Разработка автоматизированной системы экспериментальных исследований теплового двигателя

 

2.3 Расчет и выбор оборудования

 

Основным компонентом  автоматизированной системы экспериментальных  исследований теплового двигателя  является микроконтроллер. Контроллер выполняет функцию сбора и  обработки информации, а также  в качестве задающего и контролирующего устройства. А также в состав автоматизированной системы входит регулятор, осуществляющий регулирование трехходовых клапанов, по ПИД-закону регулирования. Для решения поставленных задач необходимо разработать приложение. Наиболее подходящей средой программирования является среда графического программирования LabView Real Time. Главным плюсом выбранного программного продукта является его совместимость с выбранным микроконтроллером.  В качестве микроконтроллера был выбран - Контроллер Compact Field Point, производства фирмы National Instruments. В качестве регулятора выбран  прибор микропроцессорный программируемый с автоматизированной настройкой параметров ПРОТАР 120. Выбор приборов обусловлен специфичностью разработки АСЭИ. Необходимость применения регулятора ПРОТАР 120 объясняется тем, что предполагается разработка двухуровневой системы автоматического регулирования. Ниже будут приведены характеристики приборов и средств.

2.3.1 Контроллер Compact Field Point

 

Compact Field Point представляет собой программируемый контроллер автоматизации (РАС), разработанный для решения задач автономного промышленного управления, сбора данных и их передачи по сети. Данная система обладает надежностью и возможностями, присущими ПЛК, дополненными функциональностью, гибкостью настройки и простотой программирования, свойственными обычным персональным компьютерам. Compact Fieid Point - самая надежная платформа, предназначенная для решения промышленных и портативных задач в условиях высоких ударных нагрузок, вибраций и экстремальных температур. Модули Compact Field Point работают под управлением LabVIEW Real - Time, что позволяет сохранить простоту использования и возможности LabVIEW.

Field Point - это  недорогая основанная на ПК  система распределенного ввода/вывода данных с широкими возможностями обмена данными через последовательный порт, CAN интерфейс и Ethernet. В стационарных задачах при подключении блоков Fieid Point к ПК с целью сбора данных, их анализа, отображения и хранения, система может быть смонтирована на DiN-рейке.

Обе платформы  используют модульный ввод/вывод  сигналов для непосредственного  подключения к датчикам и линиям управления и способны осуществлять сбор данных и их передачу по стандартным  интерфейсам, например Ethernet. Обе системы  конфигурируются с помощью Measurement & Automation Explorer и для программирования и осуществления соединений используют одинаковое ПО.

Благодаря LabVIEW Real - Time, контроллеры NI cFP-20xx нашли применение в приложениях, требующих промышленного  уровня надежности и комбинации аналогового и цифрового управления, например регистраторы, аналоговые регуляторы, взаимодействие с внешними последовательными устройствами, анализ в реальном времени, статистическое управление процессами и моделирование. Подобные системы "жесткого" реального времени распространены в нефтегазовой, полупроводниковой, целлюлозно-бумажной промышленностях, в водном хозяйстве и промышленном производстве.

Компоненты Compact Field Point:

- Интеллектуальный Ethernet контроллер;

- Compact Field Point предлагает три типа контроллеров для выполнения встроенных LabVIEW приложений, удовлетворяющих требованиям конкретной задачи:

- NI cFP-2020 с отдельным Compact Flash модулем памяти;

- NI cFP-2010 с 32 Мб DRAM памяти;

- NI cFP-2000 с 16 Мб DRAM памяти;

- Интеллектуальные модули ввода/вывода;

- Большой выбор модулей аналогового и цифрового ввода/вывода для взаимодействия с промышленными датчиками и управления исполнительными механизмами.

• Встроенное согласование сигналов для прямого соединения с высоким напряжением, термопарами, термометрами сопротивления и мостовыми схемами;
• Защита от бросков напряжения до 2300 Vrms;
• "Горячая" замена модулей;
• Преобразование в инженерные величины;
• Калибровка (сертификат NIST) для обеспечения точности измерений;
• Надежная основа;
• Объединительная плата Compact FieldPoint производится в двух исполнения с четырьмя или восемью слотами для модулей ввода/вывода. Compact FieldPoint узел взаимодействует в распределенных сетях посредством 10 или 100 Мб Ethernet.
• Металлическая основа с защитным заземлением
• Защита от вибраций (удар 50 g, вибрация 5 g)
• Невосприимчивость к электрическим помехам (CE Heavy Industrial).
• Подключение сигналов

Выбор одной  из опций:

• Встраиваемый коннектор с подключением "под винт"
• Внешний коннектор "под винт" на DIN-рейку
• Кабель для прямого подключения к оборудованию.

2.3.2 Описание среды графического программирования LabVIEW

 

LabVIEW представляет  собой высокоэффективную среду  графического программирования, в  которой можно создавать гибкие  и масштабируемые приложения измерений, управления и тестирования с минимальными временными и денежными затратами. LabVIEW сочетает в себе гибкость традиционного языка программирования с интерактивной технологией экспресс ВП, которая включает в себя автоматическое создание кода, использование помощников при конфигурировании измерений, шаблоны приложений и настраиваемые экспресс ВП. Благодаря этим особенностям и новички, и эксперты могут легко и быстро создавать приложения в LabVIEW. Интуитивно понятный процесс графического программирования позволяет уделять больше внимания решению проблем, связанных с измерениями и управлением, а не программированию.

Современные средства разработки прикладного программного обеспечения предоставляют широкий  выбор инструментов, как для опытных  программистов, так и для не искушенных в программировании пользователей. Эти средства позволяют создавать пользовательские программы непосредственно на стандартных языках программирования, например C/C++, Basic, а также с помощью специальных библиотек, являющихся основой ряда инструментальных программных средств. Пакеты для разработки прикладного программирования для систем автоматизации по своему основному назначению разделяются на следующие группы:

- пакеты программ LabVIEW, Measurement Studio, LabWindows/CVI, Agilent VEE и т.п. ориентированы, в основном, на использование в системах автоматизации лабораторного эксперимента и испытаний, хотя могут применяться и при создании других приложений, не связанных с взаимодействием с измерительно - управляющим оборудованием;

- пакеты LabVIEW/DSC, Lookout, InTouch, "Трейс Моуд" предназначены  для создания прикладного программного  обеспечения в автоматизированных  системах управления технологическими  процессами (АСУТП) и промышленной  автоматики (системы SCADA-Supervisory Control And Data Acquisition). По способу программирования эти пакеты делятся на следующие:

- текстовые  или текстово - графические (Pascal, Delphi, LabWindows/CVI, Measurement Studio, Visual Basic, Visual C/C++), использующие элементы визуального текстового программирования для создания пользовательского интерфейса приложения и ориентированные в первую очередь на опытных программистов;

- графические  объектно-ориентированные (InTouch, "Трейс  Моуд"), основанные на применении  графических образов объектов  АСУТП в качестве элементов программирования;

- графические  функционально-ориентированные (LabVIEW, LabVIEW/DSC, Agilent VEE), использующие функционально-логический  принцип конструирования (рисования)  и графического представления  алгоритмов программ.

 

Система LabVIEW включает в себя:

- ядро, обеспечивающее  работоспособность программных  процессов, разделение аппаратных  ресурсов между процессами;

- компилятор  графического языка программирования "G";

- интегрированную  графическую среду разработки, выполнения  и отладки программ;

- набор библиотек  элементов программирования в  LabVIEW, в том числе библиотеки  графических элементов пользовательского  интерфейса, библиотеки функций  и подпрограмм, библиотеки драйверов,  библиотеки программ для организации  взаимодействия с измерительно-управляющими аппаратными средствами и т.п.;

- развитую справочную  систему;

- обширный набор  программ-примеров с возможностью  как тематического, так и алфавитного  поиска.

Программирование  в системе LabVIEW максимально приближено к понятию алгоритма.

 

2.3.3  Описание прибора регулирующего микропроцессорного программируемого с автоматизированной настройкой параметров ПРОТАР 120

 

Прибор регулирующий микропроцессорный программируемый  с автоматизированной настройкой параметров ПРОТАР 120, разработан Московским заводом тепловой автоматики, является дальнейшим развитием микропроцессорных приборов серии ПРОТАР.

Главной отличительной  чертой приборов является наличие в  программном обеспечении алгоритма  автоматизированной настройки динамических параметров ПИД регулятора с возбуждением автоколебаний. Анализ автоколебаний, вычисление и установка оптимальных параметров настройки осуществляется автоматически. Алгоритм разработан МЗТА совместно с Московским энергетическим институтом. Алгоритм жесткой структуры в приборах не реализуется. Прибор является сложным электронно-вычислительным устройством. Прибор предназначен для применения в автоматизированных системах управления и в локальных системах регулирования в различных отраслях промышленности. Прибор используется в схемах стабилизации технологических параметров, программного, каскадного, многосвязного регулирования с реализацией сложных алгоритмов обработки информации.  Алгоритм функционирования прибора программируется потребителем, при этом специальных знаний в области математического программирования от персонала, осуществляющего проектирование систем управления на базе приборов, а также их наладку и обслуживание, не требуется.

Многофункциональность и свободная программируемость  прибора позволяет заменить несколько (в среднем 4-6) аналоговых приборов и значительно усовершенствовать алгоритмы управления. Наличие алгоритма автоматизированной настройки параметров позволяет значительно ускорить ввод в действие системы регулирования при гарантированном качестве настройки, а также осуществлять периодическую диагностику настройки и ее оптимизацию в процессе эксплуатации.

Связь прибора  с другими устройствами системы  автоматического управления (в том  числе с УВМ) осуществляется с  помощью аналоговых и дискретных сигналов.

 

2.4 Разработка алгоритма управления регулирующими клапанами, реализованного с помощью регулятора ПРОТАР 120

 

Для функционирования прибора необходимо составить программу реализации нужного алгоритма функционирования, ввести ее в прибор и отладить. Программа, вводимая в прибор для реализации заданной структуры представляет собой: запись последовательности команд в виде функций и переменных. Эта последовательность команд записывается при программировании как шаги программы, каждому из которых присваивается порядковый номер. Максимальное количество шагов программы – 100. Первый шаг имеет номер 00, последний максимально возможный – 99. Введенная последовательность команд формирует цепочечный алгоритм вычислений, промежуточные результаты которых запоминаются, а конечные результаты являются входными сигналами устройства вывода на прибор.

 

Рис. 2.9 - Блок-схема функциональной структуры

Рис. 2.10 - Блок-схема функциональной структуры при применении условных обозначений функций в соответствии с «Техническим описанием и инструкцией по эксплуатации» на прибор ПРОТАР 120

 

По блок-схеме  функциональной структуры составлен  алгоритм работы регулятора ПРОТАР 120. 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 регулятором ПРОТАР 120. Алгоритм регулирования трехходовыми клапанами представлен в виде таблицы. В таблице 2.2 написан алгоритм последовательности команд в виде функций и переменных. Алгоритм представляет собой номер шага программы и  команду. Каждому номеру шага соответствует команда. Для более лучшего восприятия, написанного алгоритма, приводятся комментарии в виде результатов проделанных операций.