Разработка интегрированной системы управления отделением разваривания на спиртзаводе на основе программируемого логического контроллера Modicon TSX Momentu

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ ИМЕНИ К.Г. РАЗУМОВСКОГО"

Кафедра «ПРОМЫШЛЕННАЯ АВТОМАТИКА»

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ Тема: «Разработка интегрированной системы управления отделением разваривания на спиртзаводе на основе программируемого логического контроллера Modicon TSX Momentum»

Москва 2013 г.

автоматизация программный контроллер логический

1. Автоматизация технологического процесса разваривания на спиртзаводе

2. Технические и программные средства управления технологическими процессами

2.1 Современная платформа автоматизации TSX Momentum

2.2 Программное обеспечение программируемого логического контроллера

2.3 Применение SCADA-системы Monitor Pro для управления технологическими процессами пищевых производств

3. Спецификация приборов, используемых в технологическом процессе пищевого производства

4. Выбор критериев качества управления

5. Условия устойчивости (робастности) управления для систем с ПИ регуляторами

6. Расчет динамических характеристик системы управления температурой в варочных колоннах

7. Интегрированная система

8. Безопасность и экологичность

9. Расчет показателей технико-экономической эффективности автоматизации

10. Энергосберегающие технологии

Выводы

Приложение

Доклад

Автоматизация технологических процессов — этап комплексной механизации, характеризуемый освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления технологическими процессами (ТП) и передачей этих функций автоматическим устройствам. При автоматизации ТП получение, преобразование, передача и использование энергии, материалов и информации выполняются автоматически при помощи специальных технических средств и систем управления.

Повышение производительности труда в пищевой промышленности, а следовательно, и эффективности производства, возможно лишь при условии максимальной механизации и автоматизации при неуклонном сокращении доли ручного труда. Сокращение доли тяжелого и малоквалифицированного физического труда — непременное условие экономического роста.

Рост технической и энергетической вооруженности труда, развитие научных исследований с использованием современной научной аппаратуры, достижений полупроводниковой микроэлектроники и диспетчерского управления обеспечили комплексную механизацию и автоматизацию ТП производства пищевой продукции и подготовили необходимые условия для комплексной автоматизации практически всех ТП пищевого производства.

Интенсификация технологических процессов спиртового производства на современном этапе может быть осуществлена только с использованием управления их основными параметрами. Одним из основных параметров, обеспечивающих оптимальность условий протекания технологических процессов в пищевой промышленности является температура, а наиболее важным этапом ТП приготовления спирта, на котором необходимо особенно строгое поддержание данного параметра — нагрев содержимого варочных колонн.

Точность поддержания заданных значений температуры оценивается с помощью критериев качества управления, количественно выражающих степень успешности достижения цели управления. Часто эти критерии выбираются весьма произвольно, на основании опыта и интуиции разработчиков автоматических систем. Произвольный выбор критериев нередко влечет за собой экономические потери, т.к. не всегда правильно учитываются конкретные особенности управляемых технологических процессов. Поэтому весьма важно так выбрать критерии, чтобы при их оптимизации достигался минимум экономических потерь, обусловленных ошибкой управления.

В процессе нагревания содержимого варочных колонн система управления температурой подвергается действию разнообразных и зачастую неконтролируемых возмущений с неизвестными статистическими характеристиками. Поэтому важно наделить ее робастными свойствами, обеспечивающими близость критериев качества управления к оптимальным значениям в условиях статистической неопределенности, т. е. при отсутствии информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий.

В пищевой промышленности часто применяется пропорционально-интегральный (ПИ) закон управления. Поэтому при управлении температурой в варочных колоннах важно оптимальным образом настроить регулятор температуры.

Разработка и исследование автоматизации процесса производства спирта, позволяет получить высокое качество готового продукта и оптимизировать процесс его производства.

Интегрированное управление получило широкое распространение в управлении технологическими процессами пищевого производства.

1. Автоматизация отделения разваривания на спиртзаводе В отделении разваривания (рис. 1.1) замес из предразварника-смесителя подается плунжерным насосом I в контактную головку II, где нагревается «острым паром», и далее — в варочную колонну III первой ступени, куда также подается «острый пар». Затем разваренная масса последовательно проходит через варочные колонны IV второй ступени и поступает в сепаратор V, где от нее отделяется пар. Основными задачами управления в этом отделении являются стабилизация температурного режима разваривания и поддержание заданной производительности (нагрузки), которая определяется потребностью отделения осахаривания.

Стабилизацию температурного режима обеспечивают САР температуры массы на выходе из контактной головки и САР температуры в первой варочной колонне, которые идентичны. Датчиками температуры являются терморезисторные термометры (ТСМ) и АЦП (2−1) и (3−1), сигнал с которых поступает на регистрирующие АЦПУ (2−2) и (3−2) и регулирующий канал контроллера ТКМ-51, выполняющий ПИ-закон регулирования, (2−3) и (3−3) и затем — на ЦАП и регулирующие клапаны (2−4) и (3−4), установленные на трубопроводе подачи пара в соответствующий аппарат.

Рис. 1.1. Схема системы управления отделением разваривания.

2. Технические и программные средства управления технологическими процессами Программируемые логические контроллеры. Развитие микропроцессорных технологий и их внедрение в промышленности для решения задач контроля и управления технологическими процессами привело к разработке программируемых логических контроллеров (ПЛК) — Programmable Logical Controllers (PLC), которые на современном этапе являются одним из основных широко применяемых средств управления и автоматизации в промышленности. ПЛК — это микропроцессорное устройство, состоящее из микропроцессора, каналов ввода/вывода (аналоговых и дискретных), сетевых адаптеров, блока питания и т. д.

На основе анализа функциональных и эксплуатационных характеристик ПЛК в качестве средств управления температурой в варочных колоннах были выбраны программируемые логические контроллеры компании Schneider Electric. Выбор был определен тем, что указанная продукция компании воплощает передовые научно-технические идеи и технологии в области управления и автоматизации, и обладает наилучшим соотношением цена/качество.

Принятие такого решения было также обусловлено следующими факторами:

· на сегодняшний день компания Schneider Electric — мировой лидер в области распределения электроэнергии и автоматизации технологических процессов;

· оборот в 2009 году: 18,3 млрд евро;

· штат 114 000 сотрудников более чем в 100 странах;

· 32% оборота приходится на развивающиеся страны;

· научно-исследовательские центры в 25 странах.

Компания Schneider Electric владеет следующими известными торговыми марками:

· Merlin Gerin — широкая гамма оборудования высокого, среднего и низкого напряжения для передачи и распределения электроэнергии;

· Telemecanique — оборудование для автоматизации технологических процессов (пускозащитная и пускорегулирующая аппаратура, датчики, программируемые логические контроллеры);

· Modicon — программируемые логические контроллеры и системы автоматизации;

· Square D — оборудование для распределения электроэнергии, управления и автоматизации.

В 1999 году в состав Schneider Electric вошла компания Lexel — мировой производитель электроустановочного оборудования, кабеленесущих систем и противопожарной сигнализации.

Компания Schneider Electric свыше 25 лет успешно работает в России, где является деловым партнером многих крупных государственных организаций, предприятий и частных компаний, а также высших учебных заведений, в частности, МГУТУ им К. Г. Разумовского.

Программируемые логические контроллеры компании Schneider Electric. по своим функциональным возможностям ПЛК Schneider Electric условно делятся на два класса и имеют различные области применения.

К старшему классу можно отнести различные виды ПЛК Modicon TSX Quantum. Они предназначены для сложных и высокоскоростных задач автоматизации: в энергетике, нефтяной и газовой промышленности, в космических и авиационных технологиях, в управлении сложными системами, а также для применений, требующих повышенной надежности на основе резервирования. В промышленности такие ПЛК поддерживают централизованную архитектуру управления. Благодаря расширяемой модульной архитектуре они могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы удовлетворять самым высоким требованиям к производительности больших и средних систем управления. Они имеют в своем составе широкую номенклатуру дискретных, аналоговых, специализированных и коммуникационных модулей. Важнейшими их характеристиками являются: высокое быстродействие; мультипроцессорный режим работы; функции диагностирования; встроенные функции для отображения/управления; высокая плотность монтажа в шкафу; возможность работы без принудительной вентиляции; высокая устойчивость к вибрации; замена модулей под напряжением.

К среднему классу можно отнести различные виды ПЛК Modicon TSX Premium (рис. 2.1), ПЛК Modicon TSX Micro и ПЛК Modicon TSX Momentum.

2.1 Современная платформа автоматизации TSX Momentum

Рис. 2.1. Внешний вид ПЛК Modicon TSX Momentum.

Modicon TSX Momentum — это функционально полное семейство средств управления — модулей распределенного ввода/вывода, процессоров коммуникационных адаптеров и адаптеров расширения. Уникальная и модульная конструкция и адаптируемость TSX Momentum дает гибкость в создании систем отвечающих всем требованиям современного производства.

Для приложений, требующих территориально рассредоточенного размещения «узлов» (концентраторов) ввода/вывода, TSX Momentum (связные адаптеры и базовые устройства ввода/вывода — УВВ) обеспечивает технологически эффективное расположение УВВ в непосредственной близости от технологического оборудования с использованием полевых шин промышленных сетей.

Можно установить процессорный адаптер на базовом УВВ вместо коммуникационного, тем самым можно получить контроллер. Имея широкий выбор базовых УВВ, на которых может устанавливаться базовый адаптер, можно получить простой и экономичный доступ к большому числу приложений низового уровня управления.

Если требуется самостоятельная система управления с числом параметров от 16 до 32, имеются базовые УВВ с комбинированным вводом/выводом дискретных сигналов постоянного и переменного тока. Для случаев, когда требуется повышенная скорость обработки, существуют скоростные УВВ, которые могут использоваться совместно с быстродействующим процессорным адаптером FastScan M1.

В более крупных интегрированных управляющих структурах TSX Momentum может разгружать, упрощать, связывать, распределять, консолидировать или иным способом устранять недостатки подобных систем.

Являясь частью изделий серии 984, TSX Momentum естественным образом расширяет архитектуру Modicon TSX Quantum и TSX Compact.

Изначально TSX Momentum, как платформа для распределенного ввода/вывода, был создан специально для коммуникационных модулей в изделиях серии TSX Quantum, а так же I/Obus в серии TSX Compact. Позднее коммуникационные адаптеры FIPI/O обеспечили распределенный ввод/вывод для контроллеров серии Modicon TSX Premium и TSX7. Затем появились процессорный адаптер и адаптер расширения каждый со своим собственным вводом/выводом, связанным через Modbus Plus и программно встраиваемые в более крупные прикладные системы на базе Quantum и Compact.

Таким образом, что бы ни потребовалось для решения прикладной задачи, Modicon является ее техническим решением. Высокоскоростная недорогая, модульная открытая архитектура. TSX Momentum во всех вариантах применения дает мощь, информативность и управление там, где это необходимо — непосредственно в точке контроля.

Функционально TSX Momentum может использоваться как один, так и в составе ПЛК Quantum или Compact (смотри ниже приведенные схемы).

ПЛК Modicon TSX Momentum позволяют решать различные задачи: ввод, обработку и формирование дискретных и аналоговых сигналов; PID-регулирование; позиционирование; быстрый счет; организацию диалога с оператором; сокращение времени реакции устройства управления на внешние воздействия и т. д. Такие ПЛК используются для создания АСУТП среднего уровня (с 200 — 1000 входами/выходами). Они обладают развитыми сетевыми возможностями, что позволяет применять их в типовых сетевых решениях на основе коммуникационных сетей с различными функциональными возможностями и ценовыми характеристиками. По применению в промышленности такие ПЛК относятся к дискретному и групповому управлению и поддерживают децентрализованную архитектуру управления.

На основании вышеизложенного можно заключить, что программируемый логический контроллер Modicon TSX Momentum является наиболее подходящим техническим средством для реализации системы управления температурой в варочных колоннах при производстве спирта.

2.2 Программное обеспечение программируемого логического контроллера Для управления программируемым логическим контролером используют программное обеспечение PL-7 Pro, которое позволяет осуществлять адресацию модулей в программируемом логическом контроллере (ПЛК) и непосредственное управление технологическим процессом (ТП).

Рис. 2.3.Окно программы PL-7.

При создании нового файла выполняется следующая последовательность действий:

• Нажимаем в командной строке File и далее «New», или нажимаем на значок быстрого доступа «New Application» .

• Появляется окно «New» где необходимо выбрать тип контролера, модель процессора согласно перечня модулей ПЛК установленных на стенде, а также необходимо указать наличие или отсутствие карты памяти согласно спецификации на оборудование. (см. рис. 2.4.)

Рис. 2.4. Выбор типа контролера и процессора.

После того как были указаны тип контролера, модель процессора, и т. д. появляется окно Application Browser. Выбираем пункт меню «Конфигурация» (Configuration) рис. 2.5.

Рис. 2.5 Окно «Application Browser» .

Далее выбираем «Hardware Configuration» открывается следующее окно:

• Выбор используемой корзины (rack) расширяемая / не расширяемая (см. рис. 2.7). На экране открывается цветная заставка с изображение корзины, с заранее установленными блоком питания и процессорным блоком со встроенным модулем Ethernetизображены желтым цветом рис. 2.6. По умолчанию у нас открывается 6-ти местная корзина (rack). Если этого достаточно то далее мы работаем с 6-ти местной корзиной. Но в данном случае по спецификации (или согласно имеющейся конфигурации ПЛК) используем 8-ми местную корзину (rack). Это достигается двойным кликаньем на белый квадрат с левой стороны 6-ти местной корзины (rack).

Рис. 2.6 Конфигурация корзины (rack).

• Производим выбор используемой корзины (rack) расширяемая / не расширяемая (EXENDABLE / NON-EXENDABLE) Рис. 2.7

Рис. 2.7 Выбор корзины (rack).

После указания корзины производим адресацию модулей управления (аналоговых и дискретных входов и выходов). Это производиться двойным нажатием левой кнопкой мыши на белые ячейки 8-ми местной корзины (rack) рис. 8.

Рис. 2.8. Выбор модулей в корзине (rack).

В открывшемся окне Add Module. Данное окно позволяет прописать модули ПЛК указанные в спецификации рис. 2.8. То есть в 8-ми местной корзине, на 5 свободных мест (обозначены на рис. 2.8. 5-ю белыми прямоугольниками) прописали следующие модули: TSX DEY16D2, TSX DSY08R5, TSX AEY800, TSX AEY414, TSX ASY800.

Рис. 2.9. Вид адресованных модулей в корзине (rack).

После наполнения корзины заходим в командной строке меню Edit, производим операцию Confirm. Эта операция производиться для модификации и подтверждения состава набора корзины (Rack) и формирования файла с данными 8-ми местной корзины ПЛК.

Далее передаем файл сформированный в программе PL-7 (установленной в компьютере) в ПЛК «Premium» по шине Unitalway. С этой целью компьютер (РС) соединяем физически с контроллером (PLC) шиной Unitalway. Далее в компьютере (РС) в командной строке заходим в меню PLC и далее Transfer. См. рис. 2.10

Рис. 2.10. Передача программы из компьютера в программируемый логический контроллер.

Предлагается на выбор осуществить передачу программы из PLC>PC (из контроллера в компьютер), или на оборот из PC > PLC (из компьютера в контроллер). Выбираем вариант PC > PLC.

После передачи файла в PLC, производим соединение компьютера (РС) с PLC. С этой целью в командной строке PLC выбираем Connect. См. Рис. 2.11.

Рис. 2.11 Индикация ошибок работы модулей.

В окне configuration появляется индикация о состоянии ПЛК, красная индикация сигнализирует о наличии ошибки (в данном случае 2-х ошибок). Это сигнализирует о том, что возможно:

• в модуле Ethernet не подключены сетевой кабель или не прописаны IP-адреса;

• отсутствуют входные сигналы (с датчиков) в дискретном модуле.

После проведения конфигурации (configuration), необходимо присвоить имя переменным и комментарии, необходимые для составления программы управления ПЛК. С этой целью заходим в командной строке Tools, выбираем пункт Application Browser > Variables (переменные) > Memory objects (объекты памяти) / System objects (системные объекты) / Constants (постоянные) / Predefined FB (встроенные функциональные блоки) / I/O (вход/выход). См рис. 2.12.

Рис. 2.12. Таблица переменных.

Для написания программы управления ПЛК, заходим в командной строке Tools, выбираем пункт Application Browser > Program > Mast task > Sections, правой кнопкой мыши кликаем и выбираем пункт Create…

См. рис. 2.13.

Рис. 2.13. Окно создания программы и выбор языка программирования.

В открывшемся окне задаем имя (Name), язык программирования (Language), а также при необходимости присваиваем адрес (Address), символьное обозначение (Symbol) и комментарий (Comment). После ввода необходимых данных жмем «Ok». После нажатия «Ok» появляется файл, в котором производим написание программы на языке «Structured text». Рис. 2.14.

Рис. 2.14. Окно программы на языке структурный текст «Structured text» .

Заходим в командной строке меню Edit, производим Операцию Confirm.

Для загрузки набранной программы в ПЛК, в командной строке меню выбираем PLC > Transfer. После загрузки программы необходимо соединиться РС > PLC.

Далее в командной строке Debug выбираем пункт Run mast task, для запуска записанной программы в ПЛК см. рис 2.15.

Рис. 2.15. окно запуска программы записанной в PLC.

После запуска программы чтобы просмотреть текущее значение параметров обрабатываемые ПЛК необходимо создать анимационною таблицу: Application Browser > Animation Tables, правой кнопкой мыши кликаем и выбираем пункт Create… рис. 2.16. После создания таблицы вводим адреса созданные в пункте 10.

Рис2.16. Окно создания анимационной таблицы.

Для отображения информации получаемой от датчиков виде графиков (Trends): Application Browser > Runtime screens >

Для создания поля графического отображения, с правой стороны в открывшемся окне «Runtime screens» появилась панель инструментов, выбираем «Rectangle», рисуем прямоугольник. Далее выделяем и кликаем правой кнопкой мыши и выбираем «Properties» рис. 2.17.

Рис 2.17. Окно создания «Графического отображения» .

В открывшемся пункте меню выбираем «Animation», ставим галочку в пункте «Animation», активизируется меню «Symbol», в котором вводиться имя переменной созданной в пункте 10. См. рис. 2.18.

Далее выбираем «Animation Type», ставим точку в пункте «Trend Diagram», активизируется стрелка, и далее выбираем в пункте «Line color» цвет графика, в пункте «Thresholds» определяем шкалу измерения, в пункте «Display» определяем временной интервал окна, и далее жмем «Ok», и далее «Confirm». Рис. 2.18.

Рис 2.18. Окно создания «Trend Diagram.»

Для ввода текста и обозначения созданного объекта (например «Первый терморезистор», см. Рис. 2.17) в окне «Runtime screens» с правой стороны окна выбираем заначек «Аа», нарисовав границы текста, и выделив его кликаем правой кнопкой мыши, выбираем пункт «Properties», в открывшемся меню в окне «Text», вводим необходимый текст, шрифт текста и цвет надписи. Рис. 2.19.

Рис. 2.19. Окно создания «Текстового обозначения»

Для отображения цифрового значения измеряемого параметра выбираем иконку «12I». Рисуем объект (который будет представлять информацию от датчика виде цифрового значения), для этого кликаем правой кнопкой мыши выбираем «Properties», в открывшемся окне в строке «Symbol» вводим имя переменной. Рис. 2.20.

Рис 2.20. Окно создания «Цифровой индикации измеренного значения» .

После проведенных операций в пунктах 16−18, получаем значение измеренной температуры от 4-х термометров сопротивления в виде цветных графиков (trends) и цифровой индикации рис. 2.21.

Рис. 2.21. Графическое отображение значения температуры от термодатчиков.

Как видно из предложенных графических материалов данная среда программирования контроллера дает широкие возможности для настройки технологического процесса пищевого производства.

2.3 Применение SCADA-системы Monitor Pro для управления технологическими процессами пищевых производств Программное обеспечение для систем супервизорного управления и сбора данных (SCADA) Monitor Pro включает базовые пакеты для создания приложений супервизорного (диспетчерского) контроля и управления, а также дополнительные элементы (опции), усовершенствующие функции этих пакетов для таких специальных областей применения, как статистическое управление технологическими процессами или интеграция с базами данных.

В составе Monitor Pro предлагаются:

· Пакеты Runtime (среда функционирования)

· Пакеты Development (среда создания) и Runtime

· Дополнительные пакеты Optional Packages и Add-Ons

Базовые пакеты Monitor Pro. Все базовые пакеты включают:

· графику и анимацию;

· базу данных реального времени;

· текущие и архивные тренды;

· анимированную графику;

· управление сигнализацией;

· браузер базы данных;

· интерфейс данных с dBase IV и ODBC;

· поддержку локальных сетей;

· функцию PowerNet, драйверы интерфейсов с ПЛК Schneider и устройствами числового управления NUM.

Рис. 2.2. Функция PowerNet

Monitor Pro является многопользовательским SCADA-сервером приложений реального времени для автоматизации производственных и технологических процессов. Он позволяет собирать важнейшую информацию от многочисленных приборов и устройств промышленного объекта и затем распространять ее по всему предприятию (организации).

Коммуникативность базы данных реального времени. Monitor Pro обеспечивает такие важнейшие элементы функциональности SCADA-системы, как ретроспективные данные, сигнализацию и статистическое управление процессом. Кроме того, обновляемая по изменению база данных Monitor Pro обеспечивает уникальную масштабируемость существуют, приложения, обрабатывающие более 2 миллионов тэгов.

WebClient. Monitor Pro WebClient подключается прямо к любому серверу Monitor Pro без какого-либо дополнительного конфигурирования. Несколько пользователей могут наблюдать за процессом или управлять им, откуда угодно на территории предприятия или из любой точки земного шара посредством корпоративной сети Intranet или Internet. WebClient работает с необходимой защитой.

Использование зашифрованных протоколов и клиентов в варианте доступа «только чтение» гарантирует безопасность. В отличие от конкурирующих продуктов, базирующихся на закрытой среде клиентских приложений, WebClient основан на стандарте ActiveX.

Преимущества модели «тонкого» клиента. WebClient основан на модели «Thin Client» («тонкий клиент»). Это означает, что один сервер обслуживает запросы на получение свежей информации от подключенных к нему клиентских машин, в которых функционируют броузерные приложения.

Кроме того, Webcllent экономит средства заказчика посредством развертывания нескольких Web-клиентских соединений вместо нескольких приложений с функциями серверов. Экономия состоит в том, что клиентская машина не должна быть мощной высокоразвитой рабочей станцией. Все, что требуется — это компьютер, способный исполнять броузерное приложение.

Поддержка исходного стандарта ОРС (OLE for Process Control) означает то, что данные от средств промышленной автоматики могут быть собраны без использования специальных драйверов. Информация затем может быть распространена между неограниченным числом разных пользователей (клиентов) по всему предприятию.

Диспетчер распределенной сигнализации (Distributed Alarm Supervisor). Диспетчер сигнализации идентифицирует нарушения в контролируемом процессе и привлекает внимание оператора путем выдачи сигнальных сообщений. Эта задача может использоваться со следующими функциональными возможностями:

* сигнализация может быть категоризирована по группам, технологическим участкам и приоритету

* поддерживается фильтрация и сортировка просмотра сигнальных сообщений

* распределенная архитектура обеспечивает возможность квитирования сигнализации с нескольких рабочих мест пользователя

* сигнальные сообщения могут быть записаны в реляционную базу данных или текстовый файл для простоты последующего анализа Off-line

* поддерживается ведение оперативного журнала свободной формы для записи отчетной и уведомляющей информации о нарушениях

* с целью минимизации лавинообразных потоков сигнализации для взаимосвязанных сигнальных сообщений могут быть определены отношения наследования

* допускается модификация элементов сигнализации в режиме On-line

Связь с базой данных предприятия (Enterprise Database Connectivity).

* обеспечиваются высокоскоростные естественные интерфейсы с популярными системами управления реляционными базами данных (RDBMS)

* интерфейсы RDBMS поддерживаются на платформах Microsoft с использованием 100%-совместимых с ODBC драйверов

* все рестроспективные данные помещаются в реляционные базы данных, тем самым обеспечивается простой доступ к ним со стороны программных продуктов других фирм

* допускается соединение с несколькими базами данных одновременно — в том числе с разными типами RDBMS

* структура баз данных определяется пользователем, тем самым обеспечивается максимальная гибкость архитектуры ваших данных

* возможность создания динамических SQL-запросов и исполнения ранее сохраненных процедур в усовершенствованных приложениях

* дружественный интерфейс для пользователей, не имеющих опыта работы с SQL

* регистрация (накопление) данных на периодической основе и по изменению

Monitor Pro имеет встроенную функцию Client/Server для архитектуры с несколькими рабочими станциями PowerNet. Это позволяет разрабатывать приложения с данными, разделяемыми между различными диспетчерскими станциями (компьютерами). Каждая диспетчерская станция декларируется как сервер и клиент для других станций сети одновременно. Сигнализация и ее подтверждение (квитирование) распределены между различными станциями сети. Сигнальное сообщение может быть одинаково заквитировано на той или иной рабочей станции в сети.

Интерфейсы с внешними приборами (External Device Interfaces):

* поддержка более 100 приборных протоколов

* поддержка до 32-х одновременно работающих приборных протоколов.

* драйвер General Purpose Interface (GPI) дает возможность пользователям реализовать ASCII-протоколы запросов/ответов, не прибегая к программированию

* для высокоскоростной передачи данных поддерживаются протоколы связи с ПЛК на основе Ethernet.

* Открытый приборный драйвер API позволяет легко создавать специальные заказные интерфейсы.

Готовая конфигурация для приложений (Preconfigured Applications). Monitor Pro предоставляет набор предварительно сконфигурированных приложений с тем, чтобы пользователь мог легко построить свое приложение, пользуясь готовыми фреймами. Эти приложения предоставляют готовые наборы конфигурационных данных с настройками подключения к сетям основных промышленных средств управления, выпускаемых Schneider Electric. В дополнение к этому с целью облегчения реализации конкретных требований каждое предконфигурированное приложение снабжено справочным руководством. Выбор предконфигурированного приложения зависит от выбранного для установки коммуникационного интерфейса. Может быть выбрано несколько типов сети Х-Way. В случаях, когда приложение Monitor Pro работает с ПЛК от Schneider Electric, доступны следующие типы сетевых интерфейсов: Modbus, Modbus Plus, Modbus TCP/IP, UnitelWay, FipWay, Xway, ISAWAY

3. Спецификация приборов, используемых в технологическом процессе пищевого производства Для контроля технологического процесса применяются следующие датчики:

1. Уровнемер для пищевой промышленности G24 Seetol.

Модель Seetol разработана с целью усовершенствования и упрощения считывания показаний с высоких уровнемеров с нулевой отметки, используя перископ. Такой способ исключает погрешность от параллакса, которая существует с традиционными уровнемерами и, следовательно, обеспечивает надежность считывания с точностью до 1 мм по максимальной длине шкалы в 20 метров Уровень считывается через оптическое смотровое устройство, которое легко переносится от емкости к емкости. Оператор может быстро снять уровень жидкости в емкости и провести считывание каждого миллиметра по всей высоте емкости. Этот уровнемер отличается точностью показаний

2. Расходомер серии Time DELTA

Особенности

· компактный размер

· широкий диапазон типоразмеров датчиков

· высокая точность измерений

· относительно невысокая стоимость

· устойчивость к пузырькам воздуха

· высокая скорость обработки данных

· многоязычный дисплей

· высокая производительность и простота программирования Основные области применения

· ЖКХ

· Покрасочные цеха

· Насосные станции

· Пищевая промышленность

3. Термопреобразователь температуры с унифицированным выходным сигналом ТСМУ-Ex.

Достоинства

• Повышенная помехоустойчивость, возможность передачи информации на более далёкие расстояния;

· Возможность применения в полевой сети АСУ ТП без дополнительных нормирующих преобразователей;

· Высокая точность преобразования;

· Широкий диапазон измеряемых температур;

· Малая потребляемая мощность;

· Устойчивы к воздействию t окружающей среды от -40°C до +60°C (исполнениеУ1.1);

· Установка «Ех» — исполнений во взрывоопасных зонах.

Предназначены для непрерывного измерения температуры жидкостей, пара, газа на объектах различных отраслей промышленности, преобразования полученных значений в унифицированный токовый выходной сигнал 0−5 или 4 — 20 мА и его дистанционной передачи. Конструктивно состоят из жезла (защитная арматура — сталь 12Х18Н10Т, 10Х23Н18 или 8Х20Н14С2) со встроенным чувствительным элементом (термопреобразователь сопротивления или термопара) и измерительного преобразователя, размещённого в головке. Головка — из алюминиевого сплава, с разъёмом или без. Монтаж — в гнездо, с помощью штуцера М20×1,5 или М16×1,5.

4. Клапан регулирующий фланцевый с электрическим исполнительным механизмом (эим) 25ч940нж.

Предназначен для применения в системах автоматического регулирования и управления технологическими процессами различных производств с целью непрерывного регулирования давления, расхода и других параметров рабочей среды.

Наработка на отказ- 10 000 часов в пределах гарантийного срока эксплуатации.

Гарантийный срок эксплуатации — 18 месяцев со дня ввода в эксплуатацию.

Срок консервации — 3 года. Полный срок службы — не менее 10 лет.

4. Выбор критериев качества управления Основное назначение критерия качества управления — численно оценить качество управления и успешность решения задачи управления. Выбор критерия управления обычно осуществляется в зависимости от характера решаемой задачи, статистических сведений о входных сигналов, а также на основании опыта и интуиции разработчиков автоматических систем.

К критериям управления предъявляются два общих требования: во-первых, он должен соответствовать поставленной задаче управления, т. е. служить действительной мерой успешности ее выполнения; во-вторых, он должен быть достаточно прост, чтобы можно было математически решить поставленную задачу.

Наиболее употребительным и простым критерием качества управления является средний квадрат ошибки системы. Поскольку выходной сигнал односвязной системы управления обычно является случайным процессом, то ошибку системы характеризуют в статистическом смысле. Наиболее простой статистической характеристикой является математическое ожидание. Поэтому средний квадрат ошибки весьма часто используется на практике.

Средний квадрат ошибки связан с дисперсией и математическим ожиданием ошибки соотношением

которое показывает, что он учитывает и чисто случайную составляющую (через) и ее систематическую (среднюю) составляющую (через).

Положительный корень из среднего квадрата ошибки называется средней квадратической ошибкой, которая имеет размерность выходного сигнала системы и поэтому при практических расчетах является более удобной характеристикой, чем средний квадрат ошибки.

Система, обладающая минимальной средней квадратической ошибкой, называется оптимальной по минимуму средней квадратической ошибки.

Критерий среднего квадрата ошибки обобщается на случай, когда сигнал ошибки управления является векторным. В этом случае из координат, вектора образуется скалярная случайная функция

(4.1)

называемая обобщенной ошибкой. Как видно из (4.1), она представляет собой сумму координат вектора, взятых со своими весовыми коэффициентами, , значения которых выбираются, исходя из существа задачи.

В качестве статистического критерия качества управления можно использовать математическое ожидание среднего квадрата обобщенной ошибки, т. е.

.

Данный скалярный критерий компактно выражается через вектор и вектор весовых коэффициентов в виде квадратичной формы

что делает его весьма удобным в математическом отношении.

Критерий среднего квадрата ошибки (или средней квадратической ошибки) получил распространение благодаря тому, что он прост в математическом отношении и во многих практических задачах управления является удовлетворительной мерой успешности их решения.

Однако в ряде задач управления этот критерий не соответствует их условиям, т.к. он придает большим и маловероятным ошибкам больший вес, чем малым ошибкам, т. е. большие ошибки оказываются более нежелательными, чем малые. Но в некоторых задачах одинаково нежелательны, т. е. равноценны по своему влиянию на успешность решения задачи управления все значения ошибок, превышающие определенный предел.

Такая ситуация имеет место, например, при управлении давлением газа или жидкости в трубопроводах, когда происходит их разрыв при выходе давления за установленный верхний предел. Кроме того, при управлении электрическим напряжением, даже кратковременное превышение им предельно допустимых максимальных значений крайне нежелательно, ввиду существующей опасности пробоя изоляции, выхода из строя микросхем и других элементов электрической аппаратуры.

Поэтому критерий среднего квадрата ошибки далеко не всегда целесообразно использовать при решении ряда задач оптимального управления.

Кроме того, в случае использования обобщенной ошибки (4.1) выбор значений весовых коэффициентов в значительной мере осуществляется субъективно, что также нежелательно, т.к. получаемые при этом «оптимальные» решения также субъективны.

Таким образом, обоснованный выбор критериев качества управления в значительной мере способствует успешности решения поставленных задач и должен осуществляться исходя из цели управления.

Поскольку при завершении управляемых технологических процессов создается продукция, предназначенная для продажи, то цель управления должна иметь экономическое содержание, которое можно определить как минимизацию экономических потерь, связанных с отклонением управляемых технологических параметров от их заданных значений. Ввиду того, что эти отклонения характеризуются величиной ошибки управления, экономические потери при управлении технологическими процессами зависят от .

Рассмотрим проблему выбора и обоснования критериев управления.

Введем функцию, значения которой соответствуют экономическим потерям в единицу времени при выпуске продукции, т. е., по существу, она определяет интенсивность экономических потерь. Тогда значения определяют интенсивность экономических потерь при идеальном управлении технологическим процессом, когда. Эти потери не связаны с управлением, а зависят, например, от качества сырья, своевременности его поставок, правильности выбора технологом заданного значения и множества других факторов. Поэтому среднюю интенсивность экономических потерь, зависящих лишь от точности управления технологическим процессом, можно выразить с помощью следующего критерия:

/, (4.2)

где — оператор математического ожидания.

Воспользовавшись критерием цель управления можно определить как выполнение требования

. (4.3)

Однако непосредственно использовать критерий при управлении технологическими процессами оказывается весьма затруднительным, т.к. в большинстве случаев не удается определить зависимость. Поэтому необходимо искать другие критерии, при оптимизации которых обеспечивается выполнение требования (4.3).

Чтобы определить критерии, обладающие указанным свойством, сделаем достаточно обоснованные допущения о виде функции. Примем во внимание, что ввиду ограниченности экономических потерь при управлении любым технологическим процессом она может изменяться лишь в конечных пределах. В таком случае, даже при наличии у функции конечных скачков (разрывов первого рода), ее сколь угодно точно можно приблизить некоторой непрерывной функцией. Учтем также, что всегда существуют ограничения на пределы изменения величины, т.к. входной и выходной сигналы системы управления принимают конечные значения.

Поскольку функцию можно считать непрерывной и заданной на конечном отрезке, то ее можно с любой заданной точностью аппроксимировать полиномом степени. В таком случае она принимает вид

(4.4)

где , — вещественные коэффициенты.

Воспользовавшись выражениями (4.2) и (4.4) критерий представим в виде

. (4.5)

Поскольку

то с учетом (4.5) получим неравенство

. (4.6)

Следовательно, выполнению требования (4.3) способствует выполнение условий

. (4.7)

Таким образом, вместо одного универсального, но неконтролируемого критерия, получено множество критериев

, (4.8)

значения которых можно определить, если имеется достоверная информация о функции распределения случайного процесса. Чтобы получить такую информацию необходимо определить статистические характеристики всех возмущающих воздействий и располагать достаточно точной математической моделью управляемого объекта.

На основании условий (4.7) приходим к выводу, что задача оптимального управления технологическими процессами должна ставиться и решаться как задача многокритериальной оптимизации, т.к. в условиях оптимальности управления (4.7) используется не один, а несколько критериев (4.8).

Однако, выполнить условия (4.7) на практике оказывается весьма затруднительным, хотя бы по причине требуемого для этого объема информации о статистических характеристиках ошибки управления. Поэтому необходимо определить критерии, которые было бы проще контролировать в процессе управления, чем статистические моменты величины .

Доказано, что при управлении непрерывными стационарными системами в условиях статистической неопределенности критерии (4.8) одновременно приближаются к своим минимальным значениям, если обеспечено выполнение требования

(4.9)

где — свободный член характеристического уравнения замкнутой системы.

Это уравнение можно представить в виде

(4.10)

где — комплексная переменная; -целое положительное число (порядок характеристического уравнения); , — постоянные вещественные коэффициенты; , — корни характеристического уравнения; - характеристический полином (функция) замкнутой системы.

Чтобы обеспечить необходимый запас устойчивости используют следующие ограничения на расположение корней характеристического уравнения (4.10):

; (4.11)

(4.12)

где и — показатели относительного и абсолютного демпфирования свободного движения замкнутой системы соответственно, а и — их предельно допустимые значения.

Учет ограничения (4.11) обеспечивает заданную скорость затухания всех гармонических составляющих свободного движения системы, а использование ограничения (4.12) позволяет устранить высокочастотные составляющие в этом движении.

Величины и безразмерны, причем на практике значение обычно выбирается из интервала 0,221 … 0,366.

Величины и имеют размерность частоты и их значения выбираются, исходя из возможностей каждой конкретной системы управления.

Отметим, что наряду с обеспечением заданного демпфирования свободного движения системы ограничения (4.11) и (4.12) гарантируют требуемый запас устойчивости.

Чтобы система была технически реализуемой необходимо учесть существующие ограничения на мощность управляющих воздействий, т. е. с высокой вероятностью обеспечить выполнение неравенства

(4.14)

где — управляющее воздействие; - заданная постоянная величина, характеризующая предельно допустимую мощность управляющих воздействий. В том случае, если с высокой вероятностью выполняется неравенство (4.14) регулирующий орган весьма редко достигает своих предельных положений, что позволяет считать систему управления линейной.

Выполнению неравенства (4.14) способствует введение следующего ограничения на расположение корней характеристического уравнения устойчивой замкнутой системы:

(4.15)

где — заданная постоянная величина, значение которой выбирается так, чтобы обеспечить выполнение (4.14).

Таким образом, для непрерывных линейных систем достижение цели управления обеспечивается при выполнении требования (4.9) с учетом ограничений на расположение корней характеристического уравнения замкнутой системы (4.11), (4.12) и (4.15).

5. Условия устойчивости (робастности) управления для систем с пи регуляторами Системы, способные поддерживать качество управления близкое к оптимальному при изменении тех или иных, влияющих на него факторов, принято называть робастными (устойчивыми). Часто к таким факторам относятся статистические характеристики возмущающих воздействий. Название «робастный» происходит от английского слова robust, имеющего значения: крепкий, сильный, грубый.

Поскольку значение величины, как видно из выражения (4.10), зависит от расположения полюсов замкнутой системы и ограничения (4.11), (4.12) и (4.15) также устанавливают к нему определенные требования, то желательно выяснить при каком расположении полюсов выполняется требование (4.9).

Искомое расположение полюсов устанавливает следующее математическое утверждение:

Теорема 5.1. Максимум свободного члена характеристического полинома замкнутой линейной стационарной системы при ограничениях (4.11), (4.12) и (4.15) достигается тогда и только тогда, когда расположение ее полюсов удовлетворяет следующим требованиям:

(5.1)

а — целая часть отношения (- порядок характеристического полинома).

Следовательно, параметры настройки регулятора следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить выполнение условий (5.1), т.к. при этом выполняется требование (4.9) и введенные ограничения на расположение полюсов замкнутой системы.

Эти ограничения, в отличие от критерия, иногда называют показателями качества управления, т.к. они также характеризуют степень успешности достижения цели управления, но по отношению к ним не выдвигаются экстремальные требования, аналогичные (4.9).

Для оценки эффективности робастного управления желательно определить границы интервала частот, в котором возможно выполнить условия (4.7), т.к. на практике иногда удается оценить полосу частот, в которой возмущающие воздействия проявляют себя заметным образом.

Добиться выполнения указанных условий можно при расположении полюсов замкнутой системы в соответствии с требованиями (5.1).

Поскольку от расположения полюсов зависит знаменатель АЧХ замкнутых систем, то при выполнении (5.1) он должен максимизироваться в интервале частот, способствуя тем самым выполнению условий (4.7).

Значение величины определяется на основании следующего математического утверждения:

Теорема 5.2. Для замкнутой линейной стационарной системы при ограничениях (4.11), (4.12) и (4.15) максимум величины достигается при любом значении, удовлетворяющем неравенству, если расположение полюсов системы удовлетворяет требованиям (5.1). Причем величина является решением уравнения

(5.2)

где собственная частота системы определяется выражением

(5.3)

а — целая часть отношения (- порядок характеристического полинома).

Выполнение требований (4.1) обеспечивает оптимизацию наряду с частотными, также и временных динамических характеристик замкнутой системы, на что указывает следующее математическое утверждение:

Теорема 5.3. Для того чтобы при ограничениях (4.11), (4.12) и (4.15) достигался максимум показателя необходимо и достаточно обеспечить расположение полюсов системы в соответствии с требованиями (5.1).

Отметим, что при ограничениях (4.11), (4.12) и (4.15) максимальное значение определяется следующим выражением:

.

Одна из проблем, с которыми приходится сталкиваться при настройке систем управления технологическими процессами пищевых производств, заключается в отсутствии полной обратной связи по вектору состояния Это объясняется тем, что управляемым объектам нередко присуща пространственная распределенность параметров, а вектор состояния системы с таким объектом имеет бесконечную размерность. Разумеется, на практике невозможно реализовать обратную связь по бесконечному числу координат вектора

Поэтому в системах с неполной обратной связью не все полюсы можно расположить в любом наперед заданном положении, т. е. заведомо обеспечить выполнение требований (5.1).

При данных обстоятельствах приходиться ограничиться выполнением требований (5.1) лишь для так называемых доминирующих полюсов системы.

Предположим, что система имеет доминирующих полюсов, тогда для остальных полюсов системы, должны выполняться неравенства

; (5.4)

. (5.5)

В соответствии с условием (5.4) все недоминирующие полюсы системы должны располагаться на комплексной плоскости не ближе к мнимой оси, чем доминирующие. А условие (5.5) означает, что недоминирующие полюсы расположены значительно дальше от начала системы координат по сравнению с доминирующими.

При выполнении условий (5.4) и (5.5) качество управления определяется в основном доминирующими полюсами и поэтому выполнение для них требований (4.1) позволяет значительно повысить качество управления технологическими процессами.

Рассмотрим методы расчета параметров настройки регуляторов, используемых для управления линейными стационарными системами с распределенными и сосредоточенными параметрами. Эти методы базируются на требованиях (5.1) для доминирующих полюсов.

Воспользуемся уравнением (5.6), эквивалентным характеристическому уравнению замкнутой системы, причем передаточная функция объекта считается заданной

. (5.6)

Чтобы применить требования (5.1) необходимо установить взаимосвязь между числом доминирующих полюсов системы, для которых эти требования выполнимы, и числом параметров настройки регулятора, значения которых требуется определить.

Кроме того, необходимо также установить значение неизвестной величины .

Следовательно, имеется неизвестных величин, варьируя значения которых, можно задать желаемое расположение такого же числа полюсов, т.к. каждому полюсу системы отвечает уравнение .

Полагая, что

(5.7)

и задав расположение полюсов согласно требованиям (4.1), получим систему уравнений

(5.8)

решив которую, можно определить все неизвестные величины.

Для систем с ПИ регуляторами и согласно равенству (5.7) имеем .

В таком случае в соответствии с требованиями (4.1) расположение доминирующих полюсов замкнутой системы с ПИ регулятором принимает вид

;. (5.9)

Значение величины в равенствах (5.9) устанавливается на основании компромиссных соображений, т.к. при малых значениях в выходных сигналах регулятора и объекта присутствуют нежелательные высокочастотные колебания, а при больших значениях этой величины ухудшается качество управления.

Поскольку для систем с ПИ регулятором, то уравнения (5.8) с учетом выражения для передаточной функции ПИ регулятора

где — коэффициент передачи, а — постоянная времени интегрирования; принимают вид

; (5.10)

. (5.11)

Разделив уравнение (5.10) на вещественную и мнимую составляющие получим два вещественных уравнения

; (5.12)

(5.13)

; .

Поскольку левые части уравнений (5.12) и (5.13) совпадают, то существует такое значение, при котором совпадают и их правые части, т. е. выполняется равенство

. (5.14)

Из уравнения (4.13) получим

. (5.15)

Решая уравнения (5.12) с учетом выражения (5.15) имеем

. (5.16)

Таким образом, вначале, при заданном значении, в результате решения уравнения (5.14) устанавливается минимальное положительное значение .

Затем, исходя из выражений (5.15) и (5.16), определяются значения параметров настройки и, при которых доминирующие полюсы системы расположены в соответствии с требованиями (5.9).

Оценим значения величины. В рассматриваемом случае и уравнение (5.2) имеет следующее аналитическое решение:

. (5.17)

Оценим возможные значения величины. Полагая согласно выражению (4.17) имеем, а при получим .

Поскольку значение собственной частоты обычно не столь значительно отличается от резонансной частоты системы, то можно заключить, что интервал частот, в котором максимизируется при выполнении требований (5.9) величина, а значит, достигается минимум АЧХ замкнутой системы, оказывается достаточно широким. Поэтому, если спектр возмущающих воздействий может значительно изменяться, оптимизация управления линейными стационарными системами на основе требований к расположению полюсов (5.1) является весьма эффективной.

6. Расчет динамических характеристик системы управления температурой в варочных колоннах О качестве управления технологическими процессами принято судить по виду динамических характеристик замкнутых систем управления, к которым относятся как частотные, так и временные характеристики этих систем.

Чтобы определить указанные характеристики необходимо вначале построить математическую модель управляемого объекта, для чего на его вход подается единичное ступенчатое воздействие, а на выходе снимается кривая разгона (переходная характеристика объекта), представленная на рис. 6.1.