Автоматизированная система управления компрессорной установки

Для выполнения расчетного анализа разработаны математические модели различных схем циклов сжижения: одноступенчатые и двухступенчатые схемы циклов. Модели реализованы в диапазоне давлений и температур газа на входе в УСПГ соответственно 3,5..5,5 МПа и 233..288К.

Моделирование динамики механизма движения компрессора с учетом зазоров позволяет определить силовые параметры в узлах, необходимые для проведения расчета на статическую и усталостную прочность. В настоящее время эти расчеты проводятся в соответствии с методиками, выше, где нормальные и касательные составляющие реакций определяются методом кинетостатики. Однако как показали теоретические исследования, это справедливо лишь в первом приближении. Максимальные значения сил в моменты ударов могут превышать соответствующие значения реакций в механизме без учета зазоров более, чем в 2 раза. Кроме этого, как показано на рис.3.5, в условиях контактного движения деталей, наблюдаются модулированные высокочастотные колебания циклическим характером нагружения узла. При этом величина реакции периодически изменяется от максимального до минимального значения. Частота этих колебаний определяется скоростью вращения колен вала, значениями зазоров во всех сопряжениях механизма, их режимом трения и тому подобное. Установлено, что ВЧ колебания появляются вследствие того, что движение деталей относительно друг друга происходит не плавно, а "рывками" - из-за влияния зазоров в подшипниках.

Для реализации максимально оптимальных характеристик компрессорной установки, на период адаптации, можно пренебречь вибрациями высокого порядка, а малые сравнительно совпадают по частоте с режимом номинальной работы двигателя в установившемся режиме. Однако характеристику установочных звеньев связует число, приведенное к общему уровню взаимодействия, относительно опоры. Поэтому, общую формулу связи входных узлов компрессора и выходных параметров прохождения в трубопровод зададим следующим образом:

; (3.3)

При учете наличия в системе мер стабилизации, которые реализуется в виде контура регулирования как скорости, так и тока якоря двигателя, можно пренебречь динамическими коэффициентами сопротивления газа в трубопроводе и толчкообразные сигналы на выходе.

3.4 Синтез системы управления привода компрессорной установки

Составим структурные схемы исходной системы. Определим передаточные функции звеньев.

Таблица 3.1

Определение передаточной функции звеньев

Название звена	Передаточная функция
	Формула	Расчёт
Компрессор	WК(р)=	WК(р)=
Звено цепи якоря	W(р)=	WЦЯ(р)=
Механическая часть двигателя	W(р)=	WМЧ(S)=
Преобразователь	W(р)=	WП(S)=

WИСХ = WП*WЦЯ*WМЧ*WК =

= (3.4)

Проверим исходную систему на устойчивость, т. е. получим график переходного процесса (рис.3.6):

Рис.3.6

Из рисунка видно, что переходный процесс является расходящимся, следовательно исходная система неустойчива и требует регулирования.

Первый контур регулирования

Рис.3.7

КТ = 0.1/8 = 0.012 , (3.5)

Найдем исходную ПФ 1 контура

WИСХ1(p)=WП*WЦЯ*КТ, (3.6)

WИСХ1(р) = 0.012 = , (3.7)

Будем настраивать внутренний контур на технический оптимум.

При настройке на технический оптимум желаемая передаточная функция имеет вид

Wж1(р)= (3.8)

С другой стороны WЖ1 (р)= Wрег1(р)* Wисх1(р), следовательно

Wрег1(р)= (3.9)

Wрег1(р)=, (3.10)

Выполним проверку. Найдем желаемую ПФ замкнутой системы (3.11)

Найдем ПФ замкнутого первого контура

Ф1(S)== , (3.12)

Для дальнейших расчетов примем

Ф1(S) ?, (3.13)

Расчеты выполнены верно: Ф1(S) = ФЖ1 (S).

Второй контур регулирования

Введем второй контур регулирования

Рис.3.8

К =27.8/8 = 3.5 (3.14)

(3.15)

Желаемая передаточная функция 2 контура имеет вид

Wж2(р)= (3.16)

Wж2(S)= (3.17)

Wрег2(р) (3.18)

Найдем желаемую ПФ замкнутой системы

(3.19)

Найдем ПФ замкнутого первого контура

Ф2(р)= , (3.20)

Ф2(S) ? (3.21)

Третий контур регулирования

Введем третий контур регулирования:

Рис.3.9

КД = 8/60 = 0.14 (3.22)

(3.23)

Желаемая передаточная функция 3 контура имеет вид

Wж2(р)=, (3.24)

Wж2(S)= (3.25)

WРЕГ3(р) (3.26)

Найдем желаемую ПФ замкнутой системы

(3.27)

Найдем ПФ замкнутого первого контура

Ф2(р)= , (3.28)

Найдем ПФ замкнутой и разомкнутой системы

Wраз=Ф3*, (3.29)

, (3.30)

Проверим систему на устойчивость, т. е. получим график переходного процесса (рис.3.10):

Рис.3.10

Из рисунка видно, что время переходного процесса равно 0.3 сек, следовательно рассчитанный регулятор подходит для данной системы и система является устойчивой.

3.5 Реализация корректирующих устройств на регуляторах

В связи с тем, что контроллер, используемый в системе управления ТП, работает дискретно, то и регуляторы должны быть представлены в дискретном виде (аппроксимация Тустена или Z - преобразования).

Существуют различные методы синтеза цифровых регуляторов, основанные на теории Z - преобразования и пространства состояний. Эти методы требуют очень громоздких математических преобразований и используются в особо точных системах управления.

Рассмотрим более простой подход, состоящий в предварительном синтезе непрерывных регуляторов известными методами теории автоматического регулирования для непрерывных систем и последующем переходе к цифровому регулятору, эквивалентному синтезированному аналоговому.

Задача переоборудования аналоговых регуляторов решается как задача аппроксимации передаточной функции данного регулятора дискретной передаточной функцией цифрового регулятора.

В инженерной практике наибольшее применение нашла аппроксимация, полученная на основе билинейного преобразования или аппроксимация Тустена.

Согласно этой аппроксимации:

; , (3.31)

где Т - интервал дискретизации по времени

Однако, этим методом можно пользоваться только тогда, когда интервал дискретизации по времени для цифровой системы Т мал по сравнению с самой малой постоянной времени системы управления Т. Согласно теореме Котельникова - Шеннона непрерывный сигнал достаточно точно восстанавливается по совокупности его дискретных значений, если

Т 0,5 Т.. (3.32)

На практике необходимо иметь больший коэффициент запаса

Т ( 0,1 - 0,2 ) Т. (3.33)

Определим период дискретизации (Т): это обратная величина от частоты контроллера, но лучше взять частоту АЦП, которая в нашем случае равна 48КГц=48000Гц. Выбор частоты АЦП связан с тем, что скорость обработки информации в первую очередь зависит от скорости работы АЦП.

, (3.34)

Проверим соблюдение условия (теорема Котельникова - Шеннона)

Т 0,5 Т.. (3.35)

0.00001 0,5*0.02, (3.36)

0.00001 0.01, (3.37)

Условие соблюдается, следовательно период дискретизации выбран правильно.

Произведем перевод полученных регуляторов в дискретные.

Синтез цифровых регуляторов по средствам программы MatLab

Wрег1(р) =, (3.38)

Wрег1(z) =, (3.39)

Wрег1(р) =, (3.40)

Wрег1(z) =, (3.41)

Wрег3(р) , (3.42)

Wрег3(z) , (3.43)

4. Проектирование системы автоматиЧЕСКОГО управления с использованием пакета Rational Rose

Создание протокола записи

На диаграмме вариантов использования видно, что режим работы задается оператором вариантом использования Remote Control. После запуска оператором процесса контроллер, получая данные от датчиков, управляет устройствами. Контроллер выдает информацию о текущем состоянии процесса оператору в виде Out info, что показано на диаграмме вариантом использования. Архивирование работы системы также представлено в виде Out info.

Рис. 4.1 - Диаграмма вариантов использования

Рис. 4.2 - Диаграмма топологии

4.1 Построение структуры системы

Физическое представление системы управления не может быть полным, если отсутствует информация о том, на какой технологической платформе она реализована. Поэтому после того, как основные функции системы определены, следует определиться с аппаратной частью проектируемой системы. На основании этого построим диаграмму топологии (рис. 4.2). Диаграмма топологии является единой для системы в целом, поскольку должна всецело отражать особенности ее реализации.

Центральным устройством системы управления, функционально связанным со всеми устройствами системы и управляющий ими, является контроллер, что соответствует определенным выше требованиям к системе.

