Система автоматического регулирования давления внутрипромысловой газораспределительной сети

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Тутов И.А. (c)
Аспирант, кафедра интегрированных компьютерных систем управления, Институт кибернетики, Томский политехнический университет
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВНУТРИПРОМЫСЛОВОЙ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ
Аннотация
В статье исследуются поведение системы автоматического регулирования в условиях эксплуатации в средней полосе России и районах Крайнего Севера. Предлагается метод регулирования, устраняющий выявленные недостатки, при стабилизации давления в газораспределительной сети.
Ключевые слова: система автоматического регулирования, ПИД регулятор, газораспределительная сеть, фазовое пространство, микропроцессор, система жёсткого реального времени
Keywords: automatic control system, PID controller, gas distribution net, state-space, microprocessor, hard real-time system
В настоящее время большинство контуров систем автоматического регулирования (САР), входящих в состав автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), реализованы с применением ПИД-регуляторов различных модификаций. Данные регуляторы так же применяются в системах стабилизации параметров газораспределительных сетей. На предприятии экономический эффект АСУ ТП напрямую зависит от качества работы регулятора. Существует множество методов эффективной настройки регуляторов, однако, все они справедливы лишь при фиксированных параметрах объекта управления. В реальных условиях эксплуатации параметры объекта всегда изменяются. Это обстоятельство вынуждает вручную производить постоянную подстройку регулятора, для обеспечения его эффективности, что является нецелесообразным или не может быть осуществлено в условиях технологического процесса [7,1−7]. Анализ причины потерь качества САР, выявленные статистическими исследованиями, показал, что в таких условиях инженеры АСУ ТП вынуждены уменьшать коэффициенты настроек регулятора для повышения устойчивости технологического процесса в большинстве режимов работы объекта управления, что в свою очередь отрицательно сказывается на эффективности системы. Несмотря на то, что данная проблема разрешима и её решение находит активное развитие (применение различных упредителей, адаптивных систем, систем с нечёткой логикой, генетических алгоритмов и т. д.), она по-прежнему является весьма трудной задачей [3,66−74- 4,78−88].
Оптимальные коэффициенты настройки регулятора параметра газораспределительной сети в значительной степени зависят от температуры газа. Проблема настройки регуляторов газораспределительных сетей с учетом влияния температуры окружающей среды весьма актуальна, ведь большинство объектов нефтегазовой отрасли страны находятся в условиях эксплуатации в средней полосе России и районах Крайнего Севера, где годовой перепад температур может превышать 100 °C.
Рассмотрим систему стабилизации давления газораспределительной сети (ГРС). Система состоит из трубопровода, поставщика газа (дебит не регулируется), потребителей газа (блочных газопоршневых электростанций (ГПЭС)). Потребители включаются и отключаются от сети в произвольное время. Для запуска и нормальной работы ГПЭС необходимо обеспечить давление на входе в установку в определенных границах. Регулирование давления в трубопроводе осуществляется путем стравливания избыточного
© Тутов И. А., 2013 г.
давления через задвижку (КРЭ) в технологический трубопровод (ТехТП) для обеспечения хозяйственных нужд производства. В данной системе дебит от поставщика и произвольное включение потребителей носят характер возмущающего воздействия на систему стабилизации давления (см. рис. 1).
Рпр — дебит газа от поставщика (?по — расход газа потребителем
К =Т*И/У, где Т-температура газа, К — универсальная газовая постоянная, V — объем трубопровода.
Рис. 1. Структурная модель ГРС в нотации МА^АВ: 8тш1тк
Для решения поставленной задачи (стабилизации давления в трубопроводе в определённых границах для запуска ГПЭС) было использовано общепринятое решение с использованием ПИД-регулятора, реализованного программно для применения в промышленном контроллере. Выходной сигнал с контроллера выдавался через модуль аналогового вывода контроллера на частотный преобразователь, который в свою очередь управлял электроприводом задвижки. Обратной связью являлся сигнал с датчика давления, установленного на трубопроводе. Настройка регулятора производилась по критерию достижения наименьшего количества стравливаемого газа в ТехТП (недопущение перерегулирования) и производилась в теплое время года. Во время эксплуатации в холодное время года, несмотря даже на использование греющего кабеля на трубопроводе, в системе проявлялась значительная колебательность (см. рис. 2), которая в свою очередь порой срывала запуск ГПЭС, т.к. колебания выходили за границы допусков давления для запуска. При каждой подобной ситуации необходимо было привлекать квалифицированные кадры для настройки регулятора и предотвращения аварийных ситуаций во время запуска алгоритма. В дальнейшем была использована адаптивная модификация промышленного ПИД-регулятора, которая требовала значительных вычислительных мощностей, что осложняло выполнение других задач на данном контроллере.
Ш10т ШЗШ ШМШ ЩШ Ш2& amp-Щ шшш шШт: — Ш и& amp-МШ ШШШ. ШШШ: ШшМ1! штш
Рис. 2. Тренд давления, снятый при температуре газа 10°С
Разберёмся с данным результатом и причинами его возникновения подробнее.
Вообще, подобная ситуация довольно типична после ввода в эксплуатацию объекта. Зачастую организации-проектировщику и/или организации-наладчику просто невозможно предусмотреть или предсказать поведение системы в изменившихся параметрах эксплуатации.
