кириспе. Pidexpert полноценный арм инженераналадчика сар для настройки пидрегуляторов
 Скачать 2.04 Mb.
|
|
Центральной проблемой автоматизации является автоматическое управление. Необходимость автоматического управления возникает в тех случаях, когда требуется заранее с заданной точностью управлять тем или иным физическим параметром (регулируемой величиной) объекта управления при действии на объект внешних возмущающих воздействий. Теория автоматического управления - это наука о принципах построения и методах расчета систем автоматического управления различными динамическими процессами. Ее выводы применимы для любых автоматических систем регулирования независимо от назначения и их физических принципов устройства. Создание современных систем автоматического управления и их эксплуатация становятся невозможными без глубокого знания теории автоматического управления. Поэтому большое значение приобретает изучение курса “Теория автоматического управления”. В данной курсовой работе производится исследование системы автоматического регулирования. Работа включает: проведение структурных преобразований схемы системы, получение выражений для основных передаточных функций как разомкнутой системы, так и замкнутой, построение частотных и переходных характеристик, а также вычисление основных показателей качества переходного процесса. Системы автоматического регулирования (САР) применяются для регулирования отдельных параметров (температура, давление, уровень, расход и т.д.) в объекте управления. САР на предприятиях применяются для регулирования различных параметров при управлении объектом или процессом. Принцип действия САР заключается в том, чтобы обнаружить отклонения регулируемых величин от требуемого режима и воздействовать на объект управления или контролируемый процесс так, чтобы устранить эти отклонения. PID–expert: полноценный АРМ инженера-наладчика САР для настройки ПИД-регуляторов. Для наладки САР инженеру требуется информация в нужном ему объеме и качестве: конкретный перечень переменных, наглядное совместное их отображение в виде графиков с максимально малым интервалом опроса. Информация должна автоматически поставляться из АСУТП. Надо иметь возможность промоделировать исходную ситуацию с новыми значениями настроек, попробовать "поиграть" настройками без вмешательства в технологический процесс, проанализировать статистические данные, придать результатам убедительную и эффектную форму.  Для решения этой задачи в России разработан новый современный инструмент PID–expert: Станция инженерного сопровождения Систем Автоматического Регулирования. Это специализированное рабочее место Инженера-наладчика САР, интегрируемое в состав АСУТП, и обеспечивающее решение всех необходимых задач в части настройки ПИД-регулирования. НАЗНАЧЕНИЕ PID-Expert PID–expert это оптимизация настроек П/ПИ/ПИД- регулятора, функционирующего в замкнутой системе регулирования, и оценка эффективности функционирования САР. Ниже представлена урощенная структура программного продукта.  Она состоит из следующих блоков: Вывод полученных результатов Отчет убеждает и несет в себе сильную аргументацию. Отчет мотивирует руководство на дальнейшие конструктивные шаги в области совершенствования САР и т.д. По своему внешнему статусу отчет является главной составной частью PID–expert. Анализ эффективности САР Позволяет сделать выводы о текущем качестве регулирования и о целесообразности перенастройки регулятора. Хранитель результатов Это сводная таблица всех производимых расчетов и полученных результатов. Используя ее, инженерналадчик САР может просмотреть результаты нескольких расчетов, помещенных в краткую сводную таблицу, что позволит ему принять взвешенное решение по настройкам данного регулятора. Обработка и расчет Применены два альтернативных метода расчета настроек: Метод преобразования переходного процесса. Метод расчета настроек ПИД-регулятора с предварительным определением параметров объекта. Получение исходных данных По ОРС технологии. Из текстового файла (*.txt). Из файла базы данных (*.dbf). Из электронной таблицы (*.xls). PID–expert обеспечивает оптимизацию настроек регуляторов в следующих САР: • Одноконтурной  • Каскадной  • С опережающим импульсом  PID–expert оптимизирует настройки регуляторов, описываемых следующими передаточными функциями:  ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ для оптимизации. 1. Запись значений регулируемой переменной (PV) во время переходного процесса, полученного в результате воздействия возмущения. 2. Запись значений положения регулирующего органа (CO), соответствующих переходному процессу (п.1). 3. Исходные настройки регулятора (при отсутствии п.2).  Возмущения: Возмущение по нагрузке (F) наиболее значимое, по возможности близкое к ступенчатому, возмущение, пришедшее со стороны регулирующего органа. • Возмущение по заданию (SP) смена задания регулятору. ОБЪЕКТ РЕГУЛИРОВАНИЯ. PID–expert утверждает, что Ваш Объект регулирования можно представить в виде: • апериодического звена первого порядка с запаздыванием (объект с самовыравниванием), имеющего передаточную функцию:  • или интегрального звена с запаздыванием (объект без самовыравнивания), имеющего передаточную функцию:  PID–expert позволяет оценить допустимость такой аппроксимации объекта регулирования. Для этого предусмотрена возможность сравнения графиков: a) исходного переходного процесса, полученного с реального объекта; b) значений регулируемой переменной при рассчитанных в PID–expert свойствах объекта регулирования. Сделать выводы по этому сравнению можете только Вы. Если считаете, что сравнение удовлетворительно, то идем дальше. За редким исключением так и будет. PID–expert не лишает Вас возможности корректировать результаты идентификации вручную.  PID–expert это оптимизация по заданному критерию: Минимальное время регулирования (время переходного процесса).  Минимальное время регулирования является компромиссным критерием. Оптимизация. МЕТОДЫ. PID–expert это новейшие методы оптимизации: Метод 1 преобразование переходных процессов; Метод 2 расчёт настроек регулятора с предварительным определением параметров модели объекта. Оптимизация. РЕЗУЛЬТАТЫ. Главное: новые настройки регулятора, соответствующие требованиям критерия минимального времени регулирования. Визуально: график переходного процесса при рассчитанных настройках (только для Метода 2). Дополнительно: • Значения параметров (свойства) объекта регулирования (только для Метода 2); • Рекомендуемый параметр предварительного фильтра на входе регулятора. Оптимизация. ОТЧЕТ. Все результаты оптимизации настроек PID–expert помещает в отчет: • Название проекта/регулятора, дата; • Тип САР; • Вид передаточной функции регулятора (регуляторов); • Рассчитанные настройки регулятора; • График моделирования процесса (с рассчитанными настройками):  • Вид передаточной функции объекта (объектов); • Параметры модели объекта (КОБ, ТОБ, ); • График аппроксимации объекта.  МОДЕЛИРОВАНИЕ. (только для Метода 2): Итак, на конкретном переходном процессе определены параметры объекта, вычислены настройки регулятора, также получен график предполагаемого переходного процесса с новыми настройками. Будучи специалистом, Вы хотели бы знать: • как будет выглядеть переходный процесс при возмущении по нагрузке, если исходный для расчётов процесс был следствием изменения задания? • как качественно оценить переходный процесс с новыми настройками регулятора в сравнении с исходными? • в каких пределах можно изменять настройки регулятора, чтобы не потерять устойчивость системы? • можно ли дополнительно минимизировать, например, выбег, и чем при этом придется пожертвовать? Ответы на эти вопросы даёт МОДЕЛИРОВАНИЕ. В моделировании пользователю предоставляется возможность задать любые настройки регулятору (например, те, которые установлены в регуляторе на данный момент) и сравнить получившийся переходный процесс с переходным процессом при оптимизированных PID–expert настройках. Независимо от того, что служило причиной исходного переходного процесса, моделируется сразу два случая: процесс при возмущении по нагрузке и по заданию. Оба процесса отображаются в виде графиков регулируемой переменной и выхода регулятора.  Все графики моделируемого переходного процесса совмещены с соответствующими графиками процесса, оптимального с точки зрения времени регулирования. В сравнении этих переходных процессов вам помогут некоторые контрольные цифры, сопровождающие каждый из них: По результатам процедуры Моделирования PID–expert формирует отчет: • Название проекта/регулятора, дата; • Тип САР; • Параметры модели объекта; • Вид передаточной функции регулятора (регуляторов); • Рассчитанные настройки регулятора (регуляторов); • Настройки регулятора, введённые пользователем (моделируемые);  • График моделирования процесса с рассчитанными настройками в сравнении с введёнными пользователем (моделируемыми); • Качественные показатели:  ЭФФЕКТИВНОСТЬ САР. PID–expert не оценивает эффективность функционирования САР. Оценку эффективности функционирования САР (на временном интервале) PID–expert отдает инженеру-наладчику, но при этом помогает ему предоставлением статистических показателей: • среднее значение регулируемой переменной; • среднее модульное отклонение регулируемой переменной от задания; • предельное отклонение регулируемой переменной от задания; • гистограмма распределения значений регулируемой переменной;  • суммарный ход регулирующего органа; • количество реверсов регулирующего органа; • среднее положение регулирующего органа; • гистограмма распределения положения регулирующего органа.  АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ подготовка исходной информации. Необходимые для расчёта записи значений регулируемой переменной и значений положения регулирующего органа могут быть получены одним из следующих способов: 1. По встроенной в PID–expert ОРС технологии; 2. Из текстового файла, созданного самостоятельно (*.txt); 3. Из файла базы данных, созданной самостоятельно или полученной из внешних архивов (*.dbf); 4. Из электронной таблицы, созданной самостоятельно или полученной из внешних архивов (*.xls). Для работы по ОРС технологии в "P.I.D. – expert" реализован режим просмотра переменных технологического процесса в реальном масштабе времени с требуемой дискретностью. Необходимый для анализа ситуации перечень технологических параметров просматривается в "окне" PID–expert и записываются в его специальный архив. Создать файл значений регулируемой переменной и положения регулирующего органа можно, работая с этим архивом, анализируя поведение всех наблюдаемых переменных. Выделенный фрагмент автоматически преобразуется в требуемый для расчетов файл.  *********************** Когда говорят об автоматизации, обычно имеют в виду системы автоматического управления различными производственными процессами, включающие в себя множество составляющих: мониторы, серверы, контроллеры, датчики и исполнительные устройства. Эффективность такой системы всегда стремятся повысить — и этот процесс на самом деле тоже можно автоматизировать. Об успешном опыте повышения эффективности работы системы автоматического управления на Заводе по стабилизации конденсата им. В. С. Черномырдина (Сургутский ЗСК) пойдет речь в данной статье. Сургутский ЗСК — крупнейший завод в России по переработке газового конденсата. Предприятие предлагает широкую номенклатуру продукции на основе углеводородов (в том числе автомобильные бензины, дизельное топливо, авиационный керосин), а также является единственным в структурах ПАО «Газпром» производителем топлива для реактивных двигателей марки ТС-1. Это относительно молодое предприятие (вся его история составляет немногим более тридцати лет) оснащено самым современным оборудованием и является предприятием высокой культуры производства. В рамках стратегии ООО «Газпром переработка», направленной на повышение эффективности производственно-хозяйственной деятельности, руководство предприятия задалось целью найти способы повышения эффективности работы действующего оборудования без привлечения капитальных затрат. В поисках путей решения данной задачи был изучен мировой опыт, демонстрирующий улучшение показателей эффективности за счет оптимизации работы систем автоматического регулирования. В результате анализа стало понятно, что необходимо пересмотреть подход к вопросу настройки регуляторов и привлечь инновационные технологии для оптимизации их работы. Более того, это может послужить основой оптимизации всего технологического процесса. Несмотря на то, что предприятие располагает собственными квалифицированными кадрами, владеющими навыком настройки регуляторов, для совершенствования имеющихся компетенций и внедрения новых технологий настройки было решено привлечь к сотрудничеству компанию «ИнСАТ», специалисты которой имеют богатый опыт в области оптимизации работы систем ПИД-регулирования. Компания «ИнСАТ», основанная в 1988 г., занимается производством различного программного обеспечения (ПО) для автоматизации, среди которого SCADA-системы, ОРС-серверы, средства программирования контроллеров, а также программный пакет PID-expert, предназначенный для настройки ПИД-регуляторов и оптимизации работы систем автоматического регулирования (САР). Для осуществления пилотного проекта по оптимизации контуров регулирования на Сургутском ЗСК была выбрана установка по производству моторных топлив (УМТ). Это было продиктовано требованием времени: в последние годы сильно ужесточились технические требования к качеству моторных топлив. Данная установка достаточно сложная. Основная колонна имеет дополнительное циркуляционное орошение и две стриппинг-колонны. Кроме этого, в состав установки входят испаритель, три печи и много другого технологического оборудования с большим количеством рециркуляционных связей, что обусловливает сильное взаимовлияние процессов друг на друга и существенно осложняет как процесс настройки регуляторов, так и эксплуатацию установки. Для осуществления работ в рамках проекта по оптимизации была создана команда, состоящая из опытного технолога, инженера АСУ ТП и специалиста по регулированию. Они тщательно продумали план последовательности настройки. В ходе настройки регуляторов в большинстве случаев требуется нанесение тех или иных возмущений, что на действующей установке может повлечь негативные последствия в виде раскачивания зависимых контуров или даже вывода процесса за границы регламента. Поэтому в первую очередь была запланирована настройка на вспомогательных и второстепенных контурах. По мере перехода к основным контурам работы проводились по ходу технологической цепочки — начиная от первичной подготовки сырья. Настройка регуляторов проводилась с помощью программного пакета PID-expert — специализированного ПО, предназначенного для проведения комплекса работ по повышению эффективности систем автоматического регулирования. Программа подключается к действующей АСУ ТП в качестве ОРС-клиента, получает от нее текущие значения технологических параметров и ведет собственный архив. PID-expert содержит инструменты визуального анализа, идентификации параметров объекта, расчета настроек регуляторов, имитационного моделирования, статистического анализа и другие средства, необходимые для качественного сопровождения САР (рис. 1).   Рис. 1. Интерфейс программы PID-expert: выделен переходный процесс для расчёта Что дает использование специализированного ПО? Рассчитать настройки регулятора можно и без применения программных средств. Существует множество академических методик настройки, но на практике эти способы трудно применимы и используются редко. Чаще всего настройка ведется интуитивно: инженеры изменяют коэффициенты регулятора в ту или иную сторону и затем наблюдают за процессом. Обычно такой подход требует немало времени. Особенные затруднения при интуитивной настройке вызывают регуляторы уровня, где по внешнему виду процесса невозможно сделать выводы о том, как нужно менять настройки. С помощью PID-expert требуемые настройки можно получить за несколько кликов — нужно лишь один раз «качнуть» процесс, изменив задание регулятору или положение клапана, и выделить на тренде переходный процесс (рис. 2).  Рис. 2. Уровень в испарителе до и после настройки «Мы и раньше настраивали регуляторы», — говорит начальник цеха АСУ ТП Игорь Болдырев. — Но этот процесс занимал достаточно длительное время. На настройку некоторых контуров уходили недели, а то и месяцы. Теперь мы увидели, что с помощью PID-expert можно настраивать по нескольку контуров в день. Производительность усилий по настройке контуров регулирования на порядок выросла, что позволило вывести работу регуляторов на качественно новый уровень». Важным инструментом PID-expert является имитационное моделирование (рис. 3). Дело даже не в том, что оно дает возможность «поиграть» с настройками еще до их установки на реально действующую систему регулирования — хотя это тоже важно. Те, кому приходилось сталкиваться с настройкой регуляторов на реальных технологических объектах, наверняка знают, что основной проблемой поиска оптимальных настроек является постоянное изменение свойств объекта. Параметры объекта меняются от состава сырья, нагрузки, технологического режима, да и просто от погодных условий. Это приводит к тому, что еще вчера хорошо настроенный регулятор сегодня уже работает неудовлетворительно. PID-expert запоминает результаты идентифицированных параметров объекта и дает возможность смоделировать поведение контура регулирования с рассчитанными настройками при различных параметрах объекта, полученных в разное время и при разных условиях. Это позволяет подобрать настройки, подходящие для разных режимов работы установки.  Рис. 3. Имитационное моделирование Полученные улучшения не всегда видны невооруженным глазом: случается, что отклонения в абсолютной величине малы или скрыты в обычных флуктуациях регулируемой переменной или шуме. Для оценки изменения качества стабилизации в арсенале PID-expert имеются средства статистического анализа, вычисляющие среднемодульное отклонение, распределение значений регулируемой переменной (рис. 4), суммарный ход клапана и другие параметры.  