автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ и оптимизация информационно-измерительной части систем управления турбогенераторными установками

На правах рукописи

Волков Игорь Сергеевич

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРНЫМИ УСТАНОВКАМИ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Санкт-Петербург - 2013 г.

005538625

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель:

Григорьев Валерий Владимирович доктор технических наук, профессор кафедры систем управления и информатики СПб НИУ ИТМО

Официальные оппоненты:

Шишлаков Владислав Фёдорович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой управления в технических системах СПб ГУАП

Башарин Игорь Артемьевич кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств СПб НМСУ «Горный»

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Крыловский государственный научный центр», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 5 декабря 2013г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.227.03 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, НИУ ИТМО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат размещён на сайте www.ifmo.ru Автореферат разослан «1» ноября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Ожиганов Александр Аркадьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы связана с быстрым развитием программно-аппаратных комплексов применяемых в системах управления турбогенераторных установок, вызванной сменой элементной базы. С целью сохранения конкурентных преимуществ турбогенераторных установок (ТГУ)с соблюдением требований к расширению состава измерительного, исполнительного и иного комплектного оборудования при неизменном назначении и функциональности систем управления возникает потребность в анализе и оптимизации информационно-измерительной части систем управления.

Проведён анализ зарубежных и отечественных публикаций по проблемам организации автоматизированных систем управления схожего назначения, где рассматриваются тенденции их развития, включая анализ методов проектирования информационно-измерительной части автоматизированных систем управления турбогенераторными установками (Шифрин М.Ш., Соболев Л.Г., Веллер В.Н., Северин В.П., Николаев В.И., Костюк А.Г, Некрасов A.JI., Кузьмин И.В., Куменко А.И., DombroskyJ., JohnsonD., Miller R.W., RavenW.I., Kure-JensenJ., BarkerW. и др.). В качестве тенденций их развития и совершенствования отмечено широкое применение цифровых систем сбора и первичной обработки данных, цифровых датчиков и т.п. При этом в силу специфики оборудования, применяемого в данной отрасли, растёт актуальность применения аналого-цифрового преобразования в контурах управления турбогенераторов. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) широко используютсяв агрегатных автоматизированных системах управления турбогенераторными установками.В условиях отсутствия сертифицированных измерительных устройств необходимого быстродействия, а также низкой надёжности и отлаженное™ доступных цифровых подсистем от АЦП невозможно полностью отказаться, перейти на цифровые каналы связи, что особенно актуально в работах по модернизации существующих тепло-электростанций. Вместе с этим, обеспечениепередачи информации на уровень SCADA-систем (операторский станционный контроль) требует повышения качества применяемогоаналого-цифрового преобразова-ния.Дяя оптимизации систем производственной автоматизации, к которым относится предприятия топливно-энергетического комплекса (ТЭК), включая промышленные приложения в реальном времени используются интегративные модели виртуального прототипирования на основе объектно-ориентированного подхода.Возможности широко распространённых гидравлических систем регулирования, управления и контроля уступают рассмотренным в работе системам автоматизированного управления, а также схожих с ними, которые предлагают фирмыТОБШВА, АВВ.Предложенные в работе методики обеспечивают решение задач, возникающихпри создании систем управлениятурбогенераторными установкамималой мощности, до 6 МВт включительно, а также при создании систем управления схожего по назначению оборудования.

Целью диссертационной работы является структурная и параметрическая оптимизация информационно-измерительной части системы управления турбогенераторной установкойдля повышения эффективностиеё функциониро-

вания исокращение времени проектирования системы управления за счёт разработки методик выбора измерительной части.

Задачи исследований.!? работе ставились следующие задачи:

1. проведение анализа влияния информационно-измерительных каналов авто-

матизированных систем управления на качество работы турбогенераторных установок;выбор наиболее подходящих способов повышения эффективности разработки систем управления турбогенераторными установками с использованием методов современных информационных технологий; выделение потоков обрабатываемой информации, их группировка по времени исполнения в задачах управления и выстраивания иерархии по целям управления;

2. выделение информационно-измерительной части в автоматизированной системе управления турбогенераторной установки по структурно-функциональным признакам;

3. разработка математических моделей применяемых в данной части аналого-цифровых преобразователей, получение их сравнительных характеристик;

4. разработка и опробирование методики оценивания информационных показателей применяемых аналого-цифровых преобразователей различного типа в лабораторных условиях;

5. разработки методики практической оценки качества работы информационно-измерительной части систем управления в ходе пусконаладочных работ и в условиях эксплуатации;

6. разработка методики проектирования информационно-измерительной системы управления турбогенераторными установками с использованием технологий быстрого прототипирования и полунатурного моделирования.

Методы исследований. Задачи диссертационной работы решены на основе методов информационной теории, математической статистики, системного анализа и инженерной практики. Оптимизация информационно-измерительных устройств, как элементов системы управления, на которые приходится основой объём разработки и от качества работы которых зависит качество работы системы управления и установки в целом, производится методом моделирования элементов турбогенераторной установки для прогнозирования результатов их проектирования с использованием метода быстрого прототипирования (гар!с1-рго1:о1урш£).Теоретические положения подтверждены экспериментальными исследованиями и тестированием систем управления турбогенераторными установками в условиях опытной и промышленной эксплуатации (Беларусь, Ивановская и Камчатская области).

На защиту выносятся:

1. Математические модели аналого-цифровых преобразователей основных типов.

2. Методика информационной оценки сигналов аналого-цифровых преобразователей основных типов в автоматизированных системах управления турбогенераторными установками.

3. Методика оценки качества работы и настройки информационно-измерительных каналов автоматизированных систем управления турбогенераторными установками.

4. Результаты обработки измерений, основанные на использовании современных информационных технологий.

Научной новизной работы является применение системного и информационного подходов совместно с классическими методами теории автоматического управления дня анализа влияния информационно-измерительных каналов автоматизированных систем управления на качество работы турбогенераторных установок; выбор наиболее подходящих способов повышения эффективности разработки систем управления турбогенераторными установками. Предложенные в работе методики, такие как внедрение оценки измерительных сигналов в реальном времени при помощи показателей среднеквадратического отклонения и эффективной разрешающей способности (ЭРС), позволяют повысить эффективность процесса разработки, отладки и функционирования агрегатных систем автоматизированного управления турбогенераторными установками.

Практическая ценность. В современных средствах автоматизации АЦП является одним из ключевых электронных компонентов. Применение АЦП ограничено влиянием шумовых свойств измеряемого входного напряжения и опорного напряжения.Снижение влияния сопутствующих аналогово-цифровому преобразованию помех в широко используемых в измерительных цепях типах АЦП является важной практической задачей в существующих и перспективных системах управления, в частности, системах регулирования управления и защиты (РУЗ) турбогенераторных установок (11 У) и главных турбозубчатых агрегатов (ГТЗА) кораблей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XXXV, XXXVII, XXXVIII-й научных и учебно-методических конференциях СПб НИУ ИТМО 2006 - 2010 годов соответственно; IV, V, VII, Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых 2007-го, 2008-го, 2010-го годов соответственно; политехническом симпозиуме Молодые учёные — промышленности Северо-Западного региона, Санкт-Петербург, 2011-го года. Приведенные в работе методы и подходы к проектированию информационно-измерительной части автоматизированных систем управления ТГУ использовались в ходе проектирования, моделирования, стендовых испытаний, пуско-наладочных работ, опытной и промышленной эксплуатации ТГУ производства ЗАО «Киров-Энергомаш» на ПаужетскойГеоЭС ОАО «Русгидро», ТЭЦ РУ-4 РУП ПО «Беларуськалий» и ПГ ТЭЦ 17 МВт Индустриального парка «Родники» ЗАО «Родтекст», совокупной установочной мощностью свыше 14 МВт в 2006-2012 гг.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК РФ. Все публикации подготовлены при непосредственном участии автора.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения, без приложений, списка литературы, со-

держащего 105 наименований. Основная часть работы изложена на 136 страницах машинописного текста и содержит 41 рисунок и 1 б таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, кратко изложены теоретические и практические результаты работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассматриваются принципы построения и характеристики систем автоматизированного управления турбогенераторными установками, назначение и функциональный состав турбогенераторной установки.

давление пара перед турбиной

=21

давления волового масла—

.......^~'датёМм'ШШ'£Шё5Щ]'г

120 сек.'.....Т......""""? Г

С\

давление пара зв клапаном / давление пара за турбиной

Щ&

задание оборотов туобопривода обороты турбатшвода ......задание на іапапа»........

. открытие клапана

мшштмотшзь,

Ж

шаг 3 синхронизация

подгон частоты

нагружвмив генератора включение е сеть

Рисунок I - Представление в информационной части подсистемы автоматизированного пуска и нагружения турбогенераторной установки По функциональным связям выделяются паровая, гидравлическая, механическая и электрическая системы. Электрическая система в свою очередь разбивается на силовую часть и часть управления, контроля и измерения, обеспе-чиваяих взаимодействие в режимахпуска, синхронизации и нагружения. Рассматривается функциональный состав автоматизированной системы управления турбогенераторной установки. Характерной особенностью современных систем автоматического регулирования энергетическими установками является их высокая функциональная насыщенность, что в свою очередь обусловлено интенсивным развитием технических и программных средств автоматизации.

Назначение и состав системы регулирования, управления и защиты турбогенераторной установки. Система включает в себя систему регулирования, управления и защиты, шкаф управления и контроля турбогенераторной установки, шкаф контроля и цифровой системы управления возбуждением типа КОСУР-220.

Система управления турбогенераторной установки построена на базе электромеханических приводов и микропроцессорной программируемой системы.

ЇІИННШЙЙІИІІМІ

дШпвнШ'сШбеогашсла......! і™

давление, масла смазки

ч дгепвнио пера паред т/с&мой Хбаалвние пёра за хпапамоїк давление паря за турбиной

задание оборотов''—¡обюты'турбоприЬ^]

разгрузи,а отключение от сети

выбег

останов сброс блока ' деисты

Рисунок 2 Представление в информационной части подсистемы разгрузки и останова турбогенераторной установки

Решение задач управления осуществляется системой управления (САУ), построенной на базе электромеханических приводов и микропроцессорной программируемой системы. Структурные компоненты цифрового регулятора тур-бопривода включают регулятор скорости вращения, регулятор давления, регулятор мощности, регулятор положения клапанов.К функциям подсистемы регулирования относятся обработка измеренных значений, связь и логика управления, увеличение и уменьшение оборотов, нагружение турбины, стабилизация турбины на заданной частоте вращения при изменениях(увеличение или уменьшение) и колебаниях нагрузки, поддержание и ограничение давления пара, обеспечение режимов работы, щадящих материалы турбины за счет контроля термонапряжений и давлений, и формирование ограничения скорости изменения частоты вращения и мощности.

Проведён анализ зарубежных и отечественных публикаций по автоматизированным системам управления турбогенераторными установками, а также анализ тенденций совершенствования методов проектирования информационно-измерительных устройств автоматизированных систем управления турбогенераторными установками на основе современных информационных технологий.

Рассмотрены тенденции совершенствования и развития автоматизированных систем управления турбогенераторными установками. Использование в разработке Рисунок 3 - Структурная схема системы систем управления турбогенера- РУЗ и САУ ТГУ

^..^ош.дяавиь, торными установками, а также сис-

тем управления турбомашин различного назначения современных методов, таких как быстрое прото-типирование (rapidcontrolprototyping) и полунатурное моделирование (hardwareintbeloop) [L.Palmroth, V.Hölttä, L.Eriksson, М.Диккенс] позволяет снизить временные и финансовые затраты на разработку, а также позволяет добиться конкурентного преимущества за счёт демонстрации потенциальным заказчикам готовых решений автоматизации.

В этих условиях особую значимость приобретают вопросы организации информационной части ТГУ, функционального построения систем управления, включая выбор современной элементной базы и их интеграции в общестанционные системы промышленной автоматизации. Совершенствование систем автоматизированного управления паровыми турбогенераторными установками даёт быстрый экономический эффект, что важно для обеспечения конкурентного преимущества на рынке Развитие программно-технических средств определяет сегодня такую тенденцию в развитии систем управления, как увеличение функций контроля, диагностики, представления и обработки информации.

Во второй главе

Обосновано распределение по информационным свойствам измерительных каналов устройств автоматизированных систем управления по интервалам опроса, проведена группировка информационных сигналов по скорости их фиксации и обработки автоматизированной системой управления турбогенераторной установкой, и одновременно по типу обработки и участия в производственных режимах установки: основные, вспомогательные, контрольно-диагностические.

Проведена оценка измерительных каналов системы управления при помощи эффективной разрешающей способности, определяемой по формуле:

ЭРС=В - log2(crj

Рисунок 4 - Взаимосвязь системы управления с полем сигналов турбогенераторной установки

(1)

а,=

«-1ы

■ЗО2

где: ' ' - оценкасреднеквадратичскогоотклонения

выходной переменной от среднего значения; п- число измерений.

Рассматривается задача оценки эффективности современных АЦП, выделены их основные классы, указаны характеристики, основные свойства и особенности функционирования.

Проведено прототипирование моделей АЦП с целью определения влияния шумов входного сигнала и опорного напряжения на измеряемый сигнал.

В итоге предложены математические модели АЦП параллельного преобразования, АЦП двойного интегрирования, сигма-дельта АЦП; проведено компьютерное моделирования работы АЦП параллельного преобразования, двойного интегрирования и сигма-дельта АЦП; получены количественные статистические оценки составляющей шума в выходном сигнале для данных типов АЦП в виде среднеквад-ратического отклонения (СКО) и эффективной разрешающей способности (ЭРС). Основным результатом работы,помимо математической модели АЦП параллельного преобразования, двойного интегрирования, а также математической модели сигма-дельта АЦП,является количественная оценка взаимного и раздельного влияния шумов входного и опорного напряжений на выходной сигнал АЦП различных типов.

В проведённых исследованиях выявлена высокая чувствительность АЦП параллельного преобразования к шумам входного и опорного напряжений. Для АЦП двойного интегрирования влияние помехи по входу снижено за счёт интегрирования входного сигнала. Влияние мультипликативной составляющей помехи опорного напряжения сигма-дельта АЦП ослаблено за счёт сравнения напряжения с нулевым значением на компараторе, а влияние помехи по входу ослаблено за счёт применения передискретизации, децимации и цифровой фильтрации сигнала.

Применив критерий производительности АЦП, получаемый как произведение эффективной разрешающей способности на количество отсчётов за время моделирования, получим следующие показатели производительности: АЦП двойного интегрирования порядка 10 отсчётов в секунду, производительность сигма-дельта АЦП выше на два порядка, а для АЦП параллельного сравнения выше ещё на три порядка. По критерию производительности сигма-дельта хуже

Частота дискретизации АЦП, Гц Рисунок 5 - Свойства основных типов АЦП

АЦП параллельного сравнения на три порядка, АЦП двойного интегрирования хуже АЦП параллельного сравнения на пять порядков. Сравнение АЦП одинакового быстродействия и разрешающей способности показало, что наиболее эффективным является АЦП двойного интегрирования, но АЦП двойного интегрирования наиболее медленные. Наименее эффективным является сигма-дельта АЦП, но этот тип АЦП самый дешёвый.Полученные данные позволяют сделать вывод, что АЦП двойного интегрирования будут особенно эффективны при работе с малыми сигналами при значительном уровне сопровождающих помех. Если сигналы по величине приближаются к предельным и отношение сигнал/шум велико, то для их преобразования в цифровой эквивалент более целесообразно использовать сигма-дельта АЦП.

Рисунок 6 - Схема моделирования АЦП двойного интегрирования В третьей главе проводится исследование информационных потоков систем управления турбогенераторными установками.

Для этого проводится распределениеинформационных свойств системы управления по каналам турбогенераторной установки. Выделяется схема информационных потоков системы управления установкой. На основании этого обосновывается выбор схемы сбора данных в измерительных каналах. Проводится анализ построения систем автоматизированного управления турбогенераторной установкой и определяется допустимая эффективная разрешающая способность измерительных каналов. Даётся экспресс-оценка эффективности фильтрации сигналов нелинейным цифровым фильтром.

Проведено прототипирование измерительных каналов автоматизированных систем управления турбогенераторных установок. Даётся описание и рассматриваются методы оптимизации информационно-измерительных устройств, как элементов системы управления, на которые приходятся основные объёмы разработки и тестирования и от качества работы которых зависит качество работы системы управления и установки в целом. Для этого выделяются потоки обрабатываемой информации, производится их группировка по времени исполнения в задачах управления и выстраивается иерархия по целям управле-

ния. Последующее развитие средств моделирования элементов турбогенераторной установки с целью прогнозирования результатов их проектирования производится с использованием метода быстрого прототипирования (rapidproto-typing).

Проведён анализ вариантов построения систем автоматизации турбогенераторных установок четырёх проектов мощностью 2,5 - 6 МВт, в котором сравниваются типовые решения автоматизации, состав комплексов программно-технических средств в целом и в части аналогового ввода. Анализ устройств и методов цифровой обработки информации в измерительных устройствах. В ходе анализа показано развитие систем автоматизации в течение 1О лет, тенденции развития: насыщение систем измеряемыми параметрами, внедрение новых линий связи, унификация.

Проведён автоматический цифровой программный расчёт среднеквадратического отклонения (СКО) аналоговых сигналов разной природы и точности представления:после входного аналогово-цифрового преобразования, после цифровой фильтрации;после усреднения.

По полученным данным была произведена корректировка структуры и настройка цифровых фильтров, что обеспечило снижение помех в обрабатываемых сигналах. Данные сравнения СКО были дополнительно использованы для оценки эффективности измерительных каналов турбогенератора.

Оценка среднеквадратического отклонения (СКО) производилась по формуле:

> (2)

1 8

xi=öZxi . .

где j-1 , 1 = J + 8 , а* - среднеквадратическоеотклонение, вычис-

ляемое циклически, Xj - i" элемент выборки, X ; - среднее арифметическое выборки, п - объём выборки.

Вычисления производились программно на ПЖ семейства Mod-iconTSXPremium фирмы Schneider, заданным в среде разработки UnityPro алгоритмом.

Рисунок 7 - Схема информационных потоков турбогенераторной установки

В результате анализа информационных потоков типовых систем управления турбогенераторными установками малой мощности произведена группировка информационных каналов по быстродействию, при этом выделены: «быстрые» каналы с требуемым временем обработки информации в системе управления менее 5 мс и «медленные» каналы с требуемым временем обработки информации в системе управления 50 мс. Параметры технического состояния системы управления турбогенераторной установкой разделены на следующие группы: основные прецизионные, информационные, контрольно-диагностические и аварийные.

Проведено исследование эффективности фильтрации нелинейным цифровым фильтром и исследование динамики регуляторов с нелинейными цифровыми фильтрами. Разработан алгоритм фильтрации сигналов измерительных каналов, обеспечивающий существенное снижение СКО шума (примерно в пять раз) при незначительных затратах ресурсов ПЛК. Разработанный алгоритм фильтрации

применим при большом числе измерительных каналов системы управления и средних вычислительных возможностях используемого ПЛК. Разработана также методика настройки цифровых фильтров, основанная на методологии

быстрого прото-типирования измерительного канала в вычислительной среде 5іти1шк.

Применяемый метод подходит для оценки сигналов в основном на установившемся режиме. С целью расширения области применения метода, методическая погрешность была оценена для разных вре-

менных интервалов обработки.

По результатам проведённого исследования повышена эффективность

обработки данных каналов измерения, что положительно сказалось на качестве

Абсолютная частота 1500

Абсолютная частота 500

^........р

1

2260 2265 2270 2275 2280 2285 2290 2300 2330 2360 2390 2420 2450 2480 Абсолютная частота Абсолютная частота

180

2100 2120 2140 2160 21В0 2200

Абсолютная частота 800

600 400 200

Макет №5

я га

Р п

ЛІВЗЗ

2240 2250 2260 2270 2280 2290 Значения

Рисунок 8 - Гистограммы частот распределение ИУ№1-5 и внешний вид ИУ№1

И іШЯ'.аїм ..Учи

ц.зіаїли Ииісір-ді, МІ» •-■

. ■ І гио-іг-а-іь-цен

управления турбогенератором.

В четвёртой главе проведены экспериментальное исследование и оценка характеристик шумов

АЦП,имеющих различные схемотехнические решения и применяемые в современных микроконвертерах.

В результате проведенных измерений входного сигнала постоянного напряжения была собрана статистическая информация, получены количественные характеристики: СКО и ЭРС, построены графики. Это позволило наглядно оценить измерительную и информативную способность исследуемых измерительных каналов.

Проведенные исследования позво-лилиотработать методику настройки параметров фильтров измерительных каналов. В результате отработана методика настройки цифрового Рисунок 9 - Типовые экраны представления СКО фильтра для компен- измеряемых в ходе работы ТГУ сигналов

сации помеха типа «аномальный выброс».

Указанные методики апробировались в ходе пусконаладочных работ систем управления турбогенераторных установках номинальной мощностью 6, 3,25 и 2,5 МВт. Их применение показало соответствие разработанной системы

управления предъявляемым требованиям, способствовало уменьшению СКО сигналов измерений с помехой различных типов, увеличению ЭРС АЦП с сохранением требуемой постоянной времени регуляторов (см. табл. 1) дало уменьшение сроков ввода установок в эксплуатацию.

Таблица 1 - Экспериментальная оценка среднеквадратического отклонения по типам измерительных каналов на стационарных режимах

Оцениваемые параметры Измерение частоты вращения Измерение давления за турбиной Измерение мощности на клеммах генератора

СКО входного сигнала, o.e. 14,4 27,2 13,7 6,48 6,48

СКО обработанного сигнала, o.e. 0,07 3,8 0,3 2,16 2,16

Отношение СКО 206 7 45 2,54 3

ЭРС входного сигнала 12,6 11,14 12,3 12,19 13,42

ЭРС обработанного сигнала - 14,1 - 13,47 14,89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объектом диссертационных исследований являлась информационно-измерительная часть систем управления турбогенераторных установок, включаяана-лого-цифровое преобразование и фильтрацию получаемых данных.Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. На основе анализа устройства, процессов функционирования и требований к системам управления турбогенераторных установок в организации системы управления рекомендуется выделять следующие иерархические уровни: исполнительный (нижний, такт работы подсистем 10 мс и менее), уровень системного управления и операторский уровень (верхний, такт работы подсистем 100 мс и более).

2. Анализ тенденций совершенствования и развития агрегатных системы управления турбогенераторными установками на базе парошых турбин малой мощности показал, что весьма перспективными являются вопросы разработки новых алгоритмов управления в моделируемой среде с их последующим переносом в стендовый контроллер реального времени, выполняющим роль прототипа. При этом возможно параллельное подключение новых элементов с сохранением предыдущих решений автоматизации и использование в ходе разработки отладочных средств на базе персонального компьютера для быстрой корректировки и апробации новых решений.

Рисунок 10 — ТГУ-3,25

3. В работе получены математические модели АЦП параллельного преобразования, АЦП двойного интегрирования и сигма-дельта АЦП, как аналого-цифровых преобразователей, наиболее широко используемых в современных ПЛК. Прототипирование измерительных каналов с использованием разработанных математических моделей, например в средеМаИаЬ81шиНпк, позволяет выполнить предварительный анализ качества их работы и обосновать выбор аппаратных средств для реализации системы управления ТГУ.

4. Проведенное компьютерное моделирование работы АЦП позволило получить сравнимые количественные статистические характеристики в виде

среднеквадратического отклонения (СКО) сигналов и эффективной разрешающей способности (ЭРС) преобразователя. Сравнение АЦП одинакового быстродействия и разрешающей способности показало, что наиболее эффективным из рассмотренных типов является АЦП двойного интегрирования, наименее эффективным является сигма-дельта АЦП. Полученные данные позволяют сделать вывод, что АЦП двойного интегрирования будут особенно эффективны при работе с малыми сигналами при значительном уровне сопровождающих помех. Если сигналы по величине приближаются к предельным и отношение сигнал/шум велико, то для их преобразования в цифровой эквивалент более целесообразно использовать сигма-дельта АЦП.

5. Разработан алгоритм фильтрации сигналов измерительных каналов, обеспечивающий существенное снижение СКО шума (более чем на порядок) при незначительных затратах ресурсов ПЛК. Разработанный алгоритм фильтрации применим при большом числе измерительных каналов системы управления и средних вычислительных возможностях используемого ПЛК.

6. На основе анализа полученных экспериментальных данных отработана методика настройки цифрового фильтра для обнаружения и обеспечения устойчивой работы системы при редких, аномальных измерениях. Указанная методика апробировались в ходе пусконаладочных работ систем управления турбогенераторных установках номинальной мощностью 6, 3.25 и 2.5 МВт. Применение методики их настройки позволило сократить сроки ввода установок в эксплуатацию.

7. Разработана методика программного оценивания качества обработки сигналов в измерительных каналах в реальном времени на основе их среднеквадратичной оценки. Применяемый метод апробирован на ПЛК фирм БсЬтёегЕксйчси Коск\уе11АиШтаиоп.

В результате проведенной оптимизации измерительных каналов реальных ТГУ повышена эффективность обработки данных в каналах измерения за счёт снижения шумов в измеряемых данных. При этом примерно в пять раз уменьшилась частота реагирования парового клапана на импульсные помехи в канале частоты вращения турбины, что положительно сказалось на эксплуатационных характеристиках турбогенераторов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Список публикаций в рецензируемых журналах из перечня ВАК

1. Оптико-электронная система навигации мобильного робота / В.И. Бойков, И.С. Волков, А.Н. Коровьяков, A.A. Орешков, К.В. Саросеко, К.А. Сергеев //Научно-технический вестникСПбГУ ИТМО. Вып. 33. -СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. 256 с.

2. Экспериментальное определение информативности аналоговых каналов микроконверетров / В.И. Бойков, И.С. Волков, А.Н. Коровьяков // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Вып. 38. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. 326 с.

3. Экспериментальная оценка показателей аналого-цифровых преобразователей микроконтроллеров /В. И. Бойков, С. В. Быстров, И. С. Волков, А. Н. Коровьяков// Изв. вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50, № 11. С. 73— 76.

4. Меры оценки количества информации пространственного сигнала / A.A. Орешков, И.С. Волков, Д.А. Камнев // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Вып. 47. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 214 с.

Список публикаций в сборниках научных трудов всероссийских конференций

5. Волков И. С., Николаев Н. А., Волков С. Ю. Применение микропроцессорного комплекса в задачах управления турбогенераторной установкой // Молодые учёные - промышленности Северо-Западного региона: материалы конференций политехнического симпозиум. - СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2010.-250 с.

6. Волков И.С., Экспериментальное исследование эффективности фильтрации сигналов в АСУ турбогенератора // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 1. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - 295 с.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, г. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14. Тел. (812) 233 4669 Объём 1 п.л. Тираж 100 экз.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

04201453106

На правах рукописи

Волков Игорь Сергеевич

Анализ и оптимизация информационно-измерительной части систем управления

турбогенераторными установками

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации

(в технических системах)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Григорьев В.В.

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................4

Глава 1. Принципы построения и характеристики систем автоматизированного управления турбогенераторными установками................................................................7

1.1 Назначение и функциональный состав турбогенераторной установки...................7

1.2 Автоматизация турбогенераторных установок на базе паровых турбин малой мощности............................................................................................................................10

1.3 Функциональный состав турбогенераторной установки и автоматизированной системы управления..........................................................................................................14

1.4 Анализ зарубежных и отечественных публикаций по автоматизированным системам управления турбогенераторными установками.............................................33

1.5 Направления совершенствования и развития автоматизированных систем управления турбогенераторных установок.....................................................................37

Заключение по главе..........................................................................................................41

Глава 2. Прототипирование современных аналого-цифровых преобразователей измерительных каналов автоматизированных систем управления турбогенераторных установок............................................................................................................................43

2.1 Основные классы современных АЦП. Их характеристики, свойства и особенности функционирования......................................................................................43

2.2 Прототипирование промышленных аналогово-цифровых преобразователей......48

2.3 Оценка информативности измерительного канала с аналогово-цифровым преобразованием................................................................................................................63

Заключение по главе..........................................................................................................73

Глава 3. Исследование информационных потоков систем управления турбогенераторных установок..........................................................................................75

3.2. Анализ построения систем автоматизированного управления турбогенераторными установками..................................................................................82

3.3 Оценка эффективности фильтрации сигналов нелинейным цифровым фильтром91

Заключение по главе..........................................................................................................96

Глава 4. Экспериментальное исследование измерительных каналов системы управления турбогенераторной установки и оценка характеристик шумов АЦП.....98

4.1 Задачи экспериментального исследования шумов АЦП. Описание эксперимента....................................................................................................98

4.2 Анализ результатов экспериментальных исследований аналоговых измерительных каналов микроконвертеров..................................................................103

4.3 Экспериментальное определение эффективности фильтрации сигналов в информационно-измерительных устройствах автоматизированных систем управления турбогенераторных установок...................................................................111

Заключение по главе........................................................................................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................127

ВВЕДЕНИЕ

При реализации программ энергосбережения и повышения энергетической эффективности в промышленности, в ЖКХ и в ТЭК [9], большое значение придается развитию малой энергетики. Одним из направлений в этой области является использование турбогенераторных установок малой мощности [29]. Так при строительстве новых и модернизации существующих тепловых станций обязательным условием сегодня является их перевод на комбинированное производство тепла и электроэнергии, а при строительстве тепловых электростанций предпочтение отдается станциям, работающим по парогазовому циклу. Особенно актуально такое решение для промышленных предприятий, муниципальных и городских предприятий ТЭК и котельных ЖКХ. Применение турбогенераторной установки в тепловых схемах промышленных и муниципальных котельных, как нового строительства, так и при их модернизации позволяет существенно повысить их энергетическую эффективность, обеспечив при этом быструю окупаемость капитальных затрат.

Наряду с повышением эффективности зачастую в современных условиях предприятиям приходится бороться и за энергетическую безопасность собственного бизнеса, сталкиваясь с такими проблемами как рост тарифов и высокая плата за подключение и резервирование дополнительных энергетических мощностей. Также, в связи с возникновением ситуации локальных энергетических кризисов на малых предприятиях и в коммунальных хозяйствах отдельных регионов Российской Федерации и за рубежом, например, Республика Беларусь [10], Соединённые Штаты Америки [8], - проблемы встраивания турбогенераторных установок малой мощности в существующие и создаваемые системы энергообеспечения безусловно актуальны. Турбогенераторная установка (ТГУ) параллельно редукционно-охладительным установкам (РОУ) обеспечивает перевод работы котельных с режима выработки тепловой энергии - в режим работы по комбинированному циклу (одновременной выработки тепловой и электрической энергии). Это существенно повышает эффективность работы комплекса в целом, повышает энергетическую

безопасность, позволяет полностью или частично обеспечить электроснабжение собственных нужд и даже дать возможность генерации дополнительной энергии в электросбытовую сеть.

Создание турбогенераторных установок, а также различных электроэнергетических систем на их основе требуют сегодня решения задачи создания систем автоматического управления турбогенераторных установок [64]. Решая задачи создания комплексных систем управления [88], защиты, регулирования и контроля на основе современных программно-технических средств удаётся обеспечить высокое качество регулирования технологических параметров, обеспечить надежную работу установки на различных режимах, повысить комфорт при её обслуживании. В результате достигается экономических эффект и повышается комфортность жизни населения [67, 70].

Целью данной работы является структурная и параметрическая оптимизация информационно-измерительных устройств агрегатных систем автоматизированного управления [7] турбогенераторных установок с целью повышения эффективности их функционирования и разработки [59]. Повышение качества работы паровых турбогенераторных установок путём усовершенствования измерительной части [90] автоматизированной системы управления, а сокращение времени проектирования системы управления - за счёт применения методик выбора измерительной части системы управления и широкого применения технологии быстрого прототипирования. Для достижения указанных целей проведён анализ влияния информационно-измерительных каналов автоматизированных систем управления на качество работы турбогенераторных установок и выбор наиболее подходящих решений, определения пути повышения эффективности разработки систем управления турбогенераторными установками на базе оптимизации информационно-измерительных устройств методами современных

информационных технологий.

Новизной работы является применение системного и информационного подхода вкупе с классическими методами теории автоматического управления [89]. Для решения поставленных задач, разработаны методы повышения скорости проектирования и отладки информационных каналов систем автоматизированного управления турбогенераторными установками на базе паровых турбин малой мощности. Предложенные в работе методы повышают эффективность разработки и последующего функционирования автоматизированных систем управления турбогенераторных установок.

Представленные в работе методы применялись в ходе разработки и проведения пуско-наладочных и приемо-сдаточных работ агрегатных автоматизированных систем управления паровыми турбогенераторными установками на объектах электроэнергетики Союзного государства.

Концептуально работа подразделяется на описание турбогенераторных установок и их систем управления, встроенных информационно-измерительных устройств подобных систем, включая элементы аналого-цифрового преобразования, их моделирование, а также экспериментальное исследование качества и достоверности предложенных в работе методов.

Глава 1. Принципы построения и характеристики систем автоматизированного

управления турбогенераторными установками

1.1 Назначение и функциональный состав турбогенераторной установки

Турбогенераторная установка предназначена для выработки электрической энергии. Установленная в теплофикационном контуре [15] теплоэлектростанции или теплоэлектроцентрали она, как правило, также должна обеспечивать поддержание определенных параметров пара, таких, как давление за турбиной и расход пара через неё.

Турбогенераторная установка в общем случае состоит из паровой турбины конденсационного или противодавленческого типов [4] исполнения и присоединённого к ней турбогенератора (см. рисунок 1.1). Подвод острого пара к турбоприводу осуществляется через регулирующий клапан . Для аварийного останова турбины предусматривается стопорный клапан на подводящем паропроводе. Для турбины малой мощности допускается установка одного стопорно-регулирующего клапана 1, обеспечивающего как функцию отсечки пара на подводе к турбине в аварийных ситуациях, так и функцию регулирования расхода пара на турбину на рабочих режимах. Мятый пар с турбопривода отводится в теплофикацию к потребителю в случае использования противодавленческих турбин или в конденсатор в случае использования конденсационных турбин [5]. Редуктор между турбиной и турбогенератором устанавливается в случае необходимости, когда номинальная частота вращения турбины выше номинально частоты вращения турбогенератора.. Также существуют безредукторные турбогенераторные установки, например, на Паужетской геотермальной электростанции [3], где турбогенераторная установка выполнена на базе паровой турбины главного турбозубчатого агрегата 631 проекта без редуктора с номинальной частотой вращения ротора турбопривода 3000 об/мин [31].

