Методическое пособие 719
.pdf
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1. Функциональная структурная схема многомерной системы |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
∆ν1, |
∆CA,вх |
|
|
|
|
|
управления объектом |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
∆CBвх ∆CCвх ∆CDвх |
|
∆t1 |
|
∆t2 |
|
∆tхл.вх |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
з |
|
, |
|
з |
, |
|
з |
, |
, |
|
, |
|
|
, |
|
|
, |
|
|
– возмущающие воздейст- |
||||
вия; |
∆CB |
|
∆tхл ∆t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
– регулирующие |
∆CB |
, |
∆t |
– |
|||||||||
ε1 |
|
ε2 |
|
ε3 |
|
|
ε4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆ν2 |
|
|
|
|
|
|
воздействия; |
|||||
регулируемые выходные переменные; |
∆νз2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
, |
|
|
, |
|
, |
|
|
– ошибки регулирования; |
заданное значение расхода второго |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
–∆νхл |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
потока в трубопроводе; |
– коэффициент соотношения расходов второго и |
||||||||||||||||||||||||||||
первого потоков на входеKвс аппарат; |
uтр |
– безразмерная величина перемещения |
|||||||||||||||||||||||||||
штока регулирующего клапана. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
Для |
полунатурного |
моделирования |
многомерной системы |
управления |
|||||||||||||||||||||
объектом с применением каскадной САР температуры реакционной смеси в аппарате и САР соотношения расходов второго и первого потоков на входе в аппарат с коррекцией по концентрации целевого продукта в аппарате в целом необходимо кроме уравнений линеаризованной математической модели объекта располагать уравнением подобъекта – участка трубопровода, уравнениями работы регуляторов – алгоритмами управления и уравнениями элементов сравнения – сумматоров.
Для реализации многомерной системы управления объектом выбираем
ПИ-алгоритм работы всех регуляторов. Уравнение ПИ-алгоритма управления |
|||||||||||||||
где |
|
– |
|
u( ) = K |
|
|
( ) + T |
0 |
( )d , |
|
|
(3) |
|||
имеет следующий вид: |
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
|||
|
u(τ) |
|
|
|
|
|
|
|
ε(τ) |
|
|
|
|
Kп |
|
|
|
|
|
τ |
п |
|
ε τ |
|
1и |
|
|
ε τ τ |
|
|
|
|
|
|
регулирующее воздействие; |
|
|
– ошибка регулирования; – |
|||||||||
коэффициент пропорциональности; |
|
|
– |
время интегрирования; , |
|
– на- |
|||||||||
|
|
|
|
|
управления, изменяя их, можно изменять |
||||||||||
строечные параметры ПИ-алгоритмаTи |
|
|
|
|
|
|
Kп |
Tи |
|
||||||
характер и вид переходного процесса регулирования.
Таким образом, уравнение подобъекта – участка трубопровода и система уравнений работы регуляторов – алгоритмов управления будет иметь следующий вид:
190
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d∆ |
2 |
= |
K u |
|
п |
− ∆ |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
u = K 1(K ∆ 1 + ∆ 22 |
ν |
|
|
|
тр |
|
тр |
|
|
|
ν |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
− ∆ 2) + |
|
|
|
п (K ∆ 1 + ∆ 22 − ∆ 2)d |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
|
|
|
|
тр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
νз |
|
|
|
|
|
ν з |
|
з |
|
|
|
|
|
|
|
T |
1 |
|
0 |
|
|
|
|
|
з |
νз |
τ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
тр |
|
∆ |
|
|
с |
|
ν |
|
|
|
d |
|
|
ν |
|
|
+ |
|
T |
|
2 |
0 |
|
∆Cз |
ν |
d |
ν |
τ |
(4) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= K ∆Cз |
|
− ∆C |
|
|
|
|
|
|
|
− ∆C |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kи |
1 |
|
|
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
ν |
|
|
|
|
п |
2( |
|
|
|
|
|
|
|
B) |
|
|
|
Kи |
2 |
|
|
( |
|
|
|
|
|
B) |
τ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
22 |
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
τ |
|
|
|
B |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
τ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
∆ = K 3(∆t − ∆t |
|
|
) + |
|
|
T |
п |
|
τ(∆t − ∆t )d |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
хл |
|
|
з |
п |
|
хл |
|
з |
|
хл |
|
|
|
|
|
3 |
0 |
|
|
|
|
|
з |
хл |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kи |
3 |
|
|
|
|
|
хл |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
где |
|
– |
|
|
|
∆t |
|
= K |
п4 |
(∆t |
|
− ∆t) + |
T |
|
4 |
(∆t |
|
− ∆t) , |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
является |
тр |
|
|
|
|
|
|
|
хл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kи |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
тр |
|
тр |
|
|
|
|
коэффициент трубопровода, входным воздействием которого |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
безразмерная величина перемещения штока регулирующего клапана |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
, |
|
– постоянная времени трубопровода. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Математическая модель многомерной системы управления жидкофазным |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
химическим реактором включает в себя систему уравнений линеаризованной математической модели объекта, уравнение подобъекта – участка трубопровода и систему уравнений работы регуляторов – алгоритмов управления.
