Параметры настройки алгоритмов регулятора 3 страница

· библиотеки подпрограмм связи верхнего уровня с модулями ввода-вывода и микроконтроллерами контроллеров КРОСС-500 и ТРАССА-500.

Все программные продукты функционируют на персональном компьютере в среде Windows.

5.4. Промышленные компьютеры

На верхнем уровне иерархии PC совместимых промышленных систем находятся мощные компьютеры, предназначенные для управления производственными и технологическими процессами в масштабах производственного участка, цеха или завода. Это машины повышенной надежности, способные круглосуточно работать в условиях запыленности, больших перепадов температуры, вибраций и воздействия других неблагоприятных факторов, к которым можно отнести и невысокий уровень подготовки персонала.

В отличие от персонального компьютера промышленный компьютер не имеет материнской платы с процессором, в которую вставляют модули.

Как правило, вместо стандартной системной платы применяется пассивная объединительная панель, в один из разъемов которой вставляется процессорная плата. Для связи с различными датчиками, исполнительными устройствами и каналами коммуникации может понадобиться большое количество плат расширения, поэтому их допустимое число в промышленных ПК достигает 12–14 в отличие от 6–8 в офисных моделях. Иногда применяются секционные панели, позволяющие компоновать несколько независимых компьютеров в одном корпусе. Применение пассивной панели способствует существенному сокращению времени ремонта, а соответственно, и времени простоя технологического оборудования. Замена любой платы, в том числе процессорной, не превышает 5–10 минут.

Промышленные компьютеры имеют упрочненные металлические корпуса, как правило, монтируемые в стандартные стойки шириной 19 дюймов (48,26 см). Во многих системах применяются специальные средства, обеспечивающие повышенную виброустойчивость. Для предохранения от загрязнений и несанкционированного доступа НГМД часто запирается специальной дверцей с замком. Получили распространение так называемые индустриальные рабочие станции (Industrial Workstation), у которых системный блок и дисплей размещены в одном защищенном корпусе, а клавиатура, выполненная по мембранной технологии, встроена непосредственно в переднюю панель.

Обычно промышленные компьютеры снабжены источником питания большой мощности и имеют развитую систему воздушного охлаждения со сменными пылеулавливающими фильтрами и положительным внутренним давлением очищенного воздуха. Некоторые фирмы, для особо ответственных приложений, выпускают отказоустойчивые компьютеры с возможностью дублирования важнейших узлов и их замены во время работы. На наш рынок промышленные компьютеры поставляют фирмы Advantech, Intercolor, Siemens и др.

Наряду с ужесточением требований к вибростойкости, ударопрочности, рабочему диапазону температур добавляются такие, как малые габариты и низкий уровень потребляемой мощности. Кроме того, к ним могут предъявляться достаточно экзотические требования по взрывобезопасности, радиационной стойкости, стойкости к химически агрессивным средам или сильным электромагнитным полям. С функциональной точки зрения здесь можно найти средства, не характерные для офисных компьютеров, например сторожевой таймер, автоматически перезапускающий систему в случае зависания программы, или хранение параметров Setup в энергонезависимой памяти, что позволяет обходиться без специальных батареек. Часто операционная система загружается из ПЗУ, а в качестве накопителей используются электронные диски, в том числе на базе флэш-памяти.

Отдельного внимания заслуживают специальные защищенные и упроченные компьютеры для мобильных пользователей. Так, компьютер фирмы Getac может работать как в условиях пыльной бури, так и во время морского шторма. Несмотря на внешнее сходство с обыкновенным блокнотным ПК, он имеет ряд уникальных характеристик, таких, как наличие пыле- и водонепроницаемого металлического корпуса, вибро- и ударопрочность в соответствии с военными стандартами, рабочий диапазон температур от –20 до +50 °С и др. Такие защищенные компьютеры находят применение как в военной, так и в промышленной сфере, например, для съема данных с необслуживаемых станций, в передвижных диагностических лабораториях и т.д.

Фирма Advantech является одним из крупнейших в мире производителей IBM PC совместимых компьютеров, рабочих станций, промышленных панельных компьютеров и операторских панелей для применения в системах промышленной автоматизации. Ниже приведены примеры изделий верхнего уровня управления фирмы Advantech.

Advantech IPPC-9120:

-Промышленный панельный компьютер;

- Стальной корпус с алюминиевой передней панелью;

- Степень защиты IP65;

- Процессор Celeron или Pentium III up 1.2GHz;

- два слота расширения PCI/ISA;

- 12.1² TFT экран с разрешением 800´600;

- Возможность оснащений сенсорным экраном.

Advantech IPPC-9150:

- Промышленный панельный компьютер;

- Стальной корпус с алюминиевой передней панелью;

- Степень защиты IP65;

- Процессор Celeron или Pentium III up 1.2GHz;

- два слота расширения PCI/ISA;

- 15² TFT экран с разрешением 1024´768;

- Возможность оснащений сенсорным экраном.

Advantech IPPC-9170:

- Промышленный панельный компьютер;

- Стальной корпус с алюминиевой передней панелью;

- Степень защиты IP65;

- Процессор Celeron или Pentium IV up 3.0GHz;

- два слота расширения PCI;

- 17² TFT экран с разрешением 1280´1024;

- Возможность оснащения сенсорным экраном.

Advantech TPC-642:

- Промышленная операторская панель;

- Пластиковый корпус со степенью защиты IP6S;

- Процессор Intel StrongARM 1110, 206MHz;

- 5,7² TFT экран с разрешением 320´240;

- Сенсорный экран.

Advantech TPC-605:

- Промышленная операторская панель;

- Пластиковый корпус со степенью защиты IP65;

- Процессор ARM9 S3C2410A 266MHz;

- 5,7² TFT экран с разрешением 320´240;

- Сенсорный экран.

Advantech TPC-650:

- Промышленная операторская панель;

- Пластиковый корпус со степенью защиты IP65;

- Процессор ARM9 S3C2410A 266MHz;

- 1 слот расширения PC/104 16bit

- 6,4² или 5,7² TFT экран с разрешением 320´240;

- Сенсорный экран.

Фирма Siemens поставляет на рынок автоматизации промышленные компьютеры SIMATIC PC.

Изделия серии SIМАNTIС PC отвечают требованиям национальных и международных стандартов и норм, включая DIN, UL, CSA и FM. Они имеют сертификаты соответствия Госстандарта России, а также разрешение Госгортехнадзора на применение в составе систем автоматизации на поднадзорных ему объектах.

Компьютеры SIMATIC PC имеют четыре исполнения, которые обеспечивают самый широкий диапазон их применения:

• блочное исполнение (Box PC) для использования в промышленных цехах и встраивания в различное оборудование;

• стоечное исполнение (Rack PC) для установки в шкафы управления и консоли 19-дюймового формата;

• настольное исполнение (Tower PC) для использования в пунктах управления и технических бюро;

• панельное исполнение (Panel PC) для визуализации и управления технологическим процессом с постов управления.

Основными особенностями промышленных компьютеров SIMATIC PC являются:

• системная плата, разработанная и производимая самой фирмой Siemens;

• классическая компьютерная технология и использование процессоров фирмы Intel;

• промышленное исполнение, базирующееся на PC-стандартах (спецификация РС-99);

• предустановленное системное программное обеспечение (MS-DOS 6.22, Windows 98, Windows 2000 или Windows NT).

Далее представлена обзорная информация по некоторым промышленным компьютерам SIMANTIC PC по видам их использования.

SIMATIC Box PC 820:

• Процессор Intel Pentium III 700 МГц;

• Оперативная память объемом 64 Мбайт; возможность расширения до 768 Мбайт;

• Встроенный изолированный интерфейс MPI/PRORBUS-DP (12 Мбит/с);

• Встроенный интерфейс Ethernet, 10/100 Мбит/с;

• Интерфейс USB;

• Привод CD-ROM;

• НЖМДEIDE, 3,5²;

• Для установки в коммутационных шкафах, ячейках распределительных устройств, в пультах оператора и на панелях или непосредственно на оборудовании;

• Встроенные функции обеспечения безопасности: сторожевой таймер, контроль температуры.

SIMATIC Rack PC R145 Р III:

• Процессор Intel Pentium Hi 700 МГц;

• Оперативная память объемом от 64 Мбайт (SDRAM) до 768 Мбайт (SDRAM, ECC);

• Встроенные интерфейсы MPI/PROFIBUS-DP и TTY;

• Встроенный интерфейс Ethernet, 10/100 Мбит/с;

• Интерфейс USB;

• Привод CD-ROM;

• Три свободных отсека для накопителей;

• Встроенный звук;

• Конфигурация с жестким диском SCSI (no заказу);

• Встроенные функции обеспечения безопасности: сторожевой таймер, контроль температуры.

SIMANTIC Tower PC R145 Р III:

• Процессор Intel Pentium III 700 МГц;

• Оперативная память: поставляется объемом 128 Мбайт (SDRAM), возможность ее расширения до 768 Мбайт (SDRAM, ECC);

• Встроенные интерфейсы MPI/PROFIBUS-DP и TTY;

• Встроенный интерфейс Ethernet, 10/100 Мбит/с;

• Привод CD-ROM;

• Привод LS-120,120 Мбайт;

• Три свободных отсека для накопителей;

• Встроенный звук;

• Конфигурация с жестким диском SCSI (по заказу);

• Встроенные функции обеспечения безопасности: сторожевой таймер, контроль температуры;

• Мышь и клавиатура включены в комплект поставки.

Новое семейство промышленных компьютеров Panel PC 670 обеспечивает пользователю широкий диапазон возможностей. Различные размеры дисплея, варианты с использованием встроенной мембранной клавиатуры или монитора с сенсорным экраном позволяют с помощью Panel PC 670 реализовывать различные варианты операторского интерфейса.

SIMANTIC Panel PC 670–10²:

• Передняя панель 10²

• Цветной TFT-дисплей, 10,4²,

• 640´480 пикселей (VGA);

• Высокоинтегрированная системная плата, Intel Celeron 300 МГц, кэш 2-го уровня 128 кбайт или Intel Pentium III 500 МГц, кэш 2-го уровня 256 кбайт;

• Оперативная память 64 Мбайт;

• НЖМД>4 Гбайт;

• Накопитель на гибких дисках 3,5², 1,44 Мбайт;

• Встроенный видеоконтроллер AGP, видеопамять 2 Мбайт;

• Встроенный интерфейс Ethernet;

• Встроенный изолированный интерфейс MPI/PROFIBUS-DP;

• Интерфейс USB (выходы на передней и задней панелях);

• Блок питания 115–230 В с евросоединителем;

• Операционная система Windows 98 SE, Windows NT 4.0, Windows 2000 Professional;

• Встроенная мембранная клавиатура со стандартным набором символов и 36-ю дополнительными функциональными клавишами со светодиодами;

• Встроенный манипулятор мышь.

6. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

6.1. Общие положения

Исполнительные устройства (ИУ) являются выходным каскадом в системах автоматики. В системах автоматического управления ИУ обеспечивают непосредственное воздействие на объекты путем изменения потоков энергии или вещества, подводимых к ним. В системах контроля ИУ управляют различными приборами: звуковыми, световыми, регистрирующими и т.п.

Классификация исполнительных устройств по таким признакам, как вид используемой в ИУ энергии, тип исполнительных элементов (силовых преобразователей энергии в перемещение регулирующего или рабочего органа (РО)), вид входного сигнала ИУ (электрический или механический), способ управления движением, представлена на рис. 6.1.

В электродвигательных ИУ в качестве исполнительных элементов используются обычные электродвигатели постоянного или переменного тока мощностью от нескольких десятков Вт до десятков кВт, а также шаговые и линейные двигатели. В электромагнитных ИУ функции преобразователей электроэнергии в механическое движение выполняют электромагниты (электромагнитные клапаны, муфты и др.).

К исполнительным устройствам с электрическими выходными сигналами относятся:

а) пусковая аппаратура (контакторы, реле, пускатели);

б) усилители мощности с фазовым или широтно-импульсным управлением (полупроводниковые, магнитные, электромашинные);

в) трