СПОСОБ МНОГОКАНАЛЬНОГО КООРДИНИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ Российский патент 2004 года по МПК G05B11/14 F26B3/00 

Изобретение относится к области автоматизации процессов управления тепловой обработкой материалов и, в частности, к многоканальному управлению параметрами процессов тепловой обработки строительных материалов и изделий, например при обработке бетонных изделий в пропарочных камерах.

Известны способы многоканального управления параметрами процессов тепловой обработки в группе объектов управления с помощью микропроцессорной системы управления, при которых выполняют анализ работы и текущего состояния каждой из пропарочных камер, обработку показаний технологических процессов и передачу данных, характеризующих тепловлажностную обработку, на высший уровень, прием требований на обслуживание в случайном порядке, формирование на основе анализа текущего состояния каждой из пропарочных камер и планируемого графика режима тепловлажностной обработки сигналов управления и осуществление воздействия на обслуживаемые объекты. Базовый алгоритм управления процессами тепловлажностной обработки предусматривает: 1) выдержку времени до начала прогрева; 2) запуск с аварийной точки; 3) опрос датчиков (термометров сопротивления) и преобразование температуры в цифровой вид; 4) анализ планируемой и достигнутой температуры и формирование управляющего воздействия на основе ПИД-закона регулирования; 5) преобразование управляющего воздействия в сигналы включения и отключения исполнительного механизма; 6) запоминание характерных параметров технологического процесса (достигнутой температуры в узловых точках, максимальных отклонений температуры от заданной и т.п.); 7) связь с ЭВМ верхнего уровня (см. книгу Бушуев С.Д., Михайлов B. C. "Автоматика и автоматизация производственных процессов" - М.: Высшая школа, 1990, с.180).

Недостатками известного способа является отсутствие координации управления группой объектов, случайный по времени характер распределения моментов их запуска и, как следствие, значительная неравномерность потребления тепловой энергии, приводящая к значительным ее потерям. В результате этого при работе двух и более объектов управления наблюдается неравномерность суммарного расхода энергии на компенсацию отклонений регулируемых параметров от заданных, что также приводит к существенным потерям энергии.

Наиболее близким к заявленному является способ многоканального координированного управления группой объектов с запаздыванием, включающий формирование заданных значений регулируемых параметров, измерение текущих значений регулируемых параметров, определение отклонений текущих значений регулируемых параметров от заданных, формирование сигналов управления на основе текущих значений отклонений и осуществление воздействий на обслуживаемые объекты по принципу приоритетов (см. а.с. СССР 734606, G 05 B 11/14, 1980 г.).

Недостатком известного способа является то, что в нем при наличии координации управления в процессе работы тепловых объектов не производится управление моментами начала работы этих объектов и, как следствие, их включение (запуск) происходит в случайные моменты времени. Таким образом, в известном способе запуск объектов не координирован. В том случае, когда все объекты (или значительная их часть) имеют различную мощность потребления, возникает заметная неравномерность потребления энергии, производимой теплогенератором. Для большинства теплогенераторов характерно наличие области оптимальной производительности. Например, для паровых котлов, такой областью будет область максимального к. п. д. Выход за пределы области оптимальной производительности (например, при запуске тепловых объектов в случайные моменты времени) приводит к значительному росту непроизводительных затрат топлива. Другим недостатком известного способа является то, что в процессе работы уже включенных в работу объектов управления (пропарочных камер) не производится анализ требуемой объектами управления величины суммарных затрат энергии на управляющие воздействия, отсутствует координированное дозирование величин управляющих воздействий на объекты управления, что приводит к неравномерному потреблению тепловой энергии из тепловой магистрали и, как следствие, к значительному колебанию давления теплоносителя (например, пара). Это в свою очередь при высоком уровне потребления теплоносителя приводит к снижению его качества, а при слишком малом его потреблении - к необходимости сброса теплоносителя в атмосферу с целью недопущения превышения предельно допустимой величины давления теплоносителя в магистрали. И то, и другое приводит к неоправданным потерям тепловой энергии.

Предлагаемое изобретение решает задачу снижения неравномерности потребления тепловой энергии и, как следствие, снижения ее потерь благодаря координированному управлению запуском объектов, а также благодаря тому, что в процессе работы объектов осуществляется координированное дозирование величин управляющих воздействий на объекты управления.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе многоканального координированного управления группой объектов с запаздыванием, включающем формирование заданных значений регулируемых параметров, измерение текущих значений регулируемых параметров, определение отклонений текущих значений регулируемых параметров от заданных, формирование сигналов управления на основе текущих значений отклонений и осуществление воздействий на обслуживаемые объекты по принципу приоритетов, дополнительно осуществляют прием требований на обслуживание объектов, устанавливают очередность обслуживания объектов с учетом очередности поступления требований на обслуживание и заданной длительности обслуживания каждого из объектов, начальные моменты выполнения требований распределяют во времени в соответствии с установленной очередностью обслуживания, изменение воздействий на объекты в процессе выполнения требований осуществляют дискретно, а их величины назначают исходя из количества обслуживаемых объектов, при этом назначенные дискретные значения воздействий, а также отклонения текущих значений регулируемых параметров от заданных ранжируют по величине и обеспечивают воздействия на объекты при прямом соответствии рангов их назначенных дискретных значений и рангов отклонений текущих значений регулируемых параметров от заданных.

На фигуре 1 показана структурная схема устройства, реализующего заявленный способ. На фигуре 2 показаны графики изменения суммарного расхода теплоносителя при использовании заявленного и известного по а.с. СССР 734606 способов. На фигуре 3 приведены графики скорости изменения суммарного расхода тепловой энергии при использовании заявленного и известного по а.с. СССР 734606 способов.

Устройство, содержит блоки: 1 - ввода информации, построенные на основе программируемого терминала с жидкокристаллическим дисплеем TL3810 (см. каталог фирмы ProSoft, 1, 1998 г., с.66), снабженные операторским интерфейсом и установленные в непосредственной близости от объектов 2 управления (например, камер для тепловой обработки бетонных строительных изделий - пропарочных камер, являющихся типичными объектами с запаздыванием), связанных с тепловой магистралью 3, подключенной к паровому котлу (на фигуре 1 не показан), блок 4 - приема требований, построенный на основе территориально-распределенной системы сбора данных и управления типа ADAM-5000 (см. каталог фирмы ADVANTECH "Automation with PCs ADVANTECH, solution Guide" vol.91, 1999 г. , раздел 9 стр.2, раздел 10 стр.2), блок 5 - хранения информации, реализованный на модуле памяти с программируемым контроллером ввода-вывода (например, типа флэш-диск с интеллектуальным контроллером, см. каталог фирмы ProSoft, 1, 1998 г., с.151), блок 6 - формирования очереди, формирующий очередь на обслуживание объектов по очередности поступления требований и заданной длительности обслуживания конкретного объекта, блок 7 - формирования воздействий, формирующий воздействия на локальные автоматические устройства 8 управления (локальные АУУ 8) в соответствии с установленной очередностью обслуживания, построенные на основе регуляторов МИНИТЕРМ-300 (см. каталог Московского Завода Тепловой Автоматики "Аппаратура автоматического контроля", 1998 - 1999 гг., с.34), блок 9 - формирования приоритетов, осуществляющий координацию формирования приоритетов обслуживания локальных АУУ 8 с учетом времени поступления требований на обслуживание, заданной длительности обслуживания и состояния локальных АУУ 8. Блоки 6, 7 и 9 построены на основе интегрированного модуля ЦПУ (центрального процессорного устройства), например, типа РСА-6154/L (см. каталог фирмы ADVANTECH "Automation with PCs ADVANTECH, solution Guide" vol. 91, 1999 г. , раздел 4 стр.17). Система включает в себя также блок 10 - приема информации о состоянии локальных АУУ 8, реализованный на основе многоканального модуля цифрового ввода данных, например, типа ADAM-4000 или ADAM-5000 (см. каталог фирмы ADVANTECH "Automation with PCs ADVANTECH, solution Guide", vol.91, 1999 г., раздел 9 стр. 8, раздел 10 стр.19), и регулирующие органы 11, установленные непосредственно на объектах и построенные на управляемом вентиле с исполнительным механизмом типа МЭО (см. книгу Бушуев С.Д., Михайлов B.C. "Автоматика и автоматизация производственных процессов" М.: Высшая Школа, 1990 г., с.165-166). На объектах управления установлены также датчики положения (не показаны), контролирующие готовность объекта к работе (выполненные, например, в виде концевых выключателей), и датчики температуры, выполненные в виде термопары или термометра сопротивления.

При этом выходы всех блоков 1 ввода информации связаны с соответствующими входами блока 4 приема требований, первый выход блока 4 приема требований связан с входом блока 5 хранения информации, второй выход блока 4 приема требований связан с первым входом блока 6 формирования очереди, выход блока 5 хранения информации связан со вторым входом блока 6 формирования очереди, выход блока 6 формирования очереди связан с первым входом блока 7 формирования воздействий, выходы блока 7 формирования воздействий связаны с первыми входами соответствующих локальных АУУ 8, первые выходы всех блоков 8 связаны соответственно со вторыми входами регулирующих органов 11. Тепловая магистраль 3 связана с первыми входами всех регулирующих органов 11, выходы всех регулирующих органов 11 связаны соответственно с входами всех объектов 2 управления. Первые выходы всех объектов 2 управления связаны соответственно со вторыми входами всех локальных АУУ 8, вторые выходы всех объектов 2 управления связанны соответственно с первыми входами всех блоков 1 ввода информации. Вторые выходы всех локальных АУУ 8 связаны с соответствующими входами блока 10 опроса состояний, третьи выходы всех локальных АУУ 8 связаны соответственно со вторыми входами всех блоков 1 ввода информации. Выход блока 10 опроса состояний связан с входом блока 9 формирования приоритетов, выход блока 9 формирования приоритетов связан со вторым входом блока 7 формирования воздействий.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

При помощи блоков 1 ввода информации, установленных по месту (т.е. в непосредственной близости от объектов 2 управления с датчиками), оператор устанавливает тип обрабатываемого изделия, а также время окончания процесса обработки и подает сигнал о готовности объекта 2 управления к работе. При этом блок 1 ввода информации проверяет состояние блокирующих устройств (например, концевых выключателей на крышке камеры) на самом объекте управления (не показаны) и работоспособность локальных АУУ 8 локальной САУ (включающей в себя объект управления, датчик, локальную АУУ 8 и регулирующий орган, которые позволяют измерять текущие значения, формировать сигналы управления на основе текущих значений отклонений от заданных значений регулируемых параметров и осуществлять воздействия на обслуживаемые объекты по принципу приоритетов) путем посылки сигнала на выполнение самотестирования и получение ответа на этот сигнал. Если какое-либо блокирующее устройство находится в нерабочем состоянии или не получен положительный ответный сигнал при проверке локальной АУУ 8, то блок 1 ввода информации сигнализирует оператору о невозможности запуска объекта и сигнал о готовности объекта к запуску в блок 4 приема требований подан не будет. При положительных откликах блокирующих устройств и локальных АУУ 8 блок 1 ввода информации подает сигнал о готовности объекта 2 управления к работе и осуществляет формирование заданных значений регулируемых параметров (дается информация о заданной циклограмме процесса - длительности процесса и отдельных его этапов, предельно допустимом времени окончания процесса обработки) в блок 4 приема требований. Блок 4 приема требований осуществляет прием сигналов от всех блоков 1 ввода информации (требований на обслуживание объектов) и передает информацию о заданных значениях параметров процесса (передается информация о заданной циклограмме процесса - длительности процесса и отдельных его этапов, предельно допустимом времени окончания процесса обработки) в блок 5 хранения информации (в котором хранится база данных о параметрах всех объектов-камер, параметрах обрабатываемых изделий в соответствии с их типами и заданные значения параметров регулирования процесса обработки каждого типа изделий) и сигнал готовности к работе в блок 6 формирования очереди. Блок 6 формирования очереди устанавливает очередность обслуживания каждого из объектов 2 управления, готовых к работе, по очередности поступления требований на обслуживание и заданной длительности обслуживания конкретного объекта. В качестве алгоритма формирования очереди может быть применен алгоритм линейного программирования, например, основанный на симплекс-методе.

Блок 7 формирования воздействий включает в работу объекты поочередно согласно установленной блоком 6 очереди, посылая сигнал управления локальной АУУ 8 локальной САУ. Объекты 2 управления включаются в работу с распределением во времени, а число одновременно работающих объектов выбирают соответствующим возможностям подключенной к тепловой магистрали 3 теплогенерирующей установки (котельной установки), информация о которой заложена в памяти блока 7 формирования воздействий. Начальные моменты выполнения требований блок 7 распределяет во времени в соответствии с установленной очередностью обслуживания. Благодаря такому координированному управлению запуском объектов достигается снижение неравномерности потребления тепловой энергии и, как следствие, снижение ее потерь. В начальный момент работы объекта 2 управления считается, что отклонение регулируемого параметра от заданного значения равно нулю и объект обладает средним приоритетом. При включении в работу двух и более объектов суммарный расход энергии в обеспечение всех требуемых воздействий определяется числом включенных камер (обслуживаемых объектов), а сами величины воздействий на отдельные объекты при формировании сигналов управления формируются на основе текущих значений отклонений регулируемых параметров от заданных с использованием заранее заложенных рядов, определяющих какую долю от суммарного расхода энергии, получит каждый отдельный объект. Изменение воздействий на объекты в процессе выполнения требований осуществляют дискретно, а их величины назначают исходя из количества обслуживаемых объектов. Ряды построены по следующему принципу: задается последовательность дробных чисел, числители которой выбираются из ряда натуральных чисел (1, 2, 3. . . ), а знаменателем является число работающих объектов. Получают последовательность вида , где n - число работающих камер (соответствует количеству выполняемых требований), k - любое натурально число. Далее из полученной последовательности (ряда) выбираются только те значения, числители которых соответствуют последовательности Фибоначчи, при этом из ряда берутся числа в порядке возрастания от 0 таким образом, чтобы сумма всех выбранных чисел ряда была меньше или равна единице, т.е. В случае, если число элементов вновь полученного ряда, выбранных таким образом, получилось меньше числа работающих объектов, то вновь полученный ряд дополняют вторым или третьим элементом из этого же ряда таким образом, чтобы сумма нового полученного ряда равнялась единице.

Описанное правило назначения величин воздействий на объекты (ранжирования их по величине) справедливо для трех и более работающих объектов. Для двух объектов ряд, определяющий долю, которую составит величина воздействия от максимально возможного значения, выглядит следующим образом Например, для трех объектов получается следующий ряд , для четырех объектов ряд примет вид , для пяти объектов ряд примет вид и так далее.

Блок 10 приема информации измеряет текущие значения регулируемых параметров всех работающих объектов 2 управления и передает их в блок 9 формирования приоритетов, который сравнивает эти значения с заданными и определяет отклонения текущих значений регулируемых параметров от заданных, ранжирует их по величине, а затем на основе полученных значений величин отклонений текущих значений регулируемых параметров от заданных устанавливает приоритеты обслуживания - чем больше отклонение, тем больше номер приоритета. Таким образом блок 9 осуществляет координацию формирования приоритетов обслуживания локальных АУУ 8 с учетом времени поступления требований на обслуживание, заданной длительности обслуживания и состояния локальных АУУ 8. После установления приоритетов в блоке 9 формируется матрица, содержащая номера объектов, ранжированных в соответствии с отклонением текущих значений регулируемых параметров от заданных, и присвоенные объектам приоритеты в обслуживании. Таким образом, устанавливается соответствие рангов отклонений текущих значений регулируемого параметра и номера приоритета. Затем полученная матрица передается в блок 7 формирования воздействий (в частном случае дискретных значений воздействий). При этом в блоке 7 устанавливается прямое соответствие рангов назначенных дискретных значений воздействий и рангов отклонений текущих значений регулируемых параметров от заданных, по принципу приоритетов распределяются во времени моменты оказания воздействия на объекты, в прямом соответствии с рангами отклонений назначаются ранги воздействий на объекты и сигнал о каждом назначенном дискретном воздействия передается в локальную АУУ 8 локальной САУ, которая с помощью регулирующего органа осуществляет воздействие на соответствующий обслуживаемый объект 2 управления. Воздействия осуществляются по принципу приоритетов - максимальное дискретное воздействие получает объект с наибольшим приоритетом, другие объекты получают воздействия меньшей величины - в соответствии с установленными для каждого из них приоритетами. Такое координированное дозирование величин управляющих воздействий на объекты управления обеспечивает снижение неравномерности потребления тепловой энергии объектами управления от источника - теплогенерирующей установки (котельной установки), что, в конечном счете, приводит к значительной экономии энергии.

По мере завершения процессов тепловой обработки в объектах (камерах) устройство 7 принимает поочередно в обработку следующие объекты, стоящие первыми в очереди, сформированной в блоке 6 формирования очереди.

На фигуре 2 приведены графики изменения суммарного расхода теплоносителя при моделировании на ЭВМ известного (кривая а) и заявленного (кривая б) способов для случая использования 12-ти объектов. Сравнение данных показывает, что при прочих равных условиях при использовании заявленного способа достигается снижение максимального суммарного расхода теплоносителя на 23% по сравнению с максимальным суммарным расходом тепловой энергии при использовании известного способа управления (вследствие снижения неравномерности потребления тепловой энергии благодаря введению координированного управления запуском объектов и их работой). На фигуре 3 приведены графики скорости изменения суммарного расхода тепловой энергии известного (кривая а) и заявленного (кривая б) способов. Из графиков на фигуре 3 следует также, что заявленный способ отличается от известного существенно меньшей неравномерностью изменения суммарного потребления теплоносителя, т.е. отсутствием больших перепадов в расходах тепловых ресурсов. Таким образом, из графиков, показанных на фигурах 2 и 3, следует, что применение заявленного способа приводит к снижению неравномерности потребления тепловой энергии группой объектов, а также к общему снижению ее потерь.

Использование совокупности признаков заявленного способа позволяет, наряду с эффективным использованием тепловых ресурсов, исключить возникновение таких критических ситуаций, как нехватка тепловой энергии вследствие запуска большого числа объектов и критическое повышение давления в сети теплоснабжения из-за резкого снижение потребления теплоносителя из тепловой системы вследствие резкого вывода большого числа объектов из процесса тепловой обработки.

Изобретение относится к области автоматизации процессов управления тепловой обработкой материалов и, в частности, к многоканальному управлению параметрами процессов тепловой обработки строительных материалов и изделий, например при обработке бетонных изделий в пропарочных камерах. Технический результат - изобретение решает задачу снижения неравномерности потребления тепловой энергии и, как следствие, снижения ее потерь благодаря координированному управлению запуском объектов, а также благодаря тому, что в процессе работы объектов осуществляется координированное дозирование величины управляющего воздействия на объект управления. Изменение воздействия на объекты в процессе выполнения требований осуществляют дискретно, а их величины назначают исходя из количества обслуживаемых объектов, величины воздействий фиксированы для каждого конкретного набора включенных объектов управления. Назначенные дискретные значения воздействий, а также отклонения текущих значений регулируемых параметров от заданных ранжируют по величине и обеспечивают воздействия на объекты при прямом соответствии рангов их назначенных дискретных значений и рангов отклонений текущих значений регулируемых параметров от заданных. 3 ил.

Способ многоканального координированного управления группой объектов с запаздыванием, включающий формирование заданных значений регулируемых параметров, измерение текущих значений регулируемых параметров, определение отклонений текущих значений регулируемых параметров от заданных, формирование сигналов управления на основе текущих значений отклонений и осуществление воздействий на обслуживаемые объекты по принципу приоритетов, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют прием требований на обслуживание объектов, устанавливают очередность обслуживания объектов с учетом очередности поступления требований на обслуживание и заданной длительности обслуживания каждого из объектов, начальные моменты выполнения требований распределяют во времени в соответствии с установленной очередностью обслуживания, изменение воздействий на объекты в процессе выполнения требований осуществляют дискретно, а их величины назначают исходя из количества обслуживаемых объектов, при этом назначенные дискретные значения воздействий, а также отклонения текущих значений регулируемых параметров от заданных ранжируют по величине и обеспечивают воздействия на объекты при прямом соответствии рангов их назначенных дискретных значений и рангов отклонений текущих значений регулируемых параметров от заданных.