Modeliranje v IT razvoj in odkrivanje napak v · • vodni udar je definiran kot spreminjanje tlačne višine H z razdaljo x in s časom t pri spremembah pretoka in lahko nastopi

Modeliranje v IT – razvoj in odkrivanje napak v

algoritmih s pomočjo modela

(praktični prikaz najboljše inovacije podjetja SENG d.o.o. v

energetiki za leto 2015)

mag. Primož Bergoč

18. 11. 2015

Modeliranje v IT - razvoj in odkrivanje napak v algoritmih s

pomočjo modela

1. Uvod

• Industrijska avtomatika in IT

• inženirske postaje

• SCADA sistemi

• Ethernet omrežja

• Varnost in zaščite

• Primer dobre prakse: uporaba IT tehnologij kot pomoč za razvoj in odpravljanje

napak algoritmov na industrijskih krmilnikih

• Predstaviti razvoj lastnega turbinskega regulatorja za male hidroelektrarne,

• Bodoče obnove malih HE v lastni režiji,

• Predstaviti razvoj matematičnega modela hidroelektrarne z dvošobno turbino Pelton

• izdelan v programskem okolju Matlab,

• model deluje v realnem času.

• namenjen testiranju algoritmov aplikativne programske opreme

turbinskega regulatorja.

2. Matematični model HE


pomočjo modela

Vir: Internet


• deluje na osebnem računalniku v realnem času,

• sestavljen iz petih podmodelov:

• model zgornjega zajetja,

• model tlačnega cevovoda z upoštevanjem vodnega udara,

• model rotirajočih se delov agregata,

• model sinhronskega generatorja,

• model proporcionalnih hidravličnih ventilov in servomotorjev

• 30 različnih parametrov,

• preko mrežne povezave se uporablja Siemensov komunikacijski

protokol „S7 protocol“,

• model in PLK si izmenjujeta 2 x 40 bajtov podatkov,


pomočjo modela



pomočjo modela

• modelirana dvošobna turbina Pelton z odrezačem,

2.1. Model zgornjega zajetja

• količina vode, ki je na razpolago agregatu se zbira v zgornjem zajetju,

• predpostavilo, da se površina bazena Az ne spreminja z uporabnim nivojem zajetja

Hz,

• uporabni nivo zajetja Hz je globina vode nad ustjem cevovoda,

• Hz odvisen od količine vode, ki priteka v zajetje in količine vode, ki odteka skozi

cevovod,

• model opisuje enačba:

𝑑𝐻𝑍

𝑑𝑡=1

𝐴𝑍(𝑄𝑑𝑜𝑡 − 𝑄𝑐𝑒𝑣)


pomočjo modela

2.2. Model tlačnega cevovoda z upoštevanjem vodnega udara

• vodni udar je definiran kot spreminjanje tlačne višine H z razdaljo x in s časom t pri

spremembah pretoka in lahko nastopi v vseh tlačnih cevovodih,

• vodni udar lahko povzroči velike nadtlake in podtlake, kar ima za posledice trajne

deformacije cevovoda in velike sile na temelje cevovoda in turbine,

• matematični model cevovoda opisujeta dve parcialni diferencialni enačbi:

• dinamična enačba (ravnovesje sil): 1

𝐴𝐶𝑒𝑣

𝜕𝑄

𝜕𝑡+ 𝑔𝜕𝐻

𝜕𝑥+𝑓

𝐴𝐶𝑒𝑣2

𝑄 𝑄

2𝐷= 0

• enačba zveznosti (ohranitev mase elementa prostornine 𝐴∆𝑥): 𝜕𝐻

𝜕𝑡+𝑎2

𝑔𝐴𝐶𝑒𝑣

𝜕𝑄

𝜕𝑥= 0

• Metoda karakteristik – numerična metoda za reševanje parcialnih diferencialnih

enačb


pomočjo modela

2.3. Model rotirajočih se delov agregata

• vključuje turbino, vztrajnik, os in rotor generatorja,

• matematični model temelji na enačbi za dinamično vrtilno količino:

𝐽𝑑𝜔

𝑑𝑡= 𝑀 = 𝑀ℎ −𝑀𝐷 −𝑀𝑍 −𝑀𝑒

• definirajmo relativno spremembo hitrosti 𝜑 =𝜔

𝜔𝑟− 1 =

𝑛

𝑛𝑟− 1 in jo vstavimo v

zgornjo enačbo in le-to delimo z nazivnim navorom Mr = Sr/ωr dobimo dinamično

vrtilno količino v „pu“ obliki:

𝑇𝑎𝑑𝜑

𝑑𝑡= 𝑚ℎ −𝑚𝐷 −𝑚𝑍 −𝑚𝑒

• časovna konstanta sistema: 𝑇𝑎 =𝐽𝜔𝑟

𝑀𝑟 za HE se giblje med 4 in 8s


pomočjo modela


• hidravlični navor:

𝑚ℎ =𝑀ℎ𝑀𝑟=1

𝑀𝑟𝐹ℎ𝐷𝐾2𝜂

• hidravlična sila vode:

𝐹ℎ = 2𝜌𝑄𝑚 𝑉𝑚 − 𝑢

• obodna hitrost tekača:

𝑢 =𝐷𝐾2𝜔𝑟 𝜑 + 1

• hitrost vodnega curka je konstantna glede na odprtje, odvisna samo od neto padca:

𝑉𝑚 = 𝐾𝑓 2𝑔𝐻𝑛


pomočjo modela


• navor dušenja:

𝑚𝐷 =𝑀𝐷𝑀𝑟=1

𝑀𝑟𝐾𝐷𝑛𝑟

2 𝜑 + 1 2

• zavorni navor:

𝑚𝑍 =1

𝑀𝑟𝐹𝑍𝐷𝐾2

• elektromagnetni navor:

𝑚𝑒 =𝑀𝑒𝑀𝑟=𝑃𝑒𝑆𝑟


pomočjo modela

2.4. Model sinhronskega generatorja

• enačba poenostavljenega modela sinhronskega generatorja:

𝑃𝑒 =𝑈𝐿𝑈𝐺 sin 𝛿

𝑋𝑆

• kolesni kot: 𝑑𝛿

𝑑𝑡= 𝜔𝑟𝜑

2.5. Model proporcionalnih hidravličnih ventilov

• modeliramo s sistemom prvega reda z ojačenjem 1 in časovno konstanto Ty: 𝑑𝑦𝑖𝑧ℎ𝑑𝑡=1

𝑇𝑦𝑦𝑧𝑒𝑙 − 𝑦𝑖𝑧ℎ


pomočjo modela

2.6. Program matematičnega modela

• Program je sestavljen iz petih med seboj povezanih modulov:

• modul za prikaz glavnega in pomožnih grafičnih uporabniških vmesnikov

• modul za postavitev začetnih pogojev in izvajanje matematičnih izračunov

modela

• modula za komuniciranje s programirljivim logičnim krmilnikom (PLK)

• modula za izris podatkov na grafe

• modula za shranjevanje podatkov za kasnejšo analizo


pomočjo modela

3. Vrednotenje matematičnega modela

• izvedlo meritve na mali HE nazivne moči 600 kW

• merilo moč, odprtje igel, odrezača, vrtljaje, tlak cevovoda, nivo,…

• razlika v reguliranju izvršnih členov,

• model primeren simulator za razvoj in testiranje turbinskega

regulatorja


pomočjo modela

4. Turbinski regulator

• Kaj je turbinski regulator?

• „možgani elektrarne“

• skrbi za pravilno in optimalno delovanje agregata tako v prostem teku kot po

priključitvi na električno omrežje

• preko odprtja izvršnih členov regulira količino vode, ki doteka na turbino in

posledično hitrost vrtenja (prosti tek) ali oddano delovno moč (na mreži)

• Turbinski regulator skozi zgodovino

• prvi povsem mehanski

• kombinacija analogne tehnike in elektromehanike

• kombinacija digitalne tehnike (PLK) in elektromehanike


pomočjo modela


• Aplikativna programska oprema razvita v programskem okolju Siemens STEP 7

• Primerna za PLK-je Siemens serije S7-300, S7-400 ali Vipa CPU300S,

• Sestavljajo ga moduli:

• modul za generiranje startnih pogojev, hitre zapore, alarmov in opozoril

• modul zagona in zaustavitve turbine

• modul izbire upravljanja in obratovanja turbine

• modul turbinskega regulatorja

• Interni regulatorji:

• regulator vrtljajev

• regulator nivoja

• regulator delovne moči

• regulator frekvence

• regulator odprtja

• Ostale funkcije

• statika (4 - 5%)

• rampe odpiranja/zapiranja izvršnih členov

• kulise odpiranja/zapiranja izvršnih členov

• filtri meritev


pomočjo modela


• vsi interni regulatorji temeljijo na namensko razvitem parametrskem PID algoritmu,

• 21 parametrov,

• katerakoli izvedenka od P do PI_D regulatorja,

• vsebuje zaščito pred integralskim pobegom, mrtvo cono pogreška, omejilnik

izhodne veličine in ročno obratovanje,


pomočjo modela

5. Rezultati testiranja turbinskega regulatorja na

modelu


pomočjo modela

5.1. Obratovanje v prostem teku z regulatorjem vrtljajev


pomočjo modela

5.2. Obratovanje na mreži z regulatorjem nivoja


pomočjo modela

5.3. Obratovanje na mreži z regulatorjem delovne moči

desno vpliv statike,

ki je 5%

49,5 Hz ->+120kW

50,8 Hz ->-192kW


pomočjo modela

5.4. Odziv turbinskega regulatorja na razbremenitve


pomočjo modela

6. Sklepi

• model se je izkazal za odličen pripomoček za razvoj turbinskega regulatorja,

• z njim smo lahko testirali vsak posamezen algoritem turbinskega regulatorja, kot

tudi različne možne prehodne pojave, ki bi jih v realnosti izvedli z rezervo oziroma

jih ne bi izvedli,

• model je dobra osnova za modeliranje tudi drugih tipov turbin in konfiguracij

hidroelektrarn,

• algoritmi turbinskega regulatorja so izdelani univerzalno in z malo predelave se

lahko turbinski regulator uporabi na katerikoli izmed ostalih vrst turbin.


pomočjo modela

6. Sklepi

• Prednosti uporabe modela

• testiranje algoritmov v „mirnem“ in za delo prijaznem okolju (pisarna)

• omogoča testiranje nevarnih scenarijev

• izognemo se morebitnim okvaram realnega sistema zaradi napake v

algoritmih

• ni izpada proizvodnje oz. obratovanja realnega sistema

• nižji stroški v fazi testiranja in spuščanja v pogon

• Slabosti uporabe modela

• potreben čas za izdelavo in validacijo

• potrebno dobro ujemanje z realnim sistemom


pomočjo modela

Hvala za pozornost


pomočjo modela

Documents

Modeliranje v IT razvoj in odkrivanje napak v · • vodni udar je definiran kot spreminjanje tlačne višine H z razdaljo x in s časom t pri spremembah pretoka in lahko nastopi