2598

где и(t) – управляющее воздействие; ∆(t) – рассогласование между текущим и заданным значениями управляемой величины; kp ,Ti ,Td – коэффициент усиления, постоянные времени интегральной и дифференциальной частей соответственно, называемые параметрами (настройки) регулятора.

В соответствии с (2.1) управляющее воздействие складывается из трех составляющих: первая пропорциональна величине отклонения; вторая учитывает среднее значение отклонения по всему времени переходного процесса, устраняя статическую (остаточную) ошибку управления; третья учитывает динамику изменения отклонения. Учитывая преимущества ПИД-закона регулирования (структура алгоритма позволяет легко реализовать П-, ПИ-, ПД- и ПИДзаконы регулирования), производители ПЛК включают этот алгоритм в структуру программного обеспечения контроллера. Большинство контроллеров позволяют осуществить автоматический поиск оптимальных параметров ПИД-регулятора из условия минимума среднеквадратичной ошибки регулирования для конкретного физического объекта.

Режим автоматизированной настройки параметров регулятора, как правило, реализуется для ПИ-регулятора, при этом постоянная времени дифференцирования рассчитывается в определенном соотношения с постоянной времени интегрирования и составляет (исходя из практики) Td = Ti/4,5. Существуют различные способы автоматизированной настройки параметров регулятора – графоаналитический (подача на вход объекта ограниченного ступенчатого возмущения и автоматический расчет параметров Kp и Ti), расчет оптимальных параметров регулятора по времени запаздывания объекта, по периоду колебаний контура при пропорциональном регулировании, а также автоматизированная настройка параметров ПИ-регулятора по параметрам колебаний, возбуждаемых в контуре регулирования после включения в него двухпозиционного релейного элемента с фазосдвигающим фильтром. Последний метод, предложенный В.Я. Ротачем, реализован в отечественных микропроцессорных регуляторах серий МИНИТЕРМ, ПРОТАР и др.

С учетом возможных погрешностей определения оптимальных параметров ПИД-регулятора, связанных с изменением параметров объекта, характером и величиной возмущений и др. факторами, может возникнуть необходимость корректировки полученных параметров, осуществляемая, в частности, по виду переходного процесса в системе. Рассмотрим влияние отдельных настроек регулятора на характер переходного процесса в системе.

Пропорциональная составляющая ПИД-закона позволяет пользователю влиять на время реакции процесса. Чем выше коэффициент усиления kр, тем меньше время реакции и ниже статическая ошибка, но

780

хуже устойчивость. Тем не менее можно найти компромисс между скоростью и устойчивостью переходного процесса. На рис. 2.53, а показано влияние пропорциональной составляющей на реакцию объекта при ступенчатом изменении задания.

Интегральное воздействие используется для устранения статической ошибки. Чем больше интегральное воздействие (меньше Ti), тем медленнее реакция системы, но тем выше точность в установившемся режиме. На рис. 2.53, б показано влияние интегральной составляющей на характер переходного процесса при ступенчатом изменении задания;

Воздействие по производной позволяет повысить быстродействие системы управления в момент внесения возмущения, когда скорость изменения отклонения велика. При уменьшении скорости изменения отклонения дифференциальная составляющая закона управления теряет свою значимость. Чем больше воздействие по производной (Тd больше), тем больше демпфирование и быстрее реакция системы. При этом следует отметить, что введение производной в закон управления снижает запас устойчивости системы, повышая ее склонность к колебаниям.

Особенно опасным это становится при наличии высокочастотных помех в цепях передачи сигналов. На рис. 3.47,в показано влияние дифференциальной составляющей на характер переходного процесса при ступенчатом изменении задания.

Вид переходных процессов при оптимальных настройках регуляторов показан на рис. 2.53, г, д.

Таким образом, управление по ПИД-закону происходит следующим образом. В момент возникновения отклонения текущего значения управляемой величины от заданного или при изменении задания в первый момент времени скорость изменения отклонения высока и основное влияние оказывает дифференциальная составляющая. По мере приближения управляемой величины к заданному значению скорость изменения отклонения падает, и на процесс управления оказывают наибольшее влияние пропорциональная составляющая, реагирующая на величину отклонения, а также интегральная составляющая.

Выбор настроек ПИД-регулятора зависит от свойств объекта и критерия управления (точность, быстродействие и др.).

Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

П-регулятор целесообразно использовать для управления малоинерционными процессами без запаздывания. П-регулятор имеет статическую ошибку (остаточное рассогласование), которая устраняется введением интегральной составляющей.

ПИ-регулятор за счет непрерывного суммирования даже небольших рассогласований не имеет статической ошибки.

Дифференциальная составляющая вызывает ускоренную реакцию

781

регулятора на скорость изменения рассогласования, устраняя затухающие колебания.

Динамическая и статическая точности ПД-регулятора выше, чем у П- регулятора. ПД-регулятор используется для управления инерционными объектами, в том числе объектами с запаздыванием, и имеет, как и П- регулятор, остаточное рассогласование. Для его устранения используется И-составляющая, т.е. ПИД-регулятор. Параметры Тi и Тd являются постоянными характеристиками регулятора и не зависят от величины рассогласования. Следует помнить, что найденные параметры регулятора являются оптимальными только в рабочей зоне системы, т.е. вблизи заданных значений параметров объекта.

Рис. 2.53. Вид переходных процессов:1 переходной процесс без регулятора; 2 регулирование по ПИД-закону; 3 регулирование по ПИ-закону; 4 регулирование по

ПД-закону

782

На аппаратном уровне ПИД-регулирование контуром включает 3 этапа:

получение одной или более измеряемых величин процесса (от датчиков процесса) и задание уставок (используя внутренние переменные ПЛК или данные от внешних источников);

выполнение ПИД-алгоритма управления;

передачу команд, вырабатываемых в соответствии с характеристиками управляемого устройства, на дискретные или аналоговые выходы.

Впрограммном обеспечении того или иного контроллера ПИДрегулятор обычно определен в виде стандартной функции. Функции ПИДрегулирования используют три типа параметров:

параметры только для чтения, учитываются в начале выполнения функции;

параметры только для записи, устанавливаются в конце выполнения функции;

параметры чтения/записи, значение этих параметров учитывается в начале выполнения функции, затем они обновляются по результату выполнения функции.

Входные параметры типа Word (слово) – аналоговые величины, представляются в масштабе [0, +10000] и могут быть напрямую подключены к измерительным датчикам через %IWххх аналоговые входы. Выходные параметры типа Bit (бит) управляют дискретными устройствами

имогут быть соединены напрямую с переменными %Qху. Таким же образом выходные параметры типа Word управляют аналоговыми устройствами в масштабе [0,+10000] и могут быть напрямую подсоединены к переменным %QWхх.

Рис. 2.54. Система автоматизированного подогрева воды

783

Параметры типа Word table (таблица слов) %MWxx:yy включают параметры пользователя и данные, необходимые для внутренней работы функции. Функция не выполняется, если в таблице не определены все параметры. Рассмотрим следующий пример. Объектом управления является система автоматизированного подогрева воды (рис. 2.54). Холодная вода нагревается в противоточном теплообменнике ТО, в который также подается теплоноситель. Расход теплоносителя регулируется клапаном К с приводом постоянного тока. Давление холодной воды в магистрали создается насосами М1 и M2 (М1 – основной, М2 – резервный). Задача управления сводится к обеспечению пуска резервного насоса М2 при аварии основного насоса и выбору положения клапана К, обеспечивающего поддержание заданной температуры воды Т.

Программа, решающая поставленную задачу, состоит из двух частей: программы управления насосами и программы стабилизации температуры (рис. 2.55).

Рис. 2.55. Программа состоит из двух частей: программа управления насосами и программа стабилизации температуры

784

Входные переменные: Аlarm_М1 (сигнал неисправности двигателя М1), Аlarm_М2 (сигнал неисправности двигателя М2), Т_wat (температура воды в контуре горячего водоснабжения) снимаются с соответствующих датчиков. Глобальные переменные: Т_stab (задание температуры), Start (пуск насосов) поступают из системы верхнего уровня. Выходные переменные: Start__М1 (пуск двигателя М1), Start_М2 (пуск двигателя М2), Ctrl (управление приводом клапана К) осуществляют воздействие на объект управления. Константы: Кр (коэффициент усиления пропорциональной части ПИД-регулятора), Кi (настройка интегральной составляющей ПИД-регулятора), Кd (настройка дифференциальной составляющей ПИД-регулятора) позволяют получить требуемое качество переходного процесса.

Переменные Start и Т_stab являются сетевыми, их значения устанавливаются системой визуализации верхнего уровня (SCADAсистема). При получении сигнала Start и отсутствии сигнала Аlarm_М1 включается двигатель М1. В случае неисправности двигателя М1 (Аlarm_М1= = True) включается двигатель М2. Измеренное на объекте датчиком Т значение воды Т_wat подается на вход блока ПИД-регулятора. Туда же подается заданное значение температуры Т_stab, по рассогласованию с которым осуществляется процесс регулирования расхода теплоносителя при помощи изменения положения регулирующего клапана К. Выходной сигнал Ctrl ограничен разрешенными пределами цифроаналогового преобразования и непосредственно управляет приводом постоянного тока.

2.8.11.2. Составление программ управления объектом

Для иллюстрации основных принципов составления управляющих программ для ПЛК на языках IЕС 61131-3 рассмотрим решение следующей задачи управления.

Требуется разработать программу управления светофором, обеспечивающим регулировку транспортных потоков в соответствии со следующим графиком:

10 с горит красный свет;

10 с горят красный и желтый сигналы;

10 с горит зеленый свет;

5	с	зеленый свет мигает;	^
5 с		горит желтый свет.

На рис. 2.56 и 2.57 показано решение данной задачи на языке LD. Нормально разомкнутый контакт First_run, соответствующий

дискретному входу контроллера (кнопка включения системы), служит для первого запуска системы с красного света, замыкая через катушку State0

785

логический контакт State0. Последний активизирует выход контроллера Red, зажигающий красный свет, и одновременно таймер Timer0, служащий для отсчета времени горения красного света. По истечении 10 с выход таймера Timer0 становится равным 1, размыкается контакт State0, красный свет продолжает гореть, срабатывает реле State1, замыкая вход State1, активизирующий вход Yello, зажигающий желтый свет, и таймер Timer1, служащий для контроля времени данного состояния. По истечении 10 с на выходе таймера Timer1 появляется единица, размыкаются выходы Red и Yello (гаснут красный и желтый сигналы), размыкается контакт State1 и замыкается State2, активизирующий следующую ступень, соответствующую горению в течение 10 с зеленого света.

По истечении 10 с размыкается выход Green, реле State2 и замыкаются реле и контакт StateЗ, активизирующие ступень 5- секундного мигания зеленого света, используется операторская панель (рис. 2.58) с подвеской и клавиатурой, расположенная в щите управления (рис. 2.58).

Контроллер и панель оператора обмениваются информацией по «шине» МРI, которая на физическом уровне представляет собой интерфейс RS-485, а на остальных является закрытым корпоративным стандартом фирмы Siemens. В случае выхода контроллера из строя предусмотрена возможность дистанционного ручного управления исполнительными механизмами.

Система управления получает от оператора задания на требуемые регламентом значения температур в каждой из зон печи, стабилизируя их воздействием на расход газа. Давление первичного воздуха является функцией давления газа и изменяется соответствующей следящей подсистемой в заданной пропорции. Для реализации непрерывного управления использован библиотечный блок FB42 (ПИ-регулятор) для контроллеров серии S7 фирмы Siemens. Помимо рассмотренных, в АСУТП реализована подсистема розжига горелок, осуществляющая открытие клапанов и подачу искры по заложенному алгоритму, а также подсистема управления отсечными газовыми клапанами для перекрытия подачи газа на горелку в случае возникновения аварийной ситуации.

Рассмотренная система сдана в промышленную эксплуатацию в 1998 г. в прокатном цехе №1 ОАО «Северсталь», разработка проекта и пусконаладочные работы выполнены трестом «Севзапмонтажавтоматика».

786

787

Рис. 2.58 Операторская панель

2.8.11.3. ПЛК в распределенных системах

Распределенные системы управления охватывают полевой, контроллерный и диспетчерский уровни иерархии. Под распределенной системой управления понимают совокупность микропроцессорных устройств (промышленных компьютеров, контроллеров, интеллектуальных терминалов), объединенных в коммуникационную сеть для обмена и накопления данных и действующих совместно для решения общей задачи. По другому определению под РСУ понимается такая система, в которой управления территориально отдалены от управляемых объектов, а сами объекты также могут быть территориально распределены друг относительно друга. К числу наиболее известных РСУ, внедренных в различных отраслях промышленности, можно отнести TDC-3000 (фирма

Honeywell), Damatic (Valmet), Centum (Yokogava), Contronic (Hartman&Braun), МСКУ-2 («Импульс»), Техноконт (Текон) и др.

В структуру РСУ любого масштаба входят микропроцессорные средства сбора, обработки, отображения и хранения информации, программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры, преобразователи, др. средства автоматизации (датчики, исполнительные механизмы), связанные друг с другом локальными вычислительными сетями (LAN). Наличие промышленных сетей, объединяющих десятки сотни узлов сети, позволяет создавать полномасштабные распределенные системы управления, реализующие подчас сложные алгоритмы управления.

788

2.8.11.4.АСУ ТП печей обжига цементного клинкера

Вконце 2000 г. Санкт-

	Петербургской	компанией		«Стела
	Инжиниринг»	была	сдана		в
	эксплуатацию	АСУТП	печей	обжига
	цементного клинкера (АСУТП «Обжиг-
	2») на ОАО Пикалёвское объединение
	«Глинозём» (рис. 2.59). Комплекс
	технических средств АСУТП «Обжиг-2»					Рис. 2.59. Общий вид
	создан на базе ПЛК GE Fanuc 90-30 и
						Пикалевского объединения
	технических средств		КИПиА	фирмы

«Jumo».

АСУТП «Обжиг-2» предназначена для автоматизации оперативнодиспетчерского управления технологическим процессом обжига во вращающихся печах с колосниковыми холодильниками, работающими на газовом топливе, и решает следующие задачи:

повышение качества управления процессом обжига в печах;

повышение надёжности и ремонтопригодности системы управления;

сокращение сроков обслуживания и ремонта;

снижение расхода топлива и затрат на обслуживание системы;

повышение безопасности и стабильности технологического процесса;

увеличение срока стойкости футеровки;

повышение производительности печи и качества клинкера;

прогнозирование технологических работ оборудования;

накопление информации о технологическом процессе.

Информационная мощность АСУТП: Общее число входных/выходных сигналов 714.

В том числе сигналов:

контролируемых аналоговых (расходы, давления, температуры) 306.

контролируемых дискретных 303. управляющих дискретных 105.

АСУТП «Обжиг-2» представляет собой распределённую иерархическую систему (рис. 2.60). На каждую печь предусматривается один резервированный контроллер GЕ Fanuc серии 90-30 в «горячем» конце печи и система децентрализованного ввода/вывода Field Control

789