Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом подготовки теплой воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глава 1. Характеристика технологического процесса и оборудования

Рассматриваются процессы подготовки теплой воды в производстве газетной бумаги.

Потоки воды операторской станции действующей АСУТП представлены на рис.1

В курсовом проекте рассматриваются только потоки бака теплой воды (приходящие и уходящие).

В бак теплой воды поступает вода от теплообменника кондексатной системы, а так же поступает пар и свежая вода, которые регулируются степенью открытия клапана.

В целях экономии теплой воды бак разделен перегородкой, благодаря которой он выглядит как 2 сообщающиеся сосуда., в один из которых поступает пар, а в другой поступает 2 патока воды. Поэтому в одной половине бака вода более теплая, поддерживается определенной температуры примерно 51 Град.Цельсия. Из этой половины бака один паток воды поступает на химпромывку, второй - на промывку валов, третий паток на промывку сеток, и четвертый - на орашающие спрыски. Вода из второй половины бака, менее нагретой, поступает на уплотнение оборудования.

Регулирование температурой воды происходит степенью открытия клапана, который находится на подаче пара.

Параметры БДМ:

скорость - 1300 м/мин ;

ширина полотна готовой бумаги - 7,2 м.

Исполнительные устройства :

на потоке свежей воды - заслонка (215), регулирующая с пневмоприводом и электропневматическим позиционером;

на потоке пара - клапан (214) , регулирующий с пневмоприводом и электропневматическим позиционером;

на всех исполнительных устройствах установлены концевые выключатели.

Привода :

насосов на потоках теплой воды - переменного тока , 30 квт, 380 в.

Оборудование технологического процесса укомплектовано системами автоматизации и местными пультами управления, обеспечивающими :

индикацию и регистрацию :

параметров технологического режима ;

состояния регулирующих органов и электроприводов;

автоматическое регулирование :

температуры и уровня в баке теплой воды;

блокировки приводов насосов на потоках теплой воды при падении уровня в баке до минимального критического значения;

дистанционное управление с операторской станции:

режимом работы всех приводов (“пуск - останов” ),

заслонкой и клапаном;

сигнализацию :

режимов работы всех приводов ( “включены- выключены “) ;

предельных положений регулирующих органов ( “открыты -закрыты“);

предельных значений уровня в баке теплой воды.

Требования к системе регулирования уровня в баке теплой воды

Система автоматического регулирования уровня теплой воды в баке должна обеспечивать:

отклонения уровня от заданного значения в диапазоне:

| L(t) - Lзад | <--0.5 м

где : L(t), Lзад - текущее и заданное значения уровня, Lзад = 2.5 м;

при достижении уровня максимального аварийного значения регулирующие заслонка на потоке свежей воды (215) должна быть закрыта (уровни Lmin = 0.3 м и Lmах = 3.8 м считаются аварийными).

рассмотреть качество системы регулирования уровня при уменьшении расхода воды из теплообменника; полагать при этом, что в режиме нормальной эксплуатации расход этой воды равен F = 0.6 м3/мин, а при холостом ходе БДМ длительностью 30 мин скачкообразно уменьшается до F = 0.2 м3/мин

Глава 2. Основные решения автоматизации

2.1 Функции АСУТП

На основе данной технологической схемы (см. Рис. 1), строится функциональная схема автоматизированной системы управления процессом подготовки теплой воды. Она выполняется согласно ГОСТ 21.404-85, который предусматривает построение графических и условных буквенных обозначений по функциональным признакам, выполняемым техническими средствами. Функциональная схема представлена на рис.2

Разработанная система автоматизации выполняет следующие функции:

(Буквенные обозначения представлены соответственно)

Контроль (представление информации оператору) и управление:

измерение :

TI-1температуры в баке теплой воды,

LI-2уровень в баке теплой воды,

GI-2.2состояния клапана на подаче свежей воды,

GI-1.1состояния клапана на подаче пара;

автоматическое регулирование:

TIC-1температуры в баке теплой воды,

GIC-3уровень в баке теплой воды;

блокировка(при падении уровня до минимального значения) :

HAS-2.4-насоса на химпромывку,

HAS-2.5-насоса на УТР

HAS-2.6-насоса на уплотнение оборудования

HAS-2.7-насоса на орошающие спрыски

HAS-2.8-насоса на промывку сеток

HAS-2.9,

HAS-2.10-насоса на промывку валов

На операторской станции должно быть обеспечено:

дистанционное управление оператором :

HS-1.2 -потоком пара в бассейне теплой воды,

HS-2.3 -потоком свежей воды, поступающей в бак теплой воду,

HS-2.4-режим работы электропривода насоса на химпромывку,

HS-2.5- режим работы электропривода насоса на УТР

HS-2.6- режим работы электропривода насоса на уплотнение оборудования

HS-2.7- режим работы электропривода насоса на орошающие спрыски

HS-2.8- режим работы электропривода насоса на промывку сеток

HS-2.9,

HS-2.10- режим работы электропривода насоса на промывку валов

HS-3, HS-4-положение регулирующих органов;

представление информации оператору о всех измеряемых технологических параметрах )

TI-1температуры в баке теплой воды,

LI-2уровень в баке теплой воды,

GI-2.2состояния клапана на подаче свежей воды,

GI-1.1состояния клапана на подаче пара;

сигнализация :

LIA-2предельное значение уровня в баке теплой воды,

GIA-1.1,

GIA-2.2предельное положение регулирующих органов,

HSA-2.4 режим работы электропривода подачи воды на химпромывку,

HAS-2.5режим работы электропривода подачи воды на уплотнение оборудования

HAS-2.6режим работы электропривода подачи воды на уплотнение оборудования

HAS-2.7режим работы электропривода подачи воды на орошающие спрыски

HAS-2.8режим работы электропривода подачи воды на промывку сеток

HAS-2.9,

HAS-2.10режим работы электропривода подачи воды на промывку валов

HAS-3,

HAS-4 положение регулирующих органов.

2.2 Техническая структура

Техническая структура (рис. 2) для управления технологическим процессом подготовки теплой воды состоит из Модульного промышленного компьютера MIC-2000 и рабочей станции оператора (АРМ), которая включает в себя IBM совместимый компьютер, дисплей, клавиатуру, мышь и принтер.

Модули ввода/вывода:

Аналоговый ввод (MIC-2718) - 5

Аналоговый вывод (MIC-2728) - 2

Дискретный ввод (MIC-2732) - 12

Дискретный вывод (MIC-2752) - 16

MIC-2352

Интегрированный процессорный модуль на базе процессора Pentium MMX

Процессор: Intel Pentium MMX 266 МГц с пониженным энергопотреблением, установленный на плате (работает без вентилятора)

BIOS: Award флэш-BIOS 2 Мбит

Чипсет: Intel 430TX

Частота системной шины: 66 МГц

Кэш-память 2-го уровня: 512 кбайт

Оперативная память: одна 144-контактная розетка SODIMM для установки до 128 Мбайт SDRAM

Твердотельный диск: один разъем CompactFlash на первом канале IDE

Параллельный порт: имеется возможность настройки на функционирование в качестве LPT1, LPT2, LPT3 или блокирования. Обеспечена поддержка режимов SPP/EPP/ECP

Последовательные порты: один последовательный порт с интерфейсом RS-232, один последовательный порт c интерфейсом RS-232/422/485

Сетевой интерфейс: контроллер Fast Ethernet Realtek RTL8139B 10/100Base-T с RJ-45 соединителем на передней панели

2.3 Разработка технического обеспечения АСР

Для измерения уровня, используется датчик давления Метран-100-ДД:

Измеряемые среды: жидкости, пар, газ, в т.ч. газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси; пищевые продукты.

Шкала датчика 0 - 5 м.

Погрешность 0,05м.

Выходной сигнал 4-20mA.

Характеристики канала управления:

Исполнительное устройство -заслонка, регулирующая с пневмоприводом и электропневматическим позиционером.

Характеристики управляющего сигнала контроллера - аналоговый сигнал 4 ? 20 mA.

АРМ- операторская станция

ИМ- заслонка, регулирующая с пневмоприводом и электропневматическим позиционером.

РО- заслонка

ТОУ- уровень в баке теплой воды

Д- датчик давления Метран-100-ДД

Глава 3. Разработка алгоритмического обеспечения

В соответствии с выполняемыми функциями в АСУТП можно выделить ин-формационную подсистему, в которой решаются следующие задачи:

* сбор информации с датчиков технологических параметров и состояния обо-рудования;

* первичная обработка собранной информации (масштабирование , фильтра-ция, контроль достоверности параметров);

* контроль параметров техпроцесса и расчет косвенных; показателей;

* архивация данных технологического режима и формирование отчетов.

Разработка алгоритмического обеспечения информационной подсистемы

Для контролируемых технологических параметров в буквенной форме разрабатываем алгоритмы первичной обработки информации:

Выбор дискретности опроса

Необходимо определить требования к дискретности контроля уровня в баке теплой воды при условии, что в режиме нормальной эксплуатации расход теплой воды из теплообменника равен ДF = 0,6 м3/мин, а при холостом ходе БДМ длительностью 30 мин скачкообразно уменьшается до ДF = 0,2 м3/мин

Математическая модель объекта регулирования может быть получена аналитическим методом.

Пусть выполняются следующие допущения:

-площадь бассейна не изменяется по его высоте,

-напор насоса не зависит от уровня.

Тогда отклонения уровня от номинального режима могут быть описаны дифференциальным уравнением:



где: L - отклонения уровня в бассейне от номинального режима, м,

t - время, мин,

S - площадь прямоугольного бассейна, м2,

Finp, Fout - изменения расходов воды в теплообменнике, м3/мин.

F = 0,6 м3/мин -расход воды в режиме нормальной эксплуатации

F = 0,6 м3/мин - расход воды при холостом ходе БДМ длительностью 30 мин.

ДF=0,2-0,6=-0,4 (м3/мин)

Следовательно:

где ДL- отклонение уровня в бассейне от номинального значения (м)

ДF- изменение расхода воды в теплообменнике

S- площадь прямоугольного бака

S=10 м2

м

Рассчитаем допустимую ошибку ступенчатой экстраполяции.

Пусть класс точности измерения 5% = 0,05

шкала прибора 0-5 м

Реализация изменений уровня ДL(t) , снятая с дискретностью T = 0,1 мин , приведена в таблице:

Таблица

	T мин	ДL м	Первые разности
			k=1
1 2 3	0 0,5 1 1,5 2	0 -0,02 -0,04 -0,06 -0,08	0 0,02 0,02 0,02 0,02

График 1

Выбор дискретности опроса

В соответствии с графиком №1 , чтобы обеспечить требуемую точность , дискретность контроля уровня должна быть не более T < 1,9 мин .

Масштабирование

Разработаем формулы масштабирования сигнала измерителя уровня с линейным законом распределения.

В системе контроля уровня используется пьезометрический датчик со след. параметрами:

-линейная шкала 0 - 5 м

-выходной токовый сигнал 4-20 mA ,

формула масштабирования токового сигнала с датчика уровня:

где: L - значения величины уровня

А-множитель

В-дрейф нуля

I-значение сигнала с датчика

где:

L1 - минимальное значение датчика уровня

L2 - максимальное значение датчика уровня

I1 ; I2 -max и min величина сигнала измерителя уровня



В результате формула масштабирования примет вид:

График 2

Фильтрация

Фильтр экспоненциального сглаживания.

Алгоритм фильтрации имеет вид:

при 0? a < 1

где: а - коэффициент фильтрации (сглаживания)

Lf[n]- фильтрованное значение уровня на n-такте

L[n-1]- фильтрованное значение уровня на предыдущем такте

L[n] -не фильтрованное значение уровня на n-такте

Алгоритм фильтрации соответствует дискретному апериодическому фильтру.

Исходные данные - изменения уровня теплой воды, измеренного в баке, с дискретностью 1,9 мин ( см. график№1)

Они отфильтрованы:

при а = 0,5

График 2

Фильтрованное и не фильтрованное значение уровня

Глава 4. Имитационное моделирование АСР

4.1 Разработка математической модели объекта управления

газетный бумага вода производство

Система автоматического регулирования уровня теплой воды в баке должна обеспечивать:

отклонения уровня от заданного значения в диапазоне:

L(t) - Lзад 0.5 м

где : L(t), Lзад - текущее и заданное значения уровня, Lзад = 2.5 м;

при достижении уровня максимального аварийного значения регулирующая заслонка на потоке свежей воды (215) должна быть закрыта (уровни Lmin = 0.3 м и Lmах = 3.8 м считаются аварийными).

рассмотреть качество системы регулирования уровня при уменьшении расхода воды из теплообменника; полагать при этом, что в режиме нормальной эксплуатации расход этой воды равен F = 0.6 м3/мин, а при холостом ходе БДМ длительностью 30 мин скачкообразно уменьшается до F = 0.2 м3/мин

Математическая модель объекта регулирования может быть получена аналитическим методом.

Пусть выполняются следующие допущения:

площадь бассейна не изменяется по его высоте,

напоры насосов не зависят от уровня.

Тогда отклонения уровня от номинального режима могут быть описаны дифференциальным уравнением:

где: L - отклонения уровня в бассейне от номинального режима, м,

t - время, мин,

S - площадь бассейна, м2,

Finp, Fout - отклонения от номинального режима приходящих и

уходящих расходов воды , м3/мин.

Безинерционный регулирующий орган с линейной расходной характеристикой может быть описан уравнением:

F(t)= к*m(t)

где: F - отклонения расхода ,

m - отклонения степени открытия регулирующего органа, %,

к- коэффициент влияния, к = Fмах /100,

индекс “ мах“ относится к максимальному значению расхода.

Параметры бака теплой воды:

форма прямоугольная,

площадь S =10м2, высота H= 4 м .

расходная характеристика заслонки (215) на потоке свежей воды линейная, максимальный расход воды через заслонку: Fмах = 1 м3 / мин.

Глава 5. Разработка программного обеспечения АСУТП

5.1 Характеристика среды программирования

ТРЕЙС МОУД - это программный комплекс, предназначенный для разработки, настройки и запуска в реальном времени систем управления технологическими процессами. Все программы, входящие в ТРЕЙС МОУД, делятся на две группы:

· инструментальная система разработки АСУ;

· исполнительные модули (runtime).

Инструментальная система

 Инструментальная система включает в себя три редактора:

· Редактор базы каналов;

· Редактор представления данных;

· Редактор шаблонов.

В них разрабатываются: база данных реального времени, программы обработки данных и управления, графические экраны для визуализации состояния технологического процесса и управления им, а так же шаблоны для генерации отчетов о работе производства.

В зависимости от лицензии инструментальная система позволяет создавать проекты на разное количество каналов. Существуют следующие градации инструментальных систем по количеству точек ввода/вывода в одном узле проекта: 128, 1024, 32000х16, 64000х16.

Результатом работы в этом редакторе является математическая и информационная структуры проекта АСУТП. Эти структуры включают в себя набор баз каналов и файлов конфигурации для всех контроллеров и операторских станций (узлов) проекта, а также файл конфигурации всего проекта.

Редактор представления данных

Здесь разрабатывается графическая часть проекта системы управления. При этом создается статичный рисунок технологического объекта, а затем поверх него размещаются динамические формы отображения и управления. Среди них такие, как поля вывода численных значений, графики, гистограммы, кнопки, области ввода значений и перехода к другим графическим фрагментам и т. д.

Кроме стандартных форм отображения (ФО), ТРЕЙС МОУД позволяет вставлять в проекты графические формы представления данных или управления, разработанные пользователями. Для этого можно использовать стандартный механизм Active-X.

Все формы отображения информации, управления и анимационные эффекты связываются с информационной структурой, разработанной в редакторе базы каналов.

Графические базы узлов проекта, созданные в редакторе представления данных, сохраняются в файлах с расширением dbg. Их сохранение осуществляется в соответствующие директории проектов.

5.2 Характеристика ПИД-регулятора (PID)

Этот блок формирует выходное значение по ПИД-закону от величины, поданной на его вход INP. Формула вычисления выходного значения выглядит следующим образом:

Q := KP * INP + KD * (INP - INP1)/dt + S KI *INP i*dt

где

Q - выход блока;

INP - значение входа на текущем такте пересчета;

INP1 - значение входа на предыдущем такте пересчета;

INP I - значение входа на i-м такте пересчета;

N - общее число тактов пересчета;

Dt - время между тактами пересчета;

KP - коэффициент при пропорциональной составляющей;

KD - коэффициент при дифференциальной составляющей;

KI - коэффициент при интегральной составляющей.

Для ввода значений настроек используются три входа: KP- коэффициент при пропорциональной составляющей, KD - при дифференциальной, KI - при интегральной.

Модуль подаваемого на вход KI отрицательного значения передается на выход. Далее при подаче на вход KI неотрицательного значения регулирование начинается с установленной величины.

Для ограничения величины управляющего воздействия используются входы блока MIN и MAX. Первый из них задает нижний предел управления, а второй - верхний. Если величина управления выходит за любую из этих границ, то выходу присваивается величина соответствующего входа и перестает накапливаться интегральная составляющая закона регулирования.

Данный блок вычисляет величину управления по значению рассогласования регулируемой величины и задания, которое надо вычислять с помощью отдельного функционального блока.

5.3 Проектирование интерфейса оператора процесса

Проектируются две экранные формы интерфейса оператора:

Видеограмма контроля заданного узла технологического процесса (рис. 4); Видеограмма контроля и управления параметрами заданной АСР (рис. 5).



Рис. 4. Видеограмма контроля уровня теплой воды в баке

Рис. 5. Видеограмма контроля и управления состоянием уровня в баке теплой воды

5.4 Разработка программного обеспечения

База каналов контроллера:

Имя канала	Размер	Тип	Подтип	Комментарий
LТ_2	м	I	Аналог	Контроль уровня
GT_2_2	%	I	Аналог	Измерение положения клапана
GT_2_2	%	О	Аналог	Регулирование положения клапана
LCset_4			Связь	Задание уровня
GSH_2_2		I	Дискр	Клапан предельно открыт
GSL_2_2		I	Дискр	Клапан предельно закрыт
HSon_637		O	Дискр	Включение двигателя
HSon_637		O	Дискр	Включение двигателя
HA_637		I	Дискр	Двигатель включен/отключен
HSoff_379		O	Дискр	Отключение двигателя
HSoff_379		O	Дискр	Отключение двигателя
HA_379		I	Дискр	Двигатель включен/отключен
HSon_380		O	Дискр	Включение двигателя
HSoff_380		O	Дискр	Отключение двигателя
HA_380		I	Дискр	Двигатель включен/отключен
HSoff_337		O	Дискр	Отключение двигателя
HSoff_337		O	Дискр	Отключение двигателя
HA_337		I	Дискр	Двигатель включен/отключен
HSoff_338		O	Дискр	Отключение двигателя
HSoff_338		O	Дискр	Отключение двигателя
HA_338		I	Дискр	Двигатель включен/отключен
HSoff_339		O	Дискр	Отключение двигателя
HSoff_339		O	Дискр	Отключение двигателя
HSoff_339_1		O	Дискр	Отключение двигателя
HSoff_339_1		O	Дискр	Отключение двигателя
HA_339_1		I	Дискр	Двигатель включен/отключен

Программная реализация регулирования заданным технологическим параметром осуществляется на встроенном в среду ТРЕЙС МОУД языке функциональных блоков FBD (рис 6 ).



Рис. 6. FBD программа управления уровнем в баке теплой воды

Литература

1. Е.П. Дятлова, М.Р. Сафонова. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами ЦБП. Учебное пособие. СПб.: СПбГТУ РП, 1999. 51с.

2. В.Н. Леонтьев. Теория автоматического управления в ЦБП. Учебное пособие. Ленинград, 1984. 81 с.

3. Ю.С. Жукова. Конспект лекций по АТПО. СПбГТУ РП, 2007. Электронный носитель.

4. Документация на инструментальную систему “Трейс Моуд”. Электронный носитель.

Размещено на Allbest.ru