Тверской Ю.С. Локальные системы управления

Подождите немного. Документ загружается.

1. Основные характеристики и анализ

особенностей объекта управления

В этой части курсового проекта (работы) необходимо

сформулировать технологическую задачу локальной системы управления и

обосновать технические требования к качеству регулирования.

1.1. Общая характеристика объекта управления

1.1.1. Приводится описание объекта управления, указывают-

ся его основные технические и технологические параметры

(давление и температура пара, мощность турбогенератора, про-

изводительность по пару, вид топлива и его расход, температу-

ры поверхностей нагрева и т.п.).

1.1.2. Анализируется место исследуемой подсистемы в об-

щей тепловой схеме электростанции (ТЭС, АЭС, ПГУ и др.).

1.1.3. Рассматриваются режимы работы объекта в целом и

требования режимной карты для обеспечения его нормальной

эксплуатации в широком диапазоне нагрузок.

1.1.4. Рассматриваются особенности компоновки объекта

управления, которые существенны для реализации задач

управления. При этом необходимо выполнить краткое описание

конструкции объекта управления и основных его элементов,

привести при необходимости конструктивный чертеж.

1.1.5. Данная информация может быть получена из требова-

ний, которые содержатся в инструкциях заводов-изготовителей

технологического оборудования, режимных карт и нормативно-

технических документов по эксплуатации объекта управления

или иной документации, в том числе публикаций в открытой пе-

чати

1.1.6. Результат анализа особенностей технологического

объекта управления сопровождается PI-диаграммой

. Данный

документ входит в состав рабочей документации проекта по со-

ответствующей технологической части, специалисты по проек-

тированию АСУТП участвуют в его разработке.

В состав PI-диаграмм в целом входят перечень точек кон-

троля, описания, содержащие условия управления, защит, бло-

кировок сигнализации, описание контуров регулирования и др., а

также перечни исполнительных устройств (электроприводов,

пневматических, гидравлических и др.).

Используемые источники информации в обязательном порядке приводятся

в общем списке литературы.

Обязательный чертеж.

1.2. Разработка PI-диаграммы

1.2.1. Технологические функциональные схемы, или Pipeline

and Instrumentation Diagram (P&I Diagram), в общем процессе

проектирования АСУТП и ее локальных систем управления

(ЛСУ) являются базовой наиболее информативной частью про-

ектных документов (рис. 1.1, см. вклейку).

Рис 1.1. Фрагмент PI-диаграммы узла питания котла утилизатора

PI-диаграммы представляют собой развернутое схематиче-

ское изображение технологического объекта управления (про-

цесса) или его фрагмента с узловыми обозначениями:

 заданных точек контроля множества наблюдаемых пара-

метров (вектор Y, {i=1,2,…,n}),

 формируемых (специально организованных) управляющих

(регулирующих) воздействий (вектор X, {i=1,2,…,m}),

 выделенных внешних контролируемых возмущений (век-

тор Z, {j=1,2,…k}).

ТОУ может быть представлен в структурированном виде

«вход–выход» (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Технологический объект управления в виде схемы

«вход–выход»

1.2.2. На PI-диаграмме элементы каналов измерений и

управления изображаются с использованием условных обозна-

чений той или иной системы идентификации

. На всех вновь

вводимых энергоблоках применяется международная система

кодирования оборудования электростанций

KKS (Kraftwerk-

Kennzeichen-System).

1.2.3. PI-диаграмма, перечни контролируемых параметров и

требования к точности их поддержания служат исходными дан-

ными для разработки технических требований к ЛСУ, формули-

рования технологических задач управления.

1.3. Формулирование технологических задач управления

1.3.1. В результате анализа технологических особенностей

объекта управления необходимо сформулировать:

а) технологическую задачу управления;

б) способ ее реализации;

в) комплекс технических требований к синтезируемому

устройству (системе управления).

1.3.2. Технические требования к реализации задачи управле-

ния формулируются на основе нормативно-технических доку-

ментов, дополнительных требований заказчика, отражающих

мировой уровень известных аналогов, результатов обобщенного

термодинамического анализа объекта управления.

Пример условных буквенных обозначений, используемых на PI-диаграмме

по ГОСТ 21.404–85: Т – температура, F – расход, Р – давление, L – уровень, R –

регистрация, А – сигнализация, I – индикация, Z – блокировка, S – защита, С –

автоматическое регулирование.

РД-153-34.1-35.144-2002 «Рекомендации по применению современной

универсальной системы кодирования оборудования и АСУТП ТЭС».

ТОУ

{i=1,2,…,m}

{i=1,2,…,n}

n>m

Z {j=1,2,…,k}

1.3.3. Технологическая задача управления должна быть

функционально определенной и согласованной

с другими тех-

нологическими задачами взаимосвязанных подсистем (питание

и топливо, топливо и воздух и др.).

1.3.4. Для класса рассматриваемых переопределенных тех-

нологических объектов управления необходимо выделить век-

тор регулирующих воздействий X {i=1,2,…,m}, вектор основных

управляемых параметров Y {i=1,2,…,m}, вектор параметров, ко-

торые следует отнести к ограничениям O {m+1,…,n} и вектор

внешних контролируемых возмущений Z {j=1,2,…,k} (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Декомпозиция параметров переопределенного

объекта управления

1.3.5. Пример

Технологическая задача управления эффективностью

топочного процесса в факельной топке парового котла.

Эффективность топочного процесса определяется функцио-

налом [20]:

| 

( ( )),

i i

f extrF f t





( )

i k

f q t

, (1.1)

где

– выделенная переменная вектора X, характеризующая

некоторое i-е управление, которое направлено на достижение

минимума функции f

(t) в каждый момент времени, и оптимизи-

рующая функционал F(f

(t)).

Наибольшими потерями при сжигании топлива в факельных

топках являются потери q

с уходящими газами. Потери теплоты

от химической q

и механической q

неполноты сгорания зависят

от вида сжигаемого топлива, коэффициента избытка воздуха

Технологические задачи управления называют абсолютно согласованны-

ми, если композиция условных решений каждой технологической задачи приво-

дит к глобальному экстремуму.

ТОУ

{i=1,2,…,m}

O {n-m}

{i=1,2,…,m}

Z {j=1,2,…,k}



, способа сжигания и совершенства организации топочного

процесса. Минимум суммарных потерь определяет требуемое

оптимальное значение коэффициента избытка воздуха opt



Выполним декомпозицию параметров ТОУ и согласование

управлений (рис. 1.4).

ТОУ

Gов

ТОУ

Gов

i



б)

В2i

{i=1,2,…,n}

opt a т

а)

Рис. 1.4. К обоснованию управлений (а) и выделению

внешнего возмущения (б)

В общем случае оптимизирующее управление

принадле-

жит множеству управлений по каналам подачи топлива и возду-

ха:

 









( ) ( )

i ОВ i

U G t B t

. (1.2)

Если при этом суммарный расход топлива определяется за-

данной тепловой нагрузкой котла, то тогда расход топлива сле-

дует отнести к внешним непосредственно или косвенно контро-

лируемым возмущениям (см. рис. 1.4,б).

Соответственно при заданном суммарном расходе топлива





( )

B t

, являющимся внешним возмущением, расход общего

воздуха

( )

О В

G t

будет служить оптимизирующим управлением,

которое определяется выражением







. 2

( ) ( )

О В T i

G t opt V B t

, (1.3)

где

– теоретически необходимое количество воздуха для

сгорания 1 кг пыли заданной марки топлива.

Таким образом, технологическая задача управления эффек-

тивностью топочного процесса в факельной топке парового кот-

ла сводится к поддержанию оптимального избытка воздуха в

топке opt



путем управления подачей общего воздуха (окисли-

теля), при этом требуется синтезировать систему регулирования

расхода воздуха, инвариантную к внешним возмущениям по

суммарному расходу топлива, подаваемого в топку котла.

Нетрудно видеть, сформулированная технологическая зада-

ча имеет функциональную определенность и согласована с

управлением подачей топлива другой локальной АСР.

Информативными показателями, характеризующими opt



, в

(1.3) и типовых АСР подачи общего воздуха служат сигналы по

содержанию кислорода О

) и/или химического недожога СО

) в дымовых газах.

1.4. Обоснование технических требований качества

регулирования

1.4.1. Разработка подсистемы сбора и первичной обработки

информации осуществляется путем выбора соответствующих

датчиков измерения тех или иных физических величин из пе-

речня контролируемых технологических параметров. Исходные

требования к необходимой точности их измерения задаются из

условий статической и динамической точности АСР.

Перечень параметров представляют в виде таблицы с указа-

нием параметра, его номинального значения, характеристики

среды, предельных значений погрешности измерительного при-

бора (датчика) и канала измерения, крутизны статической харак-

теристики

(табл. 1.1).

Таблица 1.1. Перечень контролируемых параметров

Наименова-

ние пара-

метра

Номи-

нальное

значение

парамет-

ра

Характе-

ристика

среды

Предельное значе-

ние погрешности

Крутизна

статической

характери-

стики датчи-

ка

При-

меча-

ние

датчика канала

измере-

ния

1.Темп-ра

565

С П. пар 0,043

мВ/

ТХА

1.4.2. Технические требования к качеству поддержания тех-

нологических параметров регламентируются государственными

Детально рассматривается в курсах «Теоретические основы технологиче-

ских измерений» и «Метрология».

и отраслевыми стандартами, паспортными данными заводов-

изготовителей технологического оборудования, нормативно-

техническими документами и определяют соответствующие

нормы качества.

1.4.3. Нормы качества – это количественные оценки требова-

ний к статической и динамической точности поддержания тех-

нологических параметров в диапазоне нагрузок установки при

различном характере возмущающих воздействий и режимах

оборудования.

1.4.4. Нормы качества определены при условии исправности

основного и вспомогательного оборудования, соблюдении за-

данных условий его эксплуатации и оптимальной настройке

средств управления.

1.4.5. Например, статическая точность поддержания:

 содержания кислорода в дымовых газах для котлов, рабо-

тающих на сернистом мазуте в режиме сжигания с пре-

дельно малыми избытками воздуха, должна составлять

± 0,1 % О

;

 содержания кислорода в дымовых газах для пылеугольных

котлов – ± 0,5 % О

;

 мощности турбогенератора N должна быть в пределах

± 3 %;

 давления пара перед турбиной Р'

в режиме постоянного

давления – ± 2 % и др.

Комплекс требований к качеству регулирования для оборудо-

вания ТЭС приведен в приложении (прил. 1).

2. Анализ технических решений

Во второй части курсового проекта (работы)

необходимо сформулировать альтернативные решения.

2.1. Обзор функций и типовых решений

2.1.1. Типовые задачи АСУТП делят на две большие группы

функций – информационные и управляющие (рис.2.1).

Рис. 2.1. Функциональная структура локальных систем

управления энергоблока ТЭС:

ТОУ – технологический объект управления; УО – управляющий

объект; УУ – устройства управления; ИИ – источники информации;

ИНФ – информационная подсистема; РЕГ – автоматическое регу-

лирование; ЛОГ – логическое управление; ТЗ – технологические

защиты; ДУ – дистанционное управление; Х – вектор управляющих

(входных) воздействий; Y – вектор технологических параметров.

ТОУ

Автоматическое регулиров

ние

и логическое управление

Автоматическое

аварийное управление

ДУ

Ручное (дистанционное)

управление

УО

Оператор

Источники информации

ИНФЛОГРЕГ

ИИ

ИИ ИИ

УУ

ТЗ

2.1.2. Информационными задачами являются сбор, хранение,

преобразование информации Y о состоянии технологического

объекта (процесса) управления и представление этой информа-

ции оперативному персоналу или передача ее для последующей

обработки.

Информационная подсистема служит для выполнения сле-

дующих функций:

 оперативного контроля;

 технологической сигнализации;

 регистрации аварийных ситуаций;

 расчета технико-экономических показателей.

2.1.3. Задачи управления технологическим процессом – за-

дачи, содержанием которых является формирование (выработ-

ка) оптимальных в смысле того или иного критерия (специально

организованных) воздействий X на объект управления.

Управляющие подсистемы служат для выполнения следую-

щих функций:

 дистанционного управления;

 аварийного управления (технологические защиты);

 автоматического регулирования и

 логического управления.

2.1.4. Анализ известных (типовых) решений выполняется по

учебной литературе, нормативным документам, материалам

обследования ТОУ [3,6,9–12,14,20,24].

Рассматриваются широко используемые технические реше-

ния, приводятся их информационные структуры, особенности,

анализируются достоинства и недостатки.

В результате анализа и в соответствие с требованиями нор-

мативных документов формируется таблица минимально необ-

ходимого объема автоматизации

. При этом следует обратить

внимание на параметры, определенные PI-диаграммой как ис-

ходные данные.

2.1.5. Осуществить системный анализ нормативного объема

автоматизации (функций) сложного объекта позволяет разра-

ботка сквозной информационно-функциональной структуры си-

стем управления (ИФС), которая строится на основе упомянутых

выше требований нормативно-технических документов (ГОСТ,

ОС, заводских инструкций, технических условий ТУ и др.).

«Перечень методических указаний по объему автоматизации …» объек-

тов ТЭС в составе АСУТП (прил. 2).

2.2. Разработка схемы сквозной информационно-

функциональной структуры системы управления

2.2.1. При разработке схемы информационно-

функциональной структуры системы управления множество вы-

полняемых системой элементарных функций объединяют по

крайней мере в 5 подсистем решаемых задач (рис. 2.2, см.

вклейку):

1) формирование единого информационного пространства Y,

обработка и контроль достоверности сигналов технологиче-

ских параметров;

2) технологическая сигнализация;

3) аварийное управление (технологические защиты – в части

формирования командного сигнала);

4) автоматическое регулирование и логическое управление;

5) автоматические блокировки, АВР и управление исполни-

тельными устройствами.

2.2.2. Объем подсистемы «Формирование, обработка и кон-

троль достоверности сигналов технологических парамет-

ров» определяется требованиями PI-диаграмм и включает в се-

бя блоки датчиков технологических параметров, с помощью ко-

торых формируют единое информационно-технологическое

пространство АСУТП. В блоке датчиков пишется код источника

сигнала (KKS) и краткое пояснение.

Формирование достоверного сигнала осуществляют путем

выбора соответствующей схемы включения датчиков (2 из 2, 2

из 3 и др.) согласно требованиям аварийного управления.

2.2.3. В подсистеме «Технологическая сигнализация» изоб-

ражают блоки, в которых определены условия (уставки) сраба-

тывания технологической сигнализации (информационная под-

система АСУТП).

2.2.4. В подсистеме «Аварийное управление» размещаются

блоки условий срабатывания технологических защит, на вход

которых подается сигнал от блока формирователя достоверного

сигнала, а выход подсоединен к соответствующему входу ис-

полнительной части алгоритма аварийного управления. Иными

словами, информационная часть технологических защит фор-

мирует командный сигнал, который посредством «промежуточ-

ного реле» подается в исполнительную подсистему автоматиче-

ских блокировок, срабатывание которых необратимо и связано с

Обязательный чертеж.