Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методик и средств для наладки и стендовых испытаний автоматических систем регулирования... 12
1.1. Общая характеристика методик наладки промышленных АСР 12
1.2. Наладка простых систем управления 17
1.3. Наладка сложных систем управления 26
1.4. Особенности разработки моделей теплоэнергетического оборудования и элементов систем регулирования 31
1.5. Постановка цели и задач исследования 39
2. Модели элементов автоматических систем регулирования и технологического оборудования электростанций 42
2.1. Особенности моделирования регулирующих устройств и функциональных блоков технических средств автоматизации 42
2.2. Моделирование регулирующих органов теплоэнергетического оборудования 52
2.3. Особенности моделирования датчиков и исполнительных механизмов 56
2.4. Моделирование теплоэнергетического оборудования 58
2.5. Средства разработки моделей элементов АСР и оборудования 79
2.5.1. Моделирование с использованием модуля «передаточная функция» 81
2.5.2. Моделирование элементов АСР с помощью базовых типовых звеньев 85
2.5.3. Моделирование с использованием внешних функций и библиотек 89
2.6. Особенности функционирования моделей элементов АСР 89
2.7. Выводы по главе 95
3. Технология построения программно-аппаратных комплексов для наладки автоматических систем регулирования 97
3.1. Система автоматического регулирования как объект синтеза 97
3.2. Технология создания программно-аппаратных комплексов 102
3.3. Требования к компонентам и их взаимодействие 111
3.4. Особенности реализации программно-аппаратных комплексов 116
4. Создание и применение программно-аппаратных комплексов для наладки автоматических систем регулирования 120
4.1. Программный комплекс «РАНАР» для параметрической настройки типовых АСР 120
4.2. Программно-методический комплекс по наладке регуляторов теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС 131
4.3 Микропроцессорная система управления бойлерной установки 140
4.4. Автоматизированная система химконтроля Na-катионитовой установки 146
Основные результаты 150
Библиографический список 153
Приложения
- Общая характеристика методик наладки промышленных АСР
- Особенности разработки моделей теплоэнергетического оборудования и элементов систем регулирования
- Особенности моделирования регулирующих устройств и функциональных блоков технических средств автоматизации
- Система автоматического регулирования как объект синтеза
Введение к работе
Автоматизация технологических процессов играет решающую роль при организации промышленного производства. Особенно актуальна автоматизация в отраслях промышленности, продукция которых потребляется- большинством производственных предприятий и жилищно-коммунальным хозяйством. К таким отраслям в полной мере относится энергетика.
Основу современной энергетики составляют крупные тепловые электрические станции (ТЭС), источником энергии для которых служит органическое топливо. По своим свойствам к процессам, происходящим на ТЭС, с одной стороны^ примыкают менее сложные, но не менее важные в силу широкого распространения процессы на объектах так называемой малой энергетики (котельные промышленных предприятий, и районные котельные), с другой - процессы на атомных электростанциях (АЭС).
Совершенствование систем автоматизации.процессов на ТЭС и АЭС всегда способствовало развитию технологических процессов и появлению новых» конструкций, оборудования, аппаратов и механизмов. Основными функциями автоматизации традиционно являлись автоматическое регулирование, контроль и сигнализация, блокировки и защиты.
Одним из главных путей повышения качества работы промышленных автоматических систем регулирования (АСР), является разработка и внедрение эффективных методик их практической' наладки. Вопросами совершенствования методик наладки промышленных АСР последние годы занимаются большое количество НИИ, ВУЗов, а также специализированных фирм и организаций (ЦНИИКА, МЭИ, МГТУ, ИГЭУ, «ТЕХНОКОНТ», «ТЕКОН», «КРУГ» и т.д.). Решение этой задачи предполагает, прежде всего, разработку и создание новых оригинальных алгоритмов и способов определения оптимальных параметров настройки и их адаптацию к различным вариантам программно-технической реализации:
При разработке новых методик большинство авторов в первую очередь занимается вопросами моделирования и идентификации технологического обору-
дования, а также усложнению и совершенствованию алгоритмов регулирования [64]. Применение микропроцессорных систем управления (МПСУ) позволило реализовать один из основных элементов наладки систем регулирования технологическими процессами - автоматизированный расчет оптимальных параметров настройки регулирующих устройств (автоматизированную настройку) [1]. Появилась возможность встраивать в саму систему алгоритмы различной сложности, которые обеспечивают поиск оптимальных параметров настройки каналов регулирования.
Применительно к проблеме автоматизации технологических процессов в теплоэнергетике основные исследования ведутся в направлении совершенствовании методик наладки типовых АСР [56, 58, 65].
Однако при этом недостаточное внимание уделяется анализу влияния на качество работы промышленных АСР технических устройств, входящю^в их состав (датчики, исполнительные механизмы (ИМ), регулирующие органы (РО), преобразователи и т.д.). Тогда как учет специфических свойств используемых промышленных элементов АСР - существенная нелинейность статических и расходных (рабочих) характеристик, наличие люфтов и выбега, необходим для обеспечения качественной-наладки системы и ее последующей эффективной работы в реальных условиях.
Решение задачи оценки влияния характеристик реальных технических устройств АСР на результаты настройки системы, как правило, сводится к развертыванию средств автоматизации на специальных отладочно-испытательных стендах или полигонах. Для сложных многофункциональных систем управления применяются специализированные программно-технические комплексы - ПТК (Квинт, КРУГ, ТЕПЛОНИКЯ) и SCADA-системы (КАСКАД, Trace Mode, MasterSCADA, iFIX и т.д.), обеспечивающие гарантированную работоспособность системы и минимизацию наладочных работ на объекте управления [52, 95]. Такой способ при несомненных достоинствах предполагает значительный объем предварительных исследовательских работ, большие технические, финансовые и временные затраты. В условиях, когда необходимо выполнить наладку
небольшого количества режимных регуляторов применение такого способа не
целесообразно. /
В связи с вышесказанным представляется актуальной разработка специализированных программно-аппаратных комплексов (ПАК) для наладки АСР электростанций, позволяющих приблизить процесс наладки систем на этапе стендовых (отладочных) испытаний к реальным условиям промышленной эксплуатации за счет применения эффективных моделей технических средств автоматизации (ТСА) и технологического оборудования ТЭС и АЭС, а так же отработка технологии создания подобных комплексов.
В-данной работе используется термин «программно-аппаратный комплекс» (ПАК) по двум причинам: Во-первых, в состав системы может входить реальная аппаратура управления, а программные модули реализуются на ПЭВМ. Во-вторых, в составе моделей элементов систем управления' применяются программные модули, описывающие свойства моделируемых средств регулирования, вид которых на пользовательском интерфейсе и реализуемые функции соответствуют реальной аппаратуре регулирования и оперативного управления и могут ее заменять.
Применение таких комплексов при существенном снижении технических, финансовых и временных затрат позволит обеспечить повышение эффективности предварительных наладочных работ и стендовых испытаний АСР. Кроме того, разработанные модели ТСА могут быть встроены в действующую систему регулирования, а могут быть использованы в автономных системах, не работающих непосредственно с объектом управления - в программных комплексах (тренажерах), которые применяются в учебно-тренировочных центрах (УТЦ) энергетических предприятий. Необходимость постоянного повышения квалификации персонала привела-к широкому распространению таких центров, которые стали одной из форм промышленной деятельности ТЭС и АЭС, а ТСА в этих центрах -пилотными установками (моделями) реальных систем управления.
Следует отметить, что на электростанциях основное внимание уделяется подготовке оперативного персонала на полномасштабных тренажерах и трена-
жерах, имитирующих поведение технологического оборудования-ТЭС и АЭС [9, 22, 51, 91, 93]. Они широко распространены и позволяют отрабатывать различные штатные и аварийные ситуации в реальном масштабе времени. При этом недостаточно применяются программные комплексы и тренажеры для специальной технической подготовки персонала, в т.ч. обеспечивающие выработку практических навыков наладки АСР энергетического оборудования [82, 83].
Следует заметить также, что учебный процесс в вузе характеризуется отсутствием реального технологического оборудования и недостаточным количеством реальных технических средств автоматизации, применяемых на электростанциях, что отрицательно сказывается на практической подготовке студентов соответствующих специальностей.
Цель работы. Разработка программно-аппаратных комплексов, предназначенных для повышение эффективности наладки типовых АСР в теплоэнергетике за счёт применения специализированных* моделей ТСА и* технологического оборудования. При этом решаются задачи как практической' наладки АСР, так и обучения методикам наладки.
Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:
разработаны библиотеки специализированных моделей элементов АСР, в том-числе типовых блоков промышленных ТСА, а также технологического оборудования ТЭС и АЭС;
предложена оригинальная технология разработки ПАК для наладки АСР, характеризуемая использованием специализированных моделей элементов АСР и технологического оборудования;
разработан программный комплекс для параметрической настройки типовых АСР с функцией корректировки характеристик элементов АСР для конкретного аппаратно-технического исполнения;
создан программный комплекс локальных АСР ТЭС и АЭС с элементами автоматизированной оценки качества работы и протоколирования результатов настройки систем.
Научная новизна состоит в том, что:
1. Предложен метод модульного конструирования1 моделей AGP; учитывающий особенности их структурной и аппаратной реализации и отличающийся использованием специализированных моделей элементов АСР и технологического оборудования электростанций;
2*. Разработана технология- создания ПАК для наладки AGP в теплоэнергетике, ориентированная, на использование метода модульного конструирования АСР; характеризуемая! методикой, регламентирующей состав, и; порядок выпол-няемых работ, а.также предложенной функциональной структурой построения ПАК.
3. Разработаны; модели ^программные эмуляторы типовых промышленных регулирующих и функциональных блоков ТСА и элементов АСР нижнего уровня (регулирующие органы, исполнительные механизмы, датчики). Модели характеризуются- двухмодульнои структурой' построения с раздельным > выполнением модулями функций' оперативного управления«(настройки) и: математического расчета, а также и независимой организацией работы?вычислительного процесса
МОДулеЙ;
Практическая ценность заключается в том; что:
Разработан программный:комплекс. «РАНАР» по расчету и настройке типовых АСР электростанций, который используется; для практической наладки промышленных АСР ОАО'«Электроцентроналадка» г. Москва;
Создан ряд специализированных ПАК для- выработки практических навыков наладки АСР; проверки знаний персонала ТЭС и АЭС и теоретической подготовки; студентов ВУЗов* соответствующих специальностей. Программные комплексы используются на электростанциях ОАО «Центрэнерго» и «Тулэнерго», а также в учебно-тренировочном' центре (УТЦ) Калининской АЭС, внедрены; в; учебный процесс в Ивановском государственном энергетическом университете и Тульском государственномтехническомуниверситете (ТГТУ).
Разработаны учебные задачи, которые отражают специфику работьгинже-нерно-технического персонала по наладке АСР теплоэнергетического оборудования электростанций.
4. Разработаны действующие микропроцессорные системы управления; внедренные на Тобольской ТЭЦ и Саранском заводе «Резинотехника».
Достоверность результатов работы подтверждается:
использованием при разработке моделей уравнений, описывающих фундаментальные физические законы;
положительным опытом эксплуатации специализированных программных комплексов по наладке АСР теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС на УТЦ Калининской АЭС, ТГТУ, ИГЭУ, ОАО «Электроцентроналадка».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново, 1997, 1998, 2005 гг.), научно-практическом семинаре «Опыт разработки, внедрения, и эксплуатации автомати-зированных систем управления тепловых и атомных электростанций» (г.Москва, 2000* г.), научно-методической-конференции «Проблемы-дистанционного обучения» (г. Иваново, 2000 г.), III Всероссийской научно-практической «конференции-«Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (г. Иваново, 2002, 2005 гг.). Программные разработки-внедрены в учебный процесс ИГЭУ, ТГТУ, УТЦ Калининской АЭС, а также используются ОАО «Электроцентроналадка» г. Москва, Тобольской ТЭЦ, Саранским заводом «Резинотехника».
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 23 печатных работы, в том числе 4 статьи в изданиях рекомендованных ВАК, 10 статей в сборниках научных трудов, 6 тезисов докладов на научных конференциях, получено 3 свидетельства об отраслевой регистрации разработок в Госкоорцентре ОФАП.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 163 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 54 рисунков и 3 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во; введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели исследований, перечислены решаемые задачи, отражены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
В первой главе проведен обзор состояния проблемы.совершенствования методик наладки типовых AGP применяемых в теплоэнергетике, рассмотрены основные направления.в которых ведутся работы по данной проблематике. Выполненный анализ показал, что при разработке и создании новых алгоритмов и способов определения оптимальных параметров настройки: и их адаптации дляраз-личных вариантов программно-технической реализации недостаточное внимание уделяется учету специфических свойств технических средств автоматизации и технологического оборудования электростанций; описываемых существенно нелинейными зависимостями. Обоснована-актуальность, разработки эффективных моделей технических средств автоматизации-, и технологического оборудования* ТЭС и АЭС № их удобнаящрограммная*реализациявщелях создания специализированных: ПАК для; наладки* AGP электростанций; позволяющих, приблизить, процесс наладки систем к реальным условиямпромышленной эксплуатации.
Вторая глава? посвящена разработке моделей теплоэнергетического оборудования электростанций и технических элементов промышленных АСР, унифицированных.для применения в составе ПАК.
Для решения этой задачи были, во-первых, разработаны специальные средства построения математических моделей объектов; во-вторых,, реализованы специальные алгоритмы функционирования программных модулей моделей типовых элементов АСР, в-третьих, выполнена их практическая реализация- в графической среде программирования Lab VIEW..
Разработанные модели можно разделить на три группы (библиотеки): - специализированные модели промышленных^ TGA, адаптированные для конкретного аппаратного исполнения и реализующие все основные функции приборов-прототипов (модификации ПРОТАР-100; АКЭСР-2, Каскад-2);
унифицированные модели элементов нижнего уровня АСР, обеспечивающие связь с объектом: регулирующего органа, исполнительного механизма и датчика.
модели тепломеханического оборудования ТЭС и АЭС.
В третьей главе изложена разработанная, технология создания ПАК, рассмотрены ее особенности и составляющие элементы. Основная> особенность предложенной технологии заключается в применении метода модульного конструирования модели АСР, который учитывает специфику работы систем и особенности их структурной реализации. Конструирование характеризуется применением специально разработанных библиотек моделей технологического оборудования и технических элементов АСР, а также прикладных программных модулей по расчету и настройке регуляторов. Выявлены основные этапы разработки ПАК, предложена универсальная структура построения и функциионирования комплексов.
В четвертой главе описан опыт создания ПАК для наладки регуляторов ТЭС и АЭС применительно к различным вариантам их программно-технического исполнения:
программный комплекс «РАНАР», предназначенный? для решения задачи автоматизированной настройки типовых систем автоматического регулирования технологических процессов теплоэнергетического оборудования;
программно-методический комплекс (ПМК) по наладке систем автоматического регулирования теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС, предназначенный для целей профессиональной подготовки персонала ТЭС и АЭС, а также использования в учебном процессе в ВУЗе.
действующие МПСУ, выполненные с применением элементов предложенной* технологии и прикладных программных модулей, особенностью которых является использование разработанных автором алгоритмов взаимодействия «компьютер - контроллер», реализованных в программной среде LabVIEW с применением встроенных функций приема - передачи данных.
В заключении сформулированы основные выводы, отражающие научные и практические результаты диссертационной работы.
Общая характеристика методик наладки промышленных АСР
Одним из главных путей повышения качества работы промышленных автоматических систем регулирования, является разработка и внедрение эффективных методик их практической наладки. Работы в данной области ведутся в двух направлениях: во-первых, проектирование, разработка и модернизация программно-технических комплексов, как единой системы, с изначальной взаимоувязкой аппаратных и программных средств для решения конкретного круга текущих и перспективных задач; разработка эффективных методов автоматизированной настройки промышленных АСР для широкого класса программных и аппаратных средств реализации.
Анализ работы промышленных систем регулирования показывает [101, 102], что необходимость достаточно частых перенастроек параметров регуляторов, связанных с различными изменениями режима работы установок (суточными, сменными, плановыми, неплановыми), особенно в многомерных системах, вынуждает персонал, обслуживающий системы регулирования пользоваться все-режимными (компромиссными) настройками, обеспечивающими на всех режимах запас устойчивости не меньше технологически необходимого. Такие настройки стандартных регуляторов, позволяющие сохранить работоспособность систем регулирования при изменяющихся режимах работы, снижают качество работы АСР, а значит эффективность и экономические показатели работы технологического оборудования по сравнению с нормальными (близкими к оптимальным) настройками.
Основной причиной, вынуждающей использовать компромиссные настройки в условиях промышленной эксплуатации является наличие частых и значительных изменений характеристик объекта. Применительно к регулированию технологическими процессами в теплоэнергетике этот фактор оказывается суще ственно более значимым из-за специфики работы, основного оборудования на электростанциях.
Динамические характеристики теплоэнергетического оборудования значительно зависят от режима его работы (нагрузки). Вследствие этого параметры настройки, оптимальные для-одного режима;.на других нагрузках могут даже не обеспечить устойчивого регулирования? и наоборот [17]. Кроме того, характер изменения; нагрузки, (электрической; тепловой) на электростанции; предъявляет различные требованиям регулированию:
Например, приучастии энергоблока в регулировании плановых и медленно протекающих неплановых изменений мощности в энергосистеме от АСР энерго-блокат требуется? изменение величины- мощности с высокой статической точностью. Требования к приемистости блока могут быть при этомг существенно ослаблены.. При.регулировании быстропротекающих неплановых изменений мощности; особенногпри?противоаварийном управлении, когда требуется ограниченное по величине: изменение мощности за; очень, короткое время; AGP блока должна обеспечить его высокую приемистость. Требования к статическошточно-сти в этом случае не играют важной роли.
Существенное влияние: на разброс динамических характеристик теплоэнергетического оборудования; оказывает время его непрерывной-эксплуатации (без, ремонтов и профилактики). Например, в период непрерывной эксплуатации паровых котлов наблюдалось существенное, в отдельных случаях:более чем в три раза, изменение их характеристик, что обусловлено загрязнением поверхностей нагрева [17].
Вторым существенным моментом, определяющим необходимость применения компромиссных параметров настройки регуляторов теплоэнергетического оборудования, является?многомерность систем:регулирования; действующих на реальных установках:
АЄР теплоэнергетическим оборудованием (паровым котлом, системой топ-ливоприготовления; водоподготовительной установки, группой регенеративных подогревателей и т.д.), как правило, является многомерной системой, представ ляющей собой совокупность локальных АСР отдельными технологическими параметрами (участками). Вследствие взаимной связи между контурами отдельные параметрьь каждого регулятора, настроенные на изолированном контуре, в общем случае оказываются неоптимальными после подключения смежных АСР. Это обстоятельство значительно затрудняет настройку регуляторов.
Использование многих методов- настройки, предлагаемых теорией автоматического управления, для реальных условий промышленной эксплуатации оказывается не одинаково эффективно. Их корректное применение имеет определенные ограничения - различные режимы работы оборудования, требования1 технологического регламента, особенности технической реализации АСР и т.д.
Так методы, связанные с повышением порядков управляющих устройств, обеспечивая повышение качества, уменьшают область устойчивости в пространстве параметров "модели объекта. Поэтому эти предложения весьма чувствительны к неточному соответствию модели объекту и тем более к изменяющимся ненаблюдаемым параметрам модели. Среди известных вариантов этих предложений могут быть названы упредитель Смита, фильтр Льюэнбергера и другие. Так, вполне успешные результаты использования, например, упредителя Смита в лабораторных условиях не гарантирует качественную работу АСР на промышленных объектах. Использование прогнозаторов эффективно только при наличии относительно качественных и, главное, неизменных моделей.
Особенности разработки моделей теплоэнергетического оборудования и элементов систем регулирования
При создании специализированных программных и программно-аппаратных комплексов для наладки АСР технологическими процессами ТЭС и АЭС одной из наиболее важных и актуальных задач является разработка математических моделей, имитирующих работу агрегатов, аппаратов, механизмов и технологических систем теплоэнергетического оборудования-и элементов систем автоматического регулирования [6, 17, 68, 80].
При математическом моделировании любого сложного объекта его заменяют некоторой приближенной схемой, которая отражает лишь главные, принципиально важные свойства оригинала, характерные не только для одного конкретного агрегата, а для целого класса агрегатов или систем. Использование метода математического моделирования связано в первую очередь с применением приближенных численных методов расчета на ПЭВМ [65, 94, 99].
Следует иметь в ввиду, что при- моделировании математическими уравнениями описывают не сам натурный объект, а его некоторую расчетную-схему, с той или иной степенью приближения отражающую его реальные свойства. При этом широко используются общепринятые в теории математического моделирования методы декомпозиции - расчленения сложного объекта на характерные элементы и эквивалентирования - замены той или иной совокупности натурных элементов одним эквивалентным элементом [17, 62, 68].
Так при моделировании поверхностного теплообменника, например регенеративного подогревателя, его обычно разделяют на несколько характерных участков, в частности по агрегатному состоянию рабочего тела [17]! Водяной тракт представляет собой объект с непрерывно меняющимися параметрами, причем в общем случае в функции нескольких переменных. Температура воды, непрерывно возрастает вдоль питательного тракта, а также меняется в зависимости от положения в поперечном сечении потока и в функции времени. Давление из-за гидравлических потерь по тракту падает и т.д. Поэтому, даже если считать движение потока воды одномерным, то есть полагать одинаковыми параметры потока в сечении, перпендикулярном к направлению движения, при точной постановке задачиразработки математической модели водяного тракта, его необходимо рассматривать как объект с распределенными параметрами. При этом параметры потока, в любой точке определяются двумя независимыми переменными : временем t и координатой характеризующей.положения сечения; в котором находится исследуемая точка. Динамика таких объектовюписывается дифференци-альнымиуравнениямивчастныхпроизводных [27, 23].
Математические модели; учитывающие; распределенность параметров; эффективно используются для получения частотных характеристик теплообменных аппаратов при исследовании вопросов устойчивости [66]; Однако они отличаются существенной громоздкостью, что ограничивает их применение в общей структуре математической; модели сложной системы. Поэтому при моделировании водяного тракта;, как.одного из:элементовподогревателя; целесообразнара-зумная идеализация;объекта. Водяной?тракт при- этомрассматривается; как объ-ект, состоящий из нескольких:последовательно соединенных участков;с сосредоточенными параметрами [48] і. Точность получаемой математической модели тем выше, чем; больше число участков, на которые разбивается; рассматриваемый; объект. Применение метода элементарных энергетических балансов [92]; позволяет обеспечить практически любую заданную точность. Однако чрезмерное увеличение числа участков связано со значительным повышением порядка получаемой системы дифференциальных уравнений, что ведет к нерациональному усложнению модели. Кроме того, при моделировании каждого участка, содержащего болыпоеколичество параллельно включенныхтрубок, с целью упрощения модели их заменяют совокупностью этих труб одной илинесколькими эквивалентными трубами [17]. При этом с достаточной для практических целей точностью можно считать плотность воды на каждом участке неизменной. В этом случае дифференциальное уравнение материального баланса участка вырождает ся в алгебраическое и отпадает необходимость в рассмотрении уравнения количества движения для потока жидкости.
При моделировании; прямоточных и барабанных котлов весь пароводяной тракт разделяют на участки по агрегатному состоянию рабочего тела - "водяной" и "паровой", а при необходимости и на более мелкие по: характерным признакам, в частности конструктивным особенностям или специфике моделирования физических процессов теплопередачи и фазовых переходов. Для пароперегревателя можно выделить радиационные и конвективные участки.
Разработка расчетной схемы один из наиболее ответственных этапов математического моделирования; требующий большого профессионализма и грамотной постановки задачи построения модели, поскольку самые ответственные; допущения делаются обычно именно на этом этапе.
В? разных задачах нас могут интересовать разные свойства -объекта; В принципе, для-решения5этих задач могут быть.применены илшобщая для всех них универсальная модель, отражающая-весь?комплекс,интересующих свойств, или серия; специализированных моделей; каждая-из которых предназначена?для решения определенного круга задач и отражает лишь те свойства объекта, которые необходимы для этихзадач.Право разработчика- отдать предпочтение тому или другому типу моделей. При этом следует избегать чрезмерной универсализации моделей, так как это приводит, как правило, к большому возрастанию трудоемкости моделирования, а также к- неоправданной сложности получаемой модели, вследствие чего возрастают затраты времени на расчет модели, а также снижается точность решения. В тоже времж модель должна быть достаточно универсальной, чтобы при переходе к каждой новой задаче не требовалась разработка принципиально новой модели того же объекта: Таким образом, можно создать банк типовых моделей; прежде всего основных элементов энергоблока или электростанции, что может: значительно ускорить процесс разработки математических моделей сложных систем.
Особенности моделирования регулирующих устройств и функциональных блоков технических средств автоматизации
Одним из способов повышения эффективности наладки типовых АСР в теплоэнергетике на этапе стендовых (отладочных) испытаний является более точная и полная адаптация систем к реальным условиям промышленной эксплуатации за счет применения эффективных моделей технических средств автоматизации и теплоэнергетического оборудования электростанций. При моделировании элементов АСР для целей наладки систем, таким образом, необходимо с большей степенью детализации описать те их свойства и характеристики, которые оказывают наибольшее влияние на качество работы АСР в реальных условиях с промышленными ТСА.
Для регулирования теплоэнергетических процессов на отечественных электростанциях применяются ТСА различного аппаратно-технического исполнения - приборы серии ГСП (АКЭСР-2 и Каскад-1, 2), а также современные микропроцессорные средства (ПРОТАР-100, Ремиконты различных модификаций, Контраст и т.д.).
Большинство авторов при решении задачи моделирования структуры АСР сводит ее к получению обобщенного алгоритма функционирования типовых регуляторов, например аналоговому ПИД-регулированию [9, 22, 34, 35]. Соответствие работы модели системы ее реальному прототипу оказываются значительно сниженным.
В данной работе автором были разработаны модели элементов АСР, которые позволяют учитывать основные специфические особенности функционирования их реальных прототипов в промышленных условиях эксплуатации.
В частности, предложена модель многофункционального регулирующего прибора ПРОТАР-100. Она характеризуется наличием алгоритма импульсного ПИД-регулирования, с использованием модели ШИМ (широтно-импульсного модулятора) и блока ПДД2-регулирования (пропорционально-дифференциально двойного дифференцирования) и реализацией всех заложенных в прототипе функций, с возможностью их прикладного программирования.
Создана также модель промышленного релейно-импульсного регулятора. Она выполнена в различных вариантах аппаратно-технического исполнения (ТСА АКЭСР-2 и Каскад-1, 2) и позволяет имитировать все параметрические и функциональные особенности регуляторов.
Предложен ряд унифицированных моделей регулирующего органа (РО) и первичного преобразователя- сигнала (датчика), со встроенной возможностью построения, оперативной коррекции и аппроксимации экспериментальной" (типовой) расходной характеристики РО или статической (поверочной) характеристики датчика. Модель .исполнительного механизма позволяет изменять его временные характеристики, ограничения регулировочного диапазона и учитывает проявление эффекта «выбега».
Моделиv функциональных блоков ТСА могут работать, в различных режимах, выполняя,все основные функцией операции, программироваться и перепрограммироваться:
В качестве примеров ниже описаны особенности построения и работы,моделей, функциональных блоков ТСА серии АКЭСР-2, а также многофункционального микропроцессорного прибора ПРОТАР, представляющие собой эмуляторы, , реализованные в программной среде графического программирования LabVIEW и применяемые в составе различных программных и программно-аппаратных комплексов.
Модель регулирующего устройства РП4-У (АКЭСР-2)
Регулирующие блоки, действующие в составе традиционных для энергетики комплексов ТСА, бывают двух типов - с импульсным выходным сигналом и аналоговым выходным сигналом, при этом остальные функциональные возможности практически одинаковы.
Импульсные регуляторы (например РП4, Р-27), как правило, осуществляют ПИ-закон регулирования совместно с электрическим исполнительным механиз мом постоянной скорости. Аналоговые регуляторы чаще используются в каскадных (многоконтурных) системах регулирования.
В модели возможно более полно должны быть заложены основные функции регулирующего устройства, а изображение настроечной панели соответствовать внешнему виду прототипа и содержать элементы управления и настройки с аналогичными характеристиками (ключи управления, сигнальные лампы, перемычки, дискретные переключатели) (рис. 2.1). 60 0 Рис. 2.1. Внешний вид настроечной панели блока РП4-У-1М Модель релейно-импульсного регулятора реализует следующие функции регулирующего блока РП4-У, входящего в состав комплекса аппаратуры АКЭСР-2: масштабирование входных сигналов; суммирование входных сигналов; введение задания и усиление сигнала отклонения (рассогласования) регулируемой величины от задания; демпфирование сигнала рассогласования; формирование выходного сигнала в соответствии с одним из законов регулирования - пропорционально-интегральным (ПИ) совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости, пропорциональным (П) совместно с датчиком положения выходного органа исполнительного механизма, трехпозиционным или двухпозици-онным; индикацию направления срабатывания.
Система автоматического регулирования как объект синтеза
Водяной тракт регенеративного подогревателя представляет собой объект с непрерывно меняющимися параметрами, причем в общем случае в функции нескольких переменных. Так, температура воды непрерывно возрастает вдоль питательного тракта, а также меняется в зависимости от положения в поперечном сечении потока и в функции времени. Давление из-за гидравлических потерь по тракту падает и т.д. Поэтому, даже если считать движение потока воды одномерным, то есть полагать одинаковыми параметры потока в сечении, перпендикулярном к направлению движения, при точной постановке задачи разработки математической модели водяного тракта, его необходимо рассматривать как объект с распределенными параметрами. При этом, параметры потока в любой точке определяются двумя независимыми переменными временем t и координатой характеризующей положения сечения, в котором находится исследуемая точка. Динамика таких объектов описывается дифференциальными уравнениями в частных производных.
Математические модели учитывающие распределенность параметров, эффективно используются для получения частотных характеристик теплообменных аппаратов при исследовании вопросов устойчивости [66]. Однако они отличают ся существенной громоздкостью, что ограничивает их применение в общей структуре математической модели сложной системы. Поэтому при моделировании водяного тракта, как одного из элементов подогревателя, целесообразна разумная идеализация объекта. Водяной тракт при этом рассматривается как объект, состоящий из нескольких последовательно соединенных участков с сосредоточенными параметрами. Точность получаемой математической модели тем выше, чем больше число участков, на которые разбивается рассматриваемый объект. Применение метода элементарных энергетических балансов позволяет обеспечить практически любую заданную точность [92].
Однако чрезмерное увеличение числа участков связано со значительным повышением порядка получаемой системы дифференциальных уравнений, что ведет к нерациональному усложнению модели. Поэтому в данном случае водяной тракт подогревателя удобно разделить на два участка с четко фиксированными границами - водяной и паровой: На первом "водяном" участке осуществляется нагрев теплоносителя замечет теплоты конденсата греющего пара, на втором за счет тепла греющего пара. При этом с достаточной для практических целей точностью можно считать плотность воды на каждом участке неизменной. Дифференциальное уравнение материального баланса участка в этом случае вырождается в алгебраическое и отпадает необходимость в рассмотрении уравнения количества движения для потока жидкости.
Если подогреватель оснащен собственным обводом (байпасом) по питательной воде, то минимальное число участков на которые приходится делить водяной тракт, увеличивается до трех. Учет этого фактора необходим при исследовании вопросов использования регенеративных подогревателей в регулировании мощности турбины за счет обвода их по питательной воде. Если же эти вопросы не рассматривать, то можно полагать, что расход питательной воды gnej- по тракту постоянен и его можно определить для каждого j-ro участка из уравнения (в относительных переменных) где ylej= 1%J ; у2щ = Yiej-1; щв] = APlej/Plej; n2ej = AP2ej/P2ej / Pie,, Piej - соответственно давление питательной воды на входе и выходе у -го участка. Уравнение теплового баланса теплоносителя на участке примет вид
УтР!PejceJd(0eJ)c/dt = Gmj cej exj- Gmj cej 0eblxj + Oj, (2.33) где Vmpj - объему-го участка; pej; cej- - плотность и теплоемкость питательной воды на участке; Qj - количество теплоты подводимое к теплоносителю на участке; (ej)с.средняя температура питательной воды на участке; exj, &вых] - соответственно температура питательной воды на входе и выходеу -го участка.
В данном уравнении необходимо уточнить способ определения (0ej)c- Использование обычной методики осреднения по соотношению (aj)c=(exj, + ebixj)/2 некорректно для вычисления выходной величины параметра участка, так как противоречит методу сосредоточенных параметров [17].
В ряде работ [92, 100] для устранения отмеченного противоречия рекомендуется принимать значение параметра на участке равным его значению в выходном сечении. Этот способ также правомерен с математической точки зрения, однако следует иметь в виду, что он несколько завышает аккумуляцию теплоты в теплоносителе. Если же принять значение (tej)c равным по величине его значению во входном сечении участка, то в этом случае аккумуляция теплоты на участке будет занижена.
Если водяной тракт подогревателя разделен на два участка нагрева водяной и паровой, то более достоверным представляется первый способ расчета по следующим обстоятельствам. Во-первых, потому что, в конечном счете, одной из задач исследования является определение динамики изменения температуры питательной воды на выходе из подогревателя. Во-вторых, некоторое завышение аккумуляции теплоты в теплоносителе при этом может быть частично скомпенсировано за счет упрощения математического описания процессов теплообмена на водяном участке, а именно, без учета аккумуляции теплоты в теплоносителе на нем.
