МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ FISCHERTECNIK

​АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрена система управления моделью аппарата воздушного охлаждения (АВО), имитирующая технологический процесс охлаждения газа, созданная на основе программно-технических средств Fischertecnik. Показан алгоритм программы управления моделью в автоматическом и ручном режиме с использованием средств визуализации верхнего уровня.

Ключевые слова: модель, контроллер, алгоритм, система управления, автоматизированное рабочее место.

Введение

На сегодняшний день применение аппаратов воздушного охлаждения (АВО газа) для снижения температуры газа, нагретого в процессе ведения технологического процесса является наиболее распространенным, технологически простым и дешёвым способом, используемым на объектах газовой промышленности.

Однако для исключения образования гидратных пробок и закупорки трубопровода температура газа не должна снижаться ниже определённого значения. В связи с этим остро встаёт вопрос о способах и методах поддержания температуры газа на выходе АВО (охлажденного газа). Решением данной задачи является использование автоматизированных систем управления.

Разработка действующей модели АВО

В современных системах управления исполнительными механизмами принята концепция программируемой логики основным ядром которой является логический контроллер, работающий на основе заданного пользователем алгоритма. Современные контроллеры отличаются количеством входов/выходов, объёмом памяти, предельным количеством модулей расширения и поддерживаемыми языками программирования.

Для реализации нашей модели был выбран вариант с применением контроллера Robo TX на базе инженерного конструктора Fischertechnik, так как является наиболее удобным и дешевым в реализации.

Характеристики контроллера ROBO TX: Процессор AT91SAM9260: ARM926EJ-S ARMv5TE 32 бит; Частота: 210 МГц; ОЗУ: SDRAM 8 Мбайт; ППЗУ: FLASH NOR 2 Мбайт; Дисплей: Монохромный LCD 128х64 пикселей; Универсальных выходы: 8 шт; Счетные входы: 4 шт; Разъем для расширения EXT: 2 шт по 6 контактов; Интерфейс с ПК USB mini: 1 шт; Интерфейс Bluetooth: 1 шт.

Сборку имитационной модели проходила в три этапа (рис.1):

На первом собиралось основание путём последовательного соединения конструкционных блоков. После чего устанавливался электропривод и управляющий контроллер.

На втором этапе собирался основной каркас с имитацией теплообменной секции.

Рисунок 1. Этапы сборки

На третьем этапе после сборки конструкции осуществлялись электрические подключения по разработанной схеме (рис. 2).

Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная подключений ПЛК

Электрические подключения осуществляются при помощи проводов и специальных клемм. Провод предварительно необходимо зачистить и вставить в клемму, закрутив винт плоской отверткой. Термисторы подключаются ко входам I1 и I4, двигатель к выходу M1, а сигнальная лампа подключается к выходу М2.

Рисунок 3. Электрические подключения

Разработка системы управления АВО

Разработанная система управления имеет классическую трехуровневую структуру (рис.4).

Рисунок 4. Структурная схема системы автоматизации

На полевом уровне размещены датчики и исполнительные механизмы, на среднем уровне программируемый логический контроллер, на верхнем АРМ оператора с элементами человеко-машинного интерфейса.

На основе структурной схемы системы автоматического управления была разработана функциональная схема автоматизации (рис.5).

Рисунок 5. Функциональная схема автоматизации

Работа системы в автоматическом режиме обеспечивается за счет датчика температуры Д2 (TT, 1б). При повышении температуры выше допустимого значения, контроллер RoboTX (UYSTA) обеспечивает включение электропривода АВО (NSA). При снижении температуры газа на выходе АВО электропривод отключается.

При нагреве подшипников электропривода, система при помощи датчика температуры Д1 (TT, 1в) и контроллера обеспечивает остановку и блокировку электропривода.

Отличительной особенностью инженерных конструкторов Fischertecnik является составление программ в виде функциональных блок схем. Блок-схемы можно составлять в полнофункциональной визуальной среде программирования ROBO Pro. Для написания программы работы модели применялись функциональные блоки из таблицы 1.

