Содержание к диссертации
Введение
1 Общие принципы построения и настройки нижнего уровня контроля и автоматического управления современных распределенных автоматизированных систем (SCADA-систем) на примере системы управления горячим водоснабжением на ЦТП 11
1.1 Общие принципы построения и архитектура современных SCADA-систем на распределенных и локальных объектах 11
1.2 Система автоматизированного управления ЦТП на базе контроллеров MOSCAD 16
1.3 Исследование эффективности действующего алгоритма регулирования температуры ГВС на ЦТП 25
1.4 Выводы об эффективности используемого алгоритма регулирования температуры ГВС на ЦТП и наличии средств для поиска и апробации различных алгоритмов регулирования 34
2 Исследования влияния методов численного дифференцирования на динамику систем с ПИД-регулятором 36
2.1 Проблема численного дифференцирования в системах с ПИД-регулятором 36
2.2 Особенности использования ПИД-регуляторов в цифровых контроллерах 39
2.3 Структурная схема системы регулирования температуры ГВС на ЦТП 58
2.4 Исследование частоты срабатывания исполнительного реле и точности системы в зависимости от коэффициента в знаменателе реального дифференцирующего звена ПИД-регулятора 62
2.5 Реализация классического численного метода расчета производной по двум отсчетам 66
2.6 Реализация численного дифференцирования на основе интерполяционного полинома Ньютона 69
2.7 Общий вывод на основе проведённых исследований 72
3 Комплекс программно-аппаратных средств для исследования объектов управления и апробации алгоритмов регулирования 74
3.1 Трудности исследования объекта управления и промышленной апробации алгоритмов регулирования 74
3.2 Принципы структурного построения мобильного модуля 77
3.3 Интеграция модуля в САУ объекта управления 77
3.4 Аппаратный состав модуля 79
3.5 Программный состав модуля 81
3.6 Обеспечение возможности интеграции модуля с САУ 88
3.7 Методика проведения экспериментов по идентификации элементов системы и общие принципы получения информации об эффективности алгоритмов регулирования 89
3.8 Общие выводы 91
4 Идентификация элементов системы регулирования температуры ГВС на ЦТП 92
4.1 Получение переходных характеристик теплообменника 92
4.2 Структурная и параметрическая идентификация теплообменника 96
4.3 Вывод разностного уравнения, описывающего динамику теплообменника 98
4.4 Идентификация клапана 100
4.5 Идентификация возмущения, вызванного случайным потреблением горячей воды 102
4.6 Идентификация датчика температуры и приводного двигателя 106
4.7 Общие выводы 106
5 Динамическая модель системы регулирования температуры ГВС на ЦТП 107
5.1 Необходимость создания модели системы регулирования температуры ГВС на ЦТП и её общее описание 107
5.2 Настройка регулятора 109
5.3 Постановка экспериментов на модели системы регулирования температуры ГВС 113
5.4 Выводы о выборе алгоритма регулирования на основе поставленных на модели экспериментов 127
6 Промышленная апробация модифицированного алгоритма регулирования температуры ГВС на ЦТП 129
6.1 Оценка эффективности алгоритмов регулирования в рабочем режиме и при изменении уставки 129
6.2 Оценка эффективности алгоритмов регулирования в рабочем режиме при малых и пиковых нагрузках 136
6.3 Общие выводы по функционированию алгоритмов регулирования 144
Заключение 147
Список литературы 149
Приложение 1 156
- Исследование эффективности действующего алгоритма регулирования температуры ГВС на ЦТП
- Исследование частоты срабатывания исполнительного реле и точности системы в зависимости от коэффициента в знаменателе реального дифференцирующего звена ПИД-регулятора
- Методика проведения экспериментов по идентификации элементов системы и общие принципы получения информации об эффективности алгоритмов регулирования
- Идентификация возмущения, вызванного случайным потреблением горячей воды
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке мобильного модуля для исследования динамки и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в составе современных распределенных автоматизированных систем.
Актуальность работы. Современная автоматизированная распределенная система диспетчерского контроля и управления (SCADA-система) - это комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. Несмотря на то, что техническая реализация ^СЖУ-системы может осуществляться различными техническими средствами, общие принципы ее построения сохраняются неизменными. Подобные системы nr,orr<aMMHnv!QTCH и пеализх/ются ПО17 конкретные объекты и в большинстве случаев не позволяют обслуживающему персоналу проводить сложные отладочные работы. В то же самое время, разработчики подобных распределенных систем сталкиваются с проблемами выбора, отладки и внедрения алгоритмов регулирования локальных систем автоматики сложных объектов в промышленную эксплуатацию. Часто объекты, для которых разрабатываются SCADA-системы, хотя и предназначены для решения одних и тех же задач, однако реализованы в различные годы и имеют в своем составе разнотипное оборудование. Характерным примером служат городские системы контроля и управления отоплением и горячим водоснабжением. Центральные тепловые пункты (ЦТП) в одном и том же районе могут иметь различное основное технологическое оборудование (теплообменники, насосы, датчики и т.д.) и поэтому требуют настройки регуляторов систем автоматического управления (САУ) под конкретные динамические характеристики оборудования, входящего в контур управления. Аналогичные задачи возникают и в уже действующих системах, когда производится частичная модернизация или замена технологического оборудования.
Для сложного объекта решение задачи выбора наиболее эффективного, с точки зрения поставленного критерия, алгоритма локального регулирования часто не является возможным путем использования действующей системы автоматического управления, т.к. на неё, как правило, возложено множество иных, дополнительных функций, не связанных напрямую с регулированием данного параметра.
В ходе апробации и внедрения выбранного алгоритма регулирования в опытную промышленную эксплуатацию, проведение экспериментов на действующей САУ может нарушить ее работу и, в некоторых случаях, даже повлечь за собой возникновение аварийных ситуаций.
В связи с этим актуальной задачей является создание мобильного модуля, представляющего собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий, не нарушая работы подсистем действующей САУ и без
вывода САУ в режим обслуживания, повысить эффективность работы существующих алгоритмов регулирования или апробировать новые алгоритмы регулирования в отдельно взятых контурах САУ.
На данный момент на рынке существует множество видов как аналоговых, так и цифровых регуляторов, позволяющих взять на себя управление одним или несколькими контурами САУ. Обычно такие устройства либо используют различные алгоритмы самонастройки для определения параметров регулятора, либо предлагают ввод этих параметров в ручном режиме. Однако, как правило, функциональности таких устройств недостаточно для осуществления сравнительного анализа различных алгоритмов регулирования и оценки качества регулирования. Между тем, оценка качества регулирования, в особенности на объектах с большими постоянными времени (например, тепловые объекты), является трудоемкой задачей.
Цель диссертационной работы — разработка с общих позиций структуры и конкретная реализация мобильного программно-аппаратного модуля для исследования и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в объектах с большими постоянными времени на примере системы регулирования тепературы горячего водоснабжения (ГВС) на центральных тепловых пунктах (ЩТТ). Модуль должен относительно просто интегрироваться с одним или несколькими контурами действующей САУ, иметь удобные средства для локального и удаленного сбора больших объемов статистической информации с целью сравнительного анализа различных алгоритмов регулирования, интерфейсы для наглядного отображения в реальном времени значений дискретных и аналоговых параметров режима. Также должны быть предусмотрены средства, позволяющие как локально, так и удаленно изменять параметры алгоритма регулирования в реальном времени и, при необходимости, проводить активные и пассивные эксперименты на объекте управления с целью получения новых знаний об элементах системы.
Задачи исследования:
Анализ существующих подходов к реализации многоуровневых распределенных автоматизированных систем, имеющих уровни локальных систем автоматики, и выработка требований и основных принципов построения мобильного модуля для исследования и настройки систем локальной автоматики.
Исследование эффективности алгоритма регулирования с точки зрения частоты переключений исполнительных механизмов при сохранении требуемой точности системы и качества функционирования локальной системы на примере существующей системы горячего водоснабжения ЦТП с реализованным на базе контроллера MOSCAD алгоритмом ПИД регулирования.
Исследование влияния особенностей численного дифференцирования на динамику систем с ПИД-регулятором.
4. Исследование основных элементов системы регулирования температуры ГВС на ЦТП (проведение параметрической и структурной идентификации).
Научная новизна:
Разработаны принципы структурного построения мобильного модуля и реализован такой модуль для проведения исследований динамики систем и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в составе современных распределенных автоматизированных систем, не нарушая при этом функционирования других контуров системы и работы САУ в целом.
С использованием разработанного мобильного модуля показана возможность теоретического анализа и экспериментальных исследований функционирования как элементов локальной системы (на примере системы ГВС) так и всей системы в штатном режиме с целью улучшения ее технико-экономических и эксплуатационных характеристик.
Предложен метод расчета параметров дифференциальной составляющей в цифровом алгоритме ПИД-регулирования, повышающий качество регулирования в системах с ПИД-регулятором.
На защиту выносятся:
Принципы структурного построения мобильного модуля для проведения исследований динамики систем и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в составе современных распределенных автоматизированных систем, не нарушая при этом функционирования других контуров системы и работы САУ в целом.
Метод расчета параметров дифференциальной составляющей в цифровом алгоритме ПИД-регулирования, повышающий качество регулирования в системах с ПИД-регулятором.
Результаты исследования, проведенного на имитационной модели системы регулирования температуры ГВС на ЦТП.
Результаты по идентификации основных элементов системы и повышению эффективности алгоритма регулирования температуры ГВС на ЦТП, полученные при помощи разработанного программно-аппаратного комплекса средств.
Практическая значимость:
Разработана имитационная модель системы регулирования температуры ГВС на ЦТП, предоставляющая обслуживающему персоналу удобные средства для поиска наиболее эффективных с точки зрения поставленных критериев алгоритмов регулирования.
Спроектирован и сконструирован мобильный модуль на базе контроллера MOSCAD, представляющий собой аппаратно-
программный комплекс средств для апробирования и внедрения алгоритмов регулирования локальных систем с целью улучшения их технико-экономических и эксплуатационных характеристик. 3. Разработаны средства программного обеспечения (ПО) на базе контроллера MOSCAD, позволяющие:
как локально, так и удаленно производить сбор больших объемов статистической информации с целью сравнительного анализа различных алгоритмов регулирования;
взаимодействовать с интерфейсами наглядного отображения в реальном времени значений дискретных и аналоговых параметров режима;
- удобно проводить активные и пассивные эксперименты на
объекте управления с целью получения новых знаний об
элементах системы.
Публикации. По результатам работы имеется 4 публикации. В том числе одна в журнале, входящем в перечень ВАК.
Апробация работы. Результаты работы обсуждены на следующих конференциях и семинарах:
XV международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации". Сентябрь, 2006 г., Алушта.
Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". 1-2 марта 2007 г.
XVI международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации". Сентябрь, 2007 г., Алушта.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, списка литературы из 81 наименования и приложения, изложенных на 168 страницах машинописного текста, содержит 102 рисунка, 13 таблиц.
Исследование эффективности действующего алгоритма регулирования температуры ГВС на ЦТП
гулируемым параметром в системе является температура прямой воды, поступающей к потребителю (7). Температура прямой воды в системе должна поддерживаться постоянной в условиях действия возмущения, причиной которых является непостоянный расход горячей воды на стороне потребителей и, вследствие чего, подача в контур ГВС воды из водопровода. Также среди факторов, влияющих на температуру прямой воды, можно выделить непостоянство температуры и давления горячей сетевой воды, поступающей с теплостанции.
Управление двигателем клапана, регулирующим подачу горячей сетевой воды с теплостанции, осуществляется с помощью исполнительных реле. Срок безотказной службы регулирующей аппаратуры существенно уменьшается из-за чрезмерно частого срабатывания реле под действием возмущений, причиной которых является случайный характер потребления горячей воды. Регулирование температуры в системе ГВС происходит по следующей схеме. Датчик температуры, представляющий собой термосопротивление, измеряет температуру прямой воды Т, поступающей к потребителю. Сигнал с датчика поступает в регулятор, и, в зависимости от измеренной температуры и уставки Г , регулятором вырабатывается управляющее воздействие, которое преобразуется широтно-импульсным модулятором в импульс на открытие или закрытие клапана. Управление приводным двигателем, изменяющим положение клапана, осуществляется при помощи исполнительных реле. Передача тепла от сетевой воды к воде, поступающей к потребителю, происходит посредством теплообменника.
Таким образом, блок-схема системы регулирования температуры ГВС на ЦТП имеет следующий вид (Рис. 1.10). На данный момент в регуляторах в качестве алгоритма регулирования используется классический алгоритм ПИД-регулирования [9]. В дискретной форме алгоритм может быть представлен следующим образом (1.1), где ип -величина управляющего воздействия в текущий дискретный момент времени tn\ ЕП - величина рассогласования уставки и регулируемой переменной в соответствующий момент времени; кп, ки, кд - коэффициенты усиления соответственно пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих.
Данный алгоритм регулирования имеет ряд недостатков, одним из которых является его низкая помехоустойчивость [12, 13]. Как было упомянуто ранее, управление приводным механизмом клапана, регулирующего подачу сетевой воды, осуществляется при помощи исполнительных реле. Частота срабатывания реле в окрестностях рабочего режима напрямую зависит от уровня сигнала ошибки, усилению которого способствует операция дифференцирования, реализуемая в алгоритме ПИД-регулятора [10]. Чрезмерно частое переключение исполнительного реле уменьшает срок безотказной работы регулирующей аппаратуры.
Одним из способов сокращения общего числа срабатываний регулирующей аппаратуры является уменьшение общего коэффициента усиления ПИД-регулятора, однако, при этом уменьшается точность системы, а также увеличивается время регулирования [3,4,5].
Поиск более эффективного (с точки зрения минимизации частоты срабатывания исполнительных механизмов при сохранении, требуемой точности системы) алгоритма усложняется,тем, что в рассматриваемой САУ отсутствуют средства для идентификации основных элементов системы, вследствие чего имеется возможность производить параметрическую настройку регулятора только эмпирическими методами, проводя эксперименты на объекте управления. Проведение таких экспериментов на действующей системе может негативно повлиять на ее работу и, в худшем случае, вызвать возникновение аварийных ситуаций. Также возникают сложности с оценкой эффективности различных алгоритмов регулирования в связи с тем, что в рассматриваемой SCADA-CHCTQMQ на уровне ЦТП не производится сохранение параметров режима, т.к. они архивируются в диспетчерском пункте (ДП). Однако даже в ДП информация сохраняется с периодичностью, недостаточной для оценки эффективности функционирования того или иного алгоритма управления.
В связи с вышеизложенными трудностями, исследование эффективности существующего алгоритма регулирования проводилось трудоемким методом, а именно с помощью панели оператора, входящей в состав шкафа автоматики CAT ЦТП (1.2.7). С помощью панели оператора имеется возможность наблюдать значение интересующего параметра режима в реальном времени. Для оценки качества алгоритма регулирования необходимы данные об изменении контролируемой температуры и данные о работе исполнительных механизмов за некоторый интервал времени. Собранные с помощью панели оператора данные переносились на ЭВМ, синхронизировались и привязывались к единой временной шкале. Результаты анализа функционирования существующего алгоритма регулирования температуры ГВС на различных ЦТП представлены ниже.
Исследование частоты срабатывания исполнительного реле и точности системы в зависимости от коэффициента в знаменателе реального дифференцирующего звена ПИД-регулятора
Непрерывные переменные удобно использовать для анализа и синтеза ПИД-регуляторов. Для технического воплощения часто бывает необходимо перейти к дискретной форме уравнений, поскольку в наше время обычно основой регуляторов является микроконтроллер, контроллер или компьютер, который оперирует с переменными, полученными из аналоговых сигналов после их квантования по времени и дискретизации по уровню [6,14].
Вследствие конечного вычисления времени управляющего воздействия в микроконтроллере и задержки АЦП между моментом поступления аналогового сигнала на вход регулятора и появлением управляющего воздействия на его выходе появляется нежелательная задержка, которая увеличивает общую задержку в контуре регулирования и снижает запас устойчивости.
Основным эффектом, который появляется при дискретизации, является появление алиасных частот в спектре квантованного сигнала в случае, когда частота квантования недостаточно высока. Аналогичный эффект возникает при киносъемке вращающегося колеса автомобиля. Частота алиасного сигнала равна разности между частотой помехи и частотой квантования. При этом высокочастотный сигнал помехи смещается в низкочастотную область, где накладывается на полезный сигнал и создает большие проблемы, поскольку отфильтровать его на этой стадии невозможно.
Для устранения алиасного эффекта перед входом АЦП необходимо установить аналоговый фильтр, который бы ослаблял помеху, по крайней мере, на порядок на частоте, равной половине частоты квантования. Обычно для таких целей используют фильтр Баттерворта второго или более высокого порядка. Вторым вариантом решения проблемы является увеличение частоты квантования так, чтобы она, по крайней мере, в 2 раза (согласно теореме Котельникова) была выше максимальной частоты спектра помехи. Это позволяет после квантования применить цифровой фильтр низких частот. При такой частоте дискретизации полученный цифровой сигнал с точки зрения количества информации полностью эквивалентен аналоговому сигналу, и все свойства аналогового регулятора можно распространить на цифровой.
Переход к дискретным переменным в уравнениях аналогового регулятора выполняется путем замены производных и интегралов их дискретными аналогами.
Существует множество способов аппроксимации производных и интегралов их дискретными аналогами, которые изложены в курсах численных методов решения дифференциальных уравнений. В ПИД-регуляторах наиболее распространенными являются простейшие виды аппроксимации производной конечной разностью и интеграла - конечной суммой [6,14,26]. Рассмотрим интегральный член ПИД-регулятора: где индекс і означает, что данная величина взята в момент времени tl Из последнего выражения получим: Лучшими характеристиками обладает разностное уравнение, полученное при использовании правых разностей [78]: Здесь условие сходимости выполняется для всех At, и колебаний не возникает ни при каких значениях параметров. Кроме того, последняя формула позволяет "отключить" дифференциальную составляющую в ПИД-регуляторе путем назначения Та = 0, чего нельзя сделать в выражении (2.11), т.к. возникает деление на ноль. Можно использовать еще более точные формулы численного дифференцирования и интегрирования, известные из численных методов решения уравнений [77]. Величина такта квантования At выбирается как можно меньше, т.к. это улучшает качество регулирования. Для обеспечения хорошего качества регулирования он не должен быть больше чем 1/15... 1/6 от времени установления переходный характеристики объекта по уровню 0.95 или 1/4... 1/6 от величины транспортной задержки [14]. Однако при увеличении частоты квантования более чем в 2 раза по сравнению с верхней частотой спектра возмущающих сигналов (по теореме Котельникова) дальнейшего увеличения качества регулирования не происходит. Если на входе регулятора нет антиалиасного фильтра, то частоту квантования выбирают в 2 раза выше верхней граничной частоты спектра помехи, чтобы использовать цифровую фильтрацию [6,19]. Необходимо учитывать также, что исполнительное устройство должно успеть отработать за время At. Если контроллер используется не только для регулирования, но и для аварийной сигнализации, то такт квантования не может быть меньше, чем допустимая задержка срабатывания аварийной сигнализации.
Методика проведения экспериментов по идентификации элементов системы и общие принципы получения информации об эффективности алгоритмов регулирования
На стадиях идентификации элементов системы и внедрения алгоритмов регулирования в опытную промышленную эксплуатацию, а также сравнения качества функционирования различных алгоритмов регулирования на реальных объектах, обычно возникает ряд трудностей. Проблема заключается в том, что на данных стадиях часто требуется дополнительный сбор различной статистической информации для сравнительного анализа алгоритмов, сохранение истории изменений контролируемых параметров за длительный период времени, проведение на системе дополнительных активных экспериментов для идентификации элементов системы [57,59,61].
Для решения выше поставленных задач не всегда является возможным использование действующей САУ, т.к. на неё, как правило, возложено множество функций (1.3.1).
В ходе идентификации элементов системы и опытной эксплуатации алгоритмов регулирования, проведение экспериментов на действующей САУ может нарушить ее работу и, в худшем случае, повлечь за собой возникновение аварийных ситуаций. Таким образом, при идентификации элементов системы и апробации модифицированного алгоритма регулирования на реальном объекте основная задача заключалась в том, чтобы, не нарушая работы подсистем действующего шкафа автоматики CAT ЦТП, получить характеристики основных элементов системы и, в дальнейшем, подтвердить эффективность работы выбранного алгоритма регулирования температуры ГВС. Рассмотрим более подробно трудности, возникающие при идентификации элементов системы ГВС. На Рис. 3.1 схематично изображён шкаф автоматики CAT ЦТП. Основная проблема, возникающая при идентификации элементов системы регулирования температуры ГВС, заключается в том, что у модуля ЦПУ нет свободных портов для локального подключения компьютера. Как видно из Рис. 3.1, первый порт ЦПУ обслуживает панель оператора GK-10, второй -используется для опроса модулей ввода/вывода, третий - управляет радиостанцией, передающей данные о работе ЦТП в центральный диспетчерский пункт. Невозможность подключения к ЦПУ локального компьютера без нарушения функциональности действующей САУ делает затруднительным сбор информации, поступающей с различных датчиков и необходимой для идентификации того или иного элемента системы. К тому же, даже при наличии возможности подключения компьютера к модулю ЦПУ, данных, хранимых в памяти контроллера, было бы недостаточно по причине слишком большого интервала дискретизации. Таким образом, имелось две возможности получения информации, необходимой для идентификации основных элементов системы регулирования температуры ГВС. Первый способ заключался в том, что история всех измерений с каждого ЦТП хранится в центральном диспетчерском пункте (ЦДЛ). Однако, срезы данных с ЦТП поступают в ЦДЛ с периодичностью раз в минуту, так как пропускная способность радиоканала между ЦТП и диспетчерским пунктом невелика. Поэтому, при проведении какого-либо эксперимента на ЦТП по идентификации элемента системы, оказывается недостаточным получать значения интересующих параметров режима с минутной периодичностью. Например, переходный процесс, необходимый для параметрической и структурной идентификации теплообменника, длится 2-3 минуты. По значениям 2-3 измерений, которые была возможность получить от ЦДЛ, сложно понять даже характер переходного процесса, не говоря уже о параметрической идентификации элементов системы. Второй способ получения информации, необходимой для идентификации объекта управления, заключался в том, что часть параметров из базы данных контроллера доступна для просмотра с помощью панели оператора, подключенной к первому порту модуля центрального процессора (Рис. 3.1). К таким параметрам, например, относится температура прямой воды, по которой ведётся регулирование температуры ГВС. На панель оператора информация о текущих параметрах режима поступает с периодичностью 2 секунды. Такой интервал дискретизации является достаточным для построения переходных процессов в системе, необходимых для идентификации элементов системы. Однако при таком способе съёма данных существует ряд трудностей. Основная из них - данные на панели оператора визуализируются, однако их история не сохраняется. Исходя из вышесказанного, были предложены принципы структурного построения мобильного модуля для проведения исследований динамики систем и отладки алгоритмов регулирования систем локальной автоматики в составе современных распределенных автоматизированных систем. Мобильный модуль должен иметь в своем составе следующие функциональные блоки: 1. Блок, обеспечивающий информационную, программную и аппаратную независимость модуля от не исследуемых подсистем, входящих в САУ объекта; 2. Блок, предоставляющий возможность простой интеграции модуля с одним или несколькими исследуемыми контурами объекта управления; 3. Блок, предусматривающий накопление больших объемов статистической информации с целью идентификации элементов системы и сравнения эффективности функционирования различных алгоритмов регулирования; 4. Блок, предоставляющий возможность проведения как пассивных, так и активных экспериментов на объекте управления с целью получения новых знаний об элементах системы; 5. Блок, обеспечивающий как локальное, так и удаленное управление функциями модуля.
Идентификация возмущения, вызванного случайным потреблением горячей воды
При подключении к одному или нескольким контурам управления САУ, модуль является полностью независимым от САУ. Между модулем и САУ не происходит никакого информационного, программного или какого-либо другого вида взаимодействия. Единственное, что требуется для интеграции модуля в контур управления САУ — это заведение на платы ввода/вывода модуля необходимые аналоговые и дискретные сигналы с датчиков и исполнительных механизмов нижнего уровня.
Для преобразования аналоговых сигналов, поступающих с датчиков, в цифровой код в модуле используются стандартные токовые модули ввода/вывода 4-20 тА. Для преобразования дискретных сигналов, поступающих с датчиков, используются стандартные модули ввода/вывода типа "сухой контакт".
В модуле применены стандартизированные как программные, так и аппаратные средства. Взаимодействия между блоками модуля осуществляется по стандартным протоколам (например, Modbus). Для взаимодействия модуля с ЭВМ и другими, внешними устройствами предусмотрены стандартные интерфейсы (например, RS-232, RS-4&5).
В общем случае, различные эксперименты по идентификации основных элементов системы ГВС и опытная апробация различных алгоритмов регулирования проводились по следующей схеме. С помощью панели оператора, взаимодействующей с модулем центрального процессора, устанавливались необходимые для эксперимента параметры (коэффициенты алгоритма регулирования, метод численного дифференцирования, время пересчета управляющих воздействий и т.д.). С момента задания всех параметров и начала эксперимента в оперативной памяти контроллера (с настраиваемым периодом) сохранялись значения необходимых параметров (метка времени, температура прямой воды, состояние клапана, рассчитанное регулятором управляющее воздействие и т.д.). Далее, по завершению эксперимента, ко второму последовательному порту модуля центрального процессора подсоединялся персональный компьютер. С помощью панели оператора подавалась команда о выгрузке содержимого оперативной памяти контроллера через последовательный порт (интерфейс RS-232) и с помощью стандартного приложения Hyper Terminal на компьютере производилась запись в файл текстового формата всех сохраненных контроллером параметров. Объема оперативной памяти контроллера достаточно, чтобы производить запись пяти интересующих параметров с периодом раз в пять секунд в течение 24 часов. Вместо локального подключения компьютера для удаленного мониторинга может также использоваться GSM-модем.
По вышеописанной схеме проводились как активные эксперименты для сравнения эффективности различных алгоритмов регулирования и идентификации элементов системы, так и пассивные эксперименты для накопления большого объема статистической информации по работе различных типов алгоритмов регулирования.
Спроектированный и сконструированный мобильный модуль, после его интеграции в контур регулирования температуры ГВС на ЦТП, предоставил все необходимые средства для идентификации элементов системы с целью последующего создания имитационной модели системы и выбора наиболее эффективного с точки зрения поставленного критерия алгоритма регулирования.
Модуль также обеспечил удобство апробирования и внедрения алгоритмов регулирования, предоставил возможность удобного сбора всей необходимой статистической информации для сравнительного анализа работы алгоритмов и качества регулирования.
Также модуль минимизировал риск возникновения аварийных ситуаций на объекте во время апробации различных алгоритмов регулирования, т.к. модуль, интегрированный в контур регулирования температуры ГВС на ЦТП, является независимым от действующего шкафа CAT ЦТП, реализующего управление объектом.
Эксперимент по идентификации теплообменника проводился по следующей схеме. Отключался автоматический регулятор, управляющий клапаном подачи сетевой воды с теплостанции. Таким образом, активировался ручной режим управления клапаном. Далее проводился активный эксперимент. С помощью панели управления на дополнительном модуле клапан открывался (или закрывался) на некоторый угол по сравнению с его текущим положением. До конца установившегося режима производилось сохранение значений температуры прямой воды с дискретностью раз в секунду. Далее по методике, описанной в разделе 3.7, формировался файл с необходимыми данными. По полученным данным строился график переходного процесса по температуре прямой воды. Следует отметить, что управляющее воздействие в этом эксперименте не является скачкообразным, т.к. время открытия (или закрытия) клапана составляет примерно 5-8 секунд. Однако если учитывать, что длительность переходного процесса в системе составляет 2-3 минуты, такое управляющее воздействие можно приближённо считать скачкообразным. Открытие клапана на сравнительно малый угол (полное открытие/закрытие клапана занимает от 40 до 60 секунд) при проведении эксперимента по идентификации теплообменника производилось не случайно. Это позволяет избегать погрешностей, вносимых в процесс идентификации нелинейностями различного рода (как будет показано ниже, характеристика клапана является нелинейной).
