сигналы должны пройти фильтрацию. Фильтрацию сигналов можно
выполнить как аналоговым, так и цифровым способом на основе цифровых
фильтров.
В настоящее время теория цифровой фильтрации представляет собой
обширный раздел теории автоматического управления. Разработаны самые
разнообразные фильтры для решения конкретных задач. Созданы общие
теории фильтрации, базовыми из которых являются теория фильтров Винера,
фильтров Калмана, Луенбергера и др. Экспоненциальный фильтр первого
порядка позволяет приближенно определить измеряемую координату и её
производную.
Построение экспоненциальных фильтров базируется на представлении
информационной составляющей фильтруемого сигнала в виде ряда
i
ii
tatx ),()()(
0
(3.3)
97
где
)(
i
– координатные функции ряда;
)(ta
i
– проекции сигнала.
Отметим, что ряд (3.3) построен с учетом фактора реального времени.
Разложение сигнала в ряд осуществляет в ретроспективе с использованием
уже известных значений сигнала.
В роли координатных функций могут быть использованы различные
функции: гармонические, степенные, ортогональные полиномы и др. Ниже
будет рассмотрен случай использования степенных функций.
Таким образом, информационную составляющую сигнала будем
представлять в виде
i
ii
tatx .)()(
0
(3.4)
В данном случае ряд (3.4) можно сопоставить с разложением функции
)(
0
tx
в ряд Тейлора в точке
t
– текущий момент времени:
,
!
)()1(
)(
)(
0
0
i
i
ii
i
tx
tx
(3.5)
где
)(
)(
0
tx
i
– производные
i
-го порядка сигнала
).(
0
tx
Сравнение (3.5), (3.4) позволяет вывести формулы
.0),(!)1()(
1
)(
0
nitaitx
i
ii
(3.6)
Соотношения (3.6) показывают связь между проекциями
информационного сигнала и его производными. Полученные подобным
образом производные будем называть относительно исходного сигнала
)(tx
гладкими производными.
Таким образом, гладкой производной зашумленного сигнала
)(tx
, будем
называть производные
)(
)(
0
tx
i
его информационной составляющей
)(
0
tx
. В
отличие от обыкновенных производных гладкие производные сигнала могут
быть вычислены любой степени.
Рассмотрим ошибку представления сигнал
)(tx
в виде ряда (3.4):
.)()()(
i
i
i
tatxtx
(3.7)
При выводе цифрового фильтра нас будут интересовать не мгновенные
значения ошибки, а усредненные. Для усреднения ошибки (3.7) введем
оператор экспоненциального усреднения:
.)(
1
)(
0
22
detx
T
tE
T
(3.8)
Структурная схема оператора экспоненциального усреднения
98
)(tx
)(
2
tx
)(
2
tЕ
2
)(
РТ1
1
Рис. 3.1. Структура оператора экспоненциального усреднения
Из рис. 3.1 видно, что оператор экспоненциального усреднения
осуществляет усреднение с помощью апериодического фильтра квадрата
ошибки.
При этом параметр Т играет роль постоянной времени усредняющего
фильтра. В принципе здесь можно использовать и более сложные фильтры,
однако это приводит к усложнению задачи.
Постановка задачи фильтрации следующая.
Дана экспоненциально-средняя ошибка представления сигнала (ЭКСО)
.])()([
1
)(
0
22
detatx
T
tЕ
i
T
i
i
(3.9)
Необходимо найти проекции сигнала
)}({ ta
i
, исходя из критерия
минимума ошибки
)(
2
tE
.
Задача решается на основе необходимого (в данном случае и
достаточного) условия минимума функции (3.9) по проекциям
i
а
:
.,0,0
)(
2
ni
a
tE
i
Необходимым условием минимума ЭКСО по проекциям
i
а
является
равенство нулю частных производных
.,0,0
)(
2
ni
a
tE
i
(3.10)
Исходя из (3.9), (3.10) получим систему уравнений
nidetatx
T
T
ij
j
j
,0;0)()(
2
0
(3.11)
Систему уравнений (11) можно записать в каноническом виде
.,0,)(
11
)(
00
nidetx
T
de
T
ta
T
i
j
T
ji
j
(3.12)
Введем коэффициенты
)!(
1
0
jide
T
q
T
ji
ij
(3.13)
и моменты сигнала
99
.)(
1
)(
0
detx
T
t
T
i
i
(3.14)
Тогда система уравнений (4) примет вид
j
ijij
nittaq .,0),()(
(3.15)
В матричном виде
),()( ttaQ
(3.16)
где
,))(...,),(),(()(
21
T
n
tatatata
.
,))(...,),(),(()(
21
ij
T
n
qQ
tttt
Формальное решение уравнения (3.8)
),()( tPta
(3.17)
где
.
1
QP
Рассмотрим определение моментов сигнала.
Исходную формулу (3.14) можно представить в виде
,))((
1
)(
detx
T
t
T
t
i
t
i
(3.18)
где
.
t
Производные функций (3.18) имеют вид
).()(
1
)(
)(
1
)(
1
)(
1
'
0
'
0
tit
T
t
tx
T
t
T
t
iii
(3.19)
Для численного интегрирования дифференциальных уравнений (3.19)
воспользуемся неявным методом Эйлера, основанного на формулах
).,(),,(
1
'
kk
kk
tyf
t
yy
tyfy
(3.20)
Неявный метод Эйлера обладает численной устойчивостью при
интегрировании на фоне помех.
Применение неявного метода Эйлера к системе дифференциальных
уравнений (3.19) дает систему рекуррентных соотношений
;
;
11
1
1
1
1
1
,11,,
1,0,0
kikki
kkk
T
t
t
i
T
t
x
T
t
t
T
T
t
(3.21)
.,1 ni
100