Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1. Анализ проблем создания полномасштабных АСУТП тепловых электростанций. Постановка задачи исследования 15
1.1. Особенности полномасштабных АСУТП 15
1.2. Основные проблемы полномасштабных АСУТП 17
1.3. Анализ технологии создания АСУТП на базе ПТК 19
1.4. Анализ особенностей реализации АСР в составе полномасштабных АСУТП 25
1.5. Анализ проблемы совершенствования технологии разработки и ввода в действие АСР в составе АСУТП 28
1.6. Определение цели и задач исследования 33
1.7. Выводы 34
Глава 2. Анализ методов и алгоритмов идентификации объектов регулирования 37
2.1. Характеристика класса задач идентификации и параметрической оптимизации АСР 37
2.2. Анализ алгоритмов оценки переходных характеристик объектов регулирования 44
2.3. Анализ методов и алгоритмов оценки частотных характеристик объектов регулирования 51
2.4. Анализ особенностей вычисления расширенных КЧХ по переходным характеристикам 60
2.5. Выводы 63
Глава 3. Разработка метода получения оптимальных интервальных оценок частотных характеристик 66
3.1. Подходы к получению интервальных оценок динамических характеристик 66
3.2. Теоретические основы алгоритма определения дисперсии оценки КЧХ, полученной на основе обработки временных характеристик по методике совмещения "в нуле" 73
3.3. Теоретические основы алгоритма определения дисперсии оценки КЧХ, полученной на основе обработки временных характеристик по методике совмещения "по нулевым линиям" 81
3.4. Обобщение метода определения дисперсии оценки КЧХ на объекты интегрирующего типа 88
3.5. Анализ интервальных оценок частотных характеристик 94
3.6. Метод определения оптимальных интервальных оценок КЧХ объектов регулирования 102
3.7. Выводы 111 стр. Глава 4. Разработка теоретических основ алгоритмов параметрического синтеза типовых замкнутых систем регулирования по интервальным оценкам КЧХ 4.1. Анализ особенностей базового алгоритма параметрического синтеза 114
4.2. Анализ подходов к решению задачи параметрического синтеза двухконтурныхАСР 123
4.3. Теоретические основы итерационных процедур расчета двухконтурных АСР 129
4.4. Теоретические основы алгоритмов параметрического синтеза робастных АСР . 140
4.5. Выводы 148
Глава 5. Разработка методических основ построения и исследования расчетных процедур автоматизации настройки систем регулирования 151
5.1. Отображение концептуальной модели класса задач на функциональную структуру программного комплекса идентификации и параметрического синтеза АСР 151
5.2. Методические основы построения подсистем идентификации и параметрического синтеза АСР 159
5.3. Методические основы проведения и анализ результатов испытаний алгоритмов параметрического синтеза двухконтурных АСР по переходным характеристикам объектов регулирования 169
5.4. Выводы 190
Глава 6. Совершенствование технологии создания и освоения АСУТП с применением разработанных методов и алгоритмов автоматизации настройки АСР 192
6.1. Методические основы реализации функции АСУТП по контролю
качества автоматического регулирования и автоматизации настройки АСР 192
6.2. Совершенствование технологии создания и освоения АСУТП с применением полигонных версий систем управления 199
6.3. Анализ результатов промышленного применения методики автоматизации настройки АСР в составе портативного комплекса АРС анализа и регистрации сигналов 221
6.4. Уточнение и дополнение методики решения задач контроля качества автоматического регулирования, диагностирования исполнительных устройств и автоматизации настройки АСР для условий штатной промышленной эксплуатации АСУТП 223
6.5. Перспективные направления применения результатов, полученных при совершенствовании методологии автоматизации настройки АСР в составе АСУТП на базе ПТК сетевой организации 229
6.6. Выводы ; 2
Введение к работе
Проблема создания современных АСУТП для реализации эффективного контроля и управления технологическим оборудованием представляется в настоящее время актуальной для большинства функционирующих и вновь строящихся тепловых электростанций страны. Технической базой современных АСУТП служат программно-технические комплексы (ПТК) сетевой организации. Современные ПТК, созданные на основе последних достижений в области информационных технологий, заменяют широкую номенклатуру специализированных технических средств контроля и управления (вторичные контрольно-измерительные приборы; аналоговую аппаратуру или автономные микропроцессорные контроллеры автоматического регулирования; комплексы технологических защит; вычислительные комплексы информационно-вычислительных систем и т.д.). При этом ПТК сетевой организации становится основой единой информационно-технической среды полномасштабной АСУТП, для которой характерны охват (контролем и управлением) широкого класса технологического оборудования {как тепломеханического, так и электротехнического) и реализация средствами ПТК всех основных функций системы (как информационных, так и управляющих).
Замена существующих систем контроля и управления (СКУ), реализованных с помощью морально устаревших "традиционных" технических средств автоматизации, на современные полномасштабные АСУТП несомненно приводит к снижению издержек их эксплуатации, повышению надежности систем, другим положительным моментам. Однако основной эффект от полномасштабных АСУТП может быть достигнут только на основе существенного расширения объема функций новых систем управления и повышения качества их выполнения.
На эффективность АСУТП наибольшее влияние оказывают следующие факторы:
- технический уровень базового ПТК;
- оптимальность (совершенство) алгоритмов реализации функций;
- отработанность технологии создания АСУТП. Фактор технического уровня ПТК, представлявшийся до последнего времени наиболее критичным для успешного создания АСУТП, к настоящему моменту потерял свою остроту вследствии существенно возросших технических возможностей (переход на более мощные микропроцессорные контроллеры, использование стандартных сетей с высокой скоростью обмена и т.д.) и накопленного опыта создания новых систем управления, благодаря которому появились соответствующие отработанные (на уровне ПТК) технические решения.
Фактор оптимальности (совершенство) алгоритмов реализации функций АСУТП (способов управления, схемных решений и др.) всегда остается в центре внимания исследований и инжиниринга при создании системы управления. Наиболее критичен этот фактор для новых типов энергетического оборудования (например, газотурбинных и парогазовых установок), а также для более высокого уровня требований к автоматизируемому оборудованию (например, по участию энергоблоков ТЭС в регулировании частоты и мощности в энергосистеме). Вместе с тем нельзя не отметить, что критичность этого фактора полностью зависит от конкретного объекта управления, специфических условий его функционирования и степени отработанности технических решений по контролю и управлению технологическими процессами по данному виду автоматизируемого оборудования.
Фактор совершенства технологии выполнения работ по созданию систем управления, в свою очередь, представляется существенным для систем управления любыми промышленными объектами. При этом состав и содержание отдельных стадий (этапов) работ существенно зависит от используемых технических средств и функциональных задач, выполняемых системой управления. Для полномасштабных АСУТП характерно как применение нового класса технических средств автоматизации (ПТК сетевой организации), так и существенное расширение решаемых функциональных задач. Поэтому направление совершенствования технологии создания АСУТП представляется потенциально перспективным как для снижения издержек в ходе проектирования и ввода в действие систем управления, так и для повышения их эффективности в целом.
Проблемы технологии выполнения работ по созданию СКУ (АСУТП) ТЭС обсуждаются и анализируются в течение всего периода развития систем управления [2,18,56,65 ,92 г96 ,108 ,1631175,207,215 ,229 ,233,242,263 и др.]. При этом одним из основных недостатков, присущих традиционной технологии создания СКУ оборудования ТЭС, считалось существование "разрыва" между замыслом проектировщиков (на стадии проектирования системы) и его практическим воплощением на стадии ввода системы в действие по наиболее сложным функциям СКУ: автоматические системы регулирования (АСР), в том числе системы автоматического управления мощностью энергоблоков; программы логического функционально-группового управления пуском и остановом оборудования и др.. Существование этого "разрыва" приводило к тому, что освоение наиболее сложных задач СКУ растягивалось на длительный период или принималось решение о нецелесообразности (невозможности) их реализации в проектном объеме.
С учетом отмеченного обстоятельства в ходе дискуссий, проходивших в восьмидесятые годы по проблемам теории и практики построения АСУТП ТЭС, была выдвинута концепция "сквозного" проектирования систем управления [95,242,271 и др.]. Суть этой концепции заключается в неразрывности процессов проектирования и ввода в действие системы управления с обеспечением их поддержки соответствующими инструментальными средствами (САПР). Конечным результатом "сквозного" автоматизированного проектирования служит система управления, готовая к штатной эксплуатации в промышленных условиях.
Концепция "сквозного" проектирования послужила основой научного направления, развиваемого на кафедре систем управления ИГЭУ . В рамках работ по этому направлению в процессе "сквозного" автоматизированного проектирования СКУ (АСУТП) выделены следующие основные стадии [207,215 ,271]:
1) функциональное проектирование (алгоритмический синтез), при выполнении которого на основе расчетных статических и динамических характеристик объекта управления проводится структурный и параметрический синтез алгоритмов управления и оценивается эффективность синтезируемых систем путем их имитационного моделирования [183 ,184 и др.];
2) конструкторское проектирование (технический синтез), проведение которого включает в себя разработку рабочей документации проекта технической структуры системы управления (схемы принципиальные электрические и монтаж-но-коммутационные, спецификации рабочие и заказные, кабельные журналы и т.д.) [272,273 и др.];
Руководитель направления -д.т.н, профессор Ю.С. Тверской, 3) технологическое проектирование (ввод в действие), выполнение которого включает в себя монтаж, наладку и испытания системы управления, которые выполняются как в промышленных условиях, так и предварительно на стенде (полигоне) с имитационной моделью объекта управления [7,270,274 и др.].
Технология "сквозного" проектирования и инструментальные средства ее поддержки постоянно совершенствуются одновременно с развитием систем управления оборудованием ТЭС, Для текущего момента времени в связи с начавшимся широким применением в тепловой энергетике полномасштабных АСУТП на базе ПТК характерно следующее состояние:
- для стадии функционального проектирования, техническим содержанием которой служит синтез алгоритмов решения функциональных задач АСУТП без привязки к конкретной программно-аппаратной реализации, возможно применение мощных инструментальных средств расчета и моделирования систем управления [34,118 ,200 ,203,204 и др.];
- для стадии конструкторского проектирования, технический объем которой в полномасштабной АСУТП существенно сокращается (по сравнению с традиционной СКУ) в связи с реализацией большей части алгоритмов контроля и управления в виде программного обеспечения ПТК, разработаны и осваиваются соответствующие системы автоматизированного (автоматического) проектирования (например, [240]);
- для стадии технологического проектирования, наиболее ответственной с точки зрения получения эффективной (оптимальной) системы управления, опыт широкого промышленного применения инструментальных средств по автоматизации этой стадии в условиях ПТК АСУТП отсутствует [137].
Отсутствие адаптированных к условиям ПТК инструментальных средств автоматизации технологического проектирования (полигонных испытаний и ввода в действие систем управления) приводит к снижению качества выполнения наиболее сложных функций АСУТП (в первую очередь, автоматического регулирования), а также к дополнительным издержкам в ходе соответствующих режимно-наладочных работ.
Для функции автоматического регулирования этот недостаток (в виде отсутствия инструментальных средств автоматизации настройки АСР в составе АСУТП на базе ПТК) служит основной причиной низкой точности поддержания основных технологических параметров и, как следствие, снижения технико-экономических показателей (экономических потерь), что характерно, по-видимому, не только для тепловой энергетики, но и для промышленности в целом [137]. Более того, для тепловой энергетики повышение качества автоматического регулирования становится проблемой, актуальной для всей отрасти в связи с привлечением энергоблоков ТЭС к регулированию частоты и мощности в энергосистеме [173].
Настоящая работа нацелена на совершенствование методологии (как комплекса методов и алгоритмов) автоматизации настройки АСР теплоэнергетическими объектами с учетом возросших требований к качеству автоматического регулирования и специфики реализации АСР в составе полномасштабных АСУТП на базе ПТК сетевой организации. В практическом плане исследование направленно на совершенствование инструментальных средств автоматизации настройки АСР с перспективой их применения на стадии технологического проектирования систем управления (полигонных испытаний и ввода в действие) и при эксплуатации АСУТП тепловых электростанций (ТЭС).
В первой главе диссертации дана характеристика полномасштабных АСУТП тепловых электростанций и технологии их создания. Для всех стадий создания новых систем управления рассмотрено техническое содержание работ по реализации АСР в составе АСУТП на базе ПТК. Проведен анализ возможных подходов к решению задачи оптимизации АСР в составе АСУТП при условии непрерывного действия случайных эксплуатационных возмущений и неопределенности динамических свойств объектов управления, сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе рассмотрен класс задач идентификации и параметрического синтеза АСР, проведен анализ базовых методов и алгоритмов получения математических моделей объектов регулирования. Для условий решения задачи идентификации в среде ПТК АСУТП предпочтение отдано методам и алгоритмам получения моделей объектов в форме комплексных частотных характеристик (КЧХ) "вход-выход".
В третьей главе разработан метод получения оптимальных интервальных оценок КЧХ на основе экспериментальных переходных характеристик объектов регулирования. В основу метода положена модель случайного процесса возмущений в виде канонического разложения [141], применение которой позволило разработать алгоритм вычисления дисперсий оценок КЧХ и далее определять соответствующие доверительные эллипсы рассеивания (интервальные оценки частотных характеристик).
В четвертой главе разработаны теоретические основы алгоритмов параметрического синтеза для типовых структур АСР при использовании в качестве исходных данных непараметрических моделей объектов управления в частотной области (в виде таблиц точечных или интервальных оценок КЧХ). Предложены итерационные процедуры расчета двухконтурных АСР, а также алгоритм параметрического синтеза робастных систем регулирования, гарантирующий заданное качество функционирования АСР в условиях неопределенности динамических свойств объектов управления.
В пятой главе разработаны методические основы технологии идентификации и параметрического синтеза АСР. Определена структура программно-методического комплекса идентификации и параметрического синтеза АСР, в основу которой положена концептуальная модуль рассматриваемого класса задач в виде ориентированного графа. Проработаны вопросы организации программных подсистем комплекса, разработана методика и выполнен анализ результатов испытаний итерационных алгоритмов параметрического синтеза двухконтурных АСР.
В шестой главе на основе полученных результатов проработаны вопросы совершенствования технологии создания и освоения АСУТП. Дано обоснование технологии решения новых функциональных задач контроля качества и автоматизации настройки АСР в составе АСУТП на базе ПТК сетевой организации. Рассмотрены особенности реализации технологии "сквозного" проектирования для систем управления на базе ПТК сетевой организации, обобщен.опыт проведения работ начального этапа модернизации СКУ и создания АСУТП и сформирована соответствующая методика. Разработана методика реализации полигонных версий АСУТП и освоения на их основе новой информационной технологии управления с применением ПТК сетевой организации. Обобщены результаты применения методики автоматизации настройки АСР на полигоне АСУТП и в промышленных условиях. Дана характеристика перспективных направлений применения основных результатов выполненного исследования с учетом тенденций развития современных АСУТП.
В целом выполненный в рамках подготовки диссертационной работы комплекс исследований направлен на решение актуальной научно-технической про блемы совершенствования методологии автоматизации настройки АСР, функционирующих в составе АСУТП тепловых электростанций.
Работа выполнена в Ивановском государственном энергетическом университете (ИГЭУ) на кафедре систем управления (СУ). Основная часть исследований проводилась автором в рамках подготовки диссертации в докторантуре ИГЭУ в 1999-2001 гг. По материалам диссертации опубликовано 47 статей, 22 тезиса докладов, 2 учебных пособия.
Исследования выполнялись при поддержке грантов Министерства образования РФ:
- проект 2.1.1(15.8).041.133 "Учебная лаборатория "Системы автоматического управления технологическими объектами" Программы 2001-2002 гг. "Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования" (автор выполнял функции ответственного исполнителя работ по проекту);
- проект ТОО-1.2-3174 "Создание комплекса имитационных макромоделей пылесистем по схеме прямого вдувания котлов ТЭС для решения задач управления и диагностирования" конкурса 2000 г. по фундаментальным исследованиям в области технических наук (автор выполнял функции ответственного исполнителя работ по проекту);
- проект Т02-03.2-2281 "Исследование способов реализации имитационных моделей непрерывных технологических объектов в составе АСУТП на базе программно-технических комплексов сетевой организации" конкурса 2002 г. по фундаментальным исследованиям в области технических наук (автор является руководителем работ по проекту).
Выполнение исследований было тесно связано с процессами освоения новой информационной технологии управления и создания современных АСУТП энергоблоков ряда электростанций РАО "ЕЭС России" (Костромская ГРЭС, Рязанская ГРЭС, Череповецкая ГРЭС, Калининградская ТЭЦ-2 и др.), в которых ав-тор-принимал непосредственное участие.
Результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Вместе с тем диссертационная работа выполнена в рамках широкого направления совершенствования технологии создания интеллектуальных АСУТП электростанций, что нашло отражение в большом числе публикаций с соавторами. В публикациях по проблеме идентификации непрерывных технологических объектов управления автору принадлежит основной результат в виде теоретических основ метода определения интервальных оценок частотных характеристик, а также результаты анализа методик идентификации с учетом условий ПТК АСУТП. Вклад соавторов заключается в исходной постановке задачи определения эллипсов рассеивания КЧХ, оценке сходимости функциональных рядов дисперсий КЧХ, участии в расчетах для конкретных примеров применения метода и других технических процедурах.
В публикациях по проблеме параметрического синтеза АСР автору принадлежат основные результаты в виде теоретических основ алгоритмов робастнои настройки систем регулирования и построения в пространстве параметров АСР области заданного частотного показателя колебательности с учетом немонотонного "петлеобразного" поведения оценок КЧХ разомкнутых систем. Вклад соавторов заключается в постановке задачи построения областей гарантированного запаса устойчивости в пространстве параметров, реализации и исследовании итерационных процедур параметрического синтеза двухконтурных АСР, участии в расчетах по конкретным примерам применения разработанных алгоритмов.
В публикациях по задаче интеграции в составе АСУТП на базе ПТК средств автоматизации настройки и проблеме совершенствования технологии создания АСУТП автору принадлежат основные результаты в виде комплекса методик по реализации новых функций систем управления (контроль качества автоматического регулирования, автоматизации настройки АСР), по разработке полигонных версий АСУТП с имитационными моделями реального времени для управляемого технологического оборудования, по выполнению работ начального этапа модернизации СКУ и созданию АСУТП. Вклад соавторов заключается в общей постановке проблем создания АСУТП ТЭС, технической реализации полигона АСУТП, решении комплекса других исследовательский задач в полигонных и промышленных условиях.
Исследования, связанные с совершенствованием технологии создания современных АСУТП и развертыванием в ИГЭУ новой лаборатории "Полигон АСУТП электростанций", выполнялись под руководством научного консультанта д.т.н., профессора Ю.С. Тверского при участии автора (в качестве ответственного исполнителя работ), а также к.т.н., доцента А.В. Мурина, к.т.н., доцента В.В. Давыдова, аспирантов А.В. Голубева, А.Н. Никонорова, И.Е. Харитонова, Е.Д. Маршалова и других преподавателей и сотрудников кафедры СУ ИГЭУ. Математические выкладки, приведенные з приложениях П2, ПЗ, выполнены при участии к.т.н., доцента Н.Д. Агафоновой. Разработка и исследования итерационных алгоритмов расчета двухконтурных АСР (результаты которых отражены в п.4.2, приложениях П4, П6) выполнялись при участии М.Ю. Тверского.
Существенная часть исследований выполнялась на полигоне ПТК "Квинт" кафедры СУ ИГЭУ при многосторонней поддержке GO стороны ведущих специалистов ГНЦ "НИИТеплоприбор" А.Г. Уланова, B.C. Шведскогс, U.K. Сандлера, Е.А. Яхина и многих других сотрудников, которым автор выражает свою глубокую благодарность.
Практические аспекты применения полученных результатов неоднократно обсуждались со специалистами ведущих наладочных организаций А.А. Сорокиным, А.А. Назаровым и др. (ОАО "Электроцентроналадка"), В.Г. Михзльченко, А.И. Федоровым, В.К. Терещенко и др. (фирма ОРГРЭС) и электростанций В.Е. Назаровым, В.Л. Перцевым и др. (ОАО "Костромская ГРЭС"), В,П. Саяпиным, Н.А. Гусевым, А.С. Мартыновым и др. (ОАО "Рязанская ГРЭС"), Ю.В. Андреевым, Е.А. Смирновым, В.П. Вишневым и др. (Череповецкая ГРЭС) и многих других, которым автор выражает признательность за внимание к проводимым исследованиям и полезные замечания.
Автор ощущал постоянную помощь и поддержку научного консультанта, проректора ИГЭУ, заведующего кафедрой СУ, действительного члена академии инженерных наук РФ, д.т.н., профессора Ю.С, Тверского и всех преподавателей и сотрудников кафедры СУ, которым он выражает свою искреннюю признательность и глубокую благодарность.
Пользуясь представившейся возможностью автор благодарит д.т.н.. профессора Э.Л. Ицковича, д.т.н., профессора В.Я. Ротача, д.т.н., профессора Н.И.Давыдова, к.т.н., с.н.с. В.А. Биленко, д.т.н., профессора Б.Ф.Фомина, сотрудников кафедры АСУТП Московского энергетического института и кафедры автоматики и процессов управления Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета за конструктивную доброжелательную критику отдельных положений диссертации и ряд ценных замечаний, сделанных на различных этапах выполнения и апробации работы.
