Создание простой теплогидравлической модели

Создание расчетной теплогидравлической схемы

Откройте файл с именем Схема теплогидравлики 1.prt. Данный файл был создан при выполнении второго учебного задания и настроен на работу с базой данных, сохраненной в файле signals.db.

Убедитесь, что база данных содержит сигналы, созданные при выполнении первого учебного задания.

Для создания схемы используются блоки, расположенные в закладке Теплогидравлика палитры блоков (Рисунок 1).

В рамках задачи будет создана простая модель горизонтального трубопровода между двумя точками с постоянным давлением. На трубопроводе будут размещены две задвижки и точка контроля, измеряющая давление в среднем узле. В качестве учебного задания необходимо будет реализовать простую модель двигателей и блоков управления задвижками, а также алгоритм регулятора, поддерживающего давление в среднем узле на заданном уровне путём формирования управляющих воздействий на первую задвижку. Для второй задвижки будет создан пульт «местного» управления для управления задвижкой вручную.

Рисунок 1. Библиотека расчетных блоков теплогидравлики

Для набора схемы необходимо выполнить действия:

  1. Поместите на схемное окно следующие расчетные теплогидравлические блоки:

    Изображение блоков схемы может состоять из нескольких связанных графических элементов, которые могут быть перемещены относительно друг друга.

  2. Произведите последовательное соединение элементов таким образом, чтобы два элемента HS - Канал образовали одну гидравлическую линию с внутренним узлом и граничными узлами. Граничные узлы будут определять давление на границах данной гидравлической линии.
  3. Поместите на первый элемент HS - Канал элемент HS - Клапан из группы блоков HS - Арматура.
  4. Поместите на второй элемент HS - Канал элемент HS - Клапан из группы блоков HS - Арматура.
  5. В итоге схема теплогидравлической модели должна выглядеть сходно с рисунком (Рисунок 2).

    Рисунок 2. Тестовая схема теплогидравлической модели.

Настройка параметров расчетной модели

Для корректного расчета теплогидравлической модели необходимо задать геометрические и другие важные для расчета свойства каждого блока (элемента) схемы. Для этого необходимо:

  1. Выделить нужный элемент;
  2. Во всплывающем меню выбрать пункт Свойства объекта (Рисунок 3).

    Рисунок 3. Контекстное меню элемента схемы

После этого появится окно Свойства, в котором можно задать свойства элемента. Ниже представлено окно для блока HS - Граничный узел (Рисунок 4 для граничного узла, расположенного слева).

Рисунок 4. Диалоговое окно «Свойства» для левого граничного узла

Установите в граничных узлах значения следующих свойств:

  1. Для левого узла (Рисунок 4):
    1. Давление – 147150;
    2. Энтальпия – 83680;
    3. Объем узла – Self.S*0.1;
    4. Гидравлический диаметр – 1;
    5. Теплоноситель – Вода;
  2. Для правого узла:
    1. Давление – 98100;
    2. Энтальпия – 83680;
    3. Объем узла – Self.S*0.1;
    4. Гидравлический диаметр – 1;
    5. Теплоноситель – Вода;

Этими свойствами будет задана постоянная величина перепада давления (половина атмосферы) на границах моделируемого трубопровода, что приведет к наличию расхода в трубопроводе при незакрытых задвижках.

Обратите внимание, что свойство Проходное сечение для обоих граничных узлов задано по умолчанию интерпретируемым выражением. Разберем значение для S, равное pi*Self.D^2/4 для понимания:

Таким образом, достаточно задать значение для гидравлического диаметра, а свойство для проходного сечения будет вычислено по формуле для круглой трубы (0.25*π*d2/4). При необходимости заданные по умолчанию значения надо изменить на требуемые, как мы это сделали для давления в левом узле.

Если мы хотим в формировании каких-либо одних свойств блока использовать какие-либо другие свойства блока, то нам достаточно сформировать на них ссылку по шаблону Self.<имя свойства> и добавить какие-либо математические действия. При создании параметризованных субмоделей часто вместо служебного слова Self используется Submodel для ссылки на свойство субмодели.

Заполните свойства для блоков HS - Канал в соответствии с рисунком (Рисунок 5), вызвав диалоговое окно Свойства.

Рисунок 5. Диалоговое окно «Свойства» для канала.

Для корректной работы задвижек в схеме необходимо, чтобы гидравлическое сопротивление участка трубопровода, в котором они установлены, не равнялось нулю, поэтому нужно задать общее сопротивление канала, равное хотя бы 1 (как для левого трубопровода, так и для правого). Для этого в строках Прямое местное сопротивление и Обратное местное сопротивление введите 1. Если количество расчетных элементов (N) больше одного (т.е. канал разбит на ячейки), то сопротивления можно задать строкой Self.N#(1/Self.N), то есть формируется массив из значений сопротивления для каждой гидравлической связи внутри канала так, чтобы суммарное сопротивление канала было равно 1.

По умолчанию задано верное значение. Численное значение сопротивления в данном упражнении не важно, главное чтобы оно было ненулевое.

Теперь перейдём к задвижкам. Напомним, что при создании базы данных мы использовали название для задвижек Z1 и Z2.

Связь параметров расчетных элементов с сигналами из базы данных

После создания простейшей расчетной схемы необходимо связать параметры расчетных элементов с сигналами из базы данных.

Выделите на схеме регулирующий клапан и осуществите вызов контекстного меню (правая клавиша мыши). Выберите в меню пункт Свойства объекта (см Рисунок 3).

После этого появится диалоговое окно редактирования параметров объекта для элемента типа «Регулирующий клапан», представленное на рисунке ниже (Рисунок 6):

Рисунок 6. Диалоговое окно редактирования свойств элемента «Регулирующий клапан»

Параметры, представленные в окне редактирования на закладке «Свойства» (см. Рисунок 6), могут быть заданы как с помощью числовых значений непосредственно в редакторе свойств, так и посредством импорта из базы данных сигналов.

Чтобы связать параметр объекта с сигналом из базы данных необходимо в таблице свойств выделить значение параметра (в данном примере Степень открытия, %), удалить цифровое значение (в данном примере «100») и нажать кнопку Найти значение в базе (см. Рисунок 6).

При нажатии этой кнопки происходит вызов диалогового окна «Редактор базы данных» (см. Рисунок 7). В диалоговом окне нужно выбрать последовательно:

  1. Категорию «Задвижки».
  2. Группу сигналов «Z1» для левой задвижки («Z2» для правой).
  3. Имя сигнала «Положение».

В данном учебном задании необходимо связать свойства объекта Положение, % и сигнал Положение в базе данных для задвижки с именем Z1 (см. Рисунок 7).

Выберите данный сигнал и нажмите клавишу Добавить в панели Выбранные данные (см. Рисунок 7). При необходимости предварительно удалите существующие записи.

Введите значение 50 для сигнала Положение (см. Рисунок 7). Задание сигнала в базе данных устанавливает значение положения клапана открыто на 50%

Для выбранного сигнала формируется уникальное имя, состоящее из имени группы сигналов и имени сигнала, разделенных знаком подчеркивания (в данном примере Z1_xq1). Закройте окно редактора базы данных нажатием кнопки Ok.

Рисунок 7. Выбор сигнала в базе данных для свойств объекта

Повторите действия для второго клапана, привязав его состояние к аналогичному сигналу из базы данных проекта, но относящемуся к группе сигналов с именем Z2. Диалоговое окно свойств этой задвижки должно выглядеть так, как показано на рисунке (Рисунок 8).

Имя сигнала Z2_xq01 можно вписать и вручную, так бывает удобно поступать, когда разработчик модели хорошо знает базу сигналов и именования сигналов не длинные. Для надёжности лучше вставлять имя сигнала из базы.

Рисунок 8. Свойства клапана после связывания сигнала Z2_xq01 из базы данных и «Положение, %»

Просмотр расчетных параметров теплогидравлической схемы

Каждый блок расчетной схемы содержит набор параметров, которые рассчитываются кодом и отражают текущее состояние расчетных характеристик процесса, происходящего в схеме и блоке. Контролируя параметры блока как в числовом, так и в графическом виде, пользователь может анализировать ход переходного процесса. Используя параметры, пользователь может создать точки контроля для блока, которые в свою очередь могут использоваться в схемах автоматики для формирования различных алгоритмов управления (например, параметр «давление» - алгоритм управления «поддержание давления на заданном уровне»). Эти параметры, как в виде табличных значений, так и виде графиков, можно просматривать непосредственно во время расчета теплогидравлической схемы. Для того, чтобы просмотреть список параметров, доступных для каждого элемента схемы, необходимо:

  1. Выделить элемент теплогидравлической схемы.
  2. Нажать правую кнопку мыши.
  3. Во всплывающем меню выбрать пункт Параметры объекта (Рисунок 9).

Рисунок 9. Всплывающее меню для элемента схемы

После этого появляется окно со списком параметров, которые можно получить из расчетного кода для данного элемента схемы.

Выделите нажатием левой кнопки мыши на теплогидравлической схеме внутренний узел (см. Рисунок 10)

Рисунок 10. Выделение внутреннего узла схемы

Выберите пункт Параметры объекта во всплывающем меню. (см. Рисунок 9). Появится диалоговое окно параметры для выбранного элемента (для внутреннего узла, см. Рисунок 11). Данное окно отображает список параметров элемента, выбранного в данный момент на схеме. Не закрывая это окно, можно выделить другой элемент схемы и посмотреть список его параметров.

Рисунок 11. Окно «Параметры» для внутреннего узла схемы

Выберите в списке параметр Давление и нажмите здесь же, слева вверху, кнопку Создать график (Рисунок 11). Появится новое окно Временной график, в котором будет отображаться изменение выбранного параметра по времени (Рисунок 12).

Рисунок 12. Окно временного графика

Имя переменной на графике формируется из имени элемента (данное имя можно увидеть, вызвав окно Свойства и открыв вкладку Общие) и имени параметра, которые разделяются точкой. Например, для элемента Внутренний узел, с именем Node_2., и параметра давление с наименованием _p, имя переменной на графике – Node_2._p (Рисунок 12).

Не закрывая диалогового окна Параметры, выберите на теплогидравлической схеме первый (левый) элемент HS - Канал (см Рисунок 13).

Рисунок 13. Схема с выделенным элементом «HS - Канал»

Диалоговое окно параметры при этом будет отображать список параметров, соответствующих уже вновь выбранному элементу HS - Канал (Рисунок 14).

Рисунок 14. Окно «Параметры» для канала

Выделите параметр _g (Массовый расход, кг/с) и нажмите кнопку Создать график.

Запустите задачу на расчет (пункт Расчёт → Пуск Главного меню). Запустить задачу на расчет также можно нажав клавишу F9 на клавиатуре либо используя кнопки запуска расчета из схемного или главного окна.

Если предыдущие действия выполнены правильно, после короткого переходного процесса в созданной схеме установятся следующие значения для выбранных параметров:

  • давление во внутреннем узле 122625 (Рисунок 15),
  • массовый расход по трубопроводу примерно 23,8 кг/с (Рисунок 16).

Рисунок 15. График давления во внутреннем узле схемы

Рисунок 16. График массового расхода в трубе

Добавление датчиков к теплогидравлическим элементам

На теплогидравлической схеме можно разместить дополнительные блоки – датчики, которые позволяют считывать параметры, рассчитываемые различными блоками, и записывать их с каким-то технологическим именем в базу данных. Каждый элемент расчетной схемы содержит набор параметров, которые можно передавать в базу данных сигналов с помощью датчиков.

Это позволяет создавать математическую модель системы управления, получающую сигналы от датчиков из теплогидравлической модели, в полном соответствии с реальным объектом.

Добавим на схему датчик контроля массового расхода в канале. Готового блока такого датчика в библиотеке SimInTech нет. Для этого нужно выполнить следующие действия:

  1. Выберите элемент HS - Датчик P в узле из линейки блоков Датчики (см. Рисунок 17).

    Рисунок 17. Палитра элементов, блок «HS – Датчик P в узле»

  2. Поместите указатель мыши на элемент типа "канал". (Элементы схемы можно передвинуть или изменить длину изображения канала так, чтобы блок датчика поместился на изображение канала.)
  3. Нажмите левую кнопку мыши.
При правильном позиционировании вновь добавленный элемент должен получить имя владельца блока Channel_4. Имя владельца блока выводится в всплывающей подсказки при наведении курсора мыши (см. Рисунок 18).

Рисунок 18. Блок «HS – Датчик P в узле», вставленный в канал

После помещения блока на элемент схемы, он может быть перемещен в любое место схемного окна. При этом связь блока (датчика массового расхода в данном случае) и владельца сохраняется.

Для изменения владельца блока необходимо во всплывающем меню выбрать пункт Действие и далее Сменить владельца (см. Рисунок 19).

Рисунок 19. Пункт всплывающего меню «Действия → Сменить владельца»

Для переконфигурирования датчика давления в датчик массового расхода необходимо изменить настройки свойств блока следующим образом:

Таким образом, свойства блока датчика должны выглядеть так, как представлено на рисунках (см Рисунок 20, Рисунок 21).

Рисунок 20. Настройки блока датчика массового расхода

Рисунок 21. Настройки блока датчика массового расхода

Теперь датчик имеет название HS – Датчик G в канале и осуществляет измерение параметра массового расхода своего родительского элемента.

Для настройки точки контроля выполните двойной клик на элементе HS – Датчик G в канале. В появившемся диалоговом окне Изменение точки контроля\записи можно изменять параметры источника и места записи сигнала. В поле Значение (источник) введена строка parent._G (см. Рисунок 22). Значение строки формируются из имени элемента (parent) и названия параметра (_G), разделенных точкой. В нашем случае слово parent означает и заменяется на имя владельца блока. Аналогичной является запись Channel_4._G

Рисунок 22. Изменение точки контроля

Поставьте галочки в полях Создавать сигналы автоматически и Переименовывать сигналы автоматически. Имя точки контроля - RT237, означает, что в базе сигналов, внутри категории, которая указана в свойствах блока, будет создана группа сигналов с соответствующим именем.

Разместим также датчик давления во внутреннем узле схемы. Для этого необходимо выполнить следующие действия:

  1. Вставьте блок HS – Датчик P в узле в элемент Внутренний узел.
  2. В свойствах блока в поле Имя категории для точек контроля задайте строку Датчики.
  3. Задайте в поле Имя точки контроля строку RT238.
  4. Задайте в поле Значение (Источник) строку parent._P.
  5. Задайте в поле Сигнал (Приемник) строку P.
  6. Задайте в поле Название сигнала строку Расчетное давление в узле, МПа (см. Рисунок 43).
Таким образом, мы добавили на схему два датчика, один из которых (RT237) измеряет расход в трубе, второй (RT238) – давление во внутреннем узле.

Рисунок 23. Окно редактирования «Изменение точки контроля» давления во внутреннем узле

Запустите задачу на расчет нажатием на пункт Расчёт → Пуск в главном меню.

Если добавление датчиков на схему было выполнено правильно, то в базе данных в категории Датчики появятся две новые группы сигналов «RT237» и «RT238». Вызовите редактор базы данных (пункт Инструменты → База данных главного меню программы). Установите в редакторе базы данных галочки в полях Режим просмотра сигналов и Обновлять с интервалом (см. Рисунок 24). В этом режиме редактор базы данных отображает значения сигналов, рассчитываемых схемой. Убедитесь, что значения в таблице для точек контроля RT237 и RT238 соответствуют расходу в трубе и давлению в узле схемы.

Поскольку в нашем примере сохранение базы данных осуществляется при сохранении схемы автоматики, необходимо сохранить базу данных сигналов вручную. Для этого нажмите кнопку Сохранить в файл (см. Рисунок 24) и сохраните базу данных в файл с именем signals.db.

Рисунок 24. Редактор базы данных в режиме просмотра значений сигналов для точки контроля

Изменение названий клапанов на схеме

Помещенные на схему клапана по умолчанию имеют названия, соответствующие некоторой кодировке оборудования. Средства программного комплекса позволяют задавать шаблон названий по умолчанию для любых элементов. В данном учебном задании мы используем названия Z1 и Z2 и не делаем различия между клапанами и задвижками. Прежде чем перейти к выполнению следующего учебного задания, измените названия клапанов.

Для изменения названия клапанов следует выполнить следующие действия:

  1. Выделите клапан на схеме.
  2. Нажмите правую кнопку мыши.
  3. В всплывающем меню выберете пункт Свойства объекта.
  4. В диалоговом окне Свойства перейдите на закладку Общие.
  5. В строке название объекта введите Z1 (см. Рисунок 25).
Аналогичным образом измените название объекта для второго клапана, «Z2».

Рисунок 25. Изменение наименования клапана