Ориентировочные численные значения настроечных параметров ПИрегуляторов определены по инженерным методам, изложенным в [9, 10]. Коэффициент пропорциональности регуляторов определялся для случая статической системы по требованию к установившейся точности (допустимой статиче-
ской ошибки) [9]. Время интегрирования регуляторов рассчитано, исходя из |
|||||
[10]. |
= , |
|
|
|
, что соо т- |
условия обеспечения степени колебательности не менее |
|
||||
ветствует степени затухания |
|
переходного |
процесса регулирования |
||
|
|
= , |
|
||
В ходе процесса полунатурного моделирования многомерной системы управления жидкофазным химическим реактором численные значения настроечных параметров ПИ-регуляторов были уточнены. Корректировка численных значений настроечных параметров ПИ-алгоритмов управления осуществляется до тех пор, пока переходный процесс регулирования не будет отвечать заданным показателям качества и эффективности регулирования.
3. Структура ПТК на базе «стенд ТеконУС 410-02 – ПЭВМ» Основными компонентами системы являются рабочая станция на базе
персонального компьютера и отладочный модуль «ТеконУС 410-02» (группа компаний (ГК) «Текон»). Структура ПТК «Текон» производства ГК «Текон» предложена на рис. 1 [2].
Основными техническими компонентами отладочного модуля «ТеконУС 410-02» являются: многофункциональный программируемый логический контроллер ТКМ410; панель оператора V04M; модули вывода аналоговых сигналов T3501 (модули расширения) [2].
Рабочая станция подключается к микропроцессорному контроллеру через сетевой коммутатор (Switch) посредством интерфейса Ethernet спецификации 10BaseT. Рабочая станция может использоваться как в качестве инженерной
191
станции (разработка и отладка прикладного программного обеспечения), так и в качестве станции оператора (автоматизированное рабочее место оператора (инженера-исследователя)) [2].
Рис. 2. Структура программно-технического комплекса
Для организации работы ПТК используется программное обеспечение:
ISaGRAF PRO, TeconOPC-сервер, MasterSCADA, MATLAB (расширение Simulink) [2].
Алгоритмы управления технологическими объектами реализуются на многофункциональном контроллере ТКМ410, программирование которого осуществляется с помощью среды разработки приложений ISaGRAF PRO (поддерживаются языки SFC, FBD, LD, ST, IL стандарта IEC 61131-3, а также язык
FC) [2].
Диспетчерское управление, сбор и отображение данных в ходе процесса полунатурного моделирования в системе обеспечивается современной объект- но-ориентированной SCADA- и Soft-Logic-системой MasterSCADA отечествен-
ной фирмы «InSat» [2].
Интеграция компонентов системы и организация обмена данными обеспечивается посредством TeconOPC-сервера. На базе ПТК «ТеконУС 410-02 – ПЭВМ» можно проводить проектирование и полунатурное (программноаппаратное) моделирование систем управления технологическими процессами
(Hardware-in-the-loop (HIL) simulation) [2].
4. Разработка прикладного программного обеспечения многофункционального контроллера ТКМ410
Для проведения полунатурного моделирования многомерной системы управления объектом необходима замена технологического процесса (объекта) его адекватной имитационной моделью.
Моделирование работы технологических процессов (объектов) в системе осуществляется с использованием пакета прикладных программ математиче-
192
ского моделирования MATLAB, который позволяет вести моделирование в режиме реального времени, что важно в рамках решаемой задачи.
Для моделирования жидкофазного химического реактора используется расширение Simulink, которое входит в состав пакета MATLAB. MATLAB Simulink является мощным инструментом для исследования и моделирования сложных динамических систем, с его помощью можно имитировать реальный процесс либо производство в целом. MATLAB Simulink имеет в своем составе библиотеку «OPC Toolbox», расширяющую возможности системы средствами взаимодействия с OPC-серверами, что позволяет использовать MATLAB Simulink в качестве OPC-клиента [2].
Как было сказано выше, моделирование динамики объекта управления целесообразнее всего проводить с применением пакета MATLAB расширения Simulink совместно с библиотекой «OPC Toolbox». Библиотека «OPC Toolbox» позволяет организовать связь имитационной модели технологического процесса с управляющей программой, которая загружена в ПЛК, а также со SCADAсистемой.
На рис. 3 представлено главное окно Simulink-программы, моделирующей работу объекта.
Рис. 3. Simulink-модель жидкофазного химического реактора
Для организации обмена данными между расширением Simulink и TeconOPC-сервером используются функциональные блоки библиотеки «OPC Toolbox»: «OPC Configuration», «OPC Read», «OPC Write».
Программирование многофункционального контроллера ТКМ410 осуществляется с помощью системы ISaGRAF PRO 4.20. Система программирования
193
ISaGRAF PRO состоит из среды разработки ISaGRAF PRO Workbench и среды исполнения, предустановленной на контроллере ТКМ410. ISaGRAF PRO – это полная поддержка всех языков стандарта IEC 61131-3 (международный стандарт «Программируемые контроллеры-часть3. Языки программирования») [11].
Для реализации ПИ-алгоритмов управления используется функциональный блок «T_PID» (аналоговый ПИД-регулятор), который входит в состав библиотеки алгоритмов контроллера ТКМ410 «TIL Pro Std».
Следующим шагом разрабатывается программа управления, которая реализует многомерную систему управления жидкофазным химическим реактором с применением каскадной САР температуры реакционной смеси в аппарате и САР соотношения расходов второго и первого потоков на входе в аппарат с коррекцией по концентрации целевого продукта в аппарате в соответствии с функциональной структурной схемой.
Следующим этапом приступают к разработке непосредственно самой программы контроллера на одном из языков стандарта IEC 61131-3. Для реализации многомерной системы управления жидкофазным химическим реактором целесообразно использовать язык функциональных блочных диаграмм FBD (Function Block Diagram) – графический язык, позволяющий программисту строить сложные процедуры, используя существующие функции из стандартной библиотеки. Диалоговое окно редактора языка функциональных блочных диаграмм FBD представлено на рис. 4.
Рис. 4. Диалоговое окно редактора языка функциональных блочных диаграмм FBD
Для обеспечения работы ПТК требуется наличие OPC-сервера, который позволяет элементам ПТК обмениваться данными между собой.
194
Конфигурация TeconOPC-сервера представляет собой список переменных целевой задачи (ресурса) контроллера, к которым может быть получен доступ для чтения и записи соответствующих текущих численных значений. Диалоговое окно программы TeconOPC-сервер с загруженойконфигурацией приведено на рис. 5.
Рис. 5. Диалоговое окно программы TeconOPC-сервер с загруженной конфигурацией
Для оперативного диспетчерского управления, сбора и отображения данных в процессе полунатурного моделирования многомерной системы управления жидкофазным химическим реактором разрабатывается графический интерфейс пользователя в SCADA-системе (рис. 6). Для этой цели используется с о- временная, инновационная, мощная и удобная SCADA- и SoftLogic-система MasterSCADA отечественной компании «ИнСАТ».
