Разработка систем управления в жизненном цикле сложных

промышленных объектов

О.С. Козлов,

доц, к.т.н., МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва

Л.М. Скворцов,

зав. лаб., к.т.н.,

МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва

В.Н.Петухов,

техн. директор, 

К.А. Тимофеев,

вед. программист, г. Москва

В.В. Ходаковский,

рук. группы,  к.т.н.,

ООО «ЗВ Технологии», asutp@3v-techno.com, г. Москва

Компании «ЗВ Технологии» на базе новой версии программного комплекса «Моделирование В Технических Устройствах» (ПК «МВТУ») представляет программную среду для проектирования и моделирования сложных промышленных объектов, позволяющую повысить эффективность и качество разработки автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), а так же снизить общую стоимость работ на всех этапах жизненного цикла промышленного объекта.  

Основным преимуществом предлагаемого решения является оптимальное сочетание графического интерфейса и расчетного ядра реализующего авторские методы расчета.

Гибкий графический интерфейс предназначен для создания функциональных диаграмм управления, технологических схем промышленных объектов, структурных схем математических моделей. Обширная библиотека типовых блоков, встроенный язык программирования и удобный редактор структурных схем обеспечивают построение и наглядное представление на экране компьютера самых разнообразных математических моделей.  Интерфейс позволяет осуществлять оформление документации согласно требованиям Российских и международных стандартов и (или) любых внутренних стандартов предприятий.

Расчетно-исследовательское ядро обеспечивает моделирование нестационарных процессов, а также позволяет выполнять частотный и корневой анализ проектируемой системы, синтез и оптимизацию структуры и параметров системы управления.

Основные возможности ПК "МВТУ" изложены в [1, 2], а более подробную информацию и последнюю типовую учебную версию можно получить на сайте http://www.3v-techno.ru.

1.1  Концептуальное (эскизное) проектирование

На этапе концептуального проектирования промышленного объекта в среде ПК «МВТУ» выполняется формирование математической модели объекта и его АСУ ТП. Возможность быстрого создания математической модели позволяет разработчикам уже на этапе эскизного проектирования рассчитывать и анализировать поведение объекта в динамике. Один из наших клиентов ФГУП НИИКИЭТ использовал МВТУ в концептуальном проекте перспективной реакторной установки (РУ) повышенной безопасности – РУ БРЕСТ ОД-300. В данном проекте средствами ПК «МВТУ» реализована  динамическая модель процессов, протекающих в РУ БРЕСТ ОД-300. На рисунке 1 представлена структурная схема математической модели одной из подсистем первого контура реактора.

рис. 1  Одна из структурных схем математической модели динамики РУ БРЕСТ ОД-300

Разделение общей модели на субструктуры позволяет при необходимости уточнять и дополнять любую часть модели для получения более точного расчета переходных процессов. Например, на рисунке 2 приведена внутренняя структура математической модели динамики стержней управления (блок «Ро_АР стрежни АР» на рис.1). В данной схеме по мере уточнения модели постепенно добавлялись новые блоки, такие как инерционность двигателя, люфт. Структурная схема позволяет в дальнейшем, при необходимости, поменять эти блоки на более точную модель электродвигателя конкретной марки. При этом структурная схема более высокого уровня (см. рис. 1) не изменяется.

рис. 2  Структурная схема динамики стержней АР

Описание рабочих процессов в виде структурной схемы позволило не только определить основные параметры будущего объекта не только в стационарных режимах работы, но и в переходных процессах: пуск; переход на другой уровень мощности; проектные аварийные ситуации; срабатывание систем безопасности и т.п.

Математическая модель в среде ПК «МВТУ» является основой для проектирования  АСУ ТП уже на стадии эскизного проектирования самого объекта. Использование ПК «МВТУ» при проектировании позволяет начать оптимизацию алгоритмов управления объектом на самой ранней стадии эскизного проекта. Концептуальная модель может быть в любой момент уточнена, дополнена и использована на других этапах проектирования.

Другим примером применения технологии ПК «МВТУ» является проектирование Волгоградского ПХГ. В данном проекте математические модели объекта управления и АСУ ТП создавались параллельно, при этом разделение математической модели объекта и математической модели АСУ ТП было выполнено согласно  реальному разделению объекта и АСУ ТП. В математической модели Волгоградского ПХГ были созданы «точки контроля» - аналоги датчиков в реальном объекте, а также элементы типа «оборудование» - аналоги исполнительных механизмов реального объекта (см. рис. 3).

рис. 3  Структурная схема модели ПХГ с точками контроля и исполнительными механизмами 

Концептуальный проект АСУ ТП, проверенный и отлаженный на концептуальной модели, является основой для формирования проекта АСУ ТП на этапе рабочего проектирования. Для создания рабочего проекта системы управления необходимо постепенными приближениями уточнять и дополнять концептуальный проект АСУ ТП.

1.2 Рабочее проектирование

На этапе рабочего проектирования объекта осуществляется выпуск проектной документации, которая целиком описывает реальный объект. На данном этапе есть возможность создать полномасштабную математическую модель  промышленного объекта. Проект АСУ ТП на данном этапе представляет собой набор функциональных диаграмм алгоритмов, которые передаются изготовителю аппаратуры управления.

Наши заказчики для формирования проектной документации используют программный пакет SimInTech,  созданный на базе технологии ПК «МВТУ». SimInTech позволяет формировать проектную документацию по АСУ ТП, оформленную в полном соответствии с ГОСТ, ISO или внутреннем стандарте предприятия (см. рисунок 4)

Сформированный в среде SimInTech проект одновременно является математической моделью АСУ ТП. Алгоритмы управления проверяется непосредственно во время создания их диаграмм (путем запуска на расчет). Для проверки работоспособности задаются входные воздействия и исследуется отклик системы. В случае наличия концептуальной или полномасштабной математической модели объекта возможно проведение комплексного моделирования АСУ ТП + модель объекта.

рис. 4  Лист проекта системы управления оформленный по стандарту АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ

На этапе проектирования сложных промышленных объектов во многих отраслях промышленности уже используются специализированные расчетные программы, описывающие динамику рабочих процессов. Открытый интерфейс МВТУ позволяет осуществить совместное моделирование, подключив проект-модель АСУ ТП к стороннему расчетному коду. В данном случае модель АСУ ТП управляет моделью промышленного объекта.

 

рис. 5  Схема комплексной модели ТС ВСТО

При проектировании трубопроводной системы Восточная Сибирь Тихий Океан (ТС ВСТО) для расчета динамических процессов перекачки нефти используется расчетный код Cassandra. Данный код является проверенным и сертифицированным средством расчета трубопроводных систем. Для проверки регламента перекачки нефти в среде ПК «МВТУ» была создана математическая модель единой системы управления (ЕСУ). Модель ЕСУ подключалась к модели ТС ВСТО (код Cassandra), образуя комплексную модель ТС ВСТО, которая позволяет осуществлять проверку работы трубопроводной системы в различных динамических режимах.

На рисунке 5 представлена структурная схема комплексной модели ТС ВСТО. Данная модель содержит в себе следующие части, полностью реализованные средствами ПК «МВТУ»:

Блоки управления – структурные схемы, реализующие управление отдельными технологическими элементами (блок управления задвижкой, блок управления клапаном, регулятора и т.п.).

Алгоритмы – реализованные в виде структурных схем алгоритмы управления объектом (данный набор схем фактически являться оформленном согласно ГОСТ проектом АСУ ТП).

Панели управления – видеокадры управления рабочего места диспетчера.

База данных сигналов – средство обмена данными и синхронизации расчетов различных частей математической модели.

Подобная структура модели применяется для самых разных промышленных объектов, для которых необходимо разрабатывать АСУ ТП. Применение ПК «МВТУ» при проектировании АСУ ТП позволяет расчетным образом проверить правильность проектных решений, используя существующие расчетные коды (например, Cassandra). В случае, когда готовой тестовой модели объекта нет, можно задать входные воздействия или создать тестовую модель в среде ПК «МВТУ».

Особенностью проекта ТС ВСТО является использование модуля  технической анимации для создания видеокадров интерфейса управления. Разработанные видеокадры полностью повторяют проектируемые штатные видеокадры системы управления. Таким образом, комплексная математическая модель позволяет полностью проверить человеко-машинный интерфейс управления объектом на этапе проектирования, без необходимости приобретения специализированной SCADA системы.

 

1.3 Изготовление

Основным преимуществом использования ПК «МВТУ» на этапе изготовления аппаратуры АСУ ТП является автоматизация создания текста программы для программируемых логических контроллеров (ПЛК).  ПК «МВТУ» из диаграммы алгоритмов формирует исходный текст управляющей программы на следующий языках программирования:

-     Cи, стандарта ANSI С;

-     ST, входящий в номенклатуру языков программирования для управления (стандарт IEC1131-3);

-     FIL, язык для программирования аппаратуры систем безопасности АЭС с реактором РБМК-1000.

Автоматизация процесса генерации управляющей программы в ПК «МВТУ» сокращает сроки создания программ для систем управления на 50 – 80%.

Кроме автоматической генерации кода, использование ПК «МВТУ» позволяет осуществить отладку аппаратуры управления до поставки ее на объект. Например, при изготовлении АСУ ТП для АЭС БУШЕР ПК «МВТУ» использовался для создания полномасштабного полигона. Математическая модель АСУ ТП АЭС подключалась к математической модели АЭС. По мере изготовления аппаратуры часть схем из модели управления отключалась и заменялась реальными стойками управления. Сравнение результатов моделирования позволяло выявить отклонения в работе аппаратуры от проектных данных. Постепенное замещение математической модели аппаратурой управления позволило проверить всю систему управления до поставки ее на объект.

Подобная проверка позволяет не только выявить отклонения в работе системы управления от проекта, но и осуществить проверку нештатных и аварийных режимов работы промышленного объекта. Использование математического моделирования позволяет выявить до 90% ошибок и несоответствий в работе АСУ ТУ и сократить время отладки на объекте в 2 – 3 раза.   

 

рис. 6  Использование ПК «МВТУ» на этапе изготовления

Модуль генерации программы может быть настроен на создания программы в любом формате. Например, для контроллеров фирмы Schneider Electric компанией «ЗВ Технологии» создана интеграция, позволяющая не только формировать тексты управляющих программ, но и форматировать эти тексты для среды программирования Unity. Проект проекта АСУ ТП, выполненный в ПК «МВТУ», автоматически конвертируется в проект для среды Unity, полностью готовый для загрузки в контроллер. Подобная автоматизация позволяет отказаться от ручного набора текста управляющей программы. 

Литература

1.       Козлов О. С., Кондаков Д. Е., Скворцов Л.М. и др. Программный комплекс для исследования динамики и проектирования технических систем // Информационные технологии. – 2005. – № 9. – С. 20–25.

2.       Козлов О.С., Кондаков Д.Е., Скворцов Л.М. и др. Программный комплекс "Моделирование в технических устройствах". http://model.exponenta.ru/mvtu/20050615.html.