Автоматизация производственных процессов является одним из ведущих направлений технического прогресса, важным фактором повышения эффективности и производительности труда, а также повышения качества выпускаемой продукции во всех сферах производства.

Автоматизация технологических процессов осуществляется путем внедрения систем контроля, регулирования и управления на базе комплекса технических средств общепромышленного и отраслевого назначения. В настоящее время накоплен уже значительный опыт автоматизации технологических процессов.

Широкому внедрению автоматизации в промышленности способствует наличие ряда предпосылок. В их числе непрерывность, поточность, комплексная механизация технологических процессов, большие объемы производства, серийный выпуск необходимых приборов и технических средств автоматизации.

АСУ ТП в большинстве случаев являются системами организационно-техническими, что означает наличие функций, выполняемых человеком (оператором). Взаимодействие между оператором и технологическим процессом осуществляется с помощью программного обеспечения, получившего общее назначение SCADA.

«SCADA-система» (Supervisory Control And Data Acquisition System) - система сбора данных и оперативного диспетчерского управления. В названии присутствуют две основные функции, возлагаемые на SCADA-систему: автоматический контроль регулирование давление емкость

ь /сбор данных о контролируемом технологическом процессе;

ь /управление технологическим процессом.

ь SCADA-система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управление процессом в том объеме, в котором это необходимо.

Автоматизация технологических процессов позволяет выполнять отдельные операции без непосредственного участия человека. При индивидуальном ведении хозяйства важно использование принципиально новых автоматизированных систем управления микроЭВМ. Автоматизация технологического процесса обеспечивает сокращение доли тяжелого и малоквалифицированного физического труда, что ведет к повышению производительности, непременному экономическому росту.

Цель и задание работы

Цель данного проекта разработать и создать установку автоматического контроля и регулирования давления в промежуточной емкости, в режиме реального времени. Физическая модель объекта управления разрабатывается на основе программируемого логического контроллера (ПЛК) Modicon серии M340, с возможностью управления с автоматизированного рабочего места (АРМ), при помощи Scada-системы Vijeo Citect компании Schneider Electric. Связь между персональным компьютером (ПК), с установленной Scada-системой и физической модели объекта управления осуществляется посредством протокола TCP/IP.

Основные задачи:

1. Разработать и создать математическую модель

2. Написать программу для контроллера

3. Разработать и создать интерфейс для автоматизированного рабочего места (АРМ)

Описание и характеристика объекта управления

Структурная схема АСУТП

Структурная схема АСУТП взбивания зефирной массы под давлением представлена на рисунке 2 и состоит из трех уровней.

Верхний уровень включает в себя персональный компьютер Р4 и SCADA-систему Vijeo Citect. SCADA-система - это система диспетчерского управления и сбора данных, необходимая для визуализации и диспетчеризации технологического процесса. SCADA-система - это специальное программного обеспечение, обеспечивающее решение задачи ввода и вывода информации в системе АСУТП, отслеживание аварийных и предаварийных ситуаций, представление на пульт оператора графической информации о процессе, поддержании отчетов о выполнении технологического процесса.

К среднему уровню относится микропроцессорный контроллер Modicon M340, предназначен для получения в реальном времени информации с датчика, для ее сравнения, преобразования и обмена с автоматизированным рабочим местом оператора, а также для передачи управляющих сигналов на исполнительный механизм.

Датчик и исполнительный механизм подключаются к Modicon с помощью индивидуальных кабельных связей. Внутри контроллера сигналы обрабатываются в цифровой форме.

Нижний уровень состоит из исполнительного механизма и датчика.

Датчик используется для преобразования физических параметров технологического процесса в электрические сигналы с технологического объекта управления и поступающие на многофункциональный, микропроцессорный контроллер;

Исполнительный механизм преобразует и передает воздействие с микропроцессорного контроллера на технологический объект управления.

Рисунок 2. Структурная схема АСУТП

Создание графического интерфейса в Vijeo Citect

Объектом автоматизации является промежуточная емкость, имеющий возможность эмуляции промышленных аппаратов насосных и компрессорных установок, позволяет значительно снизить присутствие и участие человека в технологическом процессе. Объект автоматизации состоит из компрессора, емкости, датчика давления, электро- контактного манометра, блока электрических соединений и реле управления компрессором. По сигналу ПУСК и заданием давления в емкости оператором лабораторного комплекса с ПК установка запускается, включается компрессор. Сигнал 4ч20мА от датчика давления постоянно, с интервалом в 2 секунды, подается на ПЛК. Текущее давление в емкости отображается на экране монитора оператора. Окончательно остановить лабораторный комплекс может оператор, подав на ПЛК сигнал СТОП нажатием на кнопку экранного интерфейса в режиме RUN_TIME. Связь между ПК и ПЛК осуществляется по каналу Ethernet.

Рисунок 3. Запущенный проект

Просмотрим тренды после запуска двигателя (рис. 4).

Рисунок 4. Линия тренда в реальном времени

Когда график поднимается вверх, это значит, что компрессор работает и давление растет, когда график идет вниз - включен выпускной клапан и давление уменьшается.

Синтез САР с помощью ПИ/ПИД закона управления

Математическая модель объекта управления

Математическим моделированием является процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, называемого математической моделью, а также исследование этой модели, позволяющее получать характеристики рассматриваемого реального объекта. Вид математической модели зависит как от природы реального объекта, так и задач исследования объекта и требуемой достоверности и точности решения этой задачи.

Любая математическая модель описывает реальный объект лишь с некоторой степенью приближения к действительности. Наиболее полное исследование процесса функционирования системы можно провести, если известны явные зависимости, связывающие искомые характеристики с начальными условиями, параметрами и переменными системы.

Структурная схема представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема ОУ

Входные параметры:

1 - давление воздуха

2 - температура воды

Выходные параметры:

3 - давление воздуха

4 - температура массы

Помехи:

5 - концентрация смеси

Построение экспериментальной переходной функции объекта управления

Рисунок 6. Начальные параметры ОУ

Построим график переходного процесса.

Рисунок 7. График скачкообразного изменения входного воздействия

После чего значения изменения выходной величины y(t) заносим в таблицу.

Таблица 1 - Экспериментальные данные для построения переходной функции объекта управления

По данным таблицы 1 строится переходная функция объекта управления y(t) в программе MathCad

Рисунок 8 - Получение переходной функции объекта управления y(t)

Рисунок 9. Определение динамических параметров

Вид полученной выше экспериментальной переходной функции позволяет сделать вывод, что с достаточной для практических задач точностью данный объект можно аппроксимировать последовательным соединением следующих типовых динамических звеньев: звеном чистого запаздывания и апериодическим звеном первого порядка. Таким образом, выражение для передаточной функции объекта управления будет иметь вид:

Величины характеризующие динамические свойства объекта управления такие как К_об- коэффициент усиления объекта, T- постоянная времени объекта и ф- время запаздывания объекта можно определить с помощью данного графика.

Таким образом:

· Время запаздыванияф= 0,43 сек.;

· Постоянная времени Т= 4,1 сек.;

· Коэффициент усиления К_об==0,63

Полученные данные об объекте управления являются исходными для расчетов настроечных параметров для регулятора

Идентификация объекта управления

Рисунок 10. Идентификация экспериментальной расчетной переходной функции. 1 - расчетная переходная функция y(t), 2 - экспериментальная функция переходного процесса y(t)

Рисунок 11. Экспериментальные и расчетные данные

Таблица 2 - Экспериментальные и расчетные данные

R =0,83*100% = 83%

Поскольку коэффициент детерминации имеет достаточно высокое значение, можно сказать об адекватности математической модели в пределах диапазона исходных данных.

Выбор закона регулирования и типа регулятора

Рассматриваемый объект управления обладает самовыравниванием и аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка. Исходя из этого, в качестве типового примем апериодический процесс.

Параметры регулятора определим из формулы:

К_р= 9,081

Т_и= 2,46

Таким образом, передаточная функция ПИ-регулятора примет вид:

Параметры регулятора определим из формулы:

К_р= 14,378

Т_и= 1,032

Т_п= 0,172

Анализ устойчивости САР по критерию Найквиста

Понятие устойчивости является важнейшей качественной оценкой динамических свойств САР. Способность системы восстанавливать состояние равновесия, из которого она была выведена в результате какого-либо воздействия, называется устойчивостью.

Теорема (критерий Найквиста). Для устойчивости САУ необходимо и достаточно, чтобы годограф разомкнутой системы W(iщ) при изменении щ от 0 до ? охватывал l/2 раз в положительном направлении точку (-1, i0), где l-число корней характеристического уравнения разомкнутой системы, лежащих в правой полуплоскости.

Для получения передаточной функции разомкнутой САР с ПИ - регулятором:

W(p) = W(p)_об*W(p)_рег

Для получения передаточной функции разомкнутой САР с ПИД - регулятором:

W(p) = W(p)_об*W(p)_рег

Оценка устойчивости САР

Построение АФЧХ разомкнутой системы с ПИ - регулятором.

Рисунок 12. АФЧХ разомкнутой системы с ПИ-регулятором

По АФЧХ разомкнутой системы с ПИ - регулятором можно сделать вывод, что замкнутая система с ПИ - регулятором является устойчивой по критерию Найквиста. Проведя дополнительные построения, определим: запас устойчивости по амплитуде составляет А=1/U=2,5, по фазе запас устойчивости Q=50⁰

Построение АФЧХ разомкнутой системы с ПИД - регулятором.

По критерию Найквиста замкнутая система с ПИД - регулятором является устойчивой. Проведя дополнительные построения, определим: запас устойчивости по амплитуде составляет А=1/U=1,6, по фазе запас устойчивости Q=30⁰

Рисунок 13. АФЧХ разомкнутой системы с ПИД-регулятором

Определение показателей качества управления замкнутой САР

Передаточная функция замкнутой САР уровня с ПИ-регулятором:

График переходной функции замкнутой АСР уровня с ПИ-регулятором.

По графику переходного процесса определяем следующие показатели качества:

· Время регулирования t_рег.

Время регулирования определяется как время, при достижении которого выходная величина достигает 95% от установившегося значения и больше не выходит за диапазон 95% -105%. Время регулирования составляет 10 секунд;

· Степень затухания (ш)

Рисунок 14. Переходной функции замкнутой САР уровня с ПИ-регулятором

Степенью затухания ш называется отношение разности приращений относительно установившегося значения двух соседних однонаправленных амплитуд одного знака кривой переходного процесса к большей из них, ш определяется по формуле:

Перерегулирование показывает максимальное отклонение выходной величины h_max(t) от установившегося значения h(?).Значение у вычисляем по формуле:

Анализируя показатели качества переходного процесса в замкнутой системе, убеждаемся в правильности синтеза рассматриваемой системы.

Передаточная функция замкнутой САР уровня с ПИД-регулятором:

График переходной функции замкнутой АСР уровня с ПИД-регулятором:

Рисунок 15. Переходной функции замкнутой САР уровня с ПИД-регулятором

По графику переходного процесса определяем следующие показатели качества:

- Время регулирования определяется как время, при достижении которого выходная величина достигает 95% от установившегося значения и больше не выходит за диапазон 95%-105%. Время регулирования составляет 7 секунд;

- Степенью затухания ш называется отношение разности приращений относительно установившегося значения двух соседних однонаправленных амплитуд одного знака кривой переходного процесса к большей из них, ш определяется по формуле:

- Перерегулирование показывает максимальное отклонение выходной величины h_max(t) от установившегося значения h(?).Значение у вычисляем по формуле:

Анализируя показатели качества переходного процесса в замкнутой системе, убеждаемся в правильности синтеза рассматриваемой системы.

Выводы

Для анализа качества переходных процессов в системах автоматического регулирования с ПИ- и ПИД - регуляторами представим показатели этих процессов в виде таблицы. В рассматриваемом примере и ПИ- и ПИД - регулятор позволяют обеспечить требуемое качество регулирование. Наиболее лучшее качество регулирование обеспечит ПИД - регулятор.

Таблица 3 - Показатели качества ПИ- и ПИД - регулятора

Заключение

В данном проекте была создана физическая модель объекта установки автоматизированного управления давлением в ресивере. Было произведено подключение контроллера серии Modicon M340 к ПК. Для этого была произведена настройка и подключение контроллера и оборудования, примененного в установке. Разработан и создан интерфейс управления объектом с АРМ. Проект протестирован и полностью работоспособен.

Результатом выполнения основных задач проекта является автоматическая установка контроля и регулирования давления в ресивере, способная автоматически поддерживать заданный параметр. Связь с контроллером осуществляется по протоколу TCP/IP. Управление установкой осуществляется через графический интерфейс, созданный в SCADA-системе Visual Citect 7.20.

Также был произведен синтез САР для управления с помощью ПИ\ПИД регулятора. Приведенные выше графики и расчеты позволяют сделать обоснованный выбор регулятора. Если выбор сделан правильно, это позволит обеспечить поддержание регулируемого параметра в заданном диапазоне, следовательно, повысить качество регулирования и минимизировать потери сырья и энергии.

Для рассмотренного объекта управления выбран ПИД - регулятор.

Список литературы

1. Муравьева Е.А. «Интеллектуальное управление многосвязными объектами, реализованное в ситуационных подпрограммах» / «Программные продукты и системы». 2012. № 4. С. 30.

2. Давудов В.Г. - «Руководство по обучению - Базовый курс VijeoCitectSCADA v6.12»

3. Научно-технический журнал «ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ»

4. Н.И. Шиянова, Е.Г. Валитова «Теория автоматического управления» учебное пособие. - Мелеуз, филиал ГОУ ВПО «МҐУТУ», 2008.

Размещено на Allbest.ru