Оценка динамических качеств автоматизированной системы управления технологическими процессами центральных тепловых пунктов на базе микропроцессорного прибора «Трансформер»

Оценка динамических качеств автоматизированной системы управления технологическими процессами центральных тепловых пунктов на базе микропроцессорного прибора «Трансформер».

Д.т.н. В. А. Рыженков, профессор, М. В. Фролов, аспирант, МЭИ (ТУ); А. С. Разговоров, директор, В. М. Кокорев, ведущий инженер, «Электротехническая компания», г. Москва Повышение эффективности использования электроэнергии в теплоэнергетике требует комплексного решения экономических, организационных и технических задач и неразрывно связано с повышением общей эффективности функционирования и развития отрасли. Основой энергосбережения является минимизация отношения затрат на реализацию мероприятий к объемам экономии топлива и энергии. Этот принцип реализуется путем отбора наиболее эффективных мероприятий и первоочередной реализации мер с минимальными затратами и максимальным эффектом. Основным документом для внедрения энергосбережения в теплоэнергетику является Федеральная целевая программа энергосбережения в отрасли «Электроэнергетика» на 1999;2000 гг. и на перспективу от 2005 до 2010 гг. [1].

Одним из эффективных энергосберегающих мероприятий в теплоэнергетике является внедрение:

автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) на объектах отрасли;

автоматизированных систем контроля и учета тепловой энергии (АСКУТ) в тепловых сетях;

автоматизированных систем управления (АСУ) в теплоэнергетике в целом и центральных тепловых пунктов (ЦТП) в частности.

Для решения поставленных задач энергосбережения в городском теплоснабжении, за счет внедрения и совершенствования АСКУЭ, АСКУТ и АСУ к ним предъявляются следующие требования [2]:

работа с объектами городского теплоснабжения разных поколений: современными отопительными системами (пластинчатыми теплообменниками) и устаревшим котельным оборудованием, у которых сильно различаются динамические показатели качества (быстродействие и точность регулирования);

работа при изменяющихся в широком диапазоне входных сигналов и возмущающих воздействиях различных измеряемых и управляемых параметров;

— работа с объектами управления разной степени сложности: от сложных насосных систем до простых теплообменников.

Для решения эффективного управления технологическим процессами на объектах городского теплоснабжения, в том числе на ЦТП, и для удовлетворения вышеприведенным требованиям, был разработан и изготовлен многофункциональный микропроцессорный «Транс-формер» [3], программируемый регулятор, управляющий одновременно значительным числом технологических процессов с индикацией результатов управления на дисплее в мнемонической, текстовой и цифровой форме. Установка в прибор соответствующего модуля модема для проводной, телефонной или радиосвязи с соответствующим программным обеспечением позволяет осуществить диспетчеризацию работы автоматики и параметров объекта управления на компьютерный диспетчерский пункт. Регулятор является самонастраивающимся, что является его несомненным преимуществом по сравнению с регуляторами других видов и модификаций.

Данный прибор должен удовлетворять современным требованиям по устойчивости, точности и быстродействию выработки и реализации управляющих сигналов на объекты управления системой теплоснабжения на ЦТП, т. е. иметь определенные динамические качества, предъявляемые к АСУ технологических процессов (ТП) на ЦТП. Очевидно, что приведенные выше динамические качества АСУ необходимо знать на стадии ее конструкторской разработки, т.к. это существенно снижает все затраты на внедрение ее в систему теплоснабжения на ЦТП.

Для оценки динамических качеств АСУ ТП ЦТП на базе микропроцессорного прибора «Трансформер» приведено решение задачи параметрического анализа. В работе приведено решение прямой задачи по определению динамических характеристик АСУ ТП на ЦТП.

Решение поставленной задачи осуществляется с использованием математической модели АСУ ТП ЦТП. Математическая модель АСУ ТП с регулирующей аппаратурой типа «Трансформер» представлена в линейном и нелинейном виде. С помощью программного комплекса «Проектирование динамических систем» построены динамические характеристики (временные и частотные) для системы контроля и управления технологическим процессом на многофункциональном ЦТП. Дана оценка динамических качеств АСУ ТП ЦТП.

АСУ ТП на ЦТП представляет собой многофункциональную информационно-измерительную систему, в которую входят:

измерительная аппаратура (ИА);

регулирующая аппаратура (РА);

исполнительная аппаратура (ИспА).Структурная схема АСУ ТП ЦТП показана на рис. 1.

Далее рассмотрена работа АСУ ТП ЦТП на примере регулирования температуры в прямом трубопроводе системы горячего водоснабжения (ГВС). На рис. 1 показаны составные части АСУ ТП: объект регулирования (трубопровод ГВС); регулирующее устройство (микропроцессорный прибор Трансформер); регулирующий орган (клапан); измерительный прибор. Элемент сравнения сигналов, преобразование сигналов и их нормирование производится в регулирующем устройстве.

На рис. 1 приведены следующие сигналы управления:

x (t) — электрический сигнал, действующий на входе регулирующего органа (РО);

y (t) — выходной сигнал, снимаемый с объекта регулирования (ОР);

yp (t) — сигнал, относительно которого происходит регулирование;

u (t) — электрический сигнал, поступающий с выхода регулирующего прибора;

Ax (t) — сигнал рассогласования, действующий на ОР;

Ay (t) — электрический сигнал, поступающий на вход регулирующего прибора.

Динамические свойства АСУ системы ГВС можно оценить, анализируя ее математическую модель в замкнутом состоянии, состоящую из известных дифференциальных уравнений [4, 5]: уравнение регулирующего устройства; уравнение регулирующего органа (клапана); нелинейное уравнение ограничения расхода клапана; нелинейное уравнение квантования расхода клапана по уровню; уравнение объекта регулирования и уравнение обратной связи.

