Расчет надежности программно-логического контроллера АСУТП
Этап 1. Постановка задачи и построение СФЦ
Первичное описание структуры рассматриваемого в Примере 1 программно-логического контроллера (ПЛК) выполнено с помощью структурно-функциональной схемы, изображенной на рис.3.
Функциональная схема ПЛК
В табл. приведен перечень всех элементов ПЛК и заданы параметры их надежности.
Таблица
Параметры надежности элементов ПЛК
Параметрами надежности элементов, заданными в табл.1.6, являются: Toi -- средняя наработка элемента до отказа в годах; Tei - среднее время восстановления элемента в часах.
В дополнение к функциональной схеме, приведенной на рис.3, сформулированы описания логических условий реализации элементами ПЛК их выходных функций. Эти данные позволяют осуществить последовательное построение СФЦ ПЛК, основные этапы которого представлены на рис. 4.
а) Основные функции контроллера реализуются с помощью четырех элементов - интерфейсного модуля 20, центрального процессора 16, коммуникационного процессора 10 и оптического модуля связи 7. На рис.4.а эти элементы представлены функциональными вершинами i = 20, 16, 10 и 7 разрабатываемой СФЦ. Эти вершины обозначают в СФЦ события (состояния) безотказной работы х20, х16, х10 и х7 соответствующих элементов контроллера.
б) Основные элементы контроллера имеют следующие логические условия реализации выходных функций в системе. Оптический модуль связи 7 реализует свою функцию у7, если, во-первых, сам не отказал (х7), и, во-вторых, если его работа обеспечивается выходной функцией у10 коммуникационного процессора 10. В свою очередь, функция у10 определяется собственной работоспособностью коммуникационного процессора х10, а также выходной функцией у16 центрального процессора 17. Тот, в свою очередь, обеспечивается функцией у20 интерфейсного модуля 20. Эта последовательность функционального подчинения представлена графически в СФЦ на рис.4.б.
в) Для увеличения надежности в контроллере реализовано групповое резервирование главной последовательности элементов (см рис.4.б) резервной последовательностью (см. рис.4.в) с элементами 520, 17, 11 и 77 соответственно (см. также рис.1). Логические условия функционирования элементов резервной последовательности в системе аналогичны уже рассмотренным условиям работы основных элементов. На рис.4.в изображен фрагмент СФЦ резервной группы элементов контроллера.
г) Согласованная работа резервной группы элементов контроллера обеспечивается непрерывной безотказной работой одновременно четырех модулей синхронизации 12, 13, 14, и 17. Непосредственное обеспечение синхронизации работы резервной цепи осуществляется в контроллере через центральный процессор 17 (см. рис.3). В СФЦ условие безотказной работы одновременно всех модулей синхронизации представлено на рис.4.г с помощью четырех конъюнктивных дуг (заканчиваются точками), заходящих в фиктивную вершину с номером 50. Конъюнктивная дуга из фиктивной вершины 50 в функциональную вершину 17 представляет условие синхронизации работы резервного центрального процессора 17 и, следовательно, всей резервной цепи элементов контроллера.
д) Контроллер реализует две выходные функции. Функция F-1 управления технологическими процессами реализуется при условии функционирования хотя бы одного из двух оптических модулей связи 7 (основной режим) или 77 (резервный режим). ФункцияF-2 управления противоаварийной защитой реализуется при функционировании хотя бы одного из двух центральных процессоров 16 (основной режим) или 17 (резервный режим). Эти условия реализации контроллером своих функций представлены в СФЦ на рис.4, д. спомощью двух фиктивных вершин 85 и 63. Входящие в них пары дизъюнктивных дуг (заканчиваются стрелками) представляют реализованные в контроллере возможности основного и резервного режимов работы.
е) Для обеспечения гарантированного питания в ПЛК реализовано групповое и поэлементное дублирование трех независимых групп источников питания (см. рис. 3 и рис. 4,е):
коммуникационные процессоры и модули синхронизации основной (16, 10, 12, 13) и резервной (17, 11, 14, 15) цепей элементов контроллера обеспечиваются раздельными источниками автономного питания 18 и 19 типа PS-407;
интерфейсные модули 20 и 520 обеспечиваются питанием от двух дублированных источников 8 и 9 типа PS-307;
оптические модули связи 7 и 77 обеспечиваются питанием от двух других дублированных источников 21 и 22 типа PS-307.
Сформулированные условия обеспечения питанием элементов контроллера представлены в СФЦ с помощью фиктивных вершин 108, 110, 49 и 37. Заходящие в них дизъюнктивные дуги обозначают режимы нагруженного резервирования источников питания. Исходящие из этих вершин конъюнктивные дуги охватывают те элементы контроллера, которые обеспечиваются питанием от соответствующих источников.
Окончательный вариант СФЦ контроллера изображен на рис.4, е. Логическими критериями функционирования контроллера являются:
YF-1= y63 - условие реализации функции F-1 управления (11)
технологическими процессами;
Yf-2 = y85 - условие реализации функции F-2 управления (12)
автоматической противоаварийной защитой (ПАЗ).
Этап 2. Применение ПК АСМ для оценки надежности и безопасности ПЛК
Моделирование и расчет показателей надежности ПЛК
После завершения подготовки исходных данных, они вводятся в ПК АСМ. На рис.1.33. изображено типовое окно подготовки и ввода графа СФЦ и параметров надежности элементов (см. табл.1.6.) рассматриваемого ПЛК.
Окно ввода исходных данных типового ПК АСМ
После ввода в ПК АСМ графа СФЦ и параметров элементов все последующие этапы моделирования и расчетов показателей надежности выполняются автоматически. На рис.6 изображено типовое окно автоматизированного моделирования и расчетов ПК АСМ.
Окно моделирования и расчетов ПК АСМ
В окне на рис.6 приведены основные результаты моделирования надежности ПЛК по критерию (11) - реализации функции F-1.
Полные результаты автоматизированного моделирования и расчетов показателей надежности ПЛК составляют:
Логическая функция работоспособности ПЛК по F-1, которая включает 8 конъюнкций(кратчайших путей успешного функционирования
1.2 Обоснование и выбор контролируемых и регулируемых параметров
Параметры, для которых проводится организация контроля и регулировки, выбираются на основании своей значимости для безопасной и удобной эксплуатации. Выбранный набор параметром обеспечивает пуск, наладку и ведение технологического процесса.
К таким параметрам относят регулируемые величины, нерегулируемые внутренние параметры, входные и выходные параметры, при изменении которых в объект могут поступать возмущающие воздействия, все параметры, изменение которых может привести к аварии или нарушению технологического процесса.
Автоматизация пожаротушения включает:
Основные
· автоматическое включение резервного насоса в случае отказа основного;
· АВР - автоматический ввод резервного питания;
· возможность ручного пуска насосов;
· защита от заиливания;
· весь комплекс системы защиты: по току, по тепловому датчику (РТС) по «сухому ходу», реле чередования фаз;
· элементы диспетчеризации.
Дополнительные
· обогрев шкафа управления;
· охлаждение шкафа управления;
· степень защиты до IP 68;
· управление электродвигателем задвижки.
1.3 Разработка систем контроля и автоматизации насосной станции пожарного водоснабжения
Центральный пост контроля и управления системой автоматического пожаротушения предусматривается организовать на центральном посту охраны. На посту предполагается разместить центральный прибор контроля и управления и 2 табло. Для управления входными задвижками, насосами и задвижками дренчерных завес применены периферийные блоки управления и шкафы коммутации.
Основное оборудование управления системой пожаротушения, а именно: блоки и шкафы управления пожарными насосами и насосами обслуживания, входной запорной арматурой, а также блоки контроля сигнализирующих устройств размешены в помещении пожарной насосной.
Периферийные блоки предусматривается объединить между собой и центральным прибором кольцевой линией интерфейса. С помощью, которой осуществляется обмен информацией между приборами.
Управление насосами и входной запорной арматурой в автоматическом режиме осуществляется посредством программной среды и собственной аналоговой логики блоков управления по команде от блоков сигнализации. Автоматическое управление запорной арматурой дренчерных завес осуществляется посредством собственной аналоговой логики блоков управления по дискретному импульсу от реле блоков сигнализации и этажных блоков реле пожарной сигнализации.
Для повышения надежности и защиты от короткого замыкания кольцевая линия интерфейса поделена размыкателями на участки. А подключение блоков к линии питания 24В предполагается через автоматические выключатели.
Электропитание осуществлено от собственного источника резервированного питания который предусмотрен в помещениях охраны.
Алгоритм работы оборудования автоматического пожаротушения.
Объем контрольно-измерительной аппаратуры полностью соответствует требованиям выданного задания и обеспечивает необходимый контроль за режимом работы оборудования установки автоматического пожаротушения и внутреннего противопожарного водоснабжения.
Пожарные насосы постоянно находятся в не работающем, ждущем режиме. При вскрытии секционного клапана по сигналу сигнализаторов давления, блок управления и сигнализации формирует сигнал «Пожар». На полученный сигнал центральный прибор выдает команду блокам управления на открытие обводных и входных задвижек и команду на пуск пожарных насосов.
Блоки управления пожарными насосами при подтверждающем сигнале «ПУСК» от реле, формируют импульс для шкафов коммутации ШУН на пуск основных насосов.
Предусмотрена защита насосов от сухого хода, при снижении уровня воды ниже минимальной отметки в пожарном резервуаре по сигналу датчика нижнего уровня, блоки управления блокируют запуск насосов.
Контроль воды в пожарном резервуаре:
При снижении уровня воды в резервуаре ниже минимальной отметки, по сигналу датчика уровня открывают входные задвижки. При достижении максимального уровня блоки управления закрывают входные задвижки. По достижению минимального допустимого уровня воды в резервуаре по сигналу датчика уровня «Аварийного нижнего уровня» блок управления формирует сигнал на центральный прибор «Аварийный уровень в пожарном резервуаре».
Пожарные краны:
Запуск системы осуществляется в ручном режиме по сигналу от кнопок. По этажно в шкафах пожарных кранов предусмотрены кнопки запуска. По сигналу от кнопок этажный блок сигнализации и управления блоки контроля сигнализирующих устройств формирует сигнал пожар.
На полученный сигнал центральный прибор выдает команду блокам управления на открытие обводных задвижек.
Диспетчерская сигнализация:
Для контроля за противопожарными насосами и электрозадвижками предусматривается диспетчерская сигнализация. Световая и звуковая сигнализация выводится на центральный прибор предусматриваемого на посту охраны.
Центральный прибор помимо свето-звуковой сигнализации выводит на ЖК табло текстовую информацию о состоянии системы автоматического пожаротушения.
1.4 Расчет системы автоматического регулирования
Задачи анализа и синтеза автоматических систем регулирования с одним входом и выходом принципиально решены. Анализ переходных процессов с математической точки зрения сводится к определению общего решения неоднородного дифференциального уравнения, описывающего систему при заданных начальных условиях и воздействиях, а также к анализу влияния изменения параметров системы на вид этого решения. Такой анализ можно производить с применением многих точных и приближенных методов, но их практическая реализация даже для простых АСР сопряжена с большим числом не сложных, но громоздких и кропотливых расчетов, требующих вычисления корней, определения постоянных интегрирования и построения кривой переходного процесса. В связи с этим особое значение приобретают различные приближенные методы оценки процесса, не требующие построения кривых переходных процессов. Поэтому в теории регулирования анализ переходных процессов заменяют анализом качества, заключающемся в оценке характеристик переходного процесса, называемых прямыми показателями качества (времени переходного процесса, максимального и статического отклонения и т.д.), а также в установлении верхних границ для этих показателей без непосредственного решения дифференциальных уравнений системы.
В зависимости от динамических свойств объектов кривые изменения выходной величины могут иметь различный характер. Чтобы получить исходные данные для расчета системы регулирования, необходимо найти аналитические выражения экспериментально полученных кривых. Этими аналитическими выражениями будут дифференциальные уравнения объектов. В настоящее время имеется несколько методов нахождения:
- уравнения объектов по имеющимся временным характеристикам. Симою и Стефани разработали метод для определения передаточной функции объекта по его кривой разгона, который получил название метода площадей. Метод основан на предположении, что исследуемый объект может быть описан линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами.