Выбор типа регулятора для системы управления производится из следующих соображений. При выборе типа регулятора следует, прежде всего, определить характер действия регулятора – непрерывный или дискретный.
Как известно, большое влияние на качество САР оказывает запаздывание, наличие запаздывания увеличивает отклонение параметра от заданного значения, удлиняет переходный процесс и может привести к неустойчивому регулированию, чем больше запаздывание в объекте, тем сложнее должен быть регулятор для получения одного и того же переходного процесса.
Важным показателем при этом является не столько абсолютное значение запаздывания, сколько отношение времени запаздывания о к постоянной времени объекта То. Чем больше это отношение, тем труднее обеспечить качественное регулирование процессов, поэтому выбор регулятора производится в зависимости от отношения о /То.
Как известно, при позиционном регулировании, параметр изменяется в пределах зоны нечувствительности регулятора. Применять позиционные регуляторы можно в том случае, если отклонение параметра в процессе регулирования не превышает допустимых значений.
При наличии запаздывания в объекте колебания регулируемого параметра выходят за пределы зоны нечувствительности, так как и после переключения контактов регулирующего устройства, параметр еще некоторое время продолжает изменяться в том же направлении. Чем больше запаздывание в объекте, тем больше амплитуда колебаний регулируемого параметра. Поэтому регуляторы дискретного действия можно выбирать в тех случаях, когда объект обладает большой емкостью и малым запаздыванием, то есть при отношении о /То меньше 0,2, причем нагрузка объекта постоянная или мало изменяющаяся.
Регулятор непрерывного действия выбирается в тех случаях, когда о /То больше 0,2. В данном случае, возможности снять динамические характеристики действующих объектов — нет, но можно быть совершенно уверенным, что отношение о /То больше 0,2, так как все объекты без исключения обладают большим запаздыванием.
П — регулятор считается оптимальным с точки зрения устойчивости САР. Но при П — регулировании точность регулирования значительно уступает ПИ — и ПИД — регуляторам, так как П – регулирование сопровождается наличием значительной статической ошибки регулирования. Однако по сравнению с ПИ – регулированием – он обладает меньшими отклонениями регулированной величины в переходном режиме[7].
Статическую ошибку регулятора можно уменьшить за счет увеличения коэффициента усиления, но это может привести к потере устойчивости системы, к тому же величина статической ошибки зависит не только от насадки П — регулятора, но и от величины запаздывания в объекте. Чем больше запаздывание, тем меньше рабочий диапазон изменений коэффициента усиления, тем больше остаточное отклонение параметра. Кроме того, на работе П — регулятора отрицательно сказывается характер изменения нагрузки объекта.
Исходя из выше сказанного, для регулирования температуры, давления, расхода можно выбирать ПИ-регулятор. ПИ-регулятор можно применять в объектах с любой емкостью с большим запаздыванием с большими, но медленно изменяющимися нагрузками. Но при больших запаздываниях в системе и большом изменении нагрузки, динамическая ошибка может оказаться слишком большой. Для уменьшения ее, следует увеличить коэффициент усиления регулятора, но это может привести к чрезмерным колебаниям процесса, в таких случаях лучшие результаты достигаются применением ПИД-регуляторов .
ПИД-регуляторы, благодаря наличию дополнительного воздействия по скорости отклонения параметра, позволяют уменьшить динамическую ошибку без снижения устойчивости системы. Поэтому применяются ПИД — регуляторы в объектах с любой емкостью, при очень больших запаздываниях и при резких и частых изменениях нагрузки.
Однако, в данном технологическом процессе при регулировании температуры, давления, расхода нет частых и резких изменений нагрузки, поэтому ПИД — регуляторы применять не целесообразно. Следовательно, выбирается ПИ-регулятор .
Для реализации ПИ-закона регулирования можно выбрать локальные системы или микропроцессорные контроллеры.
На базе аналоговых приборов строятся системы децентрализованного управления. Каждый прибор в такой системе выполняет одну, реже две-три функции. Преимущество локальных систем — высокая живучесть управления (при отказе одного прибора оператор переходит на ручной режим и ход технологического процесса не нарушается). Однако аналоговые системы при управлении сложными технологическими процессами громоздки, дороги, консервативны в отношении модернизации и развития АСУТП [4].