Рис. 6. Внешний вид главной мнемосхемы технологического процесса
Решающим критерием оценки многомерной системы управления жидкофазным химическим реактором являются показатели качества переходных процессов регулирования. Для нашего объекта управления имеют значение сле-
195
дующие показатели качества: время регулирования ( р ≤ ( ÷ ) об, где об –
постоянная времени объекта по каналу регулирования) и динамическая ошибка (зададимся следующим условием: динамическая ошибка не должна превышать 10% по всем переходным процессам регулирования).
парат |
На рис. 7, 8 представлено изменение регулируемых переменных и регу- |
||
|
. |
(∆ вх) и расходу первого потока на входе в ап- |
|
лирующих воздействий при ступенчатых возмущениях по концентрации ком- |
|||
|
(∆ ) |
|
|
понента |
во входном потоке |
|
|
воздействий при ∆ вх = , (моль/л)
Рис. 7. Изменение регулируемых переменных и регулирующих ступенчатомвхвозмущении= (моль/л:)
(10% от )
Рис. 8. Изменение регулируемых переменных∆ и регулирующих= , (л/мин) воздействий при ступенчатом=возмущении, (л/мин):
(10% от )
На рис. 9, 10 представлено изменение регулируемых переменных и регу-
лирующих воздействий при ступенчатых изменениях задающего воздействия |
|||
|
(∆з) |
з |
и температуре реакцион- |
по концентрации целевого продукта в аппарате |
|||
ной смеси в аппарате |
. |
(∆ ) |
|
196
|
Рис. 9. Изменение регулируемых переменных и регулирующих |
||||||||||||
|
∆ |
|
= , (моль/л) |
|
|
|
|
= , (моль/л) |
|||||
воздействий при ступенчатом изменении задающего воздействия: |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
(10% от |
|
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
з |
|
|
з |
|
÷ |
|
||||
|
|
|
|
|
|
≤ |
|
|
|||||
Численное значение динамической ошибки |
|
не превышает 10%, а время |
|||||||||||
процессам. |
|
|
р |
удовлетворяет условию: |
|
р |
|
( |
) |
об |
по всем переходным |
||
регулирования |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Рис. 10. Изменение регулируемых переменных и регулирующих воздействий при∆з ступенчатом= ( ) измененииз = задающего( ) воздействия:
(10% от )
Таким образом, можно сделать вывод о том, что синтезированная многомерная система управления жидкофазным химическим ректором, реализованная на базе программно-технического комплекса «стенд ТеконУС 410-02 – ПЭВМ» является работоспособной.
Разработанная методика может использоваться для проведения имитационного (полунатурного) моделирования, структурного, алгоритмического и параметрического синтеза, а также тестирования и отладки систем автоматического управления технологическими объектами на этапе проектирования АСУТП.
197
Технико-экономический эффект от использования предложенной методики выражается в сокращении затрат времени и других ресурсов на пусконаладочные работы при введении АСУТП в эксплуатацию.
Литература
1.Лабутин, А. Н. Технологические процессы и производства как объекты управления: учеб. пособие / А.Н. Лабутин, Г.В. Волкова. – Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т., 2010. – 96 с.
2.Невиницын, В.Ю. Прикладное программное обеспечение систем управления на базе ПЛК ТКМ410: учеб. пособие / В.Ю. Невиницын, А.Н. Лабутин, Г.В. Волкова. – Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т., 2017. – 96 с.
3.Sascha Rock. Hardware in the loop simulation of production systems dynamics // German Academic Society for Production Engineering (WGP). – 2011. – P. 329-337.
4.S. A. Belokon’, Yu. N. Zolotukhin, M. N. Filipov. Architecture of a Platform for Hardware-in-the-Loop Simulation of Flying Vehicle Control Systems // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. – 2017. – Vol. 53, No. 4. – P. 345-350.
5.Igor Henrique Beloti Pizetta, Alexandre Santos Brandao, Mario SarcinelliFilho. A Hardware-in-the-Loop Platform for Rotary-Wing Unmanned Aerial Vehicles // Springer Science+Business Media Dordrecht. – 2016. – P. 1-19.
6.G. Aiello, M. Cacciato, G. Scarcella, G. Scelba. Failure analysis of AC motor drives via FPGA-based hardware-in-the-loop simulations // Springer-Verlag GmbH Germany. – 2017. – P. 1-11.
7.G. G. Kulikov, V. Yu. Ar’kov, A. I. Abdulnagimov. Hardware-in-the-Loop Testing Technology for Integrated Control and Condition Monitoring Systems of Aircraft Gas Turbine Engines // Russian Aeronautics (Iz.VUZ). – 2008. – Vol. 51, No. 1. – P. 47-52.
8.M. H. Lee, H. M. Lee, K. S. Lee, S. K. Ha, J. I. Bae, J. H. Park, H. G. Park, H. J. Choi, H. H. Chun. Development of a Hardware-in-the-Loop Simulation system for electric power steering in vehicles // International Journal of Automotive Technology. – 2011. – Vol. 12, No. 5. – P. 733-744.
9.Алексеев, А.А. Теория управления: учебник / А.А. Алексеев, Д.Х. Имаев, Н.Н. Кузьмин, В.Б. Яковлев. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1999. – 435 с.
10.Ротач, В. Я. Расчет настройки промышленных систем регулирования / В.Я. Ротач. – М.: Госэнергоиздат, 1961. – 344 с.
11.Многофункциональный контроллер ТКМ410. Руководство по эксплуатации.
ФГБОУ ВО «Ивановский государственный химико-технологический университет», Россия
198
УДК 004.94 (336.6)
М.М. Савкин, В.П. Пономарев
КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕЙ КОМПАНИЕЙ
Для повышения эффективности управления нефтедобывающей компанией предлагается использовать компьютерную модель, созданную на основе модуля Simulink математического пакета Matlab и осуществляющую имитационное моделирование всех бизнес-процессов в компании. В работе рассматриваются вопросы разработки подсистем добычи нефти, транспортировки и сбыта на внутреннем рынке и за рубеж, выплаты налогов, контроля и оптимизации распределения денежных ресурсов. В ходе разработки модели с использованием математических блоков пакета Matlab получены новые расчетные зависимости для прогнозирования добычи нефти из месторождения и оптимизации распределения поставок нефти на НПЗ, магистральный нефтепровод, железнодорожный и речной транспорт. Анализ результатов моделирования для компании с объемом добычи в 5 млн. т нефти в год показал существенные достоинства созданной компьютерной модели.
Ключевые слова: компьютерная модель, нефтедобывающая компания, имитационное моделирование, Simulink, Matlab,
Введение.
В динамических условиях современного рынка от нефтедобывающей компании требуются быстрые и оптимальные управляющие решения по распределению ресурсов на добычу, подготовку новых месторождений, внедрение новых технологий. Также актуальными являются проблемы направлений транспортировки и сбыта нефти (на НПЗ (нефтеперегонный завод), магистральный нефтепровод, железнодорожный и речной транспорт). Как отмечено в [1] - [3] существенное повышение оптимальности управления предприятием, компанией можно получить при использовании интегрированной компьютерной модели, осуществляющей имитационное моделирование всех деловых процессов в производственной цепочке. В настоящей работе предлагается компьютерная модель управления нефтедобывающей компанией, созданная на основе модуля Simulink пакета Matlab. Пакет Matlab является наиболее мощной системой научно-технических расчетов, а его модуль Simulink позволяет осуществлять моделирование непрерывных и дискретных процессов во времени. Отличительной чертой модуля Simulink является визуальное программирование, когда компьютерная модель создается путем переноса объектов мышью из библиотеки на рабочее поле и соединения их функциональными связями. Компьютерная программа для модели создается автоматически и представляет собой систему конечно-разностных уравнений. После ввода характеристик блоков и
199