Авторы: Julia Nikolaevna Zatsarinnaya1*, NataliyaАlexandrovnaStaroverova2, AllaGrigorevna Logacheva1
Автор перевода: Тарасенко Д.В..
Источник (англ.): Simulation of pump performance control schemes with the use of the virtual model of the process
1 Kazan Power State University, Kazan, Russian Federation
2 Kazan National Research Technological University , Kazan, Russian Federation
Исследование схем управления производительностью насоса на основе дросселирования в зависимости от движущейся среды с использованием виртуальной модели процесса. Такой подход ускоряет и упрощает разработку и снижает риск ошибок, допущенных разработчиком при выполнении рутинных операций. В отличие от теоретических методов исследования, виртуальная модель процесса позволяет разработчику сосредоточиться на физике моделируемых действий или принципах функционирования технологических систем, не вникая в тонкости программирования. Установлено, что данный тренажер значительно улучшит работу оператора, обеспечит качественное управление процессом, а также позволит обеспечить безопасную работу в реальных условиях химико–технологического производства.
В современном мире вопросы энергосбережения тесно связаны с развитием мировой экономики и в последнее десятилетие становятся все более актуальными для российской экономики. Большинство крупных производств в России, таких как нефтяная и химическая промышленность, тепловые электростанции и нефтехимическая промышленность, были построены в бывшем СССР до 1980–х годов. Советская промышленность может характеризоваться ростом мощности на единицу агрегатов, ростом добычи нефти и газа и постоянно растущим спросом на электроэнергию. Это привело к строительству мощных масляных артерий и крупных электростанций. Несмотря на это, основной проблемой при эксплуатации нефтепроводов вплоть до 1980–х годов был поиск резерва для увеличения пропускной способности магистральных нефтепроводов. В середине 1980–х годов имела место тенденция к снижению добычи нефти, но в целом до 1990 года рост объемов перекачки все еще сохранялся. К концу 1990–х годов из–за политической и экономической нестабильности в России объемы прокачки нефти в некоторых трубопроводах сократились на 50%. В настоящее время объемы перекачки нефти увеличились на 30% по сравнению с 90–ми годами, но сокращение объемов перекачки ниже номинальной производительности перекачки привело к неэффективной работе насоса [1].
Целью нашей работы было моделирование схем управления производительностью насосов и повышение эффективности магистральных нефтепроводов с использованием виртуальной модели процесса, что приводит к экономии энергии при работе насосов в условиях недогрузки. Эта модель может быть использована для моделирования режимов работы дымососов и вентиляторов котлов, маслонасосных насосов и газоперекачивающих компрессоров.
В последние годы ведется интенсивная работа по экспериментальным и теоретическим исследованиям работы насосных станций переменного Режимы и методы контроля их работы в таких режимах рядом авторов, таких как А. А. Веремеенко, Е. В. Виноградова, Е. В. Вязунова, А. И. Голянова, Л. А. Зайцева, Л. Г. Колпакова, Ш. И. Рахматуллина, Н. З. Аитова, Г. С. Салащенко, В рассматриваемых работах отмечены три наиболее распространенные технические схемы управления работой насосов: управление частотой вращения ротора насоса с помощью двигателей с регулируемой частотой вращения; контроль скорости вращения ротора насоса с помощью специальных управляющих муфт; Изменение геометрии проточных каналов насоса и кинематики потока на входе в рабочее колесо.
Однако некоторые из перечисленных выше технических решений не применялись по ряду причин: отсутствие оборудования российского производства и это будет соответствовать требованиям к энергоемкому насосному и энергетическому оборудованию и отсутствию фундаментальных исследований в этой области. Проведение эксперимента было сдержанным из–за отсутствия математических моделей элементов системы, адекватно описывающих их характеристики. Мы провели сравнительное исследование схем управления производительностью насоса, основанных на обходе и дросселировании, в зависимости от движущейся среды путем моделирования виртуального процесса. Использование виртуальной модели процесса ускоряет и упрощает разработку, снижает риск ошибок, допущенных разработчиком при выполнении рутинных операций, позволяет разработчику сосредоточиться на физике моделируемых действий или принципах функционирования технологических систем. Не вдаваясь в тонкости программирования.
Можно выделить следующие основные исследовательские задачи:
Рассмотрены среды разработки тренажеров технологических процессов. Для анализа и сравнения были выбраны следующие системы:
Система CENTUM VP представляет собой распределенную систему управления производством, используемую для управления и контроля работы установок в самых разных отраслях промышленности: нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, целлюлозно–бумажной и других отраслях промышленности., Он состоит из следующих компонентов:
Система Trace Mode представляет собой программный пакет класса HMI SCADA, разработанный AdAstra Research Group. Он специализируется на разработке программного обеспечения для автоматизированных систем управления технологическими процессами, систем телемеханики, автоматизации зданий, систем учета электроэнергии, воды, газа, тепла, а также для контроля их работы в настоящее время [2].
Отличительной особенностью TRACE MODE является технология однострочного программирования
, то есть вероятность разработки всех модулей ACS с поддержкой одного устройства. Разработка однострочного программирования позволяет создавать инструменты человеко–машинного интерфейса, системы учета ресурсов, программировать промышленные контроллеры и разрабатывать веб–интерфейс в рамках одного проекта. По этой причине в систему инструментов TRACE MODE интегрированы специальные редакторы, такие как:
Система CodeSys представляет собой инструментальный пакет программного обеспечения для промышленной автоматизации. Он разработан и распространен 3S–Smart Software Solutions GmbH (Кемптен, Германия).
Среда программирования CoDeSys включает в себя набор инструментов для подготовки и отладки программ, компиляторов, конфигураторов, редакторов визуализации и т. Д. При необходимости, функциональность системы дополнен дополнительными компонентами. Проекты, созданные в CoDeSys, можно сохранить не только на диске ПК, но и в контроллере, если он имеет большой объем памяти, что позволяет избежать потери исходного кода или смещения в проектах. Для крупных проектов предусмотрена система контроля версий (SVN).
В CoDeSys доступны все 5 языков программирования, определенных стандартом IEC 61131–3:
Система InSIDE — это встроенная среда разработки для симуляторов InSiDE. Он работает под управлением семейства операционных систем Windows (Windows NT, Windows 2000, Windows XP) и позволяет создавать симуляторы (как аналитические, так и полномасштабные) для технологических объектов различной сложности. Это позволяет:
Основные особенности InSiDE:
Встроенная среда разработки InSiDEsimulators основана на применении современной базы данных InterBase. База данных симулятора используется для хранения данных в соответствии с разрабатываемым симулятором и организации многопользовательского доступа к нему.
Программный комплекс MATHLAB (MATrix LAB Laboratory) предназначен для проведения научных и инженерных расчетов, с помощью которых эффективно решаются задачи математического моделирования. Интегрированная среда разработки включает в себя набор инструментов разработки, предоставляемых через единый пользовательский интерфейс.
Программный пакет Lab VIEW — это графическая среда программирования, используемая во всем мире для быстрого создания сложных приложений в задачах измерения и автоматизации на основе архитектуры потоков данных.
Система Omega Land представляет собой интегрированную среду для динамического моделирования. Он содержит несколько модулей
, каждый из которых обеспечивает независимую функцию и механизм для систематизированного подключения этих модулей (VMspace).
Базовые функциональные модули включают в себя необходимые фундаментальные модули для построения практически любой прикладной системы. Дополнительные функциональные модули могут быть выбраны в зависимости от применения. Как базовые, так и дополнительные функциональные модули разработаны компанией Omega Simulation. Основные функциональные модули состоят из следующих четырех модулей:
Каждый модуль предоставляет различные функции, что обеспечивает гибкость системы, что позволяет моделировать и решать любые задачи.
Используя программный пакет Visual Modeler
для динамического моделирования в сочетании с различными модулями, можно создать систему, предназначенную для проектирования / анализа процессов, для проверки систем управления, для обучения, для поддержки эксплуатации и так далее. В этой системе используются следующие симуляторы:
Цель как статических, так и динамических симуляторов — получить представление о процессе, а также проанализировать условия эксплуатации. Тем не менее, поскольку основной целью первого является извлечение проектных данных для оборудования, а для последнего — анализ и оптимизация условий эксплуатации, важно сделать правильный выбор в соответствии с целью анализа. ,
Visual Modeler содержит множество встроенных функций, в том числе функцию редактирования модели, которая обеспечивает возможность создания симулятора, который работает с различными математическими моделями процессов и устройств. В пакет также входят программы, реализующие функции выполнения производственных операций, используемых для работы разработанного симулятора и его тестирования, а также другие функции, которые могут понадобиться технологам и специалистам по автоматизации для создания специальных моделей для конкретных задач.
Visual Modeler предлагает пять стандартных функций и две библиотеки:
Несмотря на то, что Visual Modeler представляет собой симулятор модульного типа, баланс потока давления рассчитывается не отдельно для каждого блока, а одновременно для всей модели процесса [3].
Visual Modeler разбивает топологию процесса на несколько потоковых линий
для каждого цикла выполнения. Скорость потока остается одинаковой по всей линии потока
В результате анализа был сделан вывод, что Visual Modeler идеально подходит для реализации процесса управления работой насоса. Так как эта среда имеет много преимуществ по сравнению с аналогичными системами для разработки визуальных симуляторов.
При реализации диаграммы процесса необходимо добавить систему (другими словами, описать, для каких сред будет использоваться схема). Поскольку этот проект предусматривает реализацию трех процессов, были добавлены три системы.
Для добавления системы определяются компоненты и их физико–химические свойства. В ВМ имеется большая база данных компонентов, но даже если требуемый компонент недоступен, его можно создать и описать. В нашем случае для начальных настроек могут использоваться доступные компоненты.
После того, как системы были добавлены, можно реализовать саму схему процесса. На следующем шаге настройки и датчики процесса настроены.
Используя базу данных существующего оборудования, были составлены схемы, выбраны насосы, клапаны, регуляторы и измерительные приборы.
Построенная схема позволила проводить исследования в нескольких направлениях: 1. Изучение поведения различных систем на используемом оборудовании и как предвидеть возможные трудности при введении новых компонентов или нового оборудования в эти процессы. 2. Обучение персонала и предотвращение аварийных ситуаций через их моделирование. 3. Выбор оптимальных параметров и схем управления для повышения производительности процесса.
Результатом моделирования и проведенных исследований является решение проблемы рациональной нагрузки магистральных нефтепроводных систем. Основная часть проведенных исследований включает в себя комплексы математических алгоритмов для решения задач рационального функционирования магистральных нефтепроводных систем и повышения эффективности управления магистральными нефтепроводами. Эта задача была решена на основе создания системы имитационного моделирования для автоматического регулирования эффективности насоса на основе метода стабилизации путем дросселирования с помощью инструмента моделирования Visual Modeler.
В результате создания виртуальной модели схемы управления производительностью насоса стало возможным повысить эффективность магистральных нефтепроводов, что привело к экономии энергии при работе насосов в условиях недогрузки на 12–15%.
Предложенные алгоритмы математической модели облегчают понимание процесса управления насосами, позволяя будущим специалистам научиться управлять процессами непосредственно перед началом работы на площадке. Использование разработанной модели и алгоритмов позволило снизить энергозатраты на трубопроводах Сургут–Полоцк и Баку–Тихорецк соответственно до 5,5 и 7% при решении задач рациональной эксплуатации и транспортировки нефти.