Микропроцессорные контроллеры являются представителями нового подхода к организации АСУТП. Контроллеры в основном решают задачи автоматического регулирования, которые могут дополняться задачами логического управления. К тому же внедрение контроллера позволяет снизитьзатраты материала на операторское помещение, численность рабочего персонала, затраты времени на капитальный и текущий ремонты, поверочные работы, а так же применение контроллеров намного экономичнее .
В качестве регулирующего и управляющего устройства выбранмикропроцессорный контроллер«CentumCS 3000».
3.4Интегрированная система управления «CentumCS 3000»
«Centum CS 3000» продолжает линию распределенных систем управления Centumфирмы Yocogava, которые зарекомендовали себя как надежные, отказоустойчивые и удобные в эксплуатации и обслуживании системы.
CS3000 отличается от других систем управления семейства Centum тем, что она гибко масштабируема и организована по доменному принципу.
Основные достоинства системы:
— гибкая система резервирования, позволяющая резервировать:
— элементы центрального процессора,
— системные интерфейсы,
— системные магистрали передачи данных,
— модули ввода/вывода,
— коммуникационные модули,
— модулиFoundationFieldbus.
Кроме того, система обладает:
— гибкой конфигурацией каждого рабочего места оператора с возможностью независимого накопления исторической информации;
— высокой скоростью передачи данных по внутренней шине (скорость 128 Мбит/с);
— большим объемом оперативной памяти контроллеров (до 32 Мбайт).
В системе реализованы следующие связи с подсистемами верхнего и нижнего уровней:
— передача информации в общезаводскую сеть с использованием протокола OPC,
— связь с подсистемами нижнего уровня (PLC, SCADA).
— функция виртуального тестирования, позволяющая выполнять отладку прикладного программного обеспечения без подключения контроллеров.
3.4.1 Конфигурация системы
В представленная ниже схеме конфигурации системы показаны типичные устройства базовой конфигурации Centum CS3000.
Рисунок 3.1 — Конфигурация системы Centum CS3000
Станция оператора (HIS) в основном используется для управления и контроля – она выводит на дисплей переменные процесса, управляющие параметры, и сигнализации, которые необходимы пользователям для быстрой оценки рабочего состояния установки. Станция оператора также включает в себя открытые интерфейсы, позволяющие супервизорному компьютеру получитьдоступ к данным тренда, сообщениям и данным процесса.
Станция оператора (HIS) управляющего типа.
Эта станция оператора имеет те же функциональные возможности, что и ее предшественницы в системе Centum.
Станция оператора (HIS) настольного типа.
Работа этой станции основывается на обычном компьютере, работающим под Windows.
Станция управления участком (FCS) управляет работой установки. Существует два типа станций, удовлетворяющих различным требованиям. Для подключения программируемых логических контроллеров (PLC) и блоков сбора данных (например блок Darwin фирмы Yokogawa) можно также использовать коммуникационные интерфейсы.
Станция управления участком стандартного типа (LFCS).
Эта РСSимеет мощные управляющие функции, высокую надежность и поддержку дистанционных В/В.
Станция управления участком компактного типа (SFCS).
Этот контроллер обычно устанавливается в непосредственной близости от оборудования или технологического процесса, которым он управляет, и идеально подходит для осуществления связи с подсистемами.
Проектировочный ПК (ENG).
Персональный компьютер (ПК) с функциями проектирования используется для генерирования системы Centum CS3000 и осуществляет управление техобслуживанием.Этот ПК может быть того же типа, что и универсальный ПК на станции оператора, и дажеможет быть тем же самым ПК, что и станция оператора (HIS).
Имея на одном ПК функции управления и контроля станцией оператора (HIS), можно использовать функции проверки (моделирование станции управления) для организации простой и эффективной среды проектирования.
Преобразователь шины (BCV)осуществляет подключение системной шины Vсети к другому домену системы Centum CS3000 или к существующей системе Centum или ?XL.
Блок межсетевой связи (CGW)осуществляет подключение системной шины Vсети к шине Ethernet(к супервизорной компьютерной системе или персональному компьютеру).С помощью сетевой функции CGW и с использованием назначенной телефонной линии можно также подключить две Vсети системы Centum CS3000в различных местах.
Эта коммуникационная шина обеспечивает подключение дистанционных блоков В/В для ЦПУ Станции Управления Участком (FCS). Шина может иметь двойное резервирование.
Узлы- дистанционные блоки В/В на интерфейсной шине RIO между сигналами шины – на/от FCS– и аналоговыми / цифровыми (дискретными) сигналами В/В.
Системная шина управления в реальном времени сети Vподключает станции типа FCS, станцию оператора (HIS), BCV и OGW. Поддержка двойного резервирования сети Vявляется стандартной.
Шина Ethernet используется для подключения станции оператора (HIS), ENG и супервизорных систем. Она также используется для передачи файлов данных на супервизорные компьютеры и для выравнивания (устранения разногласий) с данными станции оператора.
Шина FoundationFieldbus представляет собой многоадресную цифровую коммуникационную шину для КИПиА (контрольно-измерительных приборов и автоматов) и предполагается для замены обычного аналогового интерфейса 4-20 мА.
Унифицированная станция управления /контроля UHMIS.
Предусматривается выполнение функций Сервера ОРС для включения приложений в супервизорном ПК с целью получения доступа к данным системы Centum CS3000. Станция обеспечивает связь между уровнем управления и уровнем обработки данных производства.
ПК производственной информации и супервизорные компьютерымогут работать с интегрированным программным обеспечением управления производством MES и ERP и получать доступ к DCS через UHMISили CGW.
Рисунок 3.2 — Пример конфигурации больших систем управления
На рисунке 3.2 показаны следующие компоненты:
HIS: Станция оператора
LFCS: Стандартная FCS
SFCS: Компактная FCS
BCV: Преобразователь шины
CGW: Блок межсетевого интерфейса связи
Vnet:Шина управления
Ethernet: Информационная ЛВС (Локальная Вычислительная Сеть)
Различия между стандартными и компактными аппаратными средствами станции управления участком (FCS) заключаются в следующем.В стандартной станции управления участком (FCS), блок управления участком (FCU) подключен к узлам В/В и модулям В/В с помощью дистанционной шины В/В (RIO).В компактной станции управления участком (FCS), блок управления участком (FCU) и модули В/В подключены к одной объединительной плате.Для стандартной станции управления участком (FCS), с подключенным к узлам через шину RIOблоком управления участком (FCU), существует резервирование центрального процессора (CPU) блока управления участком (PCU), и опции резервирования шины RIO, а также опции монтажа в шкаф или в стойку.
3.4.2 Настройка и подключение сетей
Сеть Vпредставляет собой шину управления в реальном времени, имеющую скорость работы 10 Мbps (Мб/с), и связывающую между собой станции типа FCS, HIS, BCV и CGW. Сеть может иметь двойное резервирование. Существует два типа кабеля.
Кабель YСВ111: Для подключения станций, отличных от станции оператора (HIS) (например, FCS, CGW). Длина до 500 м.Кабель YСВ141: Для подключения станции оператора (HIS). Длина до 185 м.Кабель YСВ111 и кабель YСВ141 могут соединяться между собой с помощью преобразователя кабеля или повторителя шины.
Станция оператора (HIS) и ENG, станция оператора (HIS) и супервизорные системы можно соединять между собой с помощью локальной вычислительной сети (LAN – ЛВС) Ethernet; супервизорные компьютеры Centum и персональные компьютеры на ЛВС могут иметь доступ к сообщениям и данным тренда в системе Centum CS3000.
Сеть Ethernet можно также использовать для посылки файлов данных тренда со станции оператора на супервизорные компьютеры, для согласования данных на двух станциях оператора. Система с только одной станцией оператора, и с установленными функциями проектирования не требует сети Ethernet – но в общем случае сеть Ethernet (и соответствующие средства сетевого проектирования) требуется.
Протокол Fieldbus представляет собой протокол двунаправленной цифровой связи для КИПиА (контрольно-измерительных приборов и автоматов). Протокол Fieldbus является нововведением в технологии систем управления процессом и предполагается для замены стандартного протокола аналоговой связи от 4 до 20 мА, на базе которого работает большинство существующих в настоящий время устройств низовой автоматики.
Рисунок 3.3 — Пример конфигурации системы с использованием
протоколаFieldbus
Протокол Fieldbus имеет следующие характеристики:
1. С помощью одного кабеля можно подсоединить несколько устройств, что позволяет уменьшить количество используемых кабелей.
2.Используется протокол цифровой передачи, обеспечивающий высокоточную обработку информации.
3. Поддерживает передачу нескольких переменных – не только переменных процесса (PV) и манипулируемых (изменяемых) переменных (МV) – между системой управления и каждым устройством низовой автоматики.
4. Связь между устройствами низовой автоматики (КИПиА) позволяет реализовать автономное распределенное управление с помощью КИПиА.
5. Возможность взаимодействия позволяет объединять в единую систему устройства от различных поставщиков.
3.4.3 Резервирование и надежность системы
Станция управления участком (FCS) подключается непосредственно к технологическому процессу, поэтому для ее работы необходимо обеспечить особенно высокую надежность (высокую готовность) и требуется гарантировать точность и надежность получаемых данных.
Для стандартной FCS (Станции управления участком), двойное резервирование могут иметь плата центрального процессора (СРU), коммутационное устройство сети V, плата источника питания, интерфейсная плата шины RIO, коммутационное устройство шины RIO и внутренняя шина узла. Дуплексные (двойное резервирование) процессорные платы (один процессор активный, другой резервный) могут переключаться из активного состояние в резервное без прерывания управления.
Рисунок 3.4 — Дуплексная (с двойным резервированием)
процессорная плата в стандартной FCS
На каждой процессорной плате находится два процессора. Каждое ЦПУ (СРU) выполняет одни и те жеуправляющие вычисления, и результаты каждого вычисления сравниваются между собой. Если результаты согласуются, то считается, что плата работает нормально, и результаты передаются в память и на интерфейсную плату шины. Для основной памяти используется код с исправлением ошибок (ЕСС), который может исправлять ошибки изменения состояния бита во время передачи.Если результаты от ЦПУ 1 (СРU 1) и ЦПУ 2 (СРU 2) не согласуются, то сравнивающее устройство (компаратор) воспринимает это как нештатное состояние ЦПУ (СРU), и переключается на резервную процессорную плату.
Контрольное реле времени (таймер) используется для обнаружения нештатного состояния активной процессорной платы, которое приводит к переключению работы с активной на резервную процессорную плату,
Резервная процессорная плата выполняет те же самые вычисления, что и основная, действующая плата, и при переключении ее в активное состояние вычисленные на ней результаты передаются на интерфейсную шину и в управлении не происходит никакого прерывания.Если на плате центрального процессора (СРU) обнаружена ошибка нештатного состояния ЦРУ (СРUabnormal), то для этой платы проводится самодиагностика, и если аппаратные средства в норме, то ошибка рассматривается как ошибка передачи, и плата возвращается из «нештатного» состояния в «резервное» состояние.
Сеть Vи интерфейс сети Vтакже имеет двойное резервирование. В компактной станции управления участком (FCS), двойное резервирование имеют процессорная плата, коммутационное устройство сети V, плата источника питания, и интерфейс В/В процесса.
Дуплексные (с двойным резервированием) процессорные платы (один процессор активный, другой резервный) могут переключаться из активного состояние в резервное без прерывания управления. Дуплексные процессорные платы (активные и резервные) синхронно выполняют управляющие вычисления, и переключение из активного в резервное состояние происходит без прерывания управления, Для автоматического исправления ошибочного бита передачи используется код с исправлением ошибок (ЕСС) основной памяти.
Рисунок 3.5 — Конфигурация дуплексной (двойное резервирование)
процессорной платы компактной РС8
Если обнаруживается неправильный доступ к памяти ЦПУ (активного или резервного), то недостоверные данные не используется, и соответствующее центральное процессорное устройство останавливается. Если ошибка возникает в активном ЦПУ, то переключение из активного в резервное состояние происходит без прерывания управления.
Для обнаружения нештатного состояния активной процессорной платы используется контрольное реле времени (таймер), и если такое нештатное состояние обнаруживается, то происходит переключение работы с активной на резервную процессорную плату. Каждое ЦПУ выполняет вход/выход через интерфейсную плату (В/В процесса). Активная и резервная сторона проверяют, чтобы интерфейсная шина РIО находилась в нормальном состоянии. Если на активной стороне обнаруживается нештатное состояние, то в работу включается резервная сторона.
Существуют также интерфейсы сети Vс двойным резервированием и шины сети Vсдвойным резервированием.