Принцип действия программы управления АВО газа:

Общий вид программы приведён в приложении 1

Система управления работает в двух режимах ручном и автоматическом. Переключение режимов осуществляется при помощи цифровой кнопки «Режим» на панели SCADA. Выбор режимов в программе осуществляется при помощи блока «Универсальный вход», который считывает состояние кнопки «Режим» (лог. 0 или лог. 1), и формирует управляющий сигнал на вход блока «Разветвление с информационным входом» (рис.6).

Рисунок 6. Алгоритм выбора режима

Если на входе логический 0, то блок «Разветвление с информационным входом» выводит на экран, посредством блоков «Текст» и «Выход панели», сообщение «Auto», что свидетельствует об автоматическом режиме работы. Если на входе логическая 1, то на экран выводится сообщение «Manual» - ручной режим работы.

Автоматический режим: При запуске программы по умолчанию установлен автоматический режим (рис.7).

Рисунок 7. Алгоритм автоматического режима работы

Термистор NTC подключённый ко входу I4 имитирует температуру газа на выходе установки, которая контролируется при помощи блоков «Универсальный вход». Данный блок считывает сопротивление термистора, а «Выход панели» выводит на экран SCADA-системы соответствующее значение температуры (рис.8).

Рисунок 8. Визуализация температуры газа

Если температура газа превышает уставку, заданную блоком «Аналоговое разветвление», NTC резистор формирует управляющий сигнал и активным становится блок «Выход мотора», что приводит к включению двигателя в работу. После понижения температуры ниже уставки, блок «Аналоговое разветвление» подаёт сигнал на отключение двигателя.

Ручной режим: В ручном режиме управление электродвигателем осуществляется при помощи кнопок «Пуск» и «Стоп» на АРМ оператора (рис.9).

Рисунок 9. АРМ оператора

Рисунок 10. Алгоритм ручного режима работы.

При нажатии графической кнопки «Пуск» на выходе блока «Разветвление с информационным входом» формируется сигнал «Да», что приводит к активизации блока «Вход мотора», который приводит в действие двигатель вентилятора. При этом задействуются блоки «Универсальный вход», «Разветвление с информационным входом» и «Вход мотора». Для отключения мотора необходимо нажать на кнопку «Стоп», при этом будет задействован те же блоки, но блок «Вход мотора» приведёт к отключению двигателя вентилятора.

Аварийный режим: Аварийный режим работы предусматривает полную остановку электродвигателя как в автоматическом, так и в ручном режиме (рис.11).

Рисунок 11. Алгоритм аварийного режима работы

Рисунок 12. Подпрограмма «Перегрев»

Аварийный режим работы возникает в случае перегрева подшипников электродвигателя (нагрев термистора NTC1 выше уставки и включение связанного с ним входа контроллера I1). Аварийный режим в программе реализован при помощи блоков «Аналоговое разветвление», «Вход мотора» и подпрограммы «Перегрев». Температура подшипников контролируется при помощи экрана состояния подшипников на АРМ с помощью блоков «Универсальный вход» и «Выход панели» (рис.13).

Рисунок 13. Визуализация температуры подшипников

Если это происходит, то блок «Текст» выводит на экран сообщение «Overheating», что свидетельствует о перегреве, а блок «Выход мотора» останавливает двигатель. Также для дополнительной сигнализации и упрощения основного кода программы, была реализована подпрограмма «Перегрев» (рис.12). Данная подпрограмма осуществляет мигание лампы HL. После цикла мигания лампа М2 остаётся включенной. Как только температура подшипников станет ниже уставки на экран выводится сообщение «Restart the system». Дальнейший запуск установки возможен только после нажатия кнопки «Сброс аварии». Данная блокировка реализована при помощи блоков «Универсальный вход» и «Ждать до». После нажатия кнопки «Сброс аварии» на АРМ оператора, блок «Ждать до» регистрирует перепад с 0 на 1, подаёт сигнал да блок «Текст», который очищает экран, выключает лампу HL и переводит программу в рабочее состояние.

Принцип действия программы управления АВО масла:

Общий вид программы приведён в приложении 2

Программа работает в двух режимах: автоматическом и ручном. Переключение осуществляется при помощи кнопки «Режим» на панели SCADA системы. В программе переключение режимов осуществляется при помощи блоков «Вход панели» и блока «Ждать до». Блок «Вход панель» считывает состояние кнопки «Режим» (лог. 0 или лог.1) и передаёт результат на блок «Ждать до» (рисунок 14).

Автоматический режим                                         Ручной режим

Рисунок 14. Алгоритм выбора режима

Если на входе блока «Ждать до» логический 0, то активными становятся части программы, у которых блок «Ждать до» реагирует на сигнал логического 0 (на нем написано слово «Нет») и блок «Разветвление с информационным входом» выводит на экран, посредством блоков «Текст» и «Выход панели», сообщение «Auto», что свидетельствует об автоматическом режиме работы.

Если на входе блока логическая 1, то активными становятся части программы, у которых блок «Ждать до» реагирует на сигнал логической 1 (на нем написано слово «Да»), то на экран выводится сообщение «Manual» - ручной режим работы.

Автоматический режим: Термистор NTC подключённый ко входу I4 имитирует температуру масла на выходе установки, которая контролируется при помощи блоков «Универсальный вход» (рисунок 15).

Рисунок 15. Алгоритм автоматического режима работы электродвигателя

Данный блок считывает сопротивление термистора, а «Выход панели» выводит на экран SCADA-системы соответствующее значение температуры (рис.16).

Рисунок 16. Визуализация температуры газа

Если температура масла превышает уставку, заданную блоком «Аналоговое разветвление», NTC резистор формирует управляющий сигнал и активным становится блок «Выдержка времени». После отсчёта двух секунд становится активной подпрограмма «Запуск двигателя», что приводит к включению двигателя и сигнализации о его работе посредством графической лампы на АРМ оператора. Включение и отключение ламп осуществляется при помощи блоков «Присваивание» и «Выход панели».

Рисунок 17. Подпрограмма «Запуск двигателя»

После понижения температуры ниже уставки, блок «Аналоговое разветвление» подаёт сигнал на блок «Выдержка времени». После отсчёта двух секунд становится активной подпрограмм «Остановка двигателя», которая выключает двигатель и сигнализирует о его остановке на АРМ оператора (рисунок 18).

Рисунок 18. Подпрограмма «Остановка двигателя»

Управление тэн-ом в автоматическом режиме также реализовано блоками «Аналоговое разветвление» (рисунок 19)

Рисунок 19. Алгоритм автоматической работы тэн-а

Если температура масла ниже уставки, то блок «Аналоговое разветвление» подаёт сигнал на блок «Текст», который выводит на экран посредством блока «Выход панели» сообщение о включении тэн-а. Как только температура масла повысится, блок «Аналоговое разветвление» даст сигнал на блок «Текст», который выдаст сообщение об отключении тэн-а.

Ручной режим: В ручном режиме управление электродвигателем осуществляется при помощи кнопок «Пуск» и «Стоп» на АРМ оператора. Также на АРМ оператора реализовано ручное управление тэн-ом (рис.20).

Рисунок 20. АРМ оператора

При нажатии графической кнопки «Пуск» на выходе блока «Разветвление с информационным входом» формируется сигнал «Да», что приводит к активизации подпрограммы «Запуск двигателя», которая приводит в действие двигатель вентилятора. При этом задействуются блоки «Универсальный вход», «Разветвление с информационным входом» и «Вход мотора». Для отключения мотора необходимо нажать на кнопку «Стоп», при этом будет задействована подпрограмма «Остановка двигателя», но подпрограмма приведёт к отключению двигателя вентилятора. Пуск и остановка двигателя также сопровождается сигнализацией (рисунок 21).

Рисунок 21. Алгоритм ручного режима работы электродвигателя

При нажатии графической кнопки «Вкл тэн» на выходе блока «Разветвление с информационным входом» формируется сигнал «Да», что приводит к выводу сообщения на экран о включении тэн-а. При этом задействуются блоки «Текст», «Вход панели» и «Выход панели». Для отключения тэн-а необходимо нажать на кнопку «Выкл тэна», при этом будет выведено сообщение об отключении тэн-а (рисунок 22).

Рисунок 22. Ручное управление тэном

Аварийный режим: Аварийный режим работы предусматривает полную остановку электродвигателя как в автоматическом, так и в ручном режиме.

Аварийный режим работы возникает в случае перегрева подшипников электродвигателя (нагрев термистора NTC1 выше уставки и включение связанного с ним входа контроллера I1). Аварийный режим в программе реализован при помощи блоков «Аналоговое разветвление», подпрограммы «Остановка двигателя» и подпрограммы «Перегрев». Температура подшипников контролируется при помощи экрана состояния подшипников на АРМ с помощью блоков «Универсальный вход» и «Выход панели» (рисунок 23).

Рисунок 23. Аварийный режим работы

Если это происходит, то блок «Текст» выводит на экран сообщение «Overheating», что свидетельствует о перегреве, а подпрограмма «Остановка двигателя» останавливает двигатель. Также для дополнительной сигнализации и упрощения основного кода программы, была реализована подпрограмма «перегрев» (рис.24).

Рисунок 24. Подпрограмма «перегрев»

Данная подпрограмма осуществляет мигание лампы HL. После цикла мигания лампа М2 остаётся включенной. Как только температура подшипников станет ниже уставки на экран выводится сообщение «Restart the system». Дальнейший запуск установки возможен только после нажатия кнопки «Сброс аварии». Данная блокировка реализована при помощи подпрограммы «Сброс аварии» (рисунок 25).

Рисунок 25. Подпрограмм «Сброс аварии»

После нажатия кнопки «Сброс аварии» на АРМ оператора, блок «Ждать до» регистрирует перепад с 0 на 1, подаёт сигнал да блок «Текст», который очищает экран, выключает лампу HL и переводит программу в рабочее состояние.

В аварийном режиме также предусмотрено отключение тэн-а, как в ручном, так и в автоматическом режиме работы (рисунок 26).

Рисунок 26. Аварийная блокировка тэн-а

Сигнализация о нагреве газа: Также в программе присутствует сигнализация о нагреве масла. Она реализована при помощи графической лампы на АРМ оператора, блоков «Аналоговое разветвление», «Присваивание» и «Выход панели». В случае нагрева масла выше уставки, блок «Присваивание» подаёт сигнал логической 1 на блок «Выход панели» и лампа загорается. Если температура масла ниже уставки, то блок «Присваивание» подаёт сигнал логического 0 и отключает лампу на АРМ оператора (рисунок 27).

Рисунок 27 .Алгоритм сигнализации нагрева масла

Заключение

Таким образом в ходе исследовательской работы, была создана действующая модель АВО газа и разработана система управления с элементами человеко-машинного интерфейса. Также были разработаны методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине ОП.14 «Моделирование технологических процессов добычи и транспорта газа», образовательной программы 15.02.14 «Оснащение средствами автоматизации технологических процессов и производств (по отраслям)».

Созданная в ходе работы модель позволит студентам изучить процесс работы АВО и приобрести базовые навыки в создании алгоритмов управления исполнительными механизмами технологических объектов.

Приложение

Приложение 1. Общий вид программы АВО газа

Приложение 2. Общий вид программы АВО масла

Список литературы:

1. Мутугуллина И.А. Устройство и расчет аппаратов воздушного охлаждения (АВО): учебное пособие / И.А. Мутугуллина. – Бугульма: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет Бугульминский филиал», 2017 – 80 с.
2. ГОСТ 21.208-2013. СПДС. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах.