Разработка программно-аппаратных комплексов для наладки и стендовых испытаний автоматических систем регулирования в теплоэнергетике

Автоматизация технологических процессов играет решающую роль при организации промышленного производства. Особенно актуальна автоматизация в отраслях промышленности, продукция которых потребляетсябольшинством 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 оборудования, а также усложнению и совершенствованию алгоритмов регулирования [64]. Применение микропроцессорных систем управления (МГТСУ) 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, входящих" 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, ТЕПЛОНИКБО 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 нецелесообразно. /.

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 центрахпилотными установками (моделями) реальных систем управления.

Следует отметить, что на электростанциях основное внимание уделяется подготовке оперативного персонала на полномасштабных тренажерах и тренажерах, 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: 7.

1. Предложен метод модульного конструирования1 моделей AGPучитывающий особенности их структурной и аппаратной реализации и отличающийся использованием специализированных моделей элементов АСР и технологического оборудования электростанций;

2″. Разработана технологиясоздания ПАК для наладки AGP в теплоэнергетике, ориентированная, на использование метода модульного конструирования АСР, характеризуемая! методикой, регламентирующей состав и: поря до^{выполняемыхработ,} avтакже предложеннойфункциональной структурой построения ПАК.

3. Разработаны модели и программные эмуляторы типовых промышленных регулирующих и функциональных блоков ТС, А и элементов АСР нижнего уровня (регулирующие органы, исполнительные механизмы, датчики). Модели характеризуютсядвухмодульной структурой' построения с раздельнымвыполнением модулями функций' оперативного управления (настройки) и: математического расчета, а такжеи независимой организацией, работы? вычислительного процесса модулей.

Практическая ценность заключается в томчто:

1. Разработан программный комплекс «РАНАР» по расчету и настройке типовых АСР электростанций, который используетсядля практической наладки промышленных АСР ОАО «Электроцентроналадка» г. Москва;

2. Создан ряд специализированных ПАК длявыработки практических навыков наладки АСРпроверки 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, внедреныв- учебный процесс в Ивановском государственном энергетическом университете и Тульском государственном техническом университете (ТГТУ).

3. Разработаны учебные задачи, которые отражают специфику работьъинже-нерно-технического персонала по наладке АСР теплоэнергетического оборудования электростанций.

4. Разработаны действующие микропроцессорные системы управлениявнедренные 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.), научнопрактическом 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Предложен метод модульного конструирования моделей АСР, учитывающий особенности их структурной и аппаратной реализации и отличающийся использованием специализированных моделей элементов АСР и теплоэнергетического оборудования электростанций. При этом решаются задачи как практической наладки АСР, так и обучения методике наладки в УТЦ электростанций и учебном процессе в ВУЗе.

2. Отработана технология создания ПАК, ориентированная на использование предложенного автором метода модульного конструирования АСР, характеризуемая методикой, регламентирующей состав и порядок выполняемых работ, а также функциональной структурой построения ПАК.

3. Разработаны модели типовых элементов АСР и теплоэнергетического оборудования электростанций, ориентированные на применение в составе ПАК. В их состав входит группа специализированных моделей промышленных блоков ТСА, адаптированных для конкретного аппаратного исполнения и реализующих все основные функции прибора-прототипа, а также унифицированных моделей элементов нижнего уровня АСР, обеспечивающие связь с объектом (датчики, регулирующие органы, исполнительные механизмы). Модели характеризуются двухмодульной структурой построения с разделением функций модулей. Модель каждого элемента АСР включает расчетный модуль, который является математической моделью данного элемента и модуль оперативного управления, представляющий собой панель настройки блока ТСА или другого элемента АСР. Разработанные модели (эмуляторы) регулирующих устройств являются действующими, и при соответствующей аппаратной поддержке, возможно их использование с реальными ИМ (на лабораторных стендах или действующем оборудовании).

4. Разработаны специальные средства программного конструирования математических моделей в среде LabVIEW:

— модуль «передаточная функция», который позволяет решать системы ДУ высоких порядков в виде полиномиальных моделей и получать переходные процессы в реальном масштабе времени;

— модули базовых типовых звеньев, из которых согласно правилам преобразований структурных схем собирается математическая модель объекта.

5. Разработаны и внедрены несколько ПАК различного программно-технического исполнения и назначения с программной частью выполненной в среде графического программирования LabVIEW:

— программный комплекс «РАНАР», предназначенный для решения задачи автоматизированной настройки типовых систем автоматического регулирования технологических процессов теплоэнергетического оборудования;

— программно-методический комплекс 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.