2. Описание объекта автоматизации Функциональная схема объекта автоматизации

• Название: 2. Описание объекта автоматизации Функциональная схема объекта автоматизации
• Дата: 03.02.2022
• Размер: 455.5 Kb.
• Имя файла: a7c7aa9.doc
• Тип: Литература; #350184

СОДЕРЖАНИЕ.
1. Введение

2. Описание объекта автоматизации

2.1. Функциональная схема объекта автоматизации

2.2. Составление структуры САУ и определение параметров регулятора

3. Требования, предъявляемые к SCADA-системе

4. Разработка концепции SCADA-системы

4.1. Выбор и конфигурирование контроллеров ввода-вывода

4.2. Создание блок-схемы стратегии в редакторе задач Task

4.3. Создание графического интерфейса оператора

5. Проверка работоспособности созданной системы

Литература

1. Введение.
АСУ ТП в большинстве случаев являются системами организационно-техническими, что означает наличие функций, выполняемых человеком (оператором). Взаимодействие между оператором и технологическим процессом осуществляется с помощью программного обеспечения, получившего общее назначение SCADA.

«SCADA-система» (Supervisory Control And Data Acquisition System) – система сбора данных и оперативного диспетчерского управления. В названии присутствуют две основные функции, возлагаемые на SCADA-систему:

• 
  сбор данных о контролируемом технологическом процессе;
  
• 
  управление технологическим процессом.
  

Функции, которые возлагаются на любую SCADA-систему, независимо от того, является она широко тиражируемым продуктом известной компании или создана специалистами отдела АСУ ТП предприятия для своих конкретных нужд, следующие:

• 
  прием информации о контролируемых технологических параметрах от контроллеров нижних уровней и датчиков;
  
• 
  сохранение принятой информации в архивах;
  
• 
  вторичная обработка принятой информации;
  
• 
  графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме;
  
• 
  прием команд оператора и передача их в адрес контроллеров нижних уровней и исполнительных механизмов;
  
• 
  регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы;
  
• 
  оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУ ТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях;
  
• 
  формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации;
  
• 
  обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием или с так называемой комплексной автоматизированной системой (КАС);
  
• 
  непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами.
  

Таким образом, SCADA-система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управление процессом в том объеме, в котором это необходимо.

Перечисленные ранее функции могут выполняться набором прикладных программ, разработанных на практически любом языке высокого уровня общего назначения. Причем, по быстродействию, ресурсоемкости и другим показателям эффективности программного обеспечения такие программы могут даже опережать аналогичное ПО, созданное с помощью специализированных инструментальных SCADA-систем. Но инструментальные SCADA-системы позволяют значительно ускорить процесс создания ПО верхнего уровня АСУ ТП, не требуя при этом от разработчика знаний современных процедурных языков программирования общего назначения.

Помимо этого SCADA-системы имеют набор специфических механизмов обмена данными с аппаратурой ввода-вывода и встроенную поддержку устройств ввода-вывода, что упрощает реализацию поддержки как имеющихся на объекте, так и вновь появившихся контроллеров и устройств связи с объектом (УСО).

2. Описание объекта автоматизации
2.1. Функциональная схема объекта
Объект представляет собой ректификационную колону:


Исходные данные:

Значение регулируемого параметра (состав дистиллята) : Q=25,5% , t=195

Предельные значения параметра: ∆Q=0,5% , ∆t=±10 C

Тип регулятора: ПИ, ПИ

Схема регулирования объекта:


Для удержания состава дистиллята в заданных пределах нужно постоянно измерять его величину и величину расхода хладоносителя с помощью датчика состава дистиллята и датчика температуры. Сигналы от датчиков поступают на УСО – устройство согласования с объектом управления (аналого-цифровой преобразователь), которое преобразует его в цифровой код. После этого полученный код подается на АРМ диспетчера. В соответствии с заложенной программой и опорным значением, АРМ диспетчера выдает сигнал на УСО, (цифро-аналоговый преобразователь). В соответствии с величиной этого сигнала регулирующий орган осуществляет поворот вентиля крана.


2.2. Составление структуры САУ и определение параметров регулятора
В общем виде структура системы автоматического регулирования выглядит так:

Наша система представляет собой замкнутую систему с единичной обратной связью, в которой:

1. 
   регулятор 1, регулятор 2 – динамическая система, целенаправленно вводимая в контур, чтобы придать замкнутой системе желаемые свойства (в нашем случае ПИ-регуляторы).
   
2. 
   объект управления – это физическая система, подлежащая управлению.
   
3. 
   регулирующий орган – клапан, который регулирует подачу продукта.
   

Структурная схема регулирования в общем виде:


где

Q (состав дистиллята) –входная величина;

дистиллят - регулируемая (выходная) величина;

ε - ошибка рассогласования, отклонение регулируемой величины от заданной;

W_p1(p), W_p2(p) – передаточные функции регуляторов;

W_pо(p) – передаточная функция регулирующего органа;

W_об(p) – передаточная функция объекта регулирования.
Определение параметров:
1. Передаточная функция регулирующего органа:

Примем W_pо(p)=1

2. Передаточные функции регуляторов:



Чтобы обеспечить отклонение регулируемой величины ∆Q=±0,5% и ∆t=±10 C вычислим коэффициент передачи регуляторов:

T – постоянная времени;

k_{р –} коэффициент регулятора.

ε=1/k, отсюда К_{рассогл}≈1/ε

По заданию допустимое отклонение ±5%, следовательно, коэффициенты регуляторов найдем как:

К₁=25,5/0,5=51;

К₂ =195/10 = 19,5
Тогда примем:

W_pег1(p)=51,

W_pег2(p)=19,5.
3.Требования, предъявляемые к SCADA-системе.
Для данного объекта необходимо разработать SCADA-систему (система диспетчерского управления и сбора данных), которая выполняла бы следующие функции:

• 
  прием информации о контролируемых технологических параметрах (состав дистиллята, расход хладоносителя);
  
• 
  непосредственное автоматическое управление технологическим процессом.
  
• 
  оперативное управление ходом технологического процесса (изменение параметров регулятора);
  
• 
  сохранение принятой информации для дальнейшей обработки и формирования сводных данных (месячного отчета);
  
• 
  графическое представление хода технологического процесса (мнемосхема объекта), принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме (индикаторы, графики);
  
• 
  оповещение персонала об обнаруженных аварийных событиях (индикация аварии);
  
• 
  ведение журнала аварий, тревог;
  

4.Разработка концепции SCADA-системы.
Для создания SCADA-системы регулирования давления в ректификационной колонне будем использовать пакет Genie 3.0. Данное инструментальное средство выбрано по следующим соображениям:

• 
  с помощью данного пакета можно реализовать все требования предъявляемые к системе;
  
• 
  SCADA система, созданная на базе пакета Genie 3.0, не требует большой вычислительной;
  
• 
  в качестве УСО данное программное обеспечение поддерживает контроллеры серии ADAM-4000.
  

4.1.Выбор и конфигурирование контроллеров ввода-вывода.
В качестве УСО будем использовать контроллеры серии ADAM-4000.

1. Для преобразования аналогового сигнала с датчиков состава остатка и расхода теплоносителя (входные сигналы) в цифровой вид выберем контроллеры ADAM-4014D со следующими характеристиками.

ADAM-4014D (модуль аналогового ввода):

• 
  1 аналоговый вход (диапазон входного напряжения от -10В до +10В);
  
• 
  1 дискретный вход или один канал счетчика событий;
  
• 
  2 дискретных выхода или 2 выхода-защелки сигнала аварийного дискретного управления по верхней и нижней границам входного сигнала;
  
• 
  1 дискретный светодиодный дисплей.
  

2. Для преобразования цифрового сигнала с выхода регулятора (выходной сигнал) в аналоговый будем использовать контроллер ADAM-4021.

ADAM-4021 (модуль цифрового вывода):

• 
  12 разрядный ЦАП;
  
• 
  программная настройка вывода на В или мА;
  
• 
  контроль состояния выхода;
  
• 
  программируемая скорость изменения сигнала на выходе;
  
• 
  гальваническая развязка 500В.
  

4. Для преобразования цифрового сигнала от кнопки аварийного отключения (выходной сигнал) будем использовать контроллер ADAM-4050.

ADAM-4050 (Модуль дискретного ввода/вывод):

• 
  7 дискретных входов;
  
• 
  входное напряжение от 0 до 30 В;
  
• 
  8 выходов типа «открытый коллектор»;
  
• 
  предусмотрена возможность работы с электронными реле.
  

5. Для связи АРМа диспетчера с контроллерами будем использовать преобразователь интерфейса RS-232 в RS-485.

ADAM-4520 (Модуль преобразователя RS-232 в RS-485)

• 
  скорость передачи до 38,4 кбит/с;
  
• 
  автоматический контроль направления передачи;
  
• 
  гальваническая изоляция 500 В;
  
• 
  длина сегмента линии до 1200 м;
  
• 
  напряжение питания 10…30 В.
  

Конфигурирование модулей производится с помощью программы Advantech ADAM API.
4.2.Создание блок-схемы стратегии в редакторе задач Task.
В редакторе задач Task необходимо создать блок-схему стратегии, которая состоит из функциональных блоков, выполняющих определенные функции. Для передачи данных от одного функционального блока к другому нужно определить связи.


Описание блоков.
1.




Блоки аналогового ввода AI1 и AI2, предназначены для приема информации от внешних устройств, датчиков состава остатка и расхода теплоносителя соответственно. При настройке данных блоков в поле «Устройство» необходимо указать порт, к которому подключено устройство (COM 2), а в поле «модуль» - название модуля (АDAM-4014D) .

В полях Список опрашиваемых каналов: Первый в списке: Последний в списке должны быть установлены нулевые значения для того, чтобы при исполнении стратегии осуществлялся опрос только канала с номером 0 для ввода в блок аналогового ввода сигнала синусоидальной формы (канал 1 – для ввода сигнала прямоугольной формы, канал 2 – треугольной).
2.


Блок аналогового вывода (AO1), предназначен для передачи управляющего сигнала к усилителю и исполнительному механизму. Конфигурация блока аналогична настройкам блока аналогового ввода, только в поле «модуль» нужно указать ADAM-4021.

3.



Блок архива тревог (ALOG1) предназначен для сохранения в архиве информации о зафиксированных аварийных событиях, связанных с сигналом, поступающим на вход блока архива тревог. Блок имеет вход и выход. Тревоги фиксируются в файле архива событий (\GENIE\GENIE.ELF). Сообщения об аварийных событиях могут отображаться в окне Журнала событий и подтверждаться пользователем в процессе исполнения стратегии, когда значение на входе блока попадает в следующие диапазоны:

• 
  выше верхнего предельного значения;
  
• 
  между максимальным и верхним предельным значениями;
  
• 
  между максимальным и минимальным значениями;
  
• 
  между минимальным и нижним предельным значениями;
  
• 
  ниже нижнего предельного значения.
  

4.


Блок подачи звукового сигнала (Sp1), предназначен для звуковой сигнализации при возникновении аварийной ситуации. Активизируется при подаче сигнала с блока архивации тревог.
5.



Данный блок предназначен для записи в файл информации, поступающей от датчика состава дистиллята.

6.




Блок ПИД-регулирования (PID1) реализует пропорционально-интегральный закон регулирования. Вход обратной связи данного блока соединен с выходом блока аналогового ввод AI1.


Блок ПИД-регулирования (PID2), предназначен для выработки управляющего воздействия, реализует пропорционально-интегральный закон регулирования. Вход обратной связи данного блока соединен с выходом блока аналогового ввода AI2.

7.


Блок ТЭГ (NCTL1), предназначен для установления связи между элементом управления кнопка «Инкрементный регулятор» и блоком PID1.

Блок ТЭГ (NCTL2), предназначен для установления связи между элементом управления кнопка «Инкрементный регулятор» и блоком PID2.

В данной курсовой работе была сконфигурирована следующая стратегия:

4.3.Создание графического интерфейса оператора.
Создание графического интерфейса оператора произведем с использованием встроенного в пакет Genie 3.0 редактора форм. Интерфейс диспетчера должен обязательно содержать упрощенную мнемосхему объекта технологического процесса, средства индикации и регистрации регулируемого параметра, средства аварийного оповещения и оперативного управления за ходом процесса.

Графический интерфейс диспетчера имеет вид:
1. Мнемосхема оператора вычерчивается с помощью графических примитивов.



2. Индикация регулируемого параметра производится с помощью элементов отображения: «цифровой индикатор» и «график Х(t)» :
,

Данные элементы отображения настраиваются на индикацию значений регулируемого параметра (состава дистиллята), поступающих с блока аналогового ввода (AI 1).

3. Регистрация значений регулируемого параметра сохраняется с помощью блока архивации данных (LOG1) в файле в data.log. В интерфейсе оператора предусмотрена возможность включения и отключения регистрации этих данных, что осуществляется при нажатии на кнопку «Вкл/Откл регистрацию». В отжатом состоянии надпись на кнопке имеет красный цвет, а в нажатом темно-зеленый


4. Для оповещения диспетчера об аварийной ситуации используется звуковая и визуальная сигнализация. При выходе регулируемого параметра за заданные пределы регулирования раздается звуковой сигнал и графические примитивы мнемосхемы меняют цвет на розовый. Также загорается сигнализатор аварии в виде розового круга. В качестве параметра сигнализации используется информация из блока архива тревог.


5. Возможность оперативного управления позволяет диспетчеру вносить коррективы в ход технологического процесса. С помощью Инкрементного регулятора задается уставка.






7. Для отображения статистической информации о ходе технологического процесса необходимо предусмотреть возможность просмотра этой информации за каждый месяц работы объекта. В отчет необходимо включить следующие сведения: максимальное, минимальное и среднее значение регулируемого параметра, дату и время составления отчета.

Создание отчета производится в редакторе отчетов Report Designer, где необходимо указать название отчета, файл отчета, дату и время печати отчета, произвести конфигурацию полей отчета. Ниже представлены меню редактора отчетов с введенными данными:

Отчет сконфигурирован следующим образом:

- отчет формируется и выводится на печать в 13 : 35 1-го числа месяца;

- на печать выводятся следующие поля:

дата - $Date,

Время - $Time,

Значения состава дистиллята:

максимальное значение - $MAX(@TASK1#AI1[00]),

минимальное значение - $Min(@TASK1#AI1[00]),

среднее значение - $NOW(@TASK1#AVG1[00]);
- отчет хранится в файле noname00.frm


5.Проверка работоспособности созданной системы.
Проверку работоспособности системы будем производить, используя эмулятор сигналов датчиков Advantech DEMO I/O=1H. Для этого необходимо в настройке блокjd аналогового ввода (AI1 и AI2) в поле «устройство» указать Advantech DEMO I/O=1H, а в подменю «список опрашиваемых каналов» указать «первый в списке» - 0, «последний в списке» – 0. В подменю масштабирования входного сигнала произвести настройки таким образом, чтобы диапазон входного сигнала находился в отрезке [-100;100].

После тестирования системы получаем следующие сведения:

• 
  система осуществляет индикацию и регистрацию регулируемого параметра, аварийное оповещение, оперативное управление ходом технологического процесса, формирует и передает на печать статистические данные за месяц;
  
• 
  при возникновении аварийной ситуации включается звуковая и визуальная сигнализации;
  
• 
  регистрируемые данные хранятся в файле data.log., содержимое которого представляется в следующем виде:
  

• 
  оперативное изменение параметров регуляторов:
  

• 
  отчет за месяц имеет следующий вид:
  

Литература.
1.Морозов А.С., Куличенко Т.А. «Проектирование SCADA-системы на базе пакета Genie и контроллеров ADAM-4000», учебное пособие, РГРТА, Рязань, 2003г.

2.Морозов А.С., Хализев В.С. «Графический интерфейс оператора АСУ ТП», учебное пособие, РГРТА, Рязань, 2005г.

3.Морозов А.С. «Интегрированные системы проектирования и управления», конспект лекций, Рязань, 2007г.