ПИД-регулятор является универсальным регулятором. Благодаря своей простоте построения и ясности функционирования он завоевал популярность у специалистов автоматизации ещё во времена расцвета аналоговой электроники и техники. С момента его изобретения в 1910 году [8, 559−576] интерес к нему растёт с возрастающими темпами. Появление микропроцессоров (МП) позволило достигнуть впечатляющих результатов модифицированными ПИД-регуляторами. Бурное развитие теории автоматического управления (ТАУ) открыло ещё несколько направлений развития регуляторов. Для решения сложных задач управления, как правило, используются гибридные адаптивные регуляторы, требующие значительных вычислительных ресурсов [4,78−88].
В последнее время в АСУ ТП наблюдается тенденция децентрализации, образования распределённых систем управления и повышения интеллектуального уровня полевого оборудования. Ввиду того, что связь между элементами системы осуществляется через цифровые полевые сети, возникает необходимость установки в каждом полевом приборе собственного МП. Достижения современной микроэлектроники позволяют размещать МП в корпусе полевого прибора, но по-прежнему вычислительные возможности для реализации адаптивных регуляторов на базе МП ограничены.
Таким образом, мы пришли к парадоксальной ситуации, с одной стороны для достижения эффективности АСУ ТП реализация САР базируется, при общепринятом подходе, на применении сложных гибридных схем регуляторов, с другой стороны, ввиду рассредоточенности вычислительных средств и соответствия критериям системы жесткого реального времени вычислительные ресурсы весьма ограничены.
В сложившейся ситуации возможным выходом могут оказаться регуляторы, построенные на основе метода фазового пространства [2−5]. Действительно, все гибридные регуляторы разрабатывались с целью получения максимальной эффективности при достижении максимальной универсальности, однако, большая часть задач решаемых системами управления АСУ ТП имеют типовой характер [1]. В этом случае для каждой типовой задачи, можно выработать типовое оптимальное решение. С другой стороны регулятор, построенный на основе метода фазового пространства, для реализации нуждается
в вычислителе. Этот факт исторически препятствовал широкому распространению данного класса регуляторов, однако, развитие МП техники на данном этапе технического развития позволяет использовать их. К тому же данный класс регуляторов, несмотря на малую распространенность в АСУ ТП, исторически продолжался активно развиваться. С точки зрения вычислительной нагрузки на процессор данный класс регуляторов в общем находится в более выигрышном положении (нежели изначально аналоговой ПИД-регулятор, перенесённый в цифровую реализацию), так как изначально разрабатывался под условия применения вычислительной техникой.
Как вариант решения выше описанной типовой производственной задачи с помощью метода фазового пространства можно рассмотреть работу [6,155−159].
Переходные процессы (1111) в системе «задвижка-двигатель» происходят намного быстрей, чем ПП в ГРС, поэтому ими можно пренебречь. Вязкостью газа, ввиду использования труб большого диаметра, можно также пренебречь. Задвижка управляется только двумя дискретными управляющими командами контроллера: «открыть задвижку» и «закрыть задвижку».
Структурная схема на основе математической модели данной системы представлена на рис. 1.
Переменными состояния выберем значения давления и углового положения заслонки. Тогда задача сводиться к расчету моментов смены направления вращения заслонки (или момента достижения определенного угла между осью трубопровода и нормалью заслонки) и остановки электропривода (достижения угла).
Положение заслонки ограничено интервалом (0−90°). В случае выхода фазовой траектории за этот интервал расчет производится с применением свойства симметрии фазовых траекторий при смене направления вращения. На практике расчетный интервал крайних положений заслонки следует выбирать несколько меньше реального.
В приведённом методе работоспособность системы описана для идеального газа при фиксированной температуре, объеме и составе. Данные условия отличаются от реальных производственных.
Корректировка соотношений параметров газа производится согласно
к, = К (р'-(0- Ро)
Р (1) — Ро '-
где — расчетное давление в момент времени I при параметрах К, р) — фактическое измеренное давление в момент времени Ро (^) — начальное значение давления, К -исходное соотношение параметров газа, — новое соотношение параметров газа.
Данный подход дает возможность снизить вычислительную нагрузку на контроллер, алгоритм легко согласуется с концепцией построения систем жесткого реального времени, дополнительно позволяет отказаться от дорогостоящего частотного преобразователя и требует использование двух дискретных каналов управления.
Литература
1. Агеев Ю. М. Разработка типовых проектных решений для АСУТП// Томский политехнический институт (ТПИ) — Томск, 1977−1981-
2. Востриков А. С., Французова Г. А. Теория автоматического регулирования: учеб. пособие для вузов. — М.: Высш. шк., 2006. — 365 с.
3. Денисенко В. В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 1// Современные технологии автоматизации. — 2006. — № 4. — С. 66−74-
4. Денисенко В. В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 2// Современные технологии автоматизации. — 2007. — № 1. — С. 78−88-
5. Малышенко А. М. Математические основы теории систем: учебник для втузов. — Томск: Изд-во ТПУ, 2009. — 352 с-
6. Михайлов В. В., Тутов И. А. Метод регулирования давления в газопроводной сети. // Вестник науки Сибири: электрон. науч. журн. — 2012. — № 4. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http: //sj s. tpu. ru/j ournal/article/view/438-
7. Штейнберг Ш. Е., Залуцкий И. Е., Сережин Л. П., Варламов И. Г. Проблемы создания и эксплуатации эффективных систем управления // Промышленные АСУ и контроллеры. — 2004. -№ 7. — С. 1−7-
8. Ang K.H., Chong G., Li Y. PID control system analysis, design, and technology // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2005. Vol. 13. № 4. P. 559−576.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой