Разработка автоматизированной системы экспериментальных исследований теплового двигателя

Различают два  основных типа систем управления:

1. Системы управления технологическими процессами в широком смысле этого слова, предназначенные для непосредственного управления производственными процессами на физическом уровне процесса;
2. Системы информационного управления, имеющие дело с объектами организационной природы, предназначенные для решения задач управления таких объектов управления, как крупные технические подразделения, военные, строительные и иные объекты разных рангов.

Главное отличие  между ними заключается в характере  объекта управления. В первом случае это всевозможные установки, приборы, станки и прочее, во втором – прежде всего люди.

Другое отличие  между указанными системами заключается  в форме передачи информации. Если в системах управления технологическими процессами основной формой передачи информации являются различного рода сигналы, то в системах организационного управления это документы. Четкую границу между двумя рассматриваемыми типами систем провести невозможно, чаще всего передача информации осуществляется как с помощью документов, так и с помощью сигналов.

Автоматизация систем управления осуществляется с  помощью вычислительной техники. В  зависимости от степени участия  человека в управлении, системы управления можно классифицировать следующим  образом:

1. Автоматические;
2. Полуавтоматические;
3. Автоматизированные.

Автоматизированная  система не исключает, а наоборот, предполагает участие человека в  управлении системой и принятие человеком  ключевых решений, в то время как  автоматические системы управления исключают участие человека в управлении объектом. Полуавтоматическая система может рассматриваться как вариант автоматической системы, в которой уровень развития техники еще не позволяет исключить человека из контуров системы управления.

Центральным ядром  системы управления, с помощью которого осуществляется ее автоматизация, является вычислительная машина. Возможны два способа взаимодействия между ЭВМ, объектом управления и органом управления.

В первом случае ЭВМ используется, как правило, для  решения отдельных периодически повторяющихся трудоемких задач. Сбор информации ведется вручную, так же осуществляется и подготовка документов с управляющими воздействиями. Подобная система может быть названа системой обработки данных. Обращение пользователей к системам обработки данных чаще всего приводит к обновлению информации; вывод информации может вовсе отсутствовать или представлять собой результат программной обработки хранимых сведений, а не сами сведения. Примером системы обработки данных может быть система сберегательного банка города. Она содержит сведения о вкладах жителей города, большинство обработок банковской информации предполагает обновление сумм вкладов, расчет процентов, подведение итогов за некоторый период работы и т.п.

Во втором случае основная информация о состоянии управляемого объекта собирается автоматически машиной (в общем случае – вычислительным центром). ЭВМ перерабатывает поступающую информацию и в том или ином виде готовит выходную документацию, после чего выносится решение о воздействии на объект. Автоматизированные системы управления классифицируют также в зависимости от вида выдаваемой ими выходной документации. Последняя может быть представлена в виде:

1. Переработанной, упорядоченной совокупности сведений об управляемом объекте. На основании их человек (или группа людей) принимает решение о характере воздействия на объект. Это свойственно системе обработки данных, но не собственно автоматизированной системе.

2. Совокупности рекомендаций (вариантов решения) относительно характера воздействия на управляемый объект. Окончательное решение  в данном случае принимает человек. Такая реализация наиболее типична для автоматизированных систем управления.

В рамках выпускной  работы разрабатывается двухуровневая  автоматизированная система управления.

 

2. Методика построения многоуровневых автоматизированных систем регулирования

 

При автоматизации сложных технологических процессов часто строятся многоуровневые системы управления. В таких системах на нижнем уровне находятся объекты со своими системами управления. Каждая система управляет своим объектом автономно. На верхнем уровне находится управляющее устройство, как правило, это компьютер, который управляет работой систем нижнего уровня.

 

Рис 2.5 - Структурная схема двухуровневой автоматизированной системы экспериментальных исследований

Например, имеется поточная линия гибкого автоматизированного  производства (ГАП) состоящая из станков  с числовым программным управлением (ЧПУ). Каждый такой станок имеет  свою систему управления на базе микроЭВМ. Если связать все микроЭВМ станков с одним общим компьютером и обеспечить его соответствующей программой. То мы получим двухуровневую систему управления поточной линией станков. С компьютера верхнего уровня можно менять рабочие программы станков для обработки других деталей или запрашивать информацию о количестве обработанных деталей, о состоянии инструмента и других параметров рабочего процесса. Многоуровневые системы строятся для управления сложными процессами, которые, в свою очередь, состоят из множества процессов.

Примерами могут служить система управления единой энергетической системой страны, система управления линией выпуска бензина на нефтеперерабатывающем заводе, система управления крупным газопроводом с множеством перекачных станций и т.п.

Разрабатываемая автоматизированная система управления тепловым двигателем является двухуровневой. На верхнем уровне находится микроконтроллер на нижнем уровне регулятор. Все значения снятые с датчиков и считанные регулятором поступают на окно оператора. Данные считываются посредством микроконтроллера. Помимо сбора данных, микроконтроллер выполняет также функции: обработки данных, отображения в удобной форме, а также подачу управляющих воздействий на регулирующие органы. На рис. 2.5 показана двухуровневая система автоматического регулирования, разрабатываемая в рамках данного дипломного проекта. Как  видно из рисунка на нижнем уровне расположен регулятор и все данные по каналам связи поступают на ЭВМ(микроконтроллер). Такая архитектура построения автоматизированных систем обладает рядом преимуществ. Главным преимуществом такой системы является то, что оператор может следить за всем происходящим в системе, и имеет возможность вовремя среагировать в нештатной ситуации. А применительно к тригенерационной установке, применяемой в учебных целях, студенты могут заниматься сбором данных, централизовано. Так как значения, полученные с датчиков, отображаются в окне оператора в удобной форме. Значения всех датчиков представлены на панели приборов.

 

2.2.3 Построение функциональной схемы автоматизации

 

Функциональная схема автоматизированной системы экспериментальных исследований отображает функционально-блочную структуру отдельных узлов систем автоматического контроля, сигнализации, управления, регулирования и определяет оснащение объекта приборами и средствами автоматизации. На основании функциональных схем выполняются остальные чертежи проекта и составляются заявочные ведомости и заказные спецификации приборов и средств автоматизации. Функциональная схема автоматизации дает представление о том, какие параметры на данном участке технологического процесса подвергаются контролю, регулированию, каковы номинальные значения параметров, где расположены показывающие, сигнализирующие и регулирующие приборы, по каким параметрам совмещаются функции контроля и регулирования, в каких случаях предусматривается управление, где располагаются регулирующие органы и т. д.. Системы автоматизации технологических объектов строятся, как правило, на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и вычислительной техники.

На функциональной схеме автоматизации места соответствующие реальному расположению приборов, показываются в виде условных графических и буквенных обозначений датчики и исполнительные механизмы с регулирующими органами, т. е. устройства, непосредственно воспринимающие изменение технологического параметра (датчик) и изменяющие его величину (исполнительный механизм и регулирующий орган). Эти устройства соединяются линиями связи с условными изображениями приборов и устройств, которые показывают (регистрируют) измеряемую величину – приборы контроля, вырабатывают управляющее воздействие для исполнительного механизма (регуляторы, функциональные блоки); преобразуют один вид энергии в другой (пневмоэлектропреобразователи) или усиливают управляющий сигнал по мощности (усилители мощности).

Чтобы линии  связи не пересекали другие изображения, их разрывают, а в концах разрыва  ставят одинаковые цифры. Условные графические, буквенно-цифровые обозначения приборов контроля, регуляторов и т. д. располагаются  свободно на поле чертежа. Изображения приборов принято располагать с подписями, указывающими место их расположения: непосредственно на технологическом объекте “по месту”, на щите или пульта управления “щит КИПиА”.

При разработке функциональной схемы автоматизации  учитывались технологические параметры работы узла:

• температура ДЭС не должна превышать T=100°C (из документации производителя);
• температура бака-аккумулятора не должна превышать T=70°C (из документации производителя);
• давление на выкиде насосов не должно превышать P=8 кгс/см²;
• необходимо предусмотреть обратный клапан после насоса, для того чтобы не допустить обратное давление на насос;
• для коррекции смешения, после каждого насоса устанавливается трехходовой регулирующий клапан;

 

В результате описанных  выше технологических требований, в соответствии с  ГОСТ 21.404-85 была разработана функциональная схема автоматизированной системы экспериментальных исследований. Вышеперечисленные параметры отображения, контроля и измерения должны отражаться на экране оператора.

В соответствии с технологическими требованиями, из каталогов производителей контрольно-измерительного оборудования, были подобраны электромеханические приборы и оборудование для автоматизированной системы экспериментальных исследований. Подробное описание, модель, технические характеристики и функции оборудования приводятся в спецификации (таблица 2.1). Узкая спецификация приборов, для удобства чтения схемы, приводится в функциональной схеме автоматизации.

 

 

Т а б л и ц а 2.1 – Спецификация оборудования автоматической системы управления

Поз.	Наименование	Модель (тип)	Краткие технические характеристики	Произво -дитель	Функция
1	2	3	4	5	6
1-1, 1-2, 2-1, 3-1, 3-2.	Клапан трехходовой регулирующий с пневматическим мембранным приводом (с возвратной пружиной) и электропневматическим позиционером	1018S – клапан; 667 – привод; 3582i --  позиционер (взрывозащи -щенный)	Диаметр условный (Ду) 100 мм; нормально закрыт, т.е. действие «подача воздуха открывает клапан»; входной сигнал регулирования 4 … 20 мА при напряжении 30 В, максимально, пост. Тока	EMERSON (FISHER – ROSEMOUNT), Германия	Регулирование потока охлаждающей жидкости
1-0, 2-0, 3-0.	Сенсор температуры  – термопреобразователь сопротивления  платиновый	ТСП Метран-245(50П)-01-IР65-250-С-4-1-Л-У1.1	Сенсор по ТУ 421 1-002-12580824-2002, группы 50П, длина удлинительных проводов 250мм.	ГП «Метран», Россия	Измерение температуры бака –аккумулятора и охлаждающей жидкости.
1-2, 2-2, 2-3.	Датчик –  преобразователь температуры, восьмиканальный	848T-F-I1-S001-B6-JA2-F5	Интерфейс Foundation Fieldbus с цифровым сигналом; тип входов - термопреобразователь сопротивления. Рабочее напряжение датчика от 9,0 до 32,0 В постоянного тока.	EMERSON Process Management, Швейцария	Измерение температуры бака –аккумулятора и охлаждающей жидкости.

 

 

 

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ

 

Рисунок 2.6 - Функциональная схема автоматизации

 

На рисунке 2.6 показана функциональная схема автоматизациитригенерационной установки. Для осуществления автоматизированного регулирования применяется регулятор микропроцессорный , а также набор датчиков и исполнительных механизмов. Наименование компонентов, входяхих в функциональную схему автоматизации приведено в таблице-2.1. Автоматизированная система экспериментальных исследований является двухуровневой. С помощью датчиков температуры происходит снятие значений, необходимых для качественного регулирования. В АСЭИ производится регулирование температуры охлаждающей жидкости дизель-генератора и температуры воды в баке-аккумуляторе.

 

 

 

2.2.4 Разработка структурной схемы автоматизации

 

         Для более наглядного представления реализации автоматизированного регулирования, была составлена структурная схема автоматизации. Для регулирования потоком жидкости и температурой применяется ПИД-регулирование.

 

 

 

 

Рис 2.7 -Структурная схема автоматизации первого контура регулирования

 

 

 

 

Рис 2.8 -Структурная схема автоматизации второго контура регулирования

 

На рисунках 2.7 и 2.8 показаны структурные схемы автоматизации регулирования клапанов РК5 и РК2. Для осуществления автоматизированного регулирования применяется регулятор микропроцессорный. Автоматизированная система экспериментальных исследований является двухуровневой. На верхнем уровне управления установлен микроконтроллер на нижнем уровне микропроцессорный регулятор  . В качестве задатчика в системе используется аналоговый выход микроконтроллера и встроенный программный задатчик микропроцессорного регулятора . Задатчик в данной системе предназначен, для задания необходимой оператору температуры бака-аккумулятора-2 и температуры самого дизель-генератора. Температура воды в баке-аккумуляторе не должна превышать 55^оС. Поэтому данный порог устанавливается программно в микропроцессорном регуляторе. Данное значение в процессе работы с установкой оператор изменить не сможет. Так как перегрев бака-аккумулятора влечет за собой его деформацию. Для поддержания заданной температуры в БА-2 применяется технология сброса избытка тепла в окружающую среду. Технология реализована посредством микропроцессорного регулятора. Показания с датчика RTD 14 считываются регулятором. Показание, снятое с датчика RTD 14 инвертируется и суммируется с заранее заданным сигналом программного задатчика. Далее по ПИД-закону регулирования сигнал поступает на выход Zb. К аналоговому выходу Zb подсоединен трехходовой регулирующий клапан  РК2. В результате суммирования показания датчика RTD 14 и значения программного задатчика формируется сигнал «+» или «-», что в свою очередь означает открытие или закрытие трехходового регулирующего клапана РК2. Для поддержания оптимальной температуры дизель-генератора применяется ПИД-регулирование, осуществляемое микропроцессорным регулятором. В данном случае задатчиком уже выступает микроконтроллер. Сигнал задания формируется уже в микроконтроллере. Оператор в диспетчерском окне задает нужную температуру для проведения эксперимента. Значение температуры преобразуется в токовый сигнал в микроконтроллере и через аналоговый выход, подключенный ко входу Хa микропроцессорного регулятора поступает в регулятор. Также на вход Ха поступает значение, считанное с датчика RTD 10. В регуляторе значение полученное от термодатчика инвертируется и суммируется с сигналом полученным от микроконтроллера. Далее по ПИД-закону регулирования сигнал поступает на выход Zф. К аналоговому выходу Zф подсоединен трехходовой регулирующий клапан  РК5. В результате суммирования показания датчика RTD 10 и значения полученного от микроконтроллера формируется сигнал «+» или «-», что в свою очередь означает открытие или закрытие трехходового регулирующего клапана РК5.