ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА УСТАНОВКИ ГЛИКОЛЕВОЙ ОСУШКИ ГАЗА. Часть 3

1 2 3

---

Расчет оптимальных настроек регулятора уровня 

Идентификация объекта регулирования по переходной характеристике

 

Автоматическое поддержание уровня ДЭГа в абсорбере на заданном уровне – важнейшая функция проектируемой системы автоматизации. Традиционно для этих целей применяются регуляторы с PID (Proportional-Integral-Derivative) алгоритмом. Согласно статистическим данным [26] PID-регуляторы обеспечивают в 5÷100 раз большую точность управления по сравнению с позиционными регуляторами при прочих равных условиях.

Центральным вопросом при проектировании систем управления является вопрос оптимизации настроек PID-регулятора, которые на прямую зависят от характеристик объекта управления. В данном разделе идентификация объекта с целью определения его математической модели производится по переходной характеристике (рисунок 4.1). 

 

Рисунок 4.1 – Переходная характеристика изменения уровня в абсорбере, полученная при изменении положения регулирующего клапана на 5%

Значения температуры, определенные по графику переходной характеристики на рисунке 4.1 приведены в таблице 4.1. Эти значения использованы для аналитической идентификации объекта в System Identification пакета Matlab (рисунок 4.2).

 

Таблица 4.1 – Значения уровня зафиксированные при ступенчатом изменении положения регулирующего органа на 5%

 

Точность параметрического оценивания данных в System Identification существенно выше по сравнению с графическим методом касательной, поскольку производится аналитически. Пользователю предоставляется большой выбор моделей, идентификация которых возможна (рисунок 4.3).

Рисунок 4.2 – Интерфейс System Identification в пакете Matlab

 

Рисунок 4.3 – Типы моделей, идентификация которых возможна при помощи пакета System Identification 

 

К тому же пользователь получает дополнительные возможности по:

• анализу и обработке входных данных;
• подбору структуры и порядка модели;
• оцениванию параметров заданной модели;
• проверке полученной модели на достоверность.

 

Данные таблицы 4.1 использованы как вектора u и h, импортированные из Workspace Matlab, и являются исходными данными в System Identification (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 – Импорт исходных данных из Workspace

 

Теоретические сведения о процессах с монотонным характером, каким является график переходной характеристики на рисунке 4.1, позволяют предположить, что модель объекта лучше всего искать в классе передаточных функций для апериодического звена с запаздыванием. Такой вид модели может быть идентифицирован в System Identification при выборе способа оценивания Process model (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 – Выбор способа оценки значений параметров модели

Функция Process Model выдает результат идентификации в виде, показанном на рисунке 4.6.

 

        Kp = 31.518 +/- 0.025726                                  

       Tp1 = 56.84 +/- 1.7302                                     

        Td = 14.01 +/- 0.34898  

Рисунок 4.6 – Результат идентификации

 

Определение параметров настройки регулятора

 

В данном разделе производится определение параметров настройки PID-регулятора для контура регулирования уровня в абсорбере.

Методы определения оптимальных настроек регуляторов, известные в теории автоматического управления [27], либо требуют громоздких математических расчётов, либо используют приближённые формулы и номограммы, что не позволяет адекватно настроить PID-регулятор. Повысить эффективность процедуры определения параметров регулятора путем использования современных специализированных инструментариев и средств моделирования, наиболее широко применяемым из которых является MatLab компании MathWorks. Для настройки параметров регуляторов пакет MatLab/Simulink функцию PID Tuner в приложении System Control Designer. 

Применение функции PID Tuner требует создания в Simulink модели САР, показанной на рисунке 4.7 [28].

Рисунок 4.7 – Simulink-модель системы автоматического регулирования

Модель представляет последовательное соединение блоков регулятора, блока с передаточной функцией апериодического звена и блока запаздывания, охваченных отрицательной обратной связью. Коэффициентами передаточной функции для блоков апериодического звена первого порядка и запаздывания являются динамические характеристики объекта регулирования, определенные в System Identification.

Функция PID Tuner вычисляется автоматически параметры PID-регулятора с учетом оптимизации установленных показателей качества регулирования и оценки робастности во временной области, или частотой среза и запасом устойчивости по фазе в частотной области. 

Функция PID Tuner выдает результат в виде графика переходного процесса  в САР, модель которой создана в Simulink, с оптимизированными настройками регулятора, которые можно просмотреть таблично. На рисунках 4.8 и 4.9 показаны результаты выполнения функции PID Tuner для PI и PID регуляторов соответственно.

 

а)

б)

Рисунок 4.8 – Результат выполнения функции PID TUNER для PI-регулятора:

а) график переходного процесса; б) показатели качества и робастности.

а)

б)

Рисунок 4.9 – Результат выполнения функции PID TUNER для PID-регулятора:

а) график переходного процесса; б) показатели качества и робастности.

Анализ качественных показателей регулирования на рисунках 4.8 и 4.9 позволяет сделать вывод, что применение PID-регулятора не дает существенного улучшения. Для обеспечения удовлетворительного качества регулирования достаточным является применение PI-регулятора.

Выводы по разделу

 

Динамические характеристики объекта управления определены аналитически по данным оцифровки переходной характеристики, полученной при открытии регулирующего клапана на 5%, при помощи System Identification пакета Matlab.

С учетом полученных динамические характеристики объекта управления произведена оптимизация настроек PID-регулятора при помощи функции PID Tuner. Проверка полученных коэффициентов регулятора позволила убедиться, что они обеспечивают удовлетворительное качество регулирования. Основные результаты приведены в таблице 4.2.

 

Таблица 4.2 – Основные результаты расчета контура регулирования уровня в абсорбере

 

Заключение

Создание ИУС объектов газовой отрасли в настоящее время является актуальной задачей в связь с растущими затратами на их обслуживание и повышающимися требованиями к безопасности технологического процесса.

Для повышения качества управления установкой гликолевой осушки газа была разработана информационно-управляющая система с классической трехуровневой структурой.

На нижнем уровне применены приборы КИПиА преимущественно производства Siemens, анализатор точки росы и исполнительный механизм трубопроводной арматуры отечественного производства. 

Контроллер ControlLogix 5580 был выбран в качестве наилучшего решения для построения ИУС установки, выбрана его проектная конфигурация в соответствии с информационной емкостью проектируемой ИУС. Разработаны алгоритмы управления для программирования контроллера в среде Studio 5000 Logix Designer на языках стандарта IEC 61131-3.

Для верхнего уровня ИУС разработан выбрана конфигурация АРМ оператора. Программное обеспечение АРМ оператора установки разработано с применением программного пакета RSView32. Обмен информацией между контроллером и верхним АРМ оператора осуществляется при помощи протокола Ethernet/IP.

Рассчитаны оптимальные настройки для системы автоматического регулирования уровня ДЭГа а абсорбере. Динамические характеристики объекта управления определены аналитически по данным оцифровки переходной характеристики, полученной при открытии регулирующего клапана на 5%, при помощи System Identification пакета Matlab.

С учетом полученных динамические характеристики объекта управления произведена оптимизация настроек PID-регулятора при помощи функции PID Tuner. Проверка полученных коэффициентов регулятора позволила убедиться, что они обеспечивают удовлетворительное качество регулирования.

Список использованных источников

1. Добыча газа в России [Электронный ресурс]. URL: https://www.interfax.ru/russia/644896 (дата обращения: 06.05.2020). 
2. СТО Газпром 089-2010. Газ горючий природный, поставляемый и транспортируемый по магистральным газопроводам. Технические условия [Электронный ресурс]. URL: http://elima.ru/docs/index.php?id=7966 (дата обращения: 08.05.2020).
3. Вяхирев, Р.И. Теория и опыт добычи газа. [Текст] / Р.И. Вяхирев, Ю.П. Коротаев, Н.И.Кабанов – М.: Недра, 1998. — 479 с.
4. Скоробогатов, В.А. Проблемы ресурсного обеспечения добычи природного газа в России до 2050 года/ В.А. Скоробогатов, С.Н. Сивков, С.А. Данилевский // Вестник газовой науки. – 2016. – №5(16). – С.4-14. 
5. Технологический регламент автоматизированного технологического комплекса УКПГ-5с. – 1999. – 146 с. 
6. СТО Газпром 2-2.1-1043-2016. Автоматизированный газовый промысел. Технические требования к технологическому оборудованию и объёмам автоматизации при проектировании и обустройстве на принципах малолюдных технологий [Электронный ресурс]. URL:  https://www.researchgate.net/profile/Ve_Stolyarov/publication/338375964_PUBLICNOE_AKCIONERNOE_OBSESTVO_GAZPROM_standart_organizacii_AVTOMATIZIROVANNYJ_GAZOVYJ_PROMYSEL_TEHNICESKIE_TREBOVANIA_K_TEHNOLOGICESKOMU_OBORUDOVANIU_I_OBEMAM_AVTOMATIZACII_PRI_PROEKTIROVANII_I_OBUST/links/5e0fcc0f92851c8364b010bc/PUBLICNOE-AKCIONERNOE-OBSESTVO-GAZPROM-standart-organizacii-AVTOMATIZIROVANNYJ-GAZOVYJ-PROMYSEL-TEHNICESKIE-TREBOVANIA-K-TEHNOLOGICESKOMU-OBORUDOVANIU-I-OBEMAM-AVTOMATIZACII-PRI-PROEKTIROVANII-I-OBUST.pdf (дата обращения: 08.05.2020).
7. Лаврухин, Р.С. Разработка и внедрение АСУ ТП установки комплексной подготовки газа / Р.С. Лаврухин [Текст] // Автоматизация в промышленности – 2016. – №8. – С.22-27.
8. Алиев, Р.А. ИУС газопромысловых объектов: современное состояние и перспективы развития. [Текст] / Р.А.Алиев, А.К.Арабский, О.Б.Арно, С.И.Гункин, Э.Г.Талыбов.— М.: Инфра-Инженерия, 2014.— 462 c.
9. Системы автоматизированного управления различного уровня для объектов добычи, транспорта и подземного хранения газа [Электронный ресурс]. URL:  http://www.gazprom-auto.ru/upload/iblock/3b5/3b5a33af245cc72a9df048be6befd97a.pdf (дата обращения: 08.05.2020).
10. SITRANS P Измерительные преобразователи для избыточного, абсолютного, дифференциального давления, расхода и уровня [Электронный ресурс]. URL: http://www.ste.ru/siemens/pdf/rus/dsiii.pdf (дата обращения: 06.05.2020).
11. Приборы для измерения температуры SITRANS T [Электронный ресурс]. URL: http://dfpd.siemens.ru/assets/files/SC/PS1/FI01-08%20Thermo-resistance.pdf  (дата обращения: 06.05.2020).
12. SITRANS LC 300 — Датчики уровня емкостные непрерывного действия [Электронный ресурс]. URL: http://simatic-market.ru/search/#list/SITRANS%20LC%20300 (дата обращения: 06.05.2020).
13. Pointek CLS [Электронный ресурс]. URLhttp://simatic-market.ru/catalog/Siemens-CA01/10000083/ (дата обращения: 06.05.2020).
14. Датчик расхода SITRANS MASS 6000 [Электронный ресурс]. URL: https://kiptm.ru/images/Production/siemens/sitrans_f_c/mass6000/massflo-mass-6000.pdf (дата обращения: 06.05.2020).
15. КОНГ-ПРИМА-10 [Электронный ресурс]. URL: http://npovympel.ru/products/products-gigro/gigrometry/analizator_kongprima10/ (дата обращения: 06.05.2020).
16. Электропривод РэмТЭК для трубопроводной арматуры [Электронный ресурс]. URL: https://sargazarm.ru/pdf/katalogi/remtek.pdf (дата обращения: 06.05.2020).
17. Руководство пользователя ControlLogix 5580 and GuardLogix 5580 Controllers Rockwell-Software. –  2017. – 278 с. 
18. Fastwel CPM–723 [Электронный ресурс]. URL:  https://www.fastwel.ru/products/fastwel-io/programmiruemye-kontrollery-uzla-seti/kontroller-programmiruemyy-universalnyy-protokol-peredachi-modbustcp/  (дата обращения: 14.05.2020).
19. Программируемые контроллеры S7‐1200 [Электронный ресурс]. URL:  https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:2961db0147fb92fd02cb65dea800734f8a911ac5/version:1532090091/st70-simatic-s7-1200.pdf (дата обращения: 16.05.2020).
20. Технические данные 1756 ControlLogix I/O Specifications [Электронный ресурс]. URL: https://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/td/1756-td002_-en-e.pdf  (дата обращения: 19.05.2020).
21. Automation System Design Software Studio 5000 [Электронный ресурс]. URL: https://www.rockwellautomation.com/global/products/factorytalk/overview.page?pagetitle=Studio-5000-Design-Software&docid=5ab2b75609a270c180a32208b634cac7  (дата обращения: 19.05.2020). 
22. Подробное сравнение SCADA систем для Российского рынка [Электронный ресурс]: URL: http://scadanews.ru/catalog2.php  (дата обращения: 10.05.2020)
23. Пользовательский интерфейс, SCADA-пакеты [Электронный ресурс]: Энциклопедия АСУ ТП. URL: http://bookasutp.ru/Chapter9_4.aspx   (дата обращения: 10.05.2020).
24. RSView32 [Электронный ресурс]. URL: https://www.eskovostok.ru/catalog/software/capacity/rsview32  (дата обращения: 19.05.2020).
25. Технология EtherNet/IP [Электронный ресурс]. URL: https://isup.ru/articles/3/1500/ (дата обращения: 19.05.2020).
26. Мелков Д. А. Сравнение методов настройки ПИД-регулятора при колебаниях параметров возмущающего воздействия // Молодой ученый. — 2013. — №4. — С. 72-76. — URL https://moluch.ru/archive/51/6506/ (дата обращения: 24.05.2020).
27. Коломыцев, В.Г Модификация временного метода Зиглера – Никольса и оптимизация параметров ПИД-регуляторов средствами MATLAB [Текст] / В.Г.Коломыцев, Г.И. Рустамханова //Фундаментальные исследования. – 2016. – № 11 (часть 3) – С. 526-531.
28. Настройка параметров ПИД-регулятора [Электронный ресурс]. URL: http://www.contravt.ru/?id=345 (дата обращения: 19.05.2020).   

 

---

1 2 3