Выходной вал редуктора, либо турбины в безредукторном исполнении турбопривода, посредством соединительной муфты связан с ротором

турбогенератора. Ротор турбогенератора при соединении с паровой турбиной опирается на два подшипника скольжения 4, один из которых должен быть электрически изолирован. С противоположной от паровой турбины стороны турбогенератора устанавливается возбудитель. Работой турбогенераторной установки управляет автоматизированная система управления.

¡подвод пара

»твод пара

стопорно-

регулирующий

клапан

система управления

редуктор

возбудитель

[соединительная муфта

подшипник генератора

¡генератор

Рисунок 1.1- Структурная схема турбогенераторной установки

Структурно в автоматизированной системе управления 6, согласно рабочим средам и уровню взаимодействия, можно выделить паровую, гидравлическую, механическую и электрическую подсистемы. Электрическая схема в свою очередь разбивается на силовую электрическую часть, связанную с генерацией энергии в энергосистему, и электрическую часть, обеспечивающую решение задач управления, контроля и измерения.

Взаимодействие подсистем обуславливается рядом следующих преобразований: тепловая энергия пара преобразуется в механическое вращение турбопривода, для чего через понижающий редуктор и соединительную зубчиковую муфту вращение передаётся передаётся на ротор и турбогенератора и возбудитель турбогенератора. Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения вращающегося ротора сцепляется поочерёдно с каждой из фаз обмоток статора, индуцируя в них электродвижущую силу.

Среди вспомогательных подсистем следует выделить прежде всего масляную подсистему, которая обеспечивает как работу силовых устройств автоматики (гидропривода, сервомоторов регулирующих клапанов и.т.п), так и смазку и охлаждение подшипников турбопривода и турбогенератора, а также зубчатых зацеплений редуктора и муфты. Масляная схема согласно своему назначению в свою очередь подразделяется на контур силового масла и контур масла смазки. Давление в маслосистеме создаётся при помощи продублированного электрического масляного насоса, на случай аварийной ситуации с отказом обоих насосов предусматривается масляный аккумулятор, обеспечивающий выбег установки. Давление за насосом регулируется при помощи редукционных клапанов высокого и низкого давлений, использующихся в системе регулирования, управления и защиты, и контура масла смазки соответственно.

В настоящее время состав подсистем турбогенераторной установки малой мощности достаточно хорошо отработан [6]. Определены цели и задачи функционирования практически всех элементов турбогенератора. Глубокой модернизации обычно требует автоматизированная система управления турбогенератором.

1.2 Автоматизация турбогенераторных установок на базе паровых турбин малой мощности

В настоящее время выделяют несколько подходов к задачи автоматизированного управления турбогенератором. Основной принцип градации заключается в перечне задач, решаемых посредством системы автоматизации [82, 83], уровня используемых решений, и в конечном итоге, этот комплекс задач и решений автоматизации ограничивается экономическими показателями. На текущий момент в России производители и системные интеграторы, занимающиеся данной проблематикой, поставляют решения, в которых задачи автоматизации сведены к минимуму; решения строятся на базе механизмов и гидросистем с минимальным привлечением электронных компонент.

Таким образом, по-прежнему на рынке представлены решения, где контур управления турбоприводом автономен, управляется вручную оператором, а автоматизация носит вспомогательный характер, как-то вибрационный температурный контроль агрегата. Однако, современным, и тем более перспективным такой подход считать не представляется возможным, несмотря на очевидные плюсы, такие как низкая стоимость разработки и производства, снижение времени на пуско-наладку оборудования.

В настоящее время широко распространены различные решения для промышленной автоматизации, стоимость которых постоянно снижается, а номенклатура изделий растёт, равно как и степень интеграции в народном хозяйстве. С этой позиции включение турбогенераторных установок на базе паровых турбин малой мощности в единую информационно-управляющую систему общестанционного уровня несёт, несмотря на повышенную трудоёмкость, следующие преимущества: повышается качество вырабатываемой электроэнергии, снижается количество обслуживающего персонала, повышается транспарентность в управлении предприятием (прозрачность информационного поля). Что в совокупности даёт синергетический эффект и возможность выхода на недоступные

ранее возможности: ведение расширенной диагностики и протоколирования в автоматическом режиме путём опроса по широкому числу параметров, логической связи с другим станционным оборудованием и оборудованием потребителей электрической и тепловой энергии, внедрение непрерывного контроля в автоматизированном режиме раннего обнаружения износа оборудования с целью продления срока эксплуатации.

Совокупность проблем, которые необходимо решить для расширения задач автоматизации, кроме прочего имеет одно общее место - это сбор, передача и обработки информации, в этом процессе одним из ключевых является аналого-цифровое преобразование, от качества которого зависит объём, скорость и точность поступающей на обработку информации [61]. Как правило, задача повышения производительности информационно-управляющих систем ограничивается высоким уровнем сопутствующих промышленному применению помех различной природы и интенсивности, предусмотреть которые заранее не всегда возможно в полной мере. Таким образом, создание информационно-управляющей системы, коей является автоматизированная система управления турбогенера