Разработка. Разработка программного обеспечения. 93 Разработка асу вто
 Скачать 1.57 Mb.
|
|
еч и ав арий ны й се рв ер ; се рв ер архивации се рв ер сообщений се рв ер обработки информации ведение мониторинга технологического оборудования и технических средств АСУ Т П В Т О П Т С ; вы полн ен ие специфических функций по настройке и дальнейшей эксплуатации контуров регулирования технологических параметров АРМ мастера К И П и А от об раж ен иена экране монитора текущих значений параметров технологического процесса вывод на экран монитора оперативных и аварийных сообщений ин дика ци я включения звуковой сигнализации внештатных и аварийных ситуация хот об раж ен ие архивной информации на экране получение твердой копии архивной информации (вывод на печать графиков отжиг а) А Р М мастера В Т О ос ущ ес тв лени е оперативного контроля заходом технологического процесса высокотемпературного отжига в печах отделения В Т О П Т С ; вы полн ен ие определенных функций непосредственного управления технологическим процессом высокотемпературного отжига в печах отделения В Т О ; ве де ни ем он ит ор ин га технических средств АСУ Т П В Т О А Р М сменного электромеханика контроллера Те м пе ра ту рн ы й режим контроллера Га зо вы й режим п еч ей ав арий ны й се рв ер ; се рв ер архивации се рв ер сообщений се рв ер обработки информации e r К РП -2 2 4 печи m iu m 3 контроллера Те м пе ра ту рн ы й режим аварийны й се рв ер ; се рв ер архивации се рв ер сообщений се рв ер обработки информации Таблица 5. Характеристики сети Modbus Plus Структура Тип Промышленная шина Физический интерфейс RS 485 Способ доступа Шина с передачей маркера Передача Режим Синхронный протокол HDLC Скорость передачи 1Мбит/с Среда Витая пара, волоконно-оптический кабель Конфигурация Количество устройств Не более 64 нам витой пары 32 на сегмент Количество адресов Не более 64 устройств на сегмент Длина шины Не болеем на сегмент, не болеем с 3 повторителями Количество сегментов В каскаде не более 5 с применением мостов Modbus Plus ВР85 Сервис Глобальная база данных - общая база данных 4096 байт - циклический обмен с широковещательной передачей 32 слов Одноранговый диалог Сервисы чтения/записи (объем запросов 100 регистров на транзакцию) Peer Cop Сервис циклического обмена 500 слов на станцию при широковещании или точка- точка Структура программного обеспечения АСУ ТП ВТО (рис) предполагает использование на различных информационных уровнях свои операционные системы, которые объединяются в единую информационную сеть, используя для этой цели сетевой протокол Ethernet TCP/IP. Для реализации АСУ ТП ВТО используется типовое для ОАО “НЛМК” программное обеспечение - OS "Windows 2000" Server; - OS "Windows 2000 Р" workstation. 115 АРМ АСУ ТП ВТО объединены сетью Ethernet посредством двухскоростных сетевых карт модели «Fast Ethernet-3Com-905C-TX-NM-PCI М. Поскольку протяжённость сети Ethernet между АРМ значительная более сотни метров) и подвержена сильному влиянию электромагнитных полей, то реализация её выполнена волоконно-оптической магистралью. Ethernet TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet протокол управления передачей/межсетевой протокол) - коммуникационная сеть использующая для работы протокол управления передачей с расширением RFC 1006, соответствующему 4 уровню модели ISO. RFC 1006 расширяет протокол TCP возможностью передачи блоков данных (сообщений. Передача особенно надежна благодаря автоматическому повторению и дополнительному механизму проверки блоков. Коммуникационный партнер подтверждает прием данных а передающий принимает значение по интерфейсу. Обоснованность выбора сети определялась сравнением характеристик существующих сетей на сегодняшний день (табл. 6). Стандарт Fast Ethernet появился позже стандарта Ethernet – в 1995 году. Его разработка в первую очередь была связана с требованием повышения скорости передачи информации. Однако переход сна позволяет не только повысить скорость передачи, но и существенно отодвинуть границу перегрузки сети (что обычно гораздо важнее. Поэтому популярность Fast Ethernet постоянно растет. Вместе стем надо учитывать, что стандартные сегменты Fast Ethernet имеют свои особенности и недостатки, которые далеко не очевидны, но которые обязательно надо учитывать. Создатели Fast Ethernet сделали всевозможное для облегчения перехода на новую скорость, однако, в каком-то смысле Fast Ethernet – это уже другая, новая сеть. Если сравнивать набор стандартных сегментов Ethernet и Fast Ethernet, то главное отличие – полный отказ вот шинных сегментов и коаксиального кабеля. Остаются только сегменты навитой паре и оптоволоконные сегменты. 116 Стандарт 100BASE-TX определяет сеть с топологией пассивная звезда и использованием сдвоенной витой пары. Однако, в этом случае необходимо применение кабелей с неэкранированными витыми парами (UTP) категории 5 или выше, что связано с требуемой пропускной способностью кабеля. В настоящее время это самый популярный тип сети Fast Ethernet. Для присоединения кабелей также, как ив случае 10BASE-T используются контактные разъемы типа RJ-45. Длина кабеля также не может превышать метров (стандарт, правда, рекомендует ограничиваться длиной сегмента в 90 метров, чтобы иметь процентный запас).Так же используется топология пассивная звезда с концентратором в центре. Применение оптоволоконного кабеля в сегменте 100BASE-FX позволяет существенно увеличить протяженность сети, а также избавиться от электрических наводок и повысить секретность передаваемой информации. Аппаратура 100BASE-FX очень близка к аппаратуре 10BASE-FL. Точно также здесь используется топология пассивная звезда с подключением компьютеров к концентратору с помощью двух разнонаправленных оптоволоконных кабелей. Максимальная длина кабеля между компьютером и концентратором составляет метров, причем это ограничение определяется не качеством кабеля, а установленными временными соотношениями. Согласно стандарту, применяется мультимодовый или одномодовый кабель с длиной волны света 1,35 мкм. В последнем случае потери мощности сигнала в сегменте (в кабеле и разъемах) не должны превышать 11 дБ. При этом надо учитывать, что потери в кабеле составляют 1—2 дБ на километр длины, а потери в разъеме – от 0,5 до 2 дБ при условии, что разъем установлен качественно. Как ив других сегментах Fast Ethernet, в 100BASE-FX предусмотрен контроль целостности сети, для чего в промежутках между сетевыми пакетами по кабелю передается специальный сигнал. Целостность сети индицируется светодиодами "Link". 117 Используемый метод кодирования – 4В/5В (как ив сегменте 100BASE- TX), что позволяет довольно просто осуществлять сопряжение этих двух сегментов (иногда они даже объединяются в единый стандарт 100BASE-X). Дополнительное кодирование – NRZI. Функция автоматического определения типа сети (или скорости передачи, предусмотренная стандартом Ethernet, не является обязательной. Однако ее реализация в сетевых адаптерах и концентраторах позволяет существенно облегчить жизнь пользователям сети. Особенно это важно на современном этапе, когда широко применяются как ранняя версия Ethernet со скоростью обмена 10 Мбит/с, таки более поздняя версия Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Таблица 6. Сравнительные характеристики применяемых на сегодняшний день протоколов связи 118 1.4.3. Разработка общего алгоритма функционирования системы Механизм работы, порядок операций и их последовательность по подготовке всего комплекса технологического оборудования печи к отжигу, а также запуск отжига, изложены в инструкциях, действующих на ОАО "НЛМК". Рассмотрим механизм проведения отжига в ВТО [2, 3, 4]. Все необходимые подготовительные операции к пуску в работу, а также особенности пускового режима КТС АСУ ТП ВТО, изложены в соответствующих инструкциях по эксплуатации на отдельные средства и оборудование, разработанных предприя- тиями-изготовителями. Эти документы имеют очень большой объем информации и по этой причине не могут быть приведены в проекте. Общий механизм функционирования системы в нормальном режиме приведен на рис. 11. Подготовительные работы к пуску печи Получение задание на отжиг с 3 уровня Загрузка печи прокатом. Установка колпака. Сборка газовой и электрической схемысхемы Проверка печи на готовность. Тестирование Продувка печи азотом. Включение нагревателей. Заполнение атмосферы печи водородом Ведение отжига согласно заданного режима отжига. Постоянная продувка печи водородом Отключение электрической схемы печи. Заполнение атмосферы печи азотом. Охлаждение до требуемой температуры Отключение газовой системы. Снятие колпака. Распаковка металла. Подготовка отчета. Отправка отчета на 3 уровень отжиг Проведение предпусковых и финишных операций Рис. 11. Механизм функционирования системы в нормальном режиме ×àñòü öèêëà òåõï ðî öåññà, óï ðàâëÿåì àÿ ÀÑÓÒÏ 119 В рабочем режиме работы алгоритм системы должен обеспечить нормальный механизм проведения отжига (см. рис. 11). Кратко механизм выглядит так. После проведения оператором всех необходимых предпусковых операций, система управления активизирует температурно-газовый режим в назначенное заданием для отжига время. На печах установлены четыре термопреобразователя, которые преобразуют значение температуры в электрический сигнал. Вовремя отжига этот сигнал подаётся на соответствующий вход модуля УСО контроллера температурного режима. Контроллер, в соответствии с графиком отжига (алгоритмом управления температурным режимом, воздействует на линейные контакторы нагревателей печи. В соответствии с заданием поддерживается определённое значение температуры отдельно каждой зоны в границах "температурного коридора. Ведётся контроль не только текущего значения температуры, но и её первой производной. Это позволяет предвидеть тенденцию развития температурного фона зоны и адекватно управлять нагревом печи в целом с большой степенью точности. Текущее значение температуры каждой зоны нагрева печи, а также её усреднённое значение за прошедший час отображается на мониторе АРМ оператора-технолога. Контроль наличия пламени на факеле печи осуществляется наличием электрического сигнала от соответствующего термопреобразователя. При снижении значения ниже определённого порога (погасло пламя ”), включается аварийная сигнализация. Измерение расходов газов и давления на входе и выходе печи осуществляется с помощью соответствующих преобразователей. Электрический сигнал, пропорциональный физической величине параметра, подаётся на соответствующий вход модуля УСО контроллера газового режима. Контроллер, в соответствии с графиком отжига (алгоритмом управления газовым режимом, воздействует на электроприводы соответствующих ЗПД. Текущие значения газовых параметров каждой печи, а также их усред- нённые значения за прошедший час, отображаются на мониторе АРМ оператора- технолога. На мониторе АРМ можно проследить ход процесса отжига на отдельном стенде, как в графическом, таки в табличном виде. Как видно из описания механизма проведения отжига алгоритм системы управления в целом должен состоять из двух алгоритмов температурного ига- зового контроллеров с перекрестными связями. Разрабатываемый алгоритм обязательно должен учитывать работу печи в аварийных условиях работы печи и выдавать готовые решения по ним - при выходе из строя контроллера газового режима на экран монитора АРМ выводится соответствующее сообщение и осуществляется перевод в режим ручного управления исполнительными механизмами - при восстановлении работоспособности контроллера на экран монитора АРМ выводится соответствующее сообщение, газовые режимы работающих стендов перезаписываются в контроллера управление переводится в автоматический режим - при выходе из строя контроллера температурного режима на экран монитора АРМ выводится соответствующее сообщение, печь переводится под управление АРМ мастера ВТО, на его усмотрение производится отключение печи. Дальнейшие действия оператора-технолога определяются инструкциями по эксплуатации оборудования, действующими на предприятии. После восстановления работоспособности контроллера, температурные режимы работающих стендов перезаписываются в контроллер, управление переводится в автоматический режим - при превышении температуры в печи выше аварийной границы на экран монитора АРМ выводится соответствующее сообщение, контроллер анализирует сигнал от всех термопар печи, отключает соответствующий нагреватель с одновременным действием звуковой и световой сигнализации - при температуре факела ниже 200 о С на экран монитора АРМ выводится соответствующее сообщение, контроллер включает звуковую и световую сигнализации 121 - при отсутствии напряжения на вводе печи на экран монитора АРМ выводится соответствующее сообщение, включается световая и звуковая сигнализация- при выходе из строя термопары отключается соответствующая зона нагрева, на экран монитора АРМ выводится соответствующее сообщение, температурная программа отжига корректируется вторым уровнем - при снижении давления водорода и азота в магистрали ниже заданной уставки газовый контроллер включает звуковую и световую сигнализации, на экран монитора АРМ выводится соответствующее сообщение. - при отказе датчиков расходов и давления газов печи управление печью переводится наручной режим, на экран монитора АРМ выводится соответствующее сообщение. - при падении давления отходящих газов печи ниже заданной уставки включается звуковая и световая сигнализации, на экран монитора АРМ выводится соответствующее сообщение. Технологический процесс управления отжигом в печи на первый взгляд процесс несложный. Однако, создание алгоритма управления такого процесса должно учитывать большое число входных переменных величин, сравнивать их с заданными параметрами, прогнозировать на несколько шагов вперед поведение технологического процесса, учитывать возмущения и неожиданные аварийные ситуации, те. не является задачей тривиальной. Ив нашем случае алгоритм системы в целом является очень объемной функцией большого числа переменных величин. Рассмотрим создание алгоритма работы температурного и газового контроллеров, как основной части алгоритма управления системой ВТО. Алгоритмы работы АСУТП ВТО приведены в приложении 2. 1.4.4. Разработка алгоритма функционирования температурного режима Алгоритм работы температурного контроллера выполняется согласно [13] и его можно разбить на пять групп алгоритмов 122 - алгоритм ввода данных контроллера - набор алгоритмов контроллера управления режимами работы печи - алгоритм формирования выходных сигналов контроллера - набор алгоритмов обработки аварийных ситуаций контроллера - алгоритм регулирования температуры контроллером. Ввод данных осуществляется с целью - обработка дискретных и аналоговых сигналов - распознавание отказа сигнальных цепей - ввод режимов отжига - ввод времени начала и номера режима отжига - корректировка времени начала и номера режима - аварийный останов отжига - синхронизация текущего времени по серверу системы. Входной информацией алгоритма являются данные с модулей аналогового и дискретного ввода ПЛК. Достоверность входной информации определяется отсутствием признака ошибки на модуле аналогового и дискретного ввода и контролем на достоверность. Результатом решения ввода данных являются - признаки ошибки измерительного канала или ошибки связи сдатчиком- проконтролированные значения параметров - измененное состояние стенда или время запуска стенда - новые данные по режиму отжига. Входной дискретный сигнал считается достоверным, если повторное считывание дает тоже самое значение. Входной аналоговый сигнал считается достоверным, если его значение не выходит за диапазон допуска задания. Если вводится режим, то данные с поля ввода режима заносятся в массив режимов по его номеру. Если вводится время пуска стенда, то данные с поля ввода заносятся в массив времен начала отжига, в массив номеров отжига по его номеру в описателе номеров стенда и состояние стенда становится равными стенд готов к отжигу. Если вводится корректировка времени пуска стенда, 123 то данные с поля ввода заносятся в массив времен начала отжига, в массивно- меров отжига по его номеру в описателе номеров стенда и состояние стенда становится равным 2 - стенд на отжиге, если введенное время больше текущего. Если вводится аварийная остановка стенда, то состояние стенда становится равным 5 - аварийная остановка отжига. Если вводится контроль работоспособности стенда, то состояние стенда становится равным 6 - проверка работоспособности стенда. Назначением алгоритма управления работой контроллера являются выбор задания на отжиги анализ необходимости включения/выключения зон стенда. Для работы алгоритма требуется информация - данные по стенду - режимы отжига - данные настройки температурного регулятора - данные сдатчиков аналогового и дискретного ввода. Результатом выдачи решения алгоритмом являются - текущее задание на отжиг по каждому стенду - признаки включения/выключения нагревателей - признаки аварийных ситуаций. Процесс отжига инерционный и не имеет смысла данный алгоритм отрабатывать без остановки, поэтому требуемый алгоритм решения выбирается и запускается в работу ежеминутно. Для стендов, находящихся на отжиге или охлаждении, появится задание согласно режима отжига на текущую минуту. Для стендов, находящихся в работе, проводится проверка на отсутствие аварийных ситуаций. При их наличии, взводится признаки аварийных ситуаций и запускается алгоритм обработки аварийной ситуации. Для каждого стенда, находящегося на отжиге (нагрев , выдержка, регулируемое охлаждение, проверяется отклонение измеренной температуры от заданной и с учетом отклонения на предыдущем шаге измерения, а также с учетом нижней и верхней границы регулятора и коэффициента запаздывания, выставляются признаки о включении или выключении зон стенда. 124 Назначением алгоритма формирования выходных сигналов температурного контроллера является контроль загрузки трансформатора и включение или выключение зон стенда. Входной информацией алгоритма являются - текущее значение мощности трансформаторов - признаки включения или выключения зон стендов. Результатом решения алгоритма является установка состояния дискретного выхода канала включения зон стендов в 1 (включено) или 0 (отключено. Алгоритм решения заключается в следующем. Подсчитывается суммарная мощность, включенных зон стендов для каждого трансформатора. Если суммарная мощность превышает допустимую нагрузку на трансформатор, то из всех зон, которые должны быть включены, выбирается самая горячая температура, которой ближе всех к заданной, и выставляется признак отказ включения из-за перегрузки трансформатора. Остальные зоны включаются. Алгоритмы обработки аварийных ситуаций температурного контроллера обеспечивают контроль готовности стенда к началу отжига и контроль работоспособности стенда. Перечень аварийных ситуаций уже был рассмотрен выше. Действие алгоритма проявляется так, например, при понижении температуры факела ниже допустимой или при повышении температуры зоны выше допустимой включается сирена и выключается, если температура в норме. Для работы алгоритма необходима следующая информация данные по стенду данные сдатчиков аналогового и дискретного ввода. Результатом решения алгоритма являются включение/выключение сирены и аварийного табло признаки аварийных ситуаций. Алгоритм обработки аварийных ситуаций запускается в работу ежесе- кундно. При работе стенда проходит проверка на наличие напряжения на вводе. При превышении значения температуры зоны выше критической формируется признак аварийной ситуации и одновременно включается аварийный звуковой сигнал. При понижении температуры факела ниже допуска формируется признак аварийной ситуации и одновременно включается аварийный звуковой сигнал. Сирена выключается, если температура в норме или после ввода признака 125 отключения. При включении зоны проходит проверка на наличие нагрузки трех фаз нагревателя. При контроле готовности стенда к началу отжига проходит проверка на наличие напряжения на вводе и при включении зоны проходит проверка на наличие нагрузки трех фаз нагревателя. Алгоритм работы комбинированного регулятора температурного контроллера является самым сложным узлом контроллера. Стабилизация нескольких температур водной электрической колпаковой печи СГВ (СГН) с помощью нескольких влияющих друг на друга нагревателей является довольно сложной задачей. Схема управления печью изображена на рис. 12. В существующей системе управления отжигом тремя релейными регуляторами Р, Р, Р коммутируются нагрузки по управляющим сигналам ), ( 1 t u ) ( ), ( 3 2 t u t u для нагревателей Н, Н, Н, поддерживающих температуру отжига трансформаторной стали в трех зонах ) ( ), ( ), ( 3 2 1 t y t y t y равной или близкой к заданной у. Следует отметить, что каждое управление ) (t u i , помимо температуры в основной ой зоне, оказывает заметное влияние на температуру в остальных зонах, те. управления являются взаимосвязанными. Автономность контуров двухпозиционного взаимосвязанного регулирования неизбежно при- Рис. 12. Схема управления температурой отжига 126 водит к значительными незатухающим колебаниям, что иллюстрируется графиками процессов регулирования (риса. а) Диаграмма работы контакторов нагревателей потрем зонам Регулирование температуры отжига в трех зонах с помощью существующей системы управления б) Регулирование температуры отжига в трех зонах с помощью предлагаемой системы управления Диаграмма работы контакторов нагревателей потрем зонам Рис. 13 Графики регулирования температуры отжига в трех зонах На риса точками показаны моменты включения нагревателей продолжительностью в 1 минуту. При создании алгоритма работы регулятора, реализующего программную стабилизацию температуры отжига трансформаторной стали в трех зонах, необходимо учитывать следующие факторы - программа отжига содержит различные по характеру изменения заданной температуры отжига у) участки, чередующиеся подъемом и постоянными значениями (600 , 1150 ), причем на участках су, равной 600 и С, 127 ошибка регулирования 0 ( ) ( ) ( ) i i e t y t y t , не должна выходить за пределы диапазона С - по мере прогревания трансформаторной стали и кладки печи, меняются ее динамические характеристики снижается инерционность, следовательно, повышается частота автоколебаний - изменение динамических характеристик печи может быть вызвано сменой колпака и постепенным снижением мощности электрических нагревателей - управления действуют со значительным запаздыванием, составляющим порядка трех и более минут. В этих условиях, именуемых условиями неопределенности, целесообразнее всего использовать комбинированный регулятор с несколькими управляющими зонами. Входными данными для алгоритма работы регулятора служат- три температуры y i - по одной в каждой нагревательной зоне печи c обновлением значений температур не реже чем разв минуту - признак включения регулятора - булева переменная, в которой значение ИСТИНА должно появляться стой же частотой, с которой обновляются значения температур. Регулятор обрабатывает входные данные, по результатам обработки образуются два критерия - ошибка регулирования ( ) ( ) ( ), ç i i å t y t y t (1) где ( ) ç y t - заданная температура отжига, С - скорость изменения ошибки регулирования ( ) ( ) ( ) ( 1) ( 1) ç ç i i i då t y t y t y t y t . (2) В результате работы алгоритма разв минуту рассчитываются три целочисленных значения u i , которые являются флажком включения/отключения го нагревателя, 1,3 i . Каждый флажок принимает значение 0, тогда нагреватель отключен или 1 - нагреватель включен. 128 В результате исследований объекта разработана близкая к оптимальной по быстродействию и точности система управления, в которой выбор управляющего воздействия зависит от положения текущей температуры ) (t y i относительно допустимой области 0 0 0 0 0 ( ) ( ) : ( ) ( ) ( ) , 1, 2, 3 , 0 10 i i D t y t y t e y t y t e i e C (3) Внутри области D(t) осуществляется оптимальное в смысле минимума ошибки регулирования управление. Если ) (t y i находится за пределами области D(t), то действует оптимальный по быстродействию релейный закон управления, при котором скорость изменения ) (t y i падает до минимальной по мере приближения к области D(t) для предотвращения перерегулирования. Алгоритм работы регулятора температуры отжига трансформаторной стали, представленный на рис. 14, выполняет следующие действия 1. На основании полученных данных рассчитываются текущие ошибки регулирования ее, е входных сигналов y 1 , y 2 , y 3 (блок 3). 2. Выполняется алгоритм адаптации параметров регулятора (блок 4). 3. Происходит расчет последовательности управлений широтно- импульсного регулятора (ШИР) U 1 , U 2 , U 3 , если температура зоны находится в пределах допустимого диапазона D (блоки 5-7). 129 u 1 , u 2 , Расчет U 3 по правилам МПР Длина равна 0 да нет 12 Вывод 14 Конец 15 Ввод y 1 , y 2 , Расчет ошибок e 1 , e 2 , Расчет U 1 по правилам МПР Расчет U 2 по правилам МПР Длина равна 0 да нет Длина равна 0 ? Начало Расчет двоичной последовательности ШИР для Расчет двоичной последовательности ШИР для Расчет двоичной последовательности ШИР для Алгоритм адаптации да нет 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Рис. 14. Алгоритм функционирования комбинированного регулятора 130 4. Когда последовательность двоичных элементов управлений (0, 1) исчерпана, то вызывается ядро регулятора, которое определяет новую последовательность двоичных управлений для соответствующей зоны (блоки 8-13) и определяет какой регулятор будет в работе. 5. Устанавливаются новые управляющие признаки u 1 , u 2 , u 3 для соответствующих зон значение 1 - нагреватель включен, 0 - отключен (блок 14). Для работы за пределами допустимого диапазона D(t) реализован оптимальный по быстродействию релейный закон управления с помощью многопозиционного регулятора (МПР) с настраиваемыми управляющими зонами, учитывающими запаздывание по каналам управления, ошибку регулирования и скорость ее изменения. Данный регулятор подчиняется закону регулирования 1 1 1 1 ( ) ( , ) : : , ( ) ( , ) i p p pi i i p p e t E e R u U de t dE de d |