автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка программно-аппаратных комплексов для наладки и стендовых испытаний автоматических систем регулирования в теплоэнергетике

На правах рукописи

ПЛЕТНИКОВ Сергей Борисович

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ НАЛАДКИ И СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ

Специальность 05 13 Об - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ

Иваново 2008

003168205

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В И Ленина» (ИГЭУ)

Научный руководитель_

доктор технических наук, профессор Иванов Валерий Алексеевич кандидат технических наук, доцент Таланов Вадим Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Фомичев Александр Александрович кандидат технических наук, доцент Грименицкий Павел Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Ивэлектроналадка», г Иваново

Зашита состоится «30» мая 2008 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212 064 02 при ИГЭУ по адресу г Иваново, ул Рабфаковская, 34, ауд 237

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ, автореферат размещен на сайте www ispu ru

Автореферат разослан <<^?> 3 ¡1 ЦА.Д 2008. года Ученый секретарь ,

диссертационного совета ^ ¿/ ^ ® Тютиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

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 различным вариантам программно-технической реализации

Применительно к проблеме автоматизации технологических процессов в теплоэнергетике основные исследования ведутся в направлении совершенствовании методик наладки типовых АСР При разработке новых методик большинство авторов в первую очередь занимается вопросами моделирования и идентификации технологического оборудования, а также совершенствования алгоритмов регулирования. 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 характеристик используемых промышленных элементов АСР необходим для обеспечения качественной работы систем в реальных условиях

Решение задачи оценки влияния свойств реальных технических устройств АСР на результаты настройки системы, как правило, сводится к развертыванию средств автоматизации на специальных отладочно-испытательных стендах или полигонах 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 к реальным условиям промышленной эксплуатации за счет применения моделей технических средств автоматизации (ТСА) и технологического оборудования ТЭС и АЭС, а так же отработка технологии создания подобных комплексов

Цель работы. Разработка программно-аппаратных комплексов, обеспечивающих повышение эффективности наладки АСР в теплоэнергетике за счет применения специализированных моделей ТСА и технологического оборудо-

вания. При этом решаются вопросы 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 выбранного 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:

1 Предложен метод модульного конструирования моделей АСР, учитывающий особенности их структурной и аппаратной реализации и отличающийся использованием специализированных моделей элементов АСР и технологического оборудования электростанций

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

3 Разработаны модели и программные эмуляторы типовых промышленных регулирующих и функциональных блоков ТСА и элементов АСР нижнего уровня (ИМ, РО, датчики) Модели характеризуются двухмодульной структурой построения с раздельным выполнением модулями функций оперативного управления (настройки) и математического расчета, а также и независимой организацией работы вычислительного процесса модулей

Практическая ценность заключается в том, что

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

2 Создан ряд специализированных ПАК для выработки практических навыков наладки АСР, проверки знаний персонала ТЭС и АЭС и теоретической подготовки студентов ВУЗов соответствующих специальностей Программные комплексы используются на электростанциях ОАО «Центрэнерго» и «Тулзнерго», а также в учебно-тренировочном центре (УТЦ) Калининской АЭС, внедрены в учебный процесс в Ивановском государственном энергетическом университете и Тульском государственном техническом университете (ТГТУ)

3 Разработаны учебные задачи, которые отражают специфику работы инженерно-технического персонала по наладке АСР теплоэнергетического оборудования электростанций

4 Разработаны действующие микропроцессорные системы управления, внедренные на Тобольской ТЭЦ и Саранском заводе «Резинотехника»

Достоверность результатов работы подтверждается

- использованием при разработке моделей уравнений, описывающих фундаментальные физические чаконы

- положительным опытом эксплуатации специализированных программных комплексов по наладке АСР теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС на У ТЦ Калининской АЭС, ТГТУ, ИГЭУ, ОАО «Электроцетроналадка»

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г Иваново, 1997, 1998, 2005 гг), научно-практическом семинаре «Опыт разработки, внедрения, и эксплуатации автоматизированных систем управления тепловых и атомных электростанций» (гМосква, 2000 г), научно-методической конференции «Проблемы дистанционного обучения» (г Иваново, 2000 г), 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 Госкоор-центре ОФАП

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 163 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений Содержит 54 рисунка и 3 таблицы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы цель и задачи работы, показаны научная новизна и практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор состояния проблемы совершенствования методик наладки типовых АСР применяемых в теплоэнергетике Проведенный анализ показал, что при разработке и создании новых алгоритмов и способов определения оптимальных параметров настройки и их адаптации

для различных вариантов программно-технической реализации недостаточное внимание уделяется учету специфических свойств технических средств автоматизации Между тем статические, динамические характеристики, проявление нелинейных свойств элементов АСР оказывают достаточно существенным влияние на результаты настройки регулирующих устройств и соответственно качество работы системы Кроме того, модели технологического оборудования электростанций, полученные с использованием предлагаемых методик идентификации и аппроксимации не всегда учитывают природу физических процессов, описываемых нелинейными зависимостями Поэтому при наладке АСР на реальном оборудовании с использованием промышленных средств автоматизации возникает необходимость в дополнительной корректировке параметров настройки полученных с использованием таких методик

Традиционное решение данной проблемы может быть качественно выполнено на специальных испытательных стендах и полигонах с проведением, в случае необходимости, исследований по идентификации свойств ТСА Однако их применение предполагает значительный объем работ, большие технические, финансовые и временные затраты Для наладки небольшого количества режимных регуляторов применение такого способа связано с излишними, экономически необоснованными затратами и потерей времени Использование программных отладчиков, применяемых в других отраслях промышленности, для наладки регуляторов теплоэнергетических объектов оказывается неэффективным, поскольку их применение рассчитано, прежде всего, на производственные циклы либо лимитированные по времени, либо имеющие постоянные свойства по всей временной программе

Для уменьшения временных и материальных затрат на стадии стендовых наладочных работ представляется актуальной разработка эффективных моделей технических средств автоматизации и технологического оборудования ТЭС и АЭС и их удобная программная реализация в целях создания специализированных ПАК для наладки АСР электростанций, позволяющих приблизить процесс наладки систем к реальным условиям промышленной эксплуатации Наличие в составе ПАК средств моделирования технологического объекта и элементов систем регулирования позволит в случае необходимости комбинировать состав системы реальный объект или его модель, реальная аппаратура регулирования, оперативного управления или их модели, реальные исполнительные механизмы и датчики или их модели

Для эффективного решения поставленной задачи необходимо отработать технологию создания специализированных ПАК для наладки АСР Эта технология должна обеспечить минимизацию наладочных работ, повышение эффективности работы систем управления, в сочетании с решением задачи выработки практических навыков наладки АСР у персонала

Вторая глава посвящена разработке моделей элементов промышленных АСР и теплоэнергетического оборудования электростанций, унифицированных для применения в составе ПАК

Для решения этой задачи были, во-первых, разработаны математические модели ТСА и оборудования электростанций, во-вторых, предложены специальные средства конструирования моделей, в-третьих, разработаны специальные алгоритмы функционирования моделей, в-четвертых, выполнена их практическая реализация в графической среде программирования Lab VIEW

Для унификации построения структуры АСР в составе ПАК разработаны модели основных элементов промышленных систем регулирования Их состав можно разделить на две группы моделей

- специализированные модели промышленных ТСА, адаптированные для конкретного аппаратного исполнения и реализующие все основные функции приборов-прототипов (модификации ТСА «ПРОТАР-ЮО», «АКЭСР-2», «Каскад 1,2»),

- унифицированные модели элементов нижнего уровня АСР, обеспечивающие связь с объектом регулирующих органов, исполнительных механизмов и датчиков

Например, модель релейно-импульсного регулятора РП4-У (АКЭСР-2) реализует следующие функции регулирующего блока

• масштабирование входных сигналов,

• суммирование входных сигналов,

• введение задания и усиление сигнала отклонения (рассогласования) регулируемой величины от задания,

• демпфирование сигнала рассогласования,

• формирование выходного сигнала в соответствии с одним из законов регулирования - пропорционально-интегральным (ПИ) совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости, пропорциональным (П) совместно с датчиком положения выходного органа исполнительного механизма, трехпозиционным или двухпозиционным,

• индикацию направления срабатывания Структурная схема модели представлена на рис 1

Модель микропроцессорного прибора ПРОТАР-ЮО реализует все основные режимы работы, алгоритмы и функции программирования, с возможностью написания и сохранения прикладных программ

Математические модели технологического оборудования разработаны исходя из круга задач решаемых ПАК

Например, при создании программного комплекса, предназначенного для наладки и структурной оптимизации АСР уровня конденсата в группе подогревателей высокого давления (ПВД) паротурбинных установок (К-300-240, Т-100-130), была разработана нелинейная математическая модель, учитывающая особенности фазовых превращений конденсата и процессов аккумуляции тепла в металле трубной системы и корпуса, описываемая в общем случае системой дифференциальных уравнений 7 порядка

Внутренний

V, | задатчик

X, _ М,

СИ

Хз _ м. -») ВС

<Х2

X, _ ~м7

аз

<Хп

- оос I

пос

тно

Ключик

Уг А

Регулирующая часть

^Выход «М» ~Средняя точка Выход «Б»

________•

Рис 1 Структурная схема модели регулирующего устройства РГ14-У-М1 М1 МЗ - масштабаторы, ВС - входной сумматор (У 1 - контрольная точка), Д - демпфер, ОУС - операционный усилитель - сумматор (У, - контрольная точка), ТНО - трехпоэиционный нуль-орган, ПОС - положительная обратная связь, ООС - отрицательная обратная связь (Уч - контрольная точка)

Нелинейность объясняется учетом расхода теплоты Qtv в паровое пространство, который меняет свои величину и знак в зависимости от направления изменения давления Рт в подогревателе При понижении давления конденсат греющего пара оказывается перегретым по отношению к новому значению давления, часть его испаряется, унося в единицу времени в паровое пространство количество теплоты

0.Щ - >

причем массовый расход испарившейся влаги <?„, можно определить из

г ,> \

М,

¿Р.

"] /о

Л

при

Л

■<0,

где М} - масса конденсата греющего пара в водяном объеме подогревателя, -энтальпия насыщенного пара, г, - удельная теплота парообразования

При повышении давления происходит конденсация пара на стенках, не покрытых пленкой, и поверхности водяной фазы в соответствии с уравнением

р, I \ с1Рт

= а.к ~ ) при — > 0,

температура насыщенного пара; гв]~ температура водяной фазы, а -коэффициент теплоотдачи, ^ - площадь поверхности теплообмена, /) -удельная теплота парообразования

Математические модели теплоэнергетического оборудования, используемые в программных комплексах, разрабатывались исходя из общепринятых подходов к моделированию объектов - с использованием физических моделей, описанных системами дифференциальных уравнений и аппроксимации экспериментальных данных передаточными функциями (ПФ) в операторной форме

При моделировании технологических объектов и элементов АСР передаточными функциями, можно выделить два основных варианта их реализации - модели, описываемые ПФ общего вида в полиномиальной форме,

-Тр

1=О

- модели, составленные в виде структурной схемы, состоящей из отдельных звеньев, ПФ которых описываются уравнением в полиномиальной форме

<тп патлт^ст тттлпт.шн

Модели, описываемые ПФ в полиномиальной форме удобно использовать для аппроксимации экспериментальных временных и частотных характеристик технологических объектов, поскольку результатом большинства применяемых методов аппроксимации является математическая модель объекта в виде передаточной функции

Структурное моделирование удобно применять для синтеза сложных многоканальных объектов и систем регулирования, а также для преобразования моделей, описанных в виде систем дифференциальных уравнений

Возможности выбранной среды программирования позволили разработать специальные средства конструирования математических моделей

1 Модуль «передаточная функция», который позволяет решать системы ДУ высоких порядков в виде полиномиальных моделей и получать динамические характеристики объектов

Матричное уравнение модели, дискретизированное в соответствии с неявными методами интегрирования Гира 1-го - 4-го порядков имеет следующий вид (для момента времени п+1)

А У[п + 1] = Х[п]

где Ут[п + 1] =(У1[п + 1],У2[п + 1], ,Ут+3[п + 1]),

ХТ = (Х1[п + 1], О, 0, Х4[п] ,X [п], Хш+3[п]),

А =

1 0 0

0 1 "а0

1 ьо

о - 1/

0

_ 1/

О о

-а,

0

1

о

т-1

ат-1 О

О О

/(В„Ь)

Ьп - а О О О

У2[п + 1] - значение выходной величины, X,[п +1 ] - значение внешнего

к-1

возмущения, Х2=Х3= 0, ХДп] = -(РкЬ) £ а1+1 У,., [п -1] - значение в yзлeJ 0 =

1=0

4,5, ,т+3), к - порядок метода интегрирования Гира, а, и рк - коэффициенты в формулах Гира)

Синтезированная дискретная модель была реализована в среде графического программирования Lab VIEW в виде самостоятельного модуля, который может быть использован в качестве стандартной библиотечной функции

2 Модели типовых звеньев, из которых согласно правилам преобразований структурных схем собирается модель системы (объекта) Модели звеньев основаны на известных рекуррентных выражениях для определения выходной величины у в момент времени п, зная значение входной величины хпу в момент времени п и п-1, например модель интегрирующего звена 1 порядка

у[п] = у[п -!] + ■

Mt х[п]

Т

где М, - шаг по времени

Реализация звена запаздывания (т-звена) основана на организации задержки на необходимое количество циклов в передаче данных между входом и выходом модели с помощью специального сдвигающегося массива

Модели элементов АСР построены с использованием специальной логической структуры и включают в себя два взаимосвязанных модуля - «Настройка» и «Модель», работающих в соответствии с представленным алгоритмом (рис 2)

1 Вызов модуля «Настройка элемента АСР»

1 Определение количества од-нотнпных элементов структуры АСР (количества циклов)

т

2 Идентификация модуля в структуре модели АСР

2 Запуск основного цикла модуля «Модель элемента АСР»

3 Чтение информации по элементу из Вазы данных

3 Идентификация модуля в структуре модели /

X

т

4 Отображение информации на вызывной панели настройки

I

4 Чтение текущей информации по элементу из базы данных

5 Расчет модели -;-

6 Запись информации по элементу в оазу данных

I

7 Переход к расчету модели следующего элемента (цикла)

1Нет

8 Конец цикла

5 Запуск основного цикла

6 Опрос текущего состояния органов управления и индикации на панели настроики -;-

7 Выполнение сервисных процедур (переключение кадров, „ режимов работы, вызов справки)

I

8 Запись информации по элементу в оазу данных

i -

9 Завершенгие настройки ^ Нет

10 Конец цикла

Рис 2 Обобщенный алгоритм работы модели элемента АСР

Модули типа «Модель» функционируют постоянно с заданными параметрами. Модули «Настройка» обеспечивают изменение параметров функционирования модели элемента и применяются в случае необходимости коррекции заданных параметров.

Третья глава посвящена разработке технологии создания ПАК для наладки АСР.

Предложенная технология ориентирована на применение метода мо-

ттхупт_иг»ггч угчоптг\\/тлпг»оаитлсг Л РР 1--,лггиЛ[.1 ы ииитипярт I' П!'1 И!(1111 К" V ПЯПГГГМ ГПГ-

^личьлк* ^* 7 ---г--- J -----~-------------Г----^ Г------- ----

тем и особенности их структурной и аппаратной реализации.

Особенности данного метода конструирования заключаются:

- в формировании библиотеки моделей типовых элементов АСР и технологического оборудования;

- в применении специальной логической структуры построения моделей элементов АСР (рис. 3). Каждая модель включает: 1) расчетный модуль, который является математической моделью данного элемента АСР; 2) модуль оперативного управления, представляющий собой панель настройки блока ТСА или другого элемента АСР;

Рис. 3. Логическая структура построения модели АСР 1 *.. .5* - модули оперативного управления, 1 ... 5 - расчетные модули, ИМ - исполнительный механизм, РО - регулирующий орган

- в организации работы модулей элементов АСР и основных функциональных модулей ПАК в режиме заданного временного опроса с параллельным и независимым функционированием циклов. Расчетные и функциональные модули работают постоянно с заданной дискретностью опроса, а модули оперативного управления являются вызывными и активизируются специальным включением.

Разработка ПАК с применением предложенной технологии осуществляется по определенной методике, регламентирующей состав и порядок выполняемых работ, а также их взаимодействие (рис, 4).

Эта методика заключается в следующем.

1 Формируются коррелированные цели и задачи работы В зависимости от назначения комплекса осуществляется выбор состава выполняемых функций системы

2 Определяется набор свойств (признаков) разрабатываемого продукта которые отражают его структуру, функции и особенности технической реализации При создании ПАК для наладки АСР достаточно ограничиться базовыми признаками типом структуры системы регулирования, законами регулирования, стандартными алгоритмами обработки информации, технической реализацией (рис 5), причем выбранные варианты компонуются друг с другом в требуемом исполнении и количестве

Тип структуры

Закон регулирования

Одноконтурная

Одноконтурная с ЖООС

П-закон

Одноконтурная с компенсатором

Двухконтурная с дифференциатором

Двухконтурная с корректирующим и стабилизирующим регуляторами

ПИ-закон

Алгоритм обработки

- ПИД-закон

Релейно-импульсный

- Аналоговый

- Позиционный

Техническая реализация

Дифференцирование

Интегрирование

- АКЭСР-2

Демпфирование

- ПРОТАР-ЮО

- Масштабирование

Ограничение

Аппроксимация

- КАСКАД-2

- Контраст-300

Ремиконт

Квинт

I- КРУГ-2000

Рис 5 Базовый состав признаков ПАК

3 Осуществляется конструирование системы выбираются требуемые модули из библиотеки моделей типовых элементов АСР и технологического оборудования, разрабатываются необходимые дополнительные модули, которые вводятся в состав ПАК

4 Разрабатывается и компонуется программное обеспечение верхнего уровня интерфейс оператора, модули и процедуры для сбора и обработки

информации от моделей и внешних устройств, автоматизированной оценки качества работы регуляторов, архивации и протоколирования результатов, организации диалога с оператором и т д

5 Компонуется программное и аппаратно-техническое обеспечение технологического нижнего уровня структуры ПАК объединяются реальные объекты и ТСА или их модели, алгоритмы управления

6 Выполняются работы по первичной наладке регуляторов Гарантированная согласованность результатов, полученных на каждом

этапе (определение требуемых свойств ПАК, целей и задач работы и т д), обеспечивает повышение качества проводимых работ и создаваемого комплекса Итерационная процедура, в случае необходимости обеспечивает возврат к любому из пунктов методики для доработки и переработки, уточнения полученных результатов

Данная методика может применяться при создании и модернизации действующих промышленных АСР, разрабатываемых с применением элементов предложенной технологии

В основу построения функциональной структуры ПАК положен модульный принцип реализации основных функций с использованием разработанной библиотеки моделей элементов АСР и специализированных программных модулей (рис 6)

Рис 6 Структура построения и функционирования ПАК

В структуре ПАК можно выделить два функциональных уровня • системно-операторский, •технологический

Верхний, системно-операторский уровень объединяет программные модули и процедуры, разработанные на 4 этапе описанной ранее методики

Нижний, технологический уровень - это функциональное ядро структуры ПАК, он содержит модели технологического оборудования средств автоматизации и элементов АСР

В случае построения ПАК как промышленной АСР, технологический уровень может существенно различаться по составу функций, реализованных с помощью аппаратных и программных средств Здесь функционируют реальные технические устройства автоматизации - комплексы ТСА, микропроцессорные контроллеры, или их модели, реализующие алгоритмы управления Модели технологического оборудования отсутствуют

В четвертой главе описан опыт создания ПАК для наладки регуляторов ТЭС и АЭС применительно к различным вариантам их программно-технического исполнения

Для решения задачи автоматизированной настройки типовых систем автоматического регулирования теплоэнергетического оборудования разработан программный комплекс «РАНАР» (РАсчет и НАладка Регуляторов) Он позволяет по экспериментальным кривым разгона объекта проводить аппроксимацию и различными методами выполнять расчет параметров настройки регуляторов

Аппроксимация экспериментальных характеристик объекта осуществляется на основе использования метода моментов с автоматической функцией нормирования по величине возмущения и усреднения семейства однотипных кривых разгона В результате модель объекта формируется в виде передаточных функций по каждому из моделируемых каналов

Возможности комплекса и его методическая поддержка позволяют использовать различные методы настройки АСР

- аналитический метод расширенных амплитудно-фазовых (комплексных) характеристик,

- приближенные методы (по формулам ВТИ, номограммам Сибтех-энерго),

- экспериментальные методы ("за одно включение", Циглера-Николса, "трехшаговая оптимизация")

Отличительными особенностями комплекса являются

- возможность конфигурирования состава элементов АСР в зависимости от выбранного варианта типовой структуры,

- настройка моделей датчиков, РО и ИМ на конкретный прототип

Указанные особенности комплекса позволили повысить эффективность

проектно-наладочных работ в плане приближения результата предварительной настройки на модели АСР к установленным (регламентируемым) критериям (показателям) качества работы реальной системы регулирования Данный вывод подтверждается положительным опытом применения программного комплекса для целей наладки промышленных АСР ОАО «Электроцен-троналадка» г Москва

Для целей профессиональной подготовки персонала ТЭС и АЭС, а также использования в учебном процессе в ВУЗе был разработан программно-методический комплекс (ПМК) по наладке АСР технологическими процесами теплоэнергетического оборудования

ПМК включает две группы самостоятельных программных модулей, моделирующих работу основных систем регулирования теплоэнергетического оборудования тепловых и атомных электростанций

Первая группа включает АСР котельного оборудования ТЭС

- питания барабанного котла,

- тепловой нагрузки котла,

- расхода «общего» воздуха, подаваемого в котел,

- разрежения в топке котла,

- температуры перегретого пара,

- сжигания топлива в топке котла

Вторую группу образуют программные модули, моделирующие работу АСР теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС

- уровня и давления в деаэраторной установке,

- уровня в конденсаторе турбины,

- уровня конденсата в подогревателях высокого давления,

- уровня конденсата в парогенераторе двухконтурной АЭС,

- уровня в оборудовании сепаратора-пароперегревателя АЭС,

- уровня и давления в компенсаторе давления первого контура АЭС Системы регулирования выполнены на базе моделей серийных отечественных ТСА, применяемых в настоящее время на ТЭС и АЭС -аппаратуры АКЭСР-2, КАСКАД-2 и многофункционального микропроцессорного прибора ПРОТАР-ЮО Внешний вид настроечных панелей соответствует реальному прибору-прототипу (рис 7)

Качество работы настраиваемой системы оценивается автоматически, с представлением результатов работы в форме акта испытаний

Разработанный комплекс построен по модульному принципу и имеет гибкую адаптивную структуру Это позволяет довольно легко расширять его функциональные возможности в плане увеличения круга решаемых задач - количества локальных систем автоматического регулирования, вариантов их технической реализации

Элементы предложенной технологии, программные модули и алгоритмы были применены для создания действующих промышленных АСР

По заказу ОАО «Ивэлектроналадка» для Саранского завода «Резинотех-ника» была разработана микропроцессорная система управления (МПСУ) бойлерной установкой, состоящая из инженерной станции, реализованной на компьютере и операторских станций выполненных на базе промышленных МПК КР-300 "Контраст"

Инженерная станция представляет собой полномасштабную рабочую станцию оператора с функциями БСЛОА-системы Она обеспечивает верхний

Рис.7. Внешний вид пользовательского интерфейса и настроечных панелей программного модуля «Наладка АСР сжигания топлива в топке»

уровень управления технологическим процессом с ведением технологических протоколов, трендов и мониторингом технологического процесса.

Главной особенностью программно-аппаратной реализации системы является разработка алгоритма взаимодействия «компьютер - контроллер» с использованием последовательного интерфейса RS-485/232 (рис. 8, а). Алгоритм реализован в программной среде Lab VIEW с применением встроенных функций приема - передачи данных через последовательный порт (ПП) компьютера (рис. 8, б).

IBM PC

а)

LabVIEW

6)

Рис. 8. Структура программно-аппаратной реализации МПСУ бойлерной установкой Особенности технической и программной реализации позволяют довольно легко и без существенных трудозатрат перенастраивать систему и ис-

пользовать ее для автоматизации широкого класса объектов малой энергетики с небольшим количеством контролируемых параметров

Другим вариантом промышленной МПСУ стала система автоматизированного химконтроля Na-катионитной установки Тобольской ТЭЦ Система также состоит из инженерной станции и модульной системы сбора и обработки данных в аппаратном исполнении фирмы "L-card" Система представляет жесткую конструкцию крейтового типа, в которую можно устанавливать определенное количество LC-модулей (коммутаторы, усилители, АЦП, ЦАП и т п) и управляющий крейт-контроллер Контроллер подключается к IBM PC ПК по параллельному либо последовательному интерфейсу Связь крейтовой системы с ПК осуществляется путем подключения к специальной сетевой плате LCI-01A Для работы с аппаратной частью информационной системы используется DLL-библиотека lcard ad dll, которая может быть использована совместно с большинством существующих систем программирования в среде Windows, в том числе Lab View (рис 9)

Датчики РО

Компьютер IBM PC

Рис 9 Структура программно-аппаратной реализации МПСУ Na-кэтионитной установки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Разработаны библиотеки специализированных моделей технологического оборудования, типовых элементов АСР, функциональных блоков промышленных ТСА и выполнена их программная реализация в среде графического программирования Lab VIEW В ее состав входит группа специализированных моделей промышленных блоков ТСА, адаптированных для конкретного аппаратного исполнения и реализующих все основные функции прибора-прототипа Кроме того, библиотека включает в себя унифицированные модели элементов нижнего уровня АСР, обеспечивающие связь с объектом

2 Разработаны специальные средства программного конструирования математических моделей, которые позволяют решать системы ДУ высоких порядков в виде полиномиальных моделей и получать переходные процессы в различных масштабах времени, а также собирать структурные схемы моделей объектов и АСР

3 Предложен метод модульного конструирования моделей АСР, учитывающий особенности их структурной и аппаратной реализации и отличающийся использованием специализированных моделей элементов АСР и тех-

Программные модули CAXK

Подпрограмма связи

LabVIEW

Плата LCI-01A

Крейт контроллер LC010/012 1

LC-модули

■Н Lcard dll

Крейтовая система

нологического оборудования электростанций При этом решаются задачи как практической наладки АСР, так и обучения методике наладки в УТЦ электростанций и учебном процессе в ВУЗе

4 Отработана технология создания ПАК, ориентированная на использование предложенного автором метода модульного конструирования моделей АСР, характеризуемая методикой, регламентирующей состав и порядок выполняемых работ, а также универсальной структурой построения и функционирования ПАК

5 Разработаны и внедрены несколько ПАК различного программно-технического исполнения и назначения

- 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 Lab VIEW с применением встроенных функций приема - передачи данных

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Плетников С Б Моделирование работы регенеративных подогревателей паротурбинных установок // Вестник ИГЭУ - Иваново, 2002 - № 1 - С 42-46

2 Информационно-управляющая система бойлерной установки / В Д Таланов, Е К Журавлев, В С Крашенинников, С Б Плетников, В А Бабурин // Приборы и системы Управление, контроль, диагностика -М,2001 -№4 - С 19-22

3 Таланов В Д, Плетников С.Б. Программно-методический комплекс по наладке систем автоматического регулирования теплоэнергетического оборудования // Вестник ИГЭУ - Иваново, 2005 -№ 1 -С 122-126

4 Таланов В Д, Плетников С Б , Демин А М Модульное конструирование при разработке комплексов по наладке систем автоматического регулирования // Вестник ИГЭУ - Иваново,2007 -№4 -С 72-75

в прочих изданиях:

5 Программный комплекс по наладке регуляторов теплоэнергетического оборудования ТЭС / Таланов В Д, Плетников СБ// Свидетельство об отраслевой регистрации разработки №8105 - Госкоорцснтр, ОФАП, 10 04 2007

6 Пакетный программный модуль по расчету и настройке типовых систем регулирования теплоэнергетического оборудования / Таланов В Д, Плетников СБ// Свидетельство об отраслевой регистрации разработки №8106 - Госкоорцентр, ОФАП, 10 04 2007

7 Технология конструирования программно-аппаратных комплексов для наладки систем автоматического регулирования теплоэнергетического оборудования электростанций / Плетни-

ков СБ// Свидетельство об отраслевой регистрации разработки №8442 - Госкоорцентр, ОФАП, 5 06 2007

8 Плетников С Б Особенности моделирования водяного тракта регенеративных подогревателей ПТУ для исследования уровня конденсата // Автоматизация производства науч -произв инф сб -М ЗАО"КомплексАвтоматика", 1998 -№1 -С 36-38

9 Таланов В.Д, Плетников С.Б. Программный комплекс для расчета динамики групп ПВД паротурбинных установок // Автоматизация производства науч -произв инф сб - M ЗАО "КомплексАвтоматика", 1998 -№ 1 -С 21-23

10 Короткой А Н., Плетников С.Б, Опарин M Ю, Бушуев Е H Разработка и испытания системы автоматизированного химконтроля Na-катионированной установки Тобольской ТЭП // Повышение эффективности работы ТЭС и энергосистем сб науч трудов/Иван гос энерг ун-т-Иваново, 1998 -С 151-154

11 Таланов В Д, Плетников С Б Тренажерный комплекс по наладке систем регулирования теплоэнергетического оборудования // Опыт разработки, внедрения и эксплуатации автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП) тепловых и атомных электростанций сб инф -метод материалов - M АО "ВНИИЭ", 2000

12 Таланов В Д, Плетников С Б, Пушков В M Организация информационной связи между контроллером Ремиконт Р-130 и Lab VIEW // Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования материалы 111 науч -практ конф / Иван roc энерг ун-т - Иваново, 2002 -С 224-229

13 Таланов В Д, Мурзин А Ю, Плетников С Б Особенности моделирования теплоэнергетических объектов в среде Lab VIEW // Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования материалы ÏÏI науч -практ конф / Иван гос энерг ун-т-Иваново, 2002 -С 244 - 247

14 Плетников С Б Особенности разработки тренажеров систем автоматического регулирования ТЭС в среде LabVIEW // Состояние и перспективы развития энерготехнологии материалы междунар науч -техн конф (XII Бенардосовские чтения) / Иван гос энерг ун-т - Иваново, 2005 -С 132-133

15 Плетников СБ, Таланов ВД, Демин A.M. Технология создания программно-аппаратных комплексов для наладки регуляторов теплоэнергетического оборудования // Повышение эффективности работы теплоэнергетического оборудования материалы IV Всероссийской науч-практ конф /Иван гос энерг ун-т - Иваново, 2005 -С 161-165

16 Плетников С Б , Таланов В Д, Демин А М. Классификация программно-аппаратных комплексов для наладки регуляторов теплоэнергетического оборудования // Автоматизация производства науч -произв инф сб - M ЗАО "КомплексАвтоматика", 2005 - № 8 - С 1-5

17 Таланов В Д, Плетников С Б Опыт разработки тренажерного комплекса "Системы автоматизации оборудования ТЭС и АЭС" // Автоматизация производства науч -произв инф сб - M ЗАО "КомплексАвтоматика", 2005 -№8-С6-14

ПЛЕТНИКОВ СЕРГЕЙ БОРИСОВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ НАЛАДКИ РЕГУЛЯТОРОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия ИД № 05285 от 4 июля 2001 г Подписано в печагъ 24 04 2007 Формат 60x84 '/,6 Печать плоская Уел печ л 1,25 Тираж 100 экз Заказ №

ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им В И Ленина» 153003, Иваново, ул Рабфаковская, 34

Отпечатано в РИО ИГЭУ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МЕТОДИК И СРЕДСТВ ДЛЯ НАЛАДКИ И СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ.

1.1. Общая характеристика методик наладки промышленных АСР.

1.2. Наладка простых систем управления.

1.3. Наладка сложных систем управления. л * ' '

1.4. Особенности разработки моделей теплоэнергетического оборудования и элементов систем регулирования.

1.5. Постановка цели и задач исследования.

2. МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ.

2.1. Особенности моделирования регулирующих устройств и функциональных блоков технических средств автоматизации.

2.2. Моделирование регулирующих органов теплоэнергетического оборудования.

2.3. Особенности моделирования датчиков и исполнительных механизмов.

2.4. Моделирование теплоэнергетического оборудования.

2.5. Средства разработки моделей элементов АСР и оборудования.

2.5.1. Моделирование с использованием модуля «передаточная функция».

2.5.2. Моделирование элементов АСР с помощью базовых типовых звеньев.

2.5.3. Моделирование с использованием внешних функций и библиотек.

2.6. Особенности функционирования моделей элементов АСР.

2.7. Выводы по главе.

3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ НАЛАДКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ.

3.1. Система автоматического регулирования как объект синтеза.

3.2. Технология создания программно-аппаратных комплексов.

3.3. Требования к компонентам и их взаимодействие.

3.4. Особенности реализации программно-аппаратных комплексов.

4. СОЗДАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ НАЛАДКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ.

4.1. Программный комплекс «РАНАР» для параметрической настройки типовых АСР.

4.2. Программно-методический комплекс по наладке регуляторов теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС.

4.3 Микропроцессорная система управления бойлерной установки.

4.4. Автоматизированная система химконтроля Na-катионитовой установки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

Автоматизация технологических процессов играет решающую роль при организации промышленного производства. Особенно актуальна автоматизация в отраслях промышленности, продукция которых потребляется- большинством 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 центрах -пилотными 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 AGP; учитывающий особенности их структурной и аппаратной реализации и отличающийся использованием специализированных моделей элементов АСР и технологического оборудования электростанций;

2". Разработана технология- создания 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 характеризуются- двухмодульной структурой' построения с раздельным; выполнением модулями функций' оперативного управления (настройки) и: математического расчета, а такжеи независимой организацией,работы?вычислительного процесса модулей.

Практическая ценность заключается в том; что:

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

2. Создан ряд специализированных ПАК для- выработки практических навыков наладки АСР; проверки 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, внедрены; в; 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 управления; внедренные 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.

1. Автоматизация настройки системы управления / В .Я. Ротач и др.. М.: Энергоатомиздат, 1984.-272 с.

2. Автоматическое регулирование барабанных паровых котлов / А.С. Клюев,

3. A.Т. Лебедев, В.Д. Таланов. М.: Шаг, 1996. - 236 с.

4. Алгоритмы адаптации в системах управления энергоблоков / В.Я. Ротач,

5. B.Ф. Кузищин, В.П. Бутырев, В.Н. Солодовников // Теплоэнергетика. -1979. №8. - С. 21 -26.

6. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: справочник / Моск. энерг. ин-т. М., 1999. - 169 с.

7. Балакирев B.C., Дудников Е.Г., Цирлин А.М. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления.-М., 1967.-323 с.

8. Беляев Г.Б., Сабанин В.Р. Принципы математического моделирования теплоэнергетических объектов / Под ред. А.А. Бакластого / Моск. энерг. ин-т.-М., 1986.-83 с.

9. Бойков А.Д. Методы расчета систем автоматического управления с использованием вычислительных машин / Мордовск. гос. ун-т. Саранск, 1975.

10. Варламов И.Г., Сережин Л.П., Филимонов Б.В. Гаечный ключ для наладчика САР // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. - №9.

11. Виноградов А.Л. Разработка унифицированных математических моделей тепломеханического оборудования электростанций для тренажеров: авто-реф. дисс. канд. техн. наук / Иван. гос. энерг. ун-т. Иваново, 1997. - 20 с.

12. Вавилов К.В., Шалыто A. A. Lab VIEW и SWITCH-технология // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. - №6. - С. 39 - 41.

13. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. Введение в теорию. -М.: Наука, 1973.-400 с.

14. Графическое программирование систем измерений и автоматики в Lab VIEW первые шаги // Промышленные АСУ и контроллеры. -2003.-№8.-С. 43-44.

15. Демин A.M. Многофункциональная САУ пылесистемами прямого вдувания котлов с молотковыми мельницами при сжигании экибастузских углей: авто-реф. дисс. канд. техн. наук / Иван, энерг. ин-т. Иваново, 1992. - 17 с.

16. Демин A.M., Таланов В.Д., Плетни ко в С.Б. Двухуровневая система виртуальных средств обучения // Проблемы дистанционного обучения: тез. докл. на-уч.-метод. конф. / Ивановский гос. хим.-тех. ун-т. Иваново, 2000. - С. 19 - 20.

17. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. В 2 ч. Ч. 1. М.: Финансы и статистика, 1986. - 366 с.

18. Дульиев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигналов А.В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена: учеб. пособие для теплофизич. и теплоэнерге-тич. спец. вузов. -М.: Высш. шк., 1990. -207 с.

19. Иванов В.А. Регулирование энергоблоков. Л.: Машиностроение, 1982. - 311 с.

20. Иванов В.А. Режимы мощных паротурбинных установок. Л.: Энерго-атомиздат, 1986.-248 с.

21. Иванов В.Н., Лииатников Г.А. Математическое моделирование регенеративных подогревателей питательной воды // Изв. вузов. Энергетика. -1974.-№5.-С. 73-74.

22. Информационно-управляющая система бойлерной установки /I

23. В.Д. Таланов, Е.К. Журавлев, B.C. Крашенинников, С.Б. Плетников, В.А. Бабурин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -М.,2001. — №4. С. 19-22.

24. Кириллов И.И., Иванов В.А. Регулирование паровых и газовых турбин. -Л.: Машиностроение, 1966. 272 с.

25. Киселев И.Г., Крылов В.И., Соковишин Ю.Н. Математическое моделирование процессов теплообмена в трубопроводной арматуре // Изв. АН БССР. 1990.-№1.-С. 102- 108.

26. Клюев А.С., Лебедев А.Т., Новиков С.И. Наладка систем автоматического регулирования барабанных котлов. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 280 с.

27. Коган Б.Я. Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования. -М.: Физматгиз, 1963.

28. Козлов В.Н., Лавров Н.Н. Моделирование динамического режима работы теп-лообменного аппарата // Изв. вузов. Машиностроение. -1988. №8. - С. 56 - 60.

29. Кондрашин А.В. Аналитическое определение динамических характеристик теплоэнергетического оборудования: учеб. пособие / Иван, энерг. ин-т. -Иваново, 1973.- 100 с.

30. Кондрашин А.В. Технологические основы управления теплоэнергетическими процессами. -М.: Испо-Сервис, 2004. 316 е.: ил.

31. Магид С.И. Теория и практика тренажеростроения для тепловых электрических станций / Моск. энерг. ин-т. М., 1998. - 156 с.

32. Марунчак Л.В., Мельник Н.И. Построение математических моделей по переходным характеристикам для разработки систем управления энергетическими объектами // Контроль и управление в энергетике. Киев, 1988. - №7. - С. 66 - 70.

33. Методы расчета систем автоматического регулирования: учеб. пособие / Под ред. В.В. Волгина / Моск. энерг. ин-т. М., 1972. - 190 с.

34. Моделирование объекта и автоматических систем регулирования мощности и тепловой нагрузки теплофикационной турбины / Н.И. Давыдов и др. // Теплоэнергетика. 1998. - №10. - С. 2 - 12.

35. Моделирование отказов и неполадок энергоблока 300 МВт / B.C. Рабенко и др. // Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования: материалы Российской науч.-практ. конф. / Иван. гос. энерг. ун-т. Иваново, 2000. - С. 47.

36. Моисеев А.А. Программная реализация некоторых алгоритмов регулирования // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. - №4. - С. 41 - 43.

37. Наладка систем автоматического регулирования на аппаратуре АКЭСР-2: метод, указания к лаб. работам / Иван. гос. энерг. ун-т. Иваново, 2000.

38. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: справ, пособие / А.С. Клюев, А.Т. Лебедев, С.А. Клюев, А.Г. Товарнов. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

39. Петренко А.И., Семенков О.И. Основы построения систем автоматизированного проектирования. Киев: Вища школа, 1984.

40. Плетников С.Б. Моделирование работы регенеративных подогревателей паротурбинных установок // Вестник ИГЭУ. Иваново, 2002. - № 1. - С. 42 - 46.

41. Плетников С.Б. Моделирование элементов систем регулирования в среде Lab VIEW: метод, указания / Иван. гос. энерг. ун-т. Иваново, 2001. - 60 с.

42. Плетников С.Б. Особенности моделирования водяного тракта регенеративных подогревателей ПТУ для исследования уровня конденсата // Автоматизация производства: науч.-произв. инф. сб. М.: ЗАО "КомплексАвтоматика", 1998. -№1.- С. 36-38.

43. Плетнев Г.П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций: учеб. пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. - 368 е.: ил.

44. Плещев В.В. Выбор средств разработки программного обеспечения АСУ // Промышленные АСУ и контроллеры. 2003. - №8. - С. 32 - 35.

45. ПНАЭ Г-5-40-97. Требования к полномасштабным тренажерам для подготовки операторов блочного пункта управления атомной станции. Концерн "РОСЭНЕРГОАТОМ", 1997.-47 с.

46. Программно-технический комплекс "Квинт" / Н.М. Курносов, В.В. Певзнер, А.Г. Уланов, Е.А. Яхин // Теплоэнергетика. 1993. -№10. - С. 2 - 10.

47. Профос П. Регулирование паросиловых установок. М.: Энергия, 1967. - 368 с.

48. Разработка библиотеки типовых программ для моделирования АСУ энергоблоков 300, 500, 800, 1200 МВт: отчет ЦНИИКА, Ш-74-40-38. -М., 1974.

49. Расчет трехконтурных систем регулирования температуры острого пара энергоблоков / В.Я. Ротач, Ю.Н. Вешнякова // Теория и практика построения и функционирования АСУ ТП: труды Международ, науч. конф. -М.:Издательство МЭИ, 2005. 216 е.,ил.

50. РД 153-34.1-35.418-2002. Методические указания по наладке системы регулирования процесса горения газомазутных котлов. М.: СПО ОРГРЭС, 2003. - 75 с.

51. Ротач В.Я. К расчету систем автоматического регулирования со вспомогательными информационными каналами методом многомерного сканирования// Теплоэнергетика. 2001. №11. С.32-36.

52. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. -М.: Энергия, 1973. -440 с.

53. Ротач В.Я., Кузищин В.Ф., Лысенко С.Б. Реализация функции автоматизированной настройки в микропроцессорном контроллере ПРОТАР // Теплоэнергетика. 1989. - №10. - С. 4-8.

54. Рубашкин А.С. Построение математической модели энергоблока для обучения и тренировки оперативного персонала // Теплоэнергетика. ,1990. -№11.-С. 9-14.

55. Рущинский В.М., Давиденко К.Я. Нелинейная математическая модель прямоточного котлоагрегата сверхкритических параметров пара // Теплоэнергетика. 1971. - №7. - С. 12 - 17.

56. Рущинский В.М., Хвостова Н.Я., Цюрик В.Н. Уравнения динамики участков котлоагрегатов с однофазной средой: труды ЦНИИКА, №16. М.: Энергия, 1967.

57. Сабанин В.Р., Смирнов Н.И., Репин А.И. Модифицированный генетический алгоритм для задач оптимизации и управления // Exponenta Pro. Математика в приложениях. 2004. - №4.

58. Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика процессов в тепло- и массообмен-ных аппаратах. М.: Энергия, 1967. - 168 с.

59. Сидоров М.М. Математическое моделирование процесса вскипания воды в ПНД смешивающего типа: труды ЦКТИ, №202, 207. Л., 1983.

60. Скурихин В.И., Шифрин В.Б., Дубровский В.Б. Математическое моделирование. -Киев: Техника, 1983. 270 с.

61. Сметана А.З., Кюнер И.Н. Особенности регулирования уровней в регенеративных подогревателях с каскадных соединением дренажей // Теплоэнергетика. 1972. - №9. - С. 21 - 26.

62. Сметана А.З. Опыт эксплуатации систем регулирования уровней в ПВД: труды УралВТИ. Челябинск, 1975. - №7.

63. Смирнов Н.И., Сабании В.Р., Репин А.И. Робастные многопараметрические регуляторы для объектов с транспортным запаздыванием // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. - №7. - С. 35 - 38.

64. Смирнов Н.И., Сабанин В.Р., Репин А.И. О корректности настройки ПИД-регулятора при аппроксимации переходной характеристики объекта // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. - №5. - С. 41 - 44.

65. Софронов С.В., Волков А.В., Ноговицына Т.Е. Комплекс для моделирования и отладки микропроцессорных систем управления технологическими процессами // Новые информационные технологии: материалы науч.-практич. семинара / МГИЕМ. -М., 1999. С. 95-101.

66. Справочник по теории управления / Под ред. А.А. Красовского. М.: Наука, 1987.

67. Стефании Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. — М.: Госэнергоиздат, 1960. 368 е.: ил.

68. Схема автоматического регулирования барабанных котлов БКЗ-420-140 / Ю.С. Тверской и др. // Энергетик. 1989. - № 7. - С. 17 - 20.

69. Таланов В.Д., Плетников С.Б. Программный комплекс для расчета динамики групп ПВД паротурбинных установок // Автоматизация производства: науч.-произв. инф. сб. М.: ЗАО "КомплексАвтоматика", 1998. - №1. - С. 21 - 23.

70. Тарарыкин С.В., Бурков А.П., Волков А.В. Последовательное проектирование и отладка микропроцессорных систем управления // Приводная техника. 2002. - № 1. - С. 23 - 29.

71. Тверской Ю.С., Таламанов С.А. Особенности реализации расширенной концепции проектирования систем управления при создании автоматизированного энергетического оборудования: материалы XI Всесоюзн. совещ. по пробл. упр. М., 1989. - С. 328 - 329.

72. Тверской Ю.С. Методы и алгоритмы машинного расчета автоматических систем регулирования тепловых процессов: учеб. пособие / Иван, энерг. ин-т. Иваново, 1979. - 89 с.

73. Тверской Ю.С. Технология создания АСУТП на базе сетевой иерархической структуры // Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования: материалы IV Российской науч.-практ. конф. / Иван. гос. энерг. ун-т. -Иваново, 2005.-С. 141 146.

74. Тепловые и атомные электрические станции: справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. - 624 е.: ил.

75. Типовая энергетическая характеристика турбоагрегата К-300-240 JIM3. -М.: СПО ОРГРЭС, 1976. 28 с.

76. Федоров В.И., Марценюк З.А. Метод элементарных балансов для расчета нестационарных процессов поверхностных теплообменных аппаратов. -Киев: Наукова думка, 1977. 143 с.

77. Фомичев А.А. Автоматизация построения компьютерных противоаварийных тренажеров для электротехнического персонала электрических станций: авто-реф. дисс. канд. техн. наук / Иван. гос. энерг. ун-т. Иваново, 1998. - 22 с.

78. Френкель А.Я. Шаговый численно-аналитический метод решения дифференциальных уравнений с нелинейной правой частью и его использование при моделировании тепловых процессов // Теплоэнергетика. 1974. - №6. - С. 21 - 26.161

79. Фролов С.В., Елизаров И.А., Глушков Р.А., Мокосеев В.В. Учебный лабораторный комплекс для подготовки специалистов по автоматизации // Промышленные АСУ и контроллеры. 2003. - №8. - С. 37 - 39.

80. Цветков Ю.В., Бирюков С.Ю. Модернизация АСУ ТП электростанций с внедрением современных программно-технических комплексов// Теория и практика построения и функционирования АСУ ТП: труды Международ, науч. конф. -М.:Издательство МЭИ, 2005.-216 е.,ил.

81. Целищев Е.С. Технология автоматизированного проектирования технической структуры систем управления тепловых электростанций: автореф. дисс. докт. техн. наук / Иван. гос. энерг. ун-т. Иваново, 2000. - 34 с.

82. Черномзав И.З. Математическая модель турбины К-200-130 для исследования процессов противоаварийного управления // Теплоэнергетика. -1994.-№4.-С. 19-22.

83. Численно-аналитический метод решения систем дифференциальных уравнений и его использование для моделирования типовых звеньев: отчет ЦНИИКА, НО-74-40-10. М.,1974. >

84. Шевяков А.А., Яковлева Р.В. Инженерные методы расчета динамики те-плообменных аппаратов. М.: Машиностроение, 1968. - 326 с. к

85. Штейнберг Ш.Е., Залуцкий И.Е., Сережин Л.П., Варламов И.Г. Настройка и адаптация автоматических регуляторов. Инструментальный комплект программ // Промышленные АСУ и контроллеры. 2003. - №10.

86. Штейнберг Ш.Е., Залуцкий И.Е. Адаптация стандартных регуляторов к условиям эксплуатации в промышленных системах регулирования // Промышленные АСУ и контроллеры. 2003. - №4.

87. Шуин В.А., Мурзин А.Ю., Лившиц А.С. Выбор методов неявного интегрирования для построения дискретных моделей элементов электроэнергетических систем // Вестник ИГЭУ. 2004. - № 4. - С. 52 - 55.

88. LabVIEW для всех / Дж. Тревис: Пер. с англ. М.: ДМК Пресс; Прибор Комплект, 2005. - 544 е.: ил.

89. LabVIEW 7: справочник по функциям / Под. ред. А.Я. Суранова. М. ПриборКомплект, 2005.