Далее определяем, каким образом устройства, показанные на диаграмме топологии, взаимодействуют между собой. Для этого сначала разделим устройства в зависимости от выполняемых ими функций на следующие категории (классы):

? Контроллер (класс Controller) - посылает запросы датчикам и управляющих сигналов исполняющим устройствам.

? Клапаны (класс Valve) - открытие и закрытие.

? Датчик давления (класс P_Sensor) - измерение давления.

? Устройство регулирования частоты (класс Frequency_Device) - задание токовых сигналов.

? Датчик температуры (класс T_Sensor) - измерение температуры.

? Датчик смещения (класс C_Sensor) - измерение смещения вала ротора.

? Датчик вибрации (класс V_Sensor) - измерение вибраций.

? Двигатель (класс Moto) - общий класс объекта ЭД;

? Воздушный компрессор (класс Air_Compressor) - общий класс объекта компрессор;

? Насос (класс Pump) - общий класс объекта насос;

? Ресивер (класс Receiver) - общий класс спускного механизма.

Рис. 4.3 - Диаграмма взаимодействия объектов системы.

После декомпозиции системы (разбиения на классы), представим ее как совокупность взаимодействующих объектов соответствующих классов (рис. 4.3).

На данной диаграмме приняты следующие обозначения:

Frequency_Device - частотный регулятор привода компрессора;

Moto - приводной электродвигатель компрессора;

Compressor - воздушный компрессор подачи охлаждения;

Oil_Pump - маслонасос системы охлаждения;

Water_Pump - водяной насос подачи охлаждения;

Temperature_Buter_Sensor - датчик температуры масла;

Temperature_bearings_Sensor - датчик температуры подшипников;

Temperature_Moto_Sensor - датчик температуры двигателя;

Pressure_In_Sensor - датчик давления газа на входе компрессора;

Pressure_Out_Sensor - датчик давления газа на выходе компрессора;

Pressure_Refall_Sensor - датчик перепада давления;

Pressure_butter_Sensor - датчик давления масла;

Pressure_chill-water_Sensor - датчик давления охлаждающей воды;

Pressure_blown_Sensor - датчик давления обдува воздуха;

Pressure_Stek_Sensor - датчик давления воздуха в стойку;

Vibration_H_Sensor - датчик вибрации горизонтальный;

Vibration_L_Sensor - датчик вибрации вертикальный;

Center_Sensor - датчик осевого сдвига;

Gas_In_Valve - клан подачи газа на вход компрессора;

Gas_Out_Valve - клан выкида газа с компрессора;

Butter_Out_Vale - клапан слива масла;

Chill-Water_Out_Valve - клапан слива охлаждающей воды;

Stek_Valve - клапан подачи воздуха в стойку;

Blow_Valve - клапан подачи воздуха на обдув ЭД;

Baipas_Valve - байпасный клапан.

На диаграмме видно, что всем объектам класса Valve контроллером посылаются управляющие сигналы на закрытие (Close) и открытие (Open) соответствующего клапана. Датчикам T_Sensor, P_Sensor, V_ Sensor, C_ Sensor контроллер посылает запросы на выдачу соответственно сигнала (Get_Param). Объектам класса Pump, Compressor контроллер посылает управляющие сигналы на включение (Start) и отключение (Stop).

Функциональный блок, задающий временные последовательности опроса датчиков, является генератор, при получении от него сигнала контроллер производит опрос датчиков.

После того, как были определена принадлежность объектов тем или иным классам, детализируем каждый класс с целью определения свойств объектов системы.

Класс Valve

Так как клапаны должны выполнять процентную функции открытия и закрытия, класс содержит атрибутов - State, и два метода: Open() и Close().

Класс Sensor

Объединил в себе все измерительные устройства, которые при необходимости запрашивают атрибут Param и метод Get_Param.

Класс Moto

Данное устройство должны выполнять функции включения и выключения, класс содержит атрибутов - State, и два метода: (Start) и (Stop).

Класс Frequency_Device

Устройство производит регулирование частоты вращения двигателя, класс содержит атрибутов m_Freq и два метода: (Up_Freq) и (Down_Freq).

Класс Air_Compressor

Данное устройство должны выполнять функции включения и выключения, класс содержит атрибутов - State, и два метода: (Start) и (Stop).

Класс Pump

Объединил в себе все насосы, которые содержат два метода: (Start) и (Stop) и атрибут - State.

Класс Receiver

Объединил в себя регулирующие органы класса Valve спуска газа.

Класс Controller.

Должен содержать в себе все введенные оператором параметры технологического процесса:

m_P_Gas_In_min - минимальное входное давление;

m_P_Gas_In_max - максимальное входное давление;

m_P_Gas_Out_min - минимальное выходное давление;

m_P_Gas_Out_max - максимальное выходное давление;

m_P_Gas_Defference_max - максимальный перепад давления;

m_T_Gas_Out_max -максимальная температура газа на выходе;

m_T_Gas_In_max - минимальная температура газа на входе;

m_Freq_max - максимальная частота вращения двигателя;

m_C_max - максимальное значение смещения вала;

m_Vibr_max - максимальное значение вибрации вала;

m_T_ bearing_max - максимальная температура подшипника;

m_T_moto_max - максимальная температура двигателя;

m_T_Oil_max - максимальная температура масла;

m_P_Oil_max - максимальное давление масла;

m_P_Oil_Reserv_max - максимальное давление масла с резерва;

m_T_time - время опроса датчиков температуры;

m_P_time - время опроса датчиков давления;

m_C_time - время опроса датчиков смещения;

m_Vibr_time - время опроса датчиков вибрации;

m_P_Water_max - максимальное давление воды;

m_P_Water_min - минимальное давление воды;

m_P_Air_max - максимальное давление воздуха на обдув;

m_P_Air_min - минимальное давление воздуха на обдув;

Все выше сказанное представлено на диаграмме классов рис. 4.4

Рис. 4.4 - Диаграмма классов системы

4.2 Построение алгоритма работы системы

Запуск системы управления КУ производится по команде оператора после того, как им были введены параметры протекания процесса. Перед запуском предполагается, что все предпусковые параметры в норме. После запуска система начинает работать в автоматическом режиме, пока не будет остановлена оператором. При этом система должна автоматически обеспечивать предупреждение аварийных ситуаций. При необходимости изменить параметры оператор способен во время работы системы.

Система функционирует следующим образом.

Предполагается, что все внешние параметры протекания процесса сжатия находятся в норме, тогда происходит пуск двигателя.

Если система вовремя работы обнаруживает, что любой параметр предшествует нормальному ходу реакции - подается сигнализация и происходит блокировка соответствующего устройства.

Единственное условие блокировки, лежащего вне цикла работы является давление, температура и расход циркулирующего газа.

Во время работы происходит постоянная обработка входящих величин с датчиков, что говорит о том - система находится в активном состоянии. Дублирование данных и внешний отчет способствует анализу протекания процесса.

Алгоритм обработки данных имеет вид, представленный на рис. 4.5

Рис. 4.5 - Диаграмма активности, иллюстрирующая обработку данных

4.3 Генерация программного кода

Класс в Rational Rose -- это описание общей структуры (данных и связей) для дальнейшего создания объектов. Для того чтобы генератор Rational Rose имел возможность создавать на основе описанной модели программный код, для каждого класса необходимо указать язык, для которого будет создаваться код. Также необходимо определить компонент, в котором этот класс будет храниться. Если в качестве языка для создания кода указан VC++, то пользователь получает доступ ко всей иерархии классов библиотеки MFC при помощи визуальных средств Model Assistant. Поэтому прежде чем приступить к генерации кода на Visual C++, следует создать диаграмму компонентов, отражающая организацию и взаимосвязи программных компонентов, представленных в исходном коде, двоичных или выполняемых файлах. Связи в данном типе диаграммы представляют зависимости одного компонента от другого и имеют специальное отображение через значок «зависимости».

В данном проекте будет построена упрощенная диаграмма компонентов, на которой каждый из компонентов будет представлять класс или его реализацию, хотя при разработке программного кода в большинстве случаев могут использоваться другие подходы.

Для каждого из классов создается два файла: заголовочный (с расширением .h), который содержит описание класса, и файл реализации (с расширением .cpp), где содержится программная реализация методов класса.

Поэтому каждый класс на диаграмме компонентов будет представлен двумя компонентами: Package Specification и Package Body. Первый компонент представляет собой определение пакета (заголовочный файл с расширением .h), второй - тело пакета (файл с расширением.cpp).

Компоненты на диаграмме (рис. 4.6) для простоты имеют те же названия, что и класс, который они представляют.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11