Рис. 4. Гистограмма распределения наглядно демонстрирует разброс значений переменной «до» (сверху) и «после» (снизу) В качестве примера можно привести следующий эпизод. В рамках данного проекта внимание специалистов привлекло практически синхронное изменение всех температур, подобное реакции на какое-то возмущение, но анализ трендов не выявил источник данного возмущения внутри установки. В результате более широкого исследования удалось найти зависимость между отклонениями температур и возмущениями по давлению со стороны заводской линии топочного газа. Сначала это вызвало недоумение ввиду того, что на линии топочного газа на входе в установку стоял клапан с ПИД-регулятором, стабилизирующий давление газа после себя, и его работа никаких нареканий не вызывала — даже кратковременные пиковые отклонения не превышали 0,05 кг/см2. Тем не менее после перенастройки регулятора средства статистического анализа показали сокращение среднемодульного отклонения с 0,01 до 0,001 кг/см2. Это оказало самое непосредственное влияние на другие технологические параметры: возмущения со стороны давления топочного газа перестали оказывать влияние на поведение температур. Таким образом, это наглядный пример того, что можно улучшить работу даже там, где, казалось бы, и так все налажено. Шаг за шагом команда двигалась от второстепенных контуров к более важным. В ежедневном режиме проводились оперативные совещания для быстрого решения возникающих вопросов. Например, если в ходе обследования контура обнаруживались механические проблемы клапана, препятствующие настройке регулятора или его нормальной работе, то соответствующей службе давалось поручение устранить неисправность. Так были перенастроены почти все контуры, и команда вплотную подошла к основным контурам, самым непосредственным образом влияющим на качественные и количественные показатели работы установки — регулирование температурных режимов на тарелках и в стриппинговых отборах. Поскольку имелись определенные сомнения в правильной работе этих контуров, сначала были исследованы динамические зависимости влияния различных управляющих воздействий в обвязке стриппинг-колонн на температуры как самих отборов, так и близлежащих тарелок. Основываясь на полученных динамических характеристиках, специалисты компании «ИнСАТ» предложили изменить схему регулирования температур с целью уменьшения запаздывания в канале управления и улучшения управляемости. Рекомендация была принята, и после изменения схем регуляторы были настроены заново. Для определения параметров объекта и расчета настроек, как и для большинства других контуров, потребовалось проведение эксперимента с преднамеренным нанесением возмущения. Ранее на такой эксперимент никто бы не решился, но сейчас, когда все смежные и зависимые контуры уже были настроены оптимальным образом, они без проблем отработали нанесенное возмущение и оно не вызвало никаких негативных последствий: все параметры остались стабильны, что и стало значительным результатом всей предшествующей кропотливой работы по оптимизации процессов на установке моторных топлив. «Произошли существенные изменения, — говорит начальник смены Константин Фролов. — Раньше при сильных возмущениях, вызванных изменением состава сырья или другими факторами, операторам приходилось буквально вылавливать технологический процесс, что держало в напряжении весь персонал. Теперь заданный температурный профиль и обусловленные им точки выкипания стоят как вкопанные». Итогом всего комплекса проведенных работ стало не только стабильное поведение всей установки и ее ключевых параметров. За счет стабильного поддержания температур на тарелках технологи получили возможность более точно управлять процессом разделения сырья, что позволило получить увеличение выхода высоколиквидных фракций на несколько процентов. Этот результат был получен благодаря применению современных технологий автоматизации в области настройки регуляторов, тесного сотрудничества специалистов разного профиля и четкой организации работ. «Когда мы начинали этот проект, то не могли точно знать, какие именно улучшения получим в итоге, — говорит главный технолог Антон Стуков. — Но у нас было твердое убеждение, что в оптимизации работы контуров регулирования заложен потенциал по повышению эффективности всего технологического процесса. Теперь, когда мы получили хороший результат, можно с уверенностью сказать, что мы будем и дальше совершенствовать наш подход к оптимизации процессов и переносить полученный опыт на другие установки» https://th-clips.com/video/UGeTAxC5TQw/пид-регулирование-это-просто-настройка-сар-с-помощью-pid-expert.html |