Структурная схема нелинейной модели АСУ системы ГВС показана на рис. 2.

Для упрощения анализа АСУ ГВС математическая модель была линеаризована, т. е. нелинейные зависимости были приведены к линейному виду. Нелинейные характеристики клапана: ограничение расхода (рис. 2) и его квантование по уровню входного сигнала (рис. 3) были заменены линейной зависимостью.

энергосбережение теплоэнергетика сигнал модель.

Qkl= kh0kl,.

где kкоэффициент линеаризации расходной характеристики клапана.

Таким образом, составлена математическая модель АСУ ГВС на ЦТП в линейном (непрерывном) и нелинейном виде. В дискретной модели учтены наиболее существенные нелинейности (рис. 2 и 3).

Далее проведем оценку динамических качеств данной АСУ ГВС, используя математическую модель, и построим ее динамические характеристики, к которым относят временные (переходные процессы или кривые разгона) и частотные (логарифмические амплитудные и фазовые) характеристики. Методика построения этих характеристик подробно представлена в работах [4, 5].

С помощью программного комплекса «Проектирование динамических систем» были построены и проанализированы динамические характеристики (временные и частотные) для системы контроля и управления технологическим процессом на ЦТП. В качестве примера было рассмотрено регулирование температуры теплоносителя в системе ГВС на ЦТП.

Используя компьютер, были получены частотные логарифмические амплитудные (ЛАЧХ) и фазовые (ЛФЧХ) характеристики и переходные процессы.

Работоспособность математической модели АСУ в линейном (непрерывном) виде и ее компьютерной реализации подтверждена совпадением значений ЛАЧХ и ЛФЧХ моделей в разомкнутом и замкнутом состояниях при со -"? и различием со -" 0.

На рис. 3 представлена кривая переходного процесса сигнала на выходе объекта регулирования (температуры на выходе теплообменника) для линейной (непрерывной) математической модели АСУ ГВС. Временные кривые были получены при подаче на вход регулирующего органа ступенчатого сигнала в 1 градус угла по ворота запорного устройства.

Быстродействие АСУ, которое может быть оценено по переходному процессу [4, 5], характеризуется временем переходного процесса tnn, когда кривая не превосходит допустимой погрешности, в данном случае А= 10% от установившегося значения Tуст. (см. рис. 3). Для кривой, представленной на рис. 3, t’n п. =63 сек.

Колебательность (устойчивость) временной характеристики АСУ можно охарактеризовать параметром перерегулирования, а и определить по переходному процессу следующим образом: а=|ТМако. — Туст.|Ю0% / Tуст., где T макс. — максимальное значение температуры теплоносителя. В данном случае а' = 25%. Полученные значения t’n п. и а' соответствуют требованиям, которые предъявляются к АСУ в системе ГВС на ЦТП [4].

Динамическая характеристика для нелинейной (дискретной) модели приведена на рис. 3, б. Эта кривая переходного процесса получена для выходного сигнала объекта регулирования (температуры на выходе теплообменника) для нелинейной (дискретной) математической модели АСУ ГВС при подаче на вход в систему единичного ступенчатого сигнала в виде угла поворота на 1 градус запорного устройства РО. Время данного переходного процесса составило t’n п. =24 сек., что значительно меньше t" nn=63 сек., полученного при расчете с использованием линейной математической модели.

Анализируя кривую переходного процесса на рис. 3, б, можно сделать вывод о качественном совпадении результатов расчета с использованием линейной и нелинейной моделей АСУ ГВС. Очевидно, что количественно кривые, приведенные на рис. 3, отличаются (о" <�о'). Это демонстрирует учет нелинейных зависимостей в математической модели и влияние этого учета на вид динамических характеристик АСУ ГВС.

Таким образом, можно отметить:

возможность оценить динамические качества (точность, быстродействие, устойчивость) работы АСУ ТП на ЦТП на стадии ее конструкторской разработки и внедрения в систему городского теплоснабжения;

правильность составленной математической модели, корректность учета в ней нелинейных зависимостей и приведение ее к линейному виду, а также работоспособность программного комплекса «Проектирование динамических систем» и безошибочное его использование при расчете динамических характеристик АСУ;

возможность анализа качества динамических характеристик АСУ ГВС с использованием линейной математической модели и невозможность получения количественных результатов только с помощью линейной модели и необходимость учета нелинейных зависимостей для более точных расчетов;

возможность использования в дальнейшем математическую модель для реализации интегро-дифференциальной передаточной функции в обобщенном регулирующем приборе «Трансформере», которая в конечно-разностном виде реализует ПИД — закон регулирования;

возможность использования полученных в результате расчета временных характеристик (переходных процессов или кривых разгона) объекта регулирования, которым в данной работе является температура теплоносителя в ГВС на ЦТП, для определения программных функций настройки регулирующего прибора"Трансформер".

Программа энергосбережения в отрасли «Электроэнергетика» на 1999;2000 и на перспективу до 2005 и 2010гг., Москва, 1999 г.

Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети. Учебникдля вузов. 7-ое изд. М.: Издательство МЭИ, 2001.

Рыженков В.А., Разговоров А. С., Фролов М. В., Кокорев В. М. Автоматизированная система управления технологическими процессами центральных тепловыхпунктов на базе микропроцессорного прибора «ТРАНСФОРМЕР». Труды конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения». Саратов, 2004 г.

Сафонов А. П. Автоматизация систем централизованного теплоснабжения. М.: Энергия, 1974.

Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975.