авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Разработка мобильного модуля для исследования динамики и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в составе современных распределенных автоматизированных

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Морозов Роман Борисович

Разработка мобильного модуля для исследования динамики и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в составе современных распределенных автоматизированныхатизированных систем

Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2010

Работа выполнена на кафедре Управления и информатики Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук

профессор

Колосов Олег Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор

Романов Михаил Петрович

кандидат технических наук

доцент

Зверьков Владимир Петрович

Ведущая организация: ЗАО “АтлантикТрансгазСистема”

Защита состоится 22 октября 2010 г. в 16 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.16 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, ауд. Г-306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы в двух экземлярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет
МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан “ ” _________________ 2010 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.16

кандидат технических наук

доцент С.А. Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Диссертационная работа посвящена разработке мобильного модуля для исследования динамки и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в составе современных распределенных автоматизированных систем.

Актуальность работы. Современная автоматизированная распределенная система диспетчерского контроля и управления (SCADA-система) – это комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. Несмотря на то, что техническая реализация SCADA-системы может осуществляться различными техническими средствами, общие принципы ее построения сохраняются неизменными. Подобные системы программируются и реализуются под конкретные объекты и в большинстве случаев не позволяют обслуживающему персоналу проводить сложные отладочные работы. В то же самое время, разработчики подобных распределенных систем сталкиваются с проблемами выбора, отладки и внедрения алгоритмов регулирования локальных систем автоматики сложных объектов в промышленную эксплуатацию. Часто объекты, для которых разрабатываются SCADA-системы, хотя и предназначены для решения одних и тех же задач, однако реализованы в различные годы и имеют в своем составе разнотипное оборудование. Характерным примером служат городские системы контроля и управления отоплением и горячим водоснабжением. Центральные тепловые пункты (ЦТП) в одном и том же районе могут иметь различное основное технологическое оборудование (теплообменники, насосы, датчики и т.д.) и поэтому требуют настройки регуляторов систем автоматического управления (САУ) под конкретные динамические характеристики оборудования, входящего в контур управления. Аналогичные задачи возникают и в уже действующих системах, когда производится частичная модернизация или замена технологического оборудования.

Для сложного объекта решение задачи выбора наиболее эффективного, с точки зрения поставленного критерия, алгоритма локального регулирования часто не является возможным путем использования действующей системы автоматического управления, т.к. на неё, как правило, возложено множество иных, дополнительных функций, не связанных напрямую с регулированием данного параметра.

В ходе апробации и внедрения выбранного алгоритма регулирования в опытную промышленную эксплуатацию, проведение экспериментов на действующей САУ может нарушить ее работу и, в некоторых случаях, даже повлечь за собой возникновение аварийных ситуаций.

В связи с этим актуальной задачей является создание мобильного модуля, представляющего собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий, не нарушая работы подсистем действующей САУ и без вывода САУ в режим обслуживания, повысить эффективность работы существующих алгоритмов регулирования или апробировать новые алгоритмы регулирования в отдельно взятых контурах САУ.

На данный момент на рынке существует множество видов как аналоговых, так и цифровых регуляторов, позволяющих взять на себя управление одним или несколькими контурами САУ. Обычно такие устройства либо используют различные алгоритмы самонастройки для определения параметров регулятора, либо предлагают ввод этих параметров в ручном режиме. Однако, как правило, функциональности таких устройств недостаточно для осуществления сравнительного анализа различных алгоритмов регулирования и оценки качества регулирования. Между тем, оценка качества регулирования, в особенности на объектах с большими постоянными времени (например, тепловые объекты), является трудоемкой задачей.

Цель диссертационной работы – разработка с общих позиций структуры и конкретная реализация мобильного программно-аппаратного модуля для исследования и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в объектах с большими постоянными времени на примере системы регулирования тепературы горячего водоснабжения (ГВС) на центральных тепловых пунктах (ЦТП). Модуль должен относительно просто интегрироваться с одним или несколькими контурами действующей САУ, иметь удобные средства для локального и удаленного сбора больших объемов статистической информации с целью сравнительного анализа различных алгоритмов регулирования, интерфейсы для наглядного отображения в реальном времени значений дискретных и аналоговых параметров режима. Также должны быть предусмотрены средства, позволяющие как локально, так и удаленно изменять параметры алгоритма регулирования в реальном времени и, при необходимости, проводить активные и пассивные эксперименты на объекте управления с целью получения новых знаний об элементах системы.

Задачи исследования:

  1. Анализ существующих подходов к реализации многоуровневых распределенных автоматизированных систем, имеющих уровни локальных систем автоматики, и выработка требований и основных принципов построения мобильного модуля для исследования и настройки систем локальной автоматики.
  2. Исследование эффективности алгоритма регулирования с точки зрения частоты переключений исполнительных механизмов при сохранении требуемой точности системы и качества функционирования локальной системы на примере существующей системы горячего водоснабжения ЦТП с реализованным на базе контроллера MOSCAD алгоритмом ПИД регулирования.
  3. Исследование влияния особенностей численного дифференцирования на динамику систем с ПИД-регулятором.
  4. Исследование основных элементов системы регулирования температуры ГВС на ЦТП (проведение параметрической и структурной идентификации).

Научная новизна:

  1. Разработаны принципы структурного построения мобильного модуля и реализован такой модуль для проведения исследований динамики систем и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в составе современных распределенных автоматизированных систем, не нарушая при этом функционирования других контуров системы и работы САУ в целом.
  2. С использованием разработанного мобильного модуля показана возможность теоретического анализа и экспериментальных исследований функционирования как элементов локальной системы (на примере системы ГВС) так и всей системы в штатном режиме с целью улучшения ее технико-экономических и эксплуатационных характеристик.
  3. Предложен метод расчета параметров дифференциальной составляющей в цифровом алгоритме ПИД-регулирования, повышающий качество регулирования в системах с ПИД-регулятором.

На защиту выносятся:

  1. Принципы структурного построения мобильного модуля для проведения исследований динамики систем и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в составе современных распределенных автоматизированных систем, не нарушая при этом функционирования других контуров системы и работы САУ в целом.
  2. Метод расчета параметров дифференциальной составляющей в цифровом алгоритме ПИД-регулирования, повышающий качество регулирования в системах с ПИД-регулятором.
  3. Результаты исследования, проведенного на имитационной модели системы регулирования температуры ГВС на ЦТП.
  4. Результаты по идентификации основных элементов системы и повышению эффективности алгоритма регулирования температуры ГВС на ЦТП, полученные при помощи разработанного программно-аппаратного комплекса средств.

Практическая значимость:

  1. Разработана имитационная модель системы регулирования температуры ГВС на ЦТП, предоставляющая обслуживающему персоналу удобные средства для поиска наиболее эффективных с точки зрения поставленных критериев алгоритмов регулирования.
  2. Спроектирован и сконструирован мобильный модуль на базе контроллера MOSCAD, представляющий собой аппаратно-программный комплекс средств для апробирования и внедрения алгоритмов регулирования локальных систем с целью улучшения их технико-экономических и эксплуатационных характеристик.
  3. Разработаны средства программного обеспечения (ПО) на базе контроллера MOSCAD, позволяющие:

- как локально, так и удаленно производить сбор больших объемов статистической информации с целью сравнительного анализа различных алгоритмов регулирования;

- взаимодействовать с интерфейсами наглядного отображения в реальном времени значений дискретных и аналоговых параметров режима;

- удобно проводить активные и пассивные эксперименты на объекте управления с целью получения новых знаний об элементах системы.

Публикации. По результатам работы имеется 4 публикации. В том числе одна в журнале, входящем в перечень ВАК.

Апробация работы. Результаты работы обсуждены на следующих конференциях и семинарах:

  1. XV международный научно-технический семинар “Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации”. Сентябрь, 2006 г., Алушта.
  2. Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика”. 1-2 марта 2007 г.
  3. XVI международный научно-технический семинар “Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации”. Сентябрь, 2007 г., Алушта.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, списка литературы из 81 наименования и приложения, изложенных на 168 страницах машинописного текста, содержит 102 рисунка, 13 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении приводится актуальность темы, рассматриваются предпосылки для проведения исследований, приводится научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе диссертации приводится краткий обзор современных распределенных систем (SCADA-систем) на локальных и территориально распределенных объектах, далее подробно рассматривается SCADA-система на базе контроллеров MOSCAD, достаточно широко применяемая для автоматизации ЦТП. Затем, в качестве примера, проводится исследование эффективности алгоритма регулирования температуры в контуре горячего водоснабжения.

SCADA-система управления ЦТП представляет собой территориально распределенную систему, которая функционирует по следующему принципу. На каждом из автоматизируемых ЦТП, входящих в описываемую SCADA-систему, установлен шкаф автоматики САТ ЦТП, который обеспечивает как локальное, так и удаленное управление объектом, а также передачу данных в центральные диспетчерские пункты по радио-каналам и GSM-каналам.

К основным функциям САУ ЦТП относится решение следующих задач:

  • управление группами насосов холодного водоснабжения, горячего водоснабжения и отопления, а также подпиточными насосами;
  • регулирование температуры воды горячего водоснабжения (ГВС) и температуры воды центрального отопления в зависимости от температуры наружного воздуха;
  • контроль состояния оборудования: включение, отключение, неисправность;
  • измерение параметров: температур, давлений, расхода воды, тепла и электроэнергии;
  • контроль несанкционированного проникновения на ЦТП;
  • передача информации в центральный диспетчерский пункт.

Система регулирования температуры ГВС является одной из подсистем системы автоматизированного управления ЦТП. Основными составляющими системы ГВС являются трубопроводы сетевой воды, трубопроводы к потребителю и от потребителя, теплообменник, исполнительные механизмы, управляемый клапан, система датчиков, приводный механизм и регулятор. Функциональная схема системы представлена на Рис. 1.

 ункциональная схема системы-0

Рис. 1 Функциональная схема системы регулирования температуры ГВС на ЦТП

Регулируемым параметром в системе является температура прямой воды, поступающей к потребителю (T). Температура прямой воды в системе должна поддерживаться постоянной в условиях действия возмущения, причиной которого является непостоянный расход горячей воды на стороне потребителей и, вследствие чего, повысительный насос производит докачку в контур ГВС не нагретой воды, нормализуя давление в контуре. Также среди факторов, влияющих на температуру прямой воды, можно выделить непостоянство температуры и давления горячей сетевой воды, поступающей с теплостанции.

Регулирование температуры в системе ГВС происходит по следующей схеме. Датчик температуры, представляющий собой термосопротивление, измеряет температуру прямой воды T, поступающей к потребителю. Сигнал с датчика поступает в регулятор, и, в зависимости от измеренной температуры и уставки T*, регулятором вырабатывается управляющее воздействие, которое преобразуется широтно-импульсным модулятором в импульс на открытие или закрытие клапана. Управление приводным механизмом клапана, регулирующего подачу горячей сетевой воды с теплостанции, осуществляется с помощью исполнительных реле.

Срок безотказной службы регулирующей аппаратуры существенно уменьшается из-за чрезмерно частого срабатывания реле под действием возмущений, причиной которых является случайный характер потребления горячей воды.

В контуре управления температурой ГВС на ЦТП в качестве алгоритма регулирования используется широко распространенный классический цифровой алгоритм ПИД-регулирования:

(1)

Однако работа существующего алгоритма регулирования не является эффективной с точки зрения минимизации частоты переключений исполнительных механизмов при обеспечении требуемого качества поддержания температуры теплоносителя, следствием чего является преждевременный износ регулирующей аппаратуры.

В ходе экспериментов по параметрической настройке существующего алгоритма регулирования температуры на различных объектах не удалось существенно сократить частоту переключений исполнительных механизмов при обеспечении требуемого качества поддержания температуры теплоносителя.

Было показано, что рассматриваемая SCADA-система управления ЦТП не обладает необходимыми для поиска более эффективного алгоритма регулирования средствами. Во-первых, нет средств и методов для получения и обработки данных для сравнения эффективности различных алгоритмов регулирования. Во-вторых, нет возможности, не нарушая работы других подсистем SCADA-системы, проводить активные эксперименты, необходимые для оценки эффективности того или иного алгоритма регулирования. Также при проведении таких экспериментов существует риск возникновения аварийных ситуаций. Помимо этого, отсутствуют удобные средства для идентификации элементов системы с целью дальнейшего поиска более эффективного алгоритма управления.

Для решения задачи повышения эффективности регулирования было предложено спроектировать аппаратно-программный комплекс средств, который обеспечил бы всю вышеописанную необходимую функциональность, не реализованную в функционирующей САУ.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию влияния алгоритмов численного дифференцирования, построенных на основе различных интерполяционных полиномов, на динамику систем с ПИД-регулятором.

Показано, что с точки зрения расчета оценки производной в режиме реального времени наиболее интересными являются оценки производной, полученные на основе интерполяционного полинома Ньютона, т.к. при расчете оценки производной на основе интерполяционного полинома Ньютона используются только значения, предшествующие моменту времени, для которого ведется расчет оценки производной:

(2)

Далее проводится анализ частотных характеристик алгоритмов численного дифференцирования, полученных на основе интерполяционного полинома Ньютона при учете различного количества первых слагаемых (Рис. 2), при этом оцениваются точность дифференцирования в полосе пропускания, и устанавливается влияние интервала дискретизации на точность оценки производной.

 мплитудно-частотные L() и-3

Рис. 2 Амплитудно-частотные L() и фазочастотные () характеристики алгоритмов численного дифференцирования с использованием одного, двух и трех первых слагаемых производной интерполяционного полинома Ньютона (кривые 2, 3 и 4 соответственно) для интервала дискретизации t=0.1c и ЛАЧХ и ФЧХ идеального дифференцирующего звена (кривая 1).

Для проведения исследований по оценке влияния алгоритмов численного дифференцирования на качество регулирования в системе ГВС на ЦТП в пакете Simulink Matlab были реализованы модели системы (Рис. 3). В ходе исследований было показано, что выбор интерполяционного полинома для численного расчета производной, интервала дискретизации между отсчетами производной и количества первых слагаемых интерполяционного полинома, используемых для расчета производной, могут повысить эффективность (с точки зрения минимизации переключений регулирующей аппаратуры при сохранении требуемого качества регулирования) используемого алгоритма регулирования.

 одель системы регулирования-4

Рис. 3 Модель системы регулирования температуры ГВС с ПИД-регулятором, реализующим численный расчет производной составляющей на основе первых трех слагаемых интерполяционного полинома Ньютона



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.