Разработка системы мониторинга и управления экспериментальной установкой в Trace Mode 6

Петроченков А.Б., к.т.н., доцент, зав. каф. МСА Пермского ГТУ

Даденков Д.А., аспирант, ассистент каф. МСА Пермского ГТУ

МОСКОКОВ А.Ю., ассистент каф. МСА Пермского ГТУ

Самильянов Д.В., студент каф. МСА Пермского ГТУ

E-mail: pab@msa.pstu.ac.ru, dadenkov@msa.pstu.ac.ru, htpp: \\www.msa.pstu.ac.ru

В статье рассмотрено создание учебного проекта в SCADA -системе Trace Mode 6, который используется как учебное пособие для изучения студентами основ построения проектов в SCADA. Учебный проект разрабатывался для специальной экспериментальной установки, которая является моделью реальной АСУ ТП. На данной установке с использованием Trace Mode 6 проводится ряд экспериментальных работ по изучению технических средств автоматизации и интегрированных систем управления и проектирования.

Система мониторинга, диспетчерского управления и сбора данных (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition) в настоящее время является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления динамическими системами (процессами) в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. Применение SCADA- систем удобно тем, что они позволяют наглядно получить всю информацию о технологическом процессе, упростить восприятие и увеличить надежность, а также удобно свести все данные в единый центр управления технологическими процессами. Именно на принципах диспетчерского управления строятся автоматизированные системы управления (АСУ) в промышленности, энергетике, на транспорте, в космической и военной областях.

SCADA -система Trace Mode 6 российской фирмы «Adastra» – интегрированная среда для разработки человеко-машинных интерфейсов (HMI). Данная система поддерживает анимацию, графические объекты, исторические тренды и тренды реального времени, имеет встроенные языки программирования, библиотеку функций, обеспечивает связь с широким спектром контроллеров отечественного и зарубежного производства через драйверы контроллеров или OPC -сервер.

Исходя из того, что технологический процесс экспериментальной установки достаточно простой, то при выборе SCADA -системы мы руководствовались тем, что SCADA не должна быть чрезмерно сложной в освоении, обладающей избыточностью ресурсов. Гибкость системы при создании как простых, так и сложных проектов, простота привязок графических элементов к реальным переменным технологического процесса при помощи аргументов, динамическое получение и передача информации на исполнительные механизмы, невысокие требования к ресурсам компьютера всё это обеспечивают более легкое освоение студентами SCADA системы. Именно поэтому SCADA -система Trace Mode фирмы «Adastra» была выбрана нами за основу для разработки комплекса лабораторных работ.

Разработка современных систем управления требует от инженера разносторонней теоретической подготовки и навыков практической работы с реальными объектами. Поэтому для проведения практических занятий со студентами, на кафедре микропроцессорных средств автоматизации разработан экспериментальный стенд с современным оборудованием в области АСУ ТП отечественного и импортного производства (см. рис.1).

Экспериментальная установка является моделью трехуровневой АСУ ТП:

· Нижний уровень – измерительные и исполнительные механизмы;

· Средний уровень – системы управления на основе ПЛК;

· Верхний уровень – SCADA - система.

В основу экспериментальной установки заложена модель технологического процесса транспортировки жидкости. Основные элементы системы это – два резервуара, система трубопровода, отсечные электромагнитные клапана, насос, датчик давления, датчик расхода, реле уровня, датчик уровня. В качестве микропроцессорной системы управления используется контроллер «Siemens S7-200» с модулями аналогового ввода/вывода.

Рис.1. Внешний вид экспериментальной установки

Первым этапом создания проекта в любой SCADA -системе является создание графических экранов. Поэтому приступаем к созданию графических объектов и изобразим на дисплее схематично все элементы гидроустановки. Для рассматриваемого проекта необходимо изобразить не только технологическую схему экспериментальной установки, но также предусмотреть элементы индикации, управления и визуального наблюдения за ходом технологического процесса. На экране размещаем элементы экспериментальной установки, путем перетаскивания с панели графических элементов программного пакета Trace Mode. Весь процесс построения изображения является не сложным и напоминает работу с простейшим графическим редактором Paint. У каждого графического элемента Trace Mode имеется множество редактируемых свойств, а созданные в Trace Mode графические объекты привязываются к входами / выходами промышленного контроллера и, следовательно, к реальным параметрам технологического процесса.

Когда графический экран создан (см. рис. 2), его необходимо “оживить” при помощи анимации. Анимация заставляет объект изменять свой вид при изменении значения определенных параметров технологического процесса. В нашем проекте анимация применяется для визуализации процесса протекания воды по трубопроводу, в зависимости от состояния отсечных клапанов и насоса. Кроме этого, уровень воды в баках отображается в соответствии с реальным уровнем, значение которого получаем с датчиков. Все анимационные эффекты позволяют более наглядно представить технологический процесс и упростить управление системой.

Рис. 2. Внешний вид графического экрана системы управления экспериментальной установкой в Trace Mode 6

На основе рассматриваемой экспериментальной установки можно моделировать целый ряд реальных технологических процессов. Для разработки алгоритмов управления был выбран технологический процесс, который является упрощенной двухконтурной моделью системы водоснабжения. Вода из основного резервуара циклически перекачивается по малому контуру обратно в основной резервуар, а по большому контуру поступает в дополнительный резервуар. В данной статье рассматривается построение автоматизированной системы управления и мониторинга с реализацией контура регулирования давления на базе ПИД-регулятора. В качестве возмущающего воздействия используются отсечные клапаны, а сигнал управления с регулятора поступает на микропроцессорный преобразователь частоты, который плавно регулирует скорость вращения насоса, что позволяет поддерживать давление в трубопроводе постоянным.

Расскажем теперь коротко о привязке управляющих сигналов контроллера к графическим элементам управления на примере управления насосом. В SCADA -системе Trace Mode предусмотрено несколько механизмов взаимосвязи с контролерами:

· Использование связи с контроллером непосредственно через драйвер контроллера.

· Осуществление связи через OPC -сервер.

OPC - это аббревиатура от OLE for Process Control, или OLE для управления процессами. Полезность применения OPC с точки зрения интеграции достаточно прозрачна и вытекает из самой сути OPC. Это стандарт на интерфейс обмена данными с оборудованием. Например, если заменять какой-нибудь компонент, то нет нужды корректировать другое программное обеспечение, так как даже при замене драйвера поверх него работает OPC. Или, например если в систему добавляются новые программы, нет необходимости предусматривать в них драйверы устройств, кроме OPC -клиента, разумеется. Таким образом, технология OPC предлагает стандарты для обмена технологическими данными, в которые заложены самые широкие возможности.

Своеобразным каркасом описываемого проекта, обеспечивающим обмен данными, является программная разработка фирмы Siemens – коммуникационный OPC -сервер PC-ACCESS. Эта программа предназначена для организации доступа к данным в распределённых системах управления и является универсальным средством для осуществления обмена данными между приложением - клиентом ОРС и ОРС - сервером. Таким образом, привязку значений входов/выходов контроллера с Trace Mode предлагается осуществлять с применением OPC- технологии. В Trace Mode создаём аргумент «Включение_Насос_ VALUE», привязав его к предварительно созданному в OPC -сервере параметру «Включение_Насос». Данный параметр OPC -сервера связан с дискретным выходом контроллера, который управляет включением насоса. Создав на экране кнопку включения насоса, привяжем к ней аргумент «Включение_Насос».

В поле свойств аргумента выставляем следующие параметры:

· тип аргумента IN/OUT;

· тип данных BOOL (логический true/false или вкл/выкл);

· привязываем аргумент к созданному ранее параметру OPC - сервера «Включение_Насос».

Аналогично рассмотренному выше примеру реализуется привязка всех графических объектов экспериментальной установки к реальным входам/выходам контроллера.

Разработав графический интерфейс учебного проекта, и привязав все переменные SCADA к параметрам технологического процесса, перейдем к реализации системы регулирования давления. Составим сначала структурную схему системы автоматического регулирования давления (см. рис. 3). Основными переменными и параметрами структурной схемы являются:

· i_зад –сигнал задания давления;

· P –давление в трубопроводе;

· i_дд –сигнал обратной связи с датчика давления;

· Di – отклонение текущего значения от заданного;

· u_k – сигнал управления по напряжению на преобразователь частоты;

· g – заданная точность поддержания давления;

· K_пч – коэффициент передачи преобразователя частоты;

· T_пч – постоянная времени преобразователя частоты;

· f – выходная частота преобразователя частоты;

· K_ад – коэффициент передачи двигателя насоса;

· T_ад – постоянная времени двигателя насоса;

· w – скорость двигателя насоса;

· K_н – коэффициент передачи насоса;

· T_н – постоянная времени насоса;

· K_дд – коэффициент передачи датчика давления.

Рис.3. Структурная схема системы регулирования давления.

Рассчитав перечисленные выше параметры звеньев структурной схемы, проведем моделирование в специализированном программном пакете визуального моделирования MatLab Simulink. Моделирование проводилось в три этапа – сначала была собрана схема без регулятора и возмущающих воздействий (см. рис. 4). Система устойчива, а выход на рабочее давление занимает примерно 5 секунд, что соответствует заданным изначально требованиям к технологическому процессу.

Рис. 4. Моделирование системы управления без регулятора и возмущающих воздействий в среде Simulink.

Далее проводилось моделирование с внешним возмущающим воздействием при помощи открытия отсечного клапана (см. рис 5). Срабатывание клапана моделируем приблизительно через 5 секунд после выхода давления в системе на установившееся значение. В момент открытия клапана происходит резкое падение давления, а затем система выходит на новое устойчивое состояние с меньшим значением давления.

Рис.5. Моделирование системы управления c возмущающим воздействием в среде Simulink

Последним этапом является моделирование системы управления с регулятором давления, который должен компенсировать возмущающее воздействие. Проведем сначала структурно-параметрический синтез регулятора давления, для получения его передаточной функции. Объект управления разбиваем на последовательно соединенные элементарные линейные динамические звенья (см. рис.3). В результате структурно-параметрической декомпозиции в объекте регулирования выделяем одну большую постоянную времени T_н и одну эквивалентную малую постоянную времени T _m = T_ад+ T_пч.

В качестве критерия качества регулирования принимаем желаемую передаточную функцию разомкнутого контура. Для рассматриваемой системы регулирования целесообразно применять настройки контура регулирования на технический оптимум [2]. Желаемую передаточную функцию разомкнутого контура в этом случае записывают в виде:

Передаточная функция оптимального регулятора определяется в виде:

где W _оу (p) – передаточная функция объекта регулирования, W_ос (p) – передаточная функция звена обратной связи, W _р.жел (p) – желаемая передаточная функция разомкнутого контура.

В результате синтеза была получена передаточная функция ПИ-регулятора. В общем виде передаточная функция ПИ-регулятора выглядит следующим образом:

,

где K_П – коэффициент пропорциональной части, К_И – коэффициент интегрирующей части, которые необходимо вычислить для построения регулятора в реальной системы регулирования давления.

Рис. 6. Моделирование системы управления c возмущающими воздействиями и ПИ-регулятором в Simulink.

Теперь моделируем систему с ПИ регулятором и возмущающими воздействиями. По полученным результатам можно судить, что система быстро отрабатывает возмущение и возвращается в исходное устойчивое состояние с заданными показателями качества, поэтому синтез ПИ - регулятора проведён верно.

Любая АСУ требует математической обработки данных – как в измерительных информационных потоках (датчик => УСО => контроллер => операторская станция), так и в управляющих (операторская станция => контроллер => исполнительное устройство). Для математической обработки данных в Trace Mode 6 предусмотрены следующие средства:

· внутренние алгоритмы числовых каналов

· программы.

Для разработки программ в TraceMode встроены языки Техно ST, Техно SFC, Техно FBD, Техно LD и Техно IL, являющиеся модификациями языков ST (Structured Text), SFC (Sequential Function Chart), FBD (Function Block Diagram), LD (Ladder Diagram) и IL (Instruction List) стандарта IEC 61131-3.Эти средства обеспечивают возможность математической обработки данных в любом звене информационного потока. Поэтому для реализации алгоритма для системы автоматического регулирования давления решено было использовать программные средства Trace Mode. В разрабатываемом проекте алгоритм предлагается построить на языке функциональных блок-диаграмм (FBD), так как он интуитивно понятен, довольно прост в использовании и наглядно представляет алгоритм управления с привязкой всех входов и выходов контроллера и объекта управления. Язык программирования FBD представляет собой цепочку последовательно выполняемых функциональных блоков. Используя FBD -диаграммы можно реализовать практически любой алгоритм, от обычной инверсии входного/выходного сигнала, до адаптивного ПИД регулирования с автоматической идентификацией объекта и автоматической подборкой коэффициентов регулирования.

Для создания FBD -диаграммы и подключения ее к проекту нужно выполнить следующие операции:

· разместить необходимые функциональные блоки в рабочем поле среды программирования Trace Mode;

· соединить нужные входы и выходы блоков, образовав единую диаграмму;

· задать аргументы, переменные и константы программы;

· привязать входы/выходы FBD -диаграммы к аргументам, переменным и константам программы;

· скомпилировать программу.

На рис. 7 показан пример программы, реализующей контур регулирования давления по ПИД - закону.

Рис. 7. Реализация ПИД-регулятора давления в Trace Mode

Блок X-Y вычисляет рассогласование регулируемой величины (Y) с заданием (X). Величина рассогласования подается на вход INP блока DZONE, который реализует функцию зоны нечувствительности. Зона нечувствительности определяется значением входа DLT. С выхода блока DZONE сигнал подается на вход INP блока PID, вычисляющего величину управляющего воздействия. Для переключения контура на ручной режим используется блок SEL (вход IG). На вход IN0 блока SEL подается сигнал с выхода блока PID, а на вход IN1 - величина ручного управления выходом регулятора. Для упрощения построения системы управления можно использовать блок автоматического расчета коэффициентов К_П , К_Д , K_И , который рассчитывает коэффициенты ПИД-регулятора на основе параметров математической модели объекта первого порядка с запаздыванием. Но в данном проекте параметры регулятора получены аналитическим путем, а для проверки проведено моделирование контура регулирования давления в среде Simulink (см рис. 7).

После того как мы реализовали ПИД-регулятор при помощи программных средств Trace Mode, необходимо убедится, что полученные Simulink результаты совпадают с реальными процессами в системе управления экспериментальной установкой.

Для отображения изменения параметров технологических процессов во времени используем специальный графический элемент Тренд, который предназначен для отображения изменения значения привязанных аргументов экрана во времени. При помощи трендов мы в реальном времени получаем переходные процессы основных параметров системы трубопровода экспериментальной установки, таких как давление, уровень, расход.

После проведения процедуры отладки рабочего проекта получены тренды реального времени (см. рис. 8), отображающие работу спроектированной ранее автоматической системы регулирования давления в системе трубопровода при внешних возмущающих воздействиях, а именно открытии и закрытии отсечного клапана.

Рис. 8. Тренды реального времени в момент срабатывания регулятора давления, на возмущающие воздействия.

Созданный в SCADA -системе Trace Mode проект управления экспериментальной установкой, является учебным пособием при проведении лабораторных работ для студентов и курсов переподготовки кадров. Он достаточно удобен и легко воспринимается учебной аудиторией, так как включает все основные элементы управления и визуализации технологических процессов: индикацию параметров технологического процесса, графические элементы управления, анимацию протекания процесса в привязке к реальным переменным технологического процесса, тренды реального времени.

В данной статье рассмотрены только основные возможности и функции SCADA -системы Trace Mode необходимые для разработки проекта системы управления экспериментальной установкой .. Р ассматриваемый проект направлен на то, чтобы дать начальное представление о программном продукте Trace Mode и позволяет студентам познакомиться с разработкой проектов для реальных АСУТП.

Литература:

1.Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. – СПб: Профессия, 2003

2. Анашкин А.C. Технические и программное обеспечение распределенных систем автоматизации. – CПб.: “П-2”, 2004

3. Электронная справочная система Trace Mode 6.

Тема: Синтез САУ контура регулирования давления экспериментальной установки

Цель: Знакомство с моделированием в среде Matlab. Расчет и синтез регулятора техническим оптимумом.