Реферат-Стародуб Михаил Александрович-Разработка многоуровневой системы управления тепловыми процессами

Основными направлениями инженерной деятельности специалистов в области электропривода и автоматизации является проектирование, изготовление и эксплуатация систем управления, силовых преобразовательных устройств, измерительных систем и тому подобное.

Реализация систем управления современных электроприводов основывается на использовании микропроцессорной и компьютерной техники, предъявляет к профессиональной квалификации инженера ряд дополнительных требований, заключающихся в овладении новыми информационными технологиями инженерного труда. Успешная конкуренция выпускников технических вузов на рынке труда возможно лишь при достаточно высоком уровне теоретической и инженерно–практической подготовки. Поскольку требования, предъявляемые работодателями к качеству подготовки специалистов непрерывно усиливаются, то существенно возрастает роль лабораторного практикума в учебном процессе.

Работа с микроконтроллерных системами, управление реальным оборудованием возможна в ограниченном объеме на лабораторном практикуме и при дипломном проектировании, что обусловлено высокой стоимостью оборудования и малым количеством учебных стендов. В наше время использование микроконтролерних модулей в лабораторном практикуме и курсовом проектировании стало более доступным, поскольку появились недорогие наборы от специализированных фирм, которые позволяют студенту использовать их как отдельные устройства, так и в составе систем.

Для широкого внедрения в учебный процесс и самостоятельную работу необходимо наличие специализированных программных проектов, эмулирующие внешние, по отношению к модулю, сигналы.

Уровень развития современных средств вычислительной техники позволяет реализовывать сложные алгоритмы управления в масштабе реального времени. Цифровые системы управления обладают рядом преимуществ по сравнению с аналоговыми, что выражается в простоте и гибкости реализации алгоритмов управления. Поэтому знание специалистами этого направления чрезвычайно важным, а для формирования у них необходимых практических навыков необходимым условием является использование в учебном процессе современного специализированного лабораторного оборудования.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Современная система образования в Украине ориентирована на реализацию высокого потенциала компьютерных и телекоммуникационных технологий, позволяющих использовать новые формы организации учебного процесса, значительно повысить эффективность обучения и, прежде всего, эффективность самостоятельной работы студентов, удельный вес которой в общем объеме учебной работы постоянно увеличивается.

Рисунок 1–Вентилятор для всасывания и вытягивания воздуха

Важной частью учебного процесса всех электромеханических специальностей является лабораторный практикум. Развитие лабораторной базы должен идти путем создания новых современных лабораторных установок и физических моделей. Новейшие компьютерные технологии дают широкую возможность для проведения различных экспериментов на математических и реальных моделях.

Одним из эффективных средств исследования процессов функционирования электромеханических систем и систем автоматизации, интенсификации и повышения уровня научно–исследовательской те инженерного труда является исследование на основе компьютерного моделирования, обеспечивающий оперативный расчет установившихся и переходных режимов работы в штатных и нештатных режимах работы.

Методологическую и методическую основу математического моделирования на базе устройств силовой электроники и микропроцессорной техники составляют системный подход, имитационное и аналитическое моделирование. Трудности моделирования обусловлены их неоднородной физической природой, топологической и математической сложностью моделей, необходимостью реализации многоуровневого моделирования.

Недостатком этого подхода является исследование виртуальных моделей, которые не дают четкого представления о структуре реальных систем и не позволяют получить практические навыки работы с аппаратной частью.

Другим подходом к исследованию является программно&ndashаппаратные комплексы с использованием реальных объектов управления. В отличие от компьютерного моделирования эта система позволяет получить результаты из реальных, а не идеализированных, объектов, то есть более четко определить характер того или иного процесса. Недостатками таких решений является несоответствие характеристик реальных объектов характеристикам идеализированных моделей, применяемых при изучении базовых дисциплин; возможность исследования систем лишь определенной структуры с ограниченным набором объектов управления; привязка к специального оборудования, что часто требует дополнительных знаний инструментальных средств проектирования; высокая стоимость.

Вопросы разработки лабораторных стендов в последнее время стало еще острее. Именно благодаря этому состоялась интенсификация внедрения их в реальной жизни.Например, усилиями преподавателей и студентов Кременчугского государственного политехнического университета имени Михаила Остроградского был разработан программно–аппаратный комплекс для исследования распределенных систем управления [1].Целью работы стала разработка структуры комплекса управления спектром мощности для метода енергодиагностики и разработка аппаратного и программного обеспечения.

Рисунок 2–Тренды температуры воздушного пространства в режиме стабилизации при мощности нагривателя 220Вт

Разработка комплекса была выполнена с учетом следующих требований:

получение данных из двух каналов одновременно, синхронизация и протоколирования в файл входных и выходных сигналов;
обеспечение необходимого гармонического состава выходного напряжения и возможность его изменения;
возможность наблюдать за гармоничным составом мощности в реальном времени;
простая схемная реализация и возможность применения быстродействующих алгоритмов управления на микропроцессорной элементной базе.

Комплекс вмещает в себя следующие элементы:

персональный компьютер–реализует функции автоматизации проведения диагностики, обеспечения интерфейса, сбора данных, обработки полученных результатов и изменения весовых коэффициентов трех гармоник напряжения таким образом, чтобы обеспечить необходимый гармоничный состав электрической мощности на нагрузке;
широтно&ndashимпульсный преобразователь реализован на микроконтроллере, силовых транзисторах и драйверах силовых транзисторов и предназначен для напряжения питания;
нерегулируемый интегральный преобразователь постоянного напряжения–реализует питания драйверов силовых транзисторов;
модуль L–CARD отвечает за сбор и обработку сигналов с датчиков тока и напряжения. Сигналы измерений на вход модуля приходят в виде сигнала тока. Сигналы измерений на вход модуля приходят в виде сигнала тока. После обработки на выходе выдается сигнал напряжения, который поступает на микроконтроллер. Микроконтроллер осуществляет всю необходимую обработку сигналов для регулирования тока в реальном времени.

Другой разработкой того же заведения является программно–аппаратный комплекс для исследования распределенных систем управления. Цель работы–разработка структуры демонстрационного комплекса для исследования РСК [2].

В качестве базового оборудования для реализации комплекса использованы демонстрационный стенд CC–Link Demo–case компании Mitsubishi. Стенд предназначен для удаленного управления объектами дискретной и непрерывного действия и имеет ряд преимуществ:

мультипроцесорний режим работы;
наличие большого количества интерфейсов связи;
открытая архитектура построения.

Рисунок 3–ПЛК Vipa

В качестве объектов управления в комплексе приняты промышленный робот МП&ndash9С.01 и электромеханическая система, представляющая собой двохдвигунний электропривод–асинхронный двигатель (АД)–двигатель постоянного тока (ДПТ) с силовыми управляющими устройствами–преобразователь частоты (Гич) и широтно&ndashимпульсный преобразователь соответственно. Робот МП–9С.01 предназначен для выполнения операций транспортировки и ориентации деталей, имеет три степени подвижности по две позиции в каждой. Главная задача управления роботом–перемещение манипулятора в заданные позиции. Электромеханическая система также включает датчики тока и напряжения в статорной цепи АД и якорной цепи ДПС и датчик скорости. Главная задача управления системой–поддержание заданной скорости вращения независимо от нагрузки.

Исходя из опыта этих и других работ нужно разработать программно&ndashаппаратный комплекс для исследования тепловых процессов, как наиболее удобный для реализации.

Стенд должен отвечать следующим требованиям:

Наличие физической модели.
Наличие КИП (Контрольно–измерительные приборы) и ПЛК (Программно–логический контроллер).
Связь КИП (Контрольно–измерительные приборы) и ПЛК (Программно–логический контроллер) с ПК.
Возможность быстрой перекоммутации схемы.
Возможность аналогового и дискретного управления.
Возможность управления с ПК.
Наличие ПО.
Возможность регистрации параметров в режиме реального времени.
Создание системы как нагрев так и охлаждение

РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ И СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ

При разработке функциональной схемы системы, нужно определиться с основными элементами, входящими в ее состав. Следует определить количество таких элементов, их назначение и функциональную способность. К таким можно отнести:

Датчикы температуры.
КИП(Контрольно–измерительные приборы) или ПЛК(Программно–логический контроллер).
Пристрий регистрации использованной электрической энергии.
Регуляторы мощности (реализация аналогового управления).
Вентиляторы.
Трансформаторы тока.
Нагриватели.
Объект регулирования.

При выборе любого из элементов системы следует пользоваться следующими требованиями: Способность справиться с поставленной задачей, доступность к приобретению, качество исполнения, габаритные размеры, стоимость, простота монтажа.

Пользуясь этими требованиями и такими, которые свойственны только каждому из компонентов системы отдельно, был избран элементы автоматизации, которые в дальнейшем будут установлены на стенде.

Рисунок 4–Схема лабораторного стенда

1–ПИД–регулятор, 2–Анализатор параметров сети, 3–Трехфазный трансформатор тока 20 / 5, 4–Датчик температуры воздушного пространства, 5&ndash Датчик температуры объекта регулирования, 6&ndashРегулятор мощности вентилятора 2, нагнетающий воздух, 7–Регулятор мощности нагревателя, 8–Регулятор мощности вентилятора 1, высасывает воздуха, 9 &ndash Вентилятор 2, нагнетающий воздух, 10–Вентилятор 1, высасывает воздуха, 11–Нагреватель, 12–объект регулирования.

Схема включает в себя все элементы, создающие систему автоматизации. К таким относится ПИД–регулятор (ТРМ или ПЛК), выполняющий функцию обработки информации и управления объектом, датчики температуры, предназначенные для измерения температуры непосредственно объекта, т.е. радиатора, а также температуры в воздушном пространстве по направлению движения воздуха под действием вентиляторов, сами вентиляторы, предназначенные для перемещения воздуха вдоль объекта регулирования. Также в системе предусмотрена возможность аналогового и дискретного управления объектом, для чего используются регуляторы мощности. Устройство для анализа параметров сети в паре с трансформаторами тока позволяют очень точно определить количество использованной энергии для нагрева и охлаждения объекта.

ЛИТЕРАТУРА

Электромеханические системы, методы моделирования и оптимизации. Сборник научных трудов VII Всеукраинской научно&ndashтехнической конференции молодых ученых и специалистов в городе Кременчуг 2–4 апреля 2009 –Кременчуг, КГПУ, 2009. –414 с.
Вентиляторы и воздушно-отопительные агрегаты.: Каталог&ndashсправочник. Ч.1.&ndash М: Машмир, 1992.–220 c.
Коган А.Д. Изготовление и монтаж вентиляционных систем: Справочник / Коган А.Д., Шепотько А.П.– К: Будівельник,1990.–192 c.
Иванов О.П. Аэродинамика и вентиляторы. Учебник. / Иванов О.П., Мамченко В.О. –Л: Машиностроение,1986.–280 c.
ДЖ. ФРАЙДЕН Современные датчики. Справочник. Перевод с английского Ю. А. Заболотной под редакцией Е. Л. Свинцова ТЕХНОСФЕРА Москва Техносфера–2005
Котюк А.Ф. Датчики в современных измерениях. Москва. Радио и связь –2006

Вверх

Индивидуальное задание