МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА УЧАСТКЕ ТРУБОПРОВОДА ПОД УПРАВЛЕНИЕМ КОНТРОЛЛЕРА «ОВЕН ПЛК100 220»


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Рассматривается проблема временных задержек при передаче информации от первичного преобразователя к управляющему органу в автоматических системах управления технологическими процессами. В настоящее время отсутствуют методики оценки влияния временных задержек информационного сигнала на время реак- ции контура регулирования, что приводит к неэффективному использованию ресурсов систем. Увеличенный временной интервал между изменением технологического параметра и управляющим воздействием также может привести к негативным последствиям. В качестве инструмента для исследования системы выбрана параметрическая идентификация отдельных узлов с последующим составлением циклограммы замкнутого контура регулирования. В процессе синтеза циклограммы временных задержек производится разделение структурной схемы контура регулирования на две составные части: регулятивную (отображает элементы рассматриваемого контура регулирования, непосредственно участвующие в технологическом процессе) и информативную (отображает элементы, не влияющие на процесс автоматического регулирования техноло- гического параметра) карты прохождения сигнала. Разделение на элементы, относящиеся к регулятивной или информативной карте, производится на основании влияния на суммарное время реакции системы рассматри- ваемого контура автоматического регулирования. Учитывая технические параметры каждого узла регуля- тивной карты и общей технической документации, составляется функциональная схема временных задержек каждого элемента в виде графического изображения (циклограммы). Исходя из полученных моделей состав- ляются две циклограммы с максимальным и минимальным быстродействием рассматриваемого контура регу- лирования путем смещения моделей элементов относительно друг друга. В качестве примера приведен расчет отдельного контура регулирования давления воздуха в трубопроводе, состоящего из первичного преобразователя «МЕТРАН 100 ДИ 1051», устройства связи с объектом (УСО) «ЭЛЕМЕР EL 4019», программируемого логического контроллера «ОВЕН ПЛК100 220», УСО «ЭЛЕМЕР EL 4024», исполнительного механизма МЭО-6,3/20-0,63-01, обеспечение связи между контроллером и УСО осуществляется при помощи сетевого интерфейса RS485 (протокол MODBUS RTU).

Полный текст

Введение. В процессе эксплуатации автоматиче- ских систем управления технологическими процесса- ми (АСУ ТП) могут возникать аварийные ситуации, имеющие глобальные негативные последствия, такие как повреждение узлов оборудования, брак, причинение вреда здоровью человека и окружающей среде [1]. Зачастую это связано с несвоевременной реакцией системы автоматического управления на происходящие изменения критических параметров в технологическом процессе. Причиной тому является отсутствие мето- дологии анализа временных характеристик АСУ ТП. Современный уровень развития технических систем вызывает необходимость решения как теоретических, так и практических задач идентификации состояния отдельных элементов системы и каналов передачи информации [2]. Однако при изучении структурно сложных объектов нерационально анализировать весь объем информации о системе. При текущем уровне автоматизации объем информации об изучаемой сис- теме чрезмерен [3], тогда как в критически важных процессах участвует лишь ограниченное число конту- ров управления. Системный подход к разработке математической модели предполагает единый подход к описанию все- го тракта преобразования и передачи информации, начиная с первичного преобразователя, восприни- мающего непрерывную измеряемую величину, и за- канчивая устройствами цифровой обработки информа- ции и устройствами регулирования [4]. Анализиро- вать рационально лишь контуры автоматического регулирования критических параметров, как на стадии проектирования, так и в уже действующих АСУ ТП. Перечень критических параметров определяется ин- дивидуально для рассматриваемого технологического процесса. Каждый контур автоматического регулиро- вания критического параметра рассматривается инди- видуально. Характерные особенности задачи идентификации в этом случае связаны с наличием обратной связи (ОС), устанавливающей причинно-следственную связь меж- ду выходом объекта и входным управляющим воздей- ствием на объект. Применение в этих условиях мето- дов пассивной идентификации без учета влияния обратной связи приводит к неверным результатам или порождает неоднозначность решения задачи идентификации, что приводит к необходимости использова- ния алгоритма параметрической идентификации, учи- тывающего влияние ОС [5; 6]. Рассмотрим расчет временных задержек для замк- нутого контура регулирования давления жидкости в трубопроводе (рис. 1). Анализ структурной схемы. Введем понятие «карта прохождения сигнала». Это полный путь, который пройдет сигнал, сформированный первичным преобразователем. Исходя из структурной схемы, карту прохождения каждого сигнала [7] можно разделить на две части: - регулятивная карта прохождения сигнала (РКС) - включает в себя устройства и сети от первичного пре- образователя до исполнительного механизма, наличие которых приводит к увеличению времени реакции контура регулирования; - информативная карта прохождения сигнала (ИКС) - включает в себя остальные устройства и сети, предназначенные для обработки, хранения, отображе- ния и передачи сигнала, не влияющие на время реак- ции контура регулирования. На основании этого объектом для анализа вероят- ностно-временной характеристики является регуля- тивная карта прохождения сигнала (РКС). В результате анализа РКС можно: - установить недостатки контура автоматического регулирования технологического параметра на стадии проектирования (неподходящий протокол связи, уст- ройство с низким быстродействием, неоптимизиро- ванная конфигурация сети и т. д.); - произвести изменения в уже имеющуюся АСУ ТП для предотвращения возможности возникновения чрезвычайных ситуаций; - определить функциональные зависимости между допустимыми величинами критических параметров и временем реакции системы, которые способна ком- пенсировать АСУ ТП без наступления негативных последствий. Состав РКС может быть различным и включать в себя разное число устройств и сетей связи. 1. Первичный преобразователь. По типу формиро- вания сигнала на выходе первичные преобразователи можно разделить на две группы. Рис. 1. Структурная схема замкнутого контура регулирования давления жидкости в трубопроводе: РТ - датчик давления «МЕТРАН-100-ДИ-1051»; УСО1, УСО2 - устройство связи с объектом «ЭЛЕМЕР-EL-4019»; УСО3 - устройство связи с объектом «ЭЛЕМЕР-EL-4024»; ПЛК - контроллер «ОВЕН ПЛК100-220»; ИМ - исполнительный механизм МЭО-6,3/20-0,63-01 Fig. 1. Structural diagram of a closed loop for regulating the pressure in a pipeline section: PT - pressure sensor “METRAN-100-DI-1051”; YCO1, YCO2 - communications device with the item “ELEMER-EL-4019”; YCO3 - communications device with the item “ELEMER-EL-4024”; PLK - controller “OWEN PLK100-220”; IM - executive device ME0-6,3/20-0,63-01 1.1. Преобразователь без электронно-цифровых узлов с непрерывным формированием сигнала. Сам сигнал по роду может быть аналоговым или дискрет- ным. Принимаем Тпп. уст = 0 с, где Тпп. уст - время установления выходного сигнала первичного преобразователя, с. 1.2. Преобразователь с электронно-цифровыми узлами формирования сигнала. Сигнал на выходе по роду может быть как цифровым, так и аналоговым или дискретным, однако его изменение происходит с некоторой задержкой, которая возникает в результа- те обработки и формирования сигнала в электронном блоке: Тпп.уст = Тпс + Тэб, (1) где Тпс - время переходного процесса сенсора, с; Тэб - время задержки электронного блока, с. Время задержки электронного блока определяется по формуле Тэб = tд + τ, (2) где tд - время демпфирования, c; τ - время цикла измерения датчика, с. 2. Устройство связи с объектом (УСО). По типу опроса / вывода информации можно выделить: 2.1. УСО с последовательным опросом каналов. Опрос каналов либо вывод информации производится последовательно один за другим. Таким образом, время задержки сигнала в УСО (Тусо) будет опреде- ляться по формуле Тусо = Nкн · Ткн, (3) где Nкн - количество каналов, шт; Ткн - время опроса одного канала, с. 2.2. УСО с параллельным опросом каналов. Опрос всех каналов происходит одновременно, соответст- венно Тусо = Топр, где Топр - время опроса каналов, c. Вся информация о задержках имеется в докумен- тации к тому или иному устройству. 3. Протокол обмена данными, который можно раз- делить следующим образом: 3.1. Протоколы последовательного опроса типа Master/Slave. Последовательный опрос ведомых уст- ройств осуществляется одним ведущим устройством (например, протокол Modbus). В протоколах такого типа основным фактором задержки обмена информа- цией является количество подключенных ведомых устройств. Для расчета задержек, возникающих в протоколе обмена, необходимо знать: Nусо - количество подклю- ченных ведомых устройств, шт; Тзап - время запроса, с; Ттиш - время паузы после цикла опроса, с; Тусо.отв - время ответа подключенного устройства, с; Pош - вероятность возникновения коллизии. 3.2. Протоколы с фиксированным временем для передачи информации. В протоколах данного типа [8; 9] ведущее устройство открывает «окно» для приема данных. Время приема строго фиксировано. Данный протокол применяется в системах реального времени [10]. Для расчета задержек в протоколе данного типа необходимо знать: Тзап - продолжительность приема информации, с; Р - приоритет рассматриваемого сиг- нала; Ттиш - время задержки между «окнами» приема информации, с. Следует считать приоритет рассматриваемого кри- тического параметра наивысшим, что обеспечивает первоочередную передачу. 3.3. Протоколы с равными участниками сети [11; 12]. Все устройства в сети с протоколом такого типа имеют право сами инициировать передачу данных. Если в сети все устройства имеют равный приори- тет, то это будет приводить к постоянным коллизиям и потере информации, что является недопустимым для большинства САР. При разделении на приоритеты устройства с низ- ким приоритетом могут никогда не передать инфор- мацию из-за большого потока информации с уст- ройств с более высоким приоритетом. 4. Программируемый логический контроллер. Время обработки информации и выдачи сигнала для каждого контроллера описано в технической доку- ментации, но может варьироваться от закона регули- рования для исследуемого параметра и нагрузки на ПЛК в данный момент времени. Тплк - время обра- ботки информации и выдачи сигнала, с. 5. Исполнительный механизм (ИМ). Под временем реакции исполнительного механизма понимается время, прошедшее с момента появления сигнала на его входе до момента начала движения регулирующе- го органа. Задержки могут быть созданы электронным блоком обработки сигнала ИМ. Тим - время реакции исполнительного механизма, с. При анализе каждого компонента, входящего в со- став РКС, к имеющимся формулам могут быть добав- лены параметры, влияющие на прохождение сигнала. Вся информация о задержках, имеющихся в конкрет- ном узле, описана в технической документации к уст- ройствам/протоколам связи. Время реакции контура регулирования критиче- ского параметра является переменной величиной в прогнозируемых пределах от Тmin до Tmax, где Tmin - минимальное время реакции системы, c; Tmax - мак- симальное время реакции системы, за исключением случаев, когда все устройства и сети связи между ними имеют единый синхронизирующий сигнал, что на практике бывает крайне редко. Пример расчета РКС. Для примера расчета РКС возьмем контур регулирования давления жидкости в трубопроводе. Выделив РКС из общей структурной схемы, опи- сываем каждый ее элемент. 1. Интеллектуальный датчик давления «МЕТРАН- 100-ДИ-1051» (рис. 1, поз. РТ). Исходя из техниче- ской документации, определяем параметры для расче- та времени установления выходного сигнала: Тпс - время переходного процесса сенсора, с; tд - время демпфирования, с; τ - время цикла измерения датчика (время обнов- ления данных канала), с. Тпс для данного датчика равен 100 мс, параметр tд установлен на значение 200 мс, время обновления данных канала равно 100 мс: Тпп.уст = 100 + 200 + 100 = 400 мс. Отобразим на временной шкале цикл работы пер- вичного преобразователя (рис. 2). 2. Устройство связи с объектом «ЭЛЕМЕР-EL- 4019» (рис. 1, поз. УСО1) имеет 8 аналоговых входов. Согласно принципиальной схеме, первичный преобра- зователь подключен к первому каналу: - метод опроса каналов - последовательный; - число каналов равно 8 (Nкн = 8); - скорость опроса канала равна 120 мс/канал (Тнк = 120): Тусо = Nкн · Ткн = 8 · 120 = 960 мс. Графически изобразим полученную информацию (рис. 3). 3. Протокол связи ModBUS RTU. Исходя из доку- ментации протокола ModBUS RTU, а также парамет- ров исследуемой сети, определяем необходимые для расчета величины: - количество подключенных ведомых устройств в одну сеть (так как опрос происходит последовательно) Nусо = 3 шт; - время запроса определено параметрами протоко- ла Тзап = 100 мс; - время ответа подключенного устройства опреде- ляется настройками сети (в протоколах Modbus сред- нее время ответа ведомых устройств равно 0,25 с): Тотв = 200 мс; - время паузы после цикла опроса определяется настройками сети: Ттиш = 100 мс. Изобразим на временной шкале цикл опроса ведо- мых устройств рассматриваемой РКС (рис. 4). 4. Программируемый логический контроллер «ОВЕН ПЛК100-220» (рис. 1, поз. ПЛК). Время обработки и формирования выходного сигнала зависит от про- граммы, которая занесена или будет занесена в ПЛК. Инструкция на прибор регламентирует время выпол- нения цикла программы в пределах 0,05-1 с. Если мы производим анализ существующей РКС, то этот параметр известен и является конкретной величиной. В случае анализа проектируемой АСУ ТП для расчета принимается как минимальное, так и максимальное значение: Тcpumin = 50 мc; Tcpumax = 1000 мc. 5. Устройство связи с объектом «ЭЛЕМЕР-EL- 40242» имеет 4 аналоговых выхода (рис. 1, поз. УСО3). Согласно принципиальной схеме исполни- тельный механизм подключен ко второму каналу. Согласно инструкции на прибор, при установлен- ной скорости обмена данными 9600 бод, скорость чтения регистров Тчт = 100 мс. Также, согласно спецификации, требуется пауза не менее 40 мс перед обработкой следующей команды: Тпаузы = 40 мс. Изобразим на временной шкале цикл формирования выходных сигналов (рис. 5). Рис. 2. Цикл работы интеллектуального датчика давления «МЕТРАН-100-ДИ-1051» Fig. 2. Operating cycle of intelligent sensor of pressure “METRAN-100-DI-1051” Рис. 3. Цикл работы УСО «ЭЛЕМЕР-EL-4019» Fig. 3. Operating cycle of YCO “ELEMER-EL-4019” Рис. 4. Цикл опроса ведомых устройств Fig. 4. Poll cycle of in-house devices Рис. 5. Цикл формирования выходных сигналов на УСО «ЭЛЕМЕР-EL-4024» Fig. 5. Formation cycle of loop output signal on YCO “ELEMER-EL-4024” 6. Исполнительный механизм МЭО-6,3/20-0,63-01 (рис. 1, поз. ИМ). В инструкции к прибору не сказано о возникающих задержках и циклах его работы. Однако так как ИМ принимает унифицированный сигнал, в его составе есть электронный блок, вклю- чающий в себя АЦП, нормирующий узел обработки, ЦАП, что накладывает определенные задержки на сигнал. Примем Тимmin = 1 мс и Тимmax = 10 мс. Однако для расчета, например предельного значения критического параметра, необходимо учесть время полного хода выходного вала, равное 20 с. Расчет максимального времени прохождения сигнала по регулятивной карте. Составим графики циклов максимальной продолжительности работы [13] всех устройств и протоколов рассматриваемой РКС (рис. 6), сдвигая их относительно друг друга так, что- бы задержка сигнала в каждом узле была максималь- ной [14]. Порядок расположения графиков выстраи- вается согласно логике прохождения сигнала: - изменение величины критического параметра; - цикл работы первичного преобразователя; - цикл работы УСО1; - цикл передачи данных по ModBUS RTU; - цикл обработки и формирования сигнала в ПЛК; - цикл передачи данных по ModBUS RTU; - цикл обработки и передачи управляющего сиг- нала на УСО3; - цикл работы ИМ; - изменение величины критического параметра. Подпись: Сибирский журнал науки и технологий. Том 18, № 2 Сибирский журнал науки и технологий. Том 18, № 2 392 Рис. 6. График циклов максимальной продолжительности работы всех устройств и протоколов рассматриваемой РКС Подпись: Технологические процессы и материалы 393 Технологические процессы и материалы Рис. 7. График циклов минимальной продолжительности работы всех устройств и протоколов рассматриваемой РКС Исходя из данных, полученных графически, выпи- сываем задержки, возникающие в результате прохож- дения сигнала по РКС: Тmax = 3700 + 1000 + 1570 = = 6270 мс. Расчет минимального времени прохождения сигнала по регулятивной карте. Составим графики циклов минимальной продолжительности работы всех устройств и протоколов рассматриваемой РКС (рис. 7), сдвигая их относительно друг друга так, чтобы задержка сигнала в каждом узле была минимальной. Порядок расположения графиков аналогичен выше- указанному: Tmin = 1660 + 1000 + 1530 = 4190 мс. Анализ полученных результатов. Анализируя данную РКС, был вычислен диапазон времени реак- ции системы на изменение критического параметра: 4190-6270 мс. Для того, чтобы понять, удовлетворяет ли данный контур регулирования предъявляемым требованиям, необходимо сравнить максимальную скорость изме- нения регулируемого параметра и сопоставить ее со временем реакции системы [15]. Принимаем время реакции системы как сумму максимального значения времени и запаса надежно- сти, равного 20 % [16]: Тркс.max = 7524 мс. Например, вследствие некорректной работы ком- прессора начался бесконтрольный набор давления в трубопроводе (0,7 атм/с). Величина задания 5 атм (Рнач = 5). Максимально допустимое давление в сис- теме 12 атм (Рмах = 12). Исходя из данных, получим: Tкр = (12 - 5)/0,7 = 10 с. Следовательно, время реакции системы на изме- нение данного параметра не должно превышать 10 с, в противном случае произойдет разрушение техноло- гического оборудования. Из неравенства 7,524 < 10 сделаем вывод, что ана- лизируемый контур регулирования критического параметра удовлетворяет предъявляемым требова- ниям. Рассмотрим случай, когда анализируемая РКС не удовлетворяет условиям безопасности объекта. Предположим, что бесконтрольный набор давле- ния происходит со скоростью 1 атм/с: Tкр = (12 - 5)/1 = 7 с; 7,524 > 7 с. Анализируемый контур регулирования критиче- ского параметра не удовлетворяет условиям безопас- ности. Для предотвращения возможности наступле- ния негативных последствий в случае возникновения аварийной ситуации, необходимо произвести модер- низацию замкнутого контура регулирования с целью уменьшения времени реакции. Заключение. В настоящей работе была приведена методика расчета временных задержек на основании исследования регулятивной карты сигнала. Исходя из полученных результатов, сделан вывод о необхо- димости разработки методики реструктурирования контура автоматического регулирования с целью дос- тижения требуемого времени реакции системы.
×

Об авторах

А. О. Калинин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: ndrey.kalinin@phkp.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

М. В. Посконин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

М. В. Сарамуд

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

В. В. Лосев

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

И. В. Ковалев

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

  1. 1. Федоров Ю. К. Порядок создания, модернизации и сопровождения АСУТП. М. : Инфра-Инженерия, 2011. 576 с
  2. 2. Шидловский С. В. Математическое моделиро- вание сложных объектов с распределенными пара- метрами в задачах автоматического управления структурно-перестраиваемых систем // Известия ТПУ. 2006. № 8. С. 19-22.
  3. 3. Мандель А. С. Экспертно-статистические методы обработки информации в интегрированных системах управления производством и технологическими про- цессами // Проблемы управления. 2006. № 6. С. 55-59.
  4. 4. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы авто- матизации и управления. СПб. : Невский Диалект, 2001. 557 с.
  5. 5. Ходашинский И. А. Идентификация нечетких систем: методы и алгоритмы // Проблемы управления. 2009. № 4. C. 15-23.
  6. 6. Кувайскова Ю. Е. Методика структурно- параметрической идентификации системы временных рядов // Известия Самарского научного центра Рос- сийской академии наук. 2013. Т. 15, № 4-4. C. 914-918.
  7. 7. Калинин А. О. Общая методология расчета времени реакции системы автоматического управле- ния критических параметров технологических про- цессов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : материалы Всерос. науч.-практ. конф. / СибГТУ. Красноярск, 2016. Т. 1. С. 219-221.
  8. 8. Performanceaspectsof PROFINET IO / H. Kleines [et al.] // IEEE Transactionsonnuclearscience. 2008. Т. 55, № 1. С. 290-294.
  9. 9. Poschraann A., Neumann P. Architectureand- modelofProfinet IO // AFRICON. 7th AFRICON Confer- enceinAfrica. IEEE. 2004. Т. 2. С. 1213-1218.
  10. 10 Климентьев К. Е. Системы реального времени. Самара : Изд-во СГАУ. 2008.
  11. 11. Третьяков С. А. ControllerAreaNetwork (CAN) локальная сеть контроллеров // Электроника. 1998. № 9. С. 14-16.
  12. 12. Лопухов И. Сети: от теории к практической реализации. RealTimeEthernet, 2010.
  13. 13. Алгоритмизация детерминированных моделей технологических циклов автоматизированных систем управления / И. В. Ковалев [и др.] // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 3. C. 569-574.
  14. 14. Сердюков О. В. Методика измерения парамет- ров быстродействия современных ПТК для АСУТП тепловых электростанций // Горение твердого топлива : VIII Всерос. конф. с междунар. участием (13-16 нояб- ря 2012 г.) / Институт теплофизики им. С. С. Кутате- ладзе СО РАН. C. 941-948.
  15. 15. Kaczor G., Młynarski S., Szkoda M. Verification of safety integrity level with the application of Monte Carlo simulation and reliability block diagrams // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2016. Т. 41. С. 31-39.
  16. 16. К вопросу о состояниях работоспособности структурно-сложных систем автоматического управ- ления / Кузнецов П. А. [и др.] // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 4. C. 941-945.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Калинин А.О., Посконин М.В., Сарамуд М.В., Лосев В.В., Ковалев И.В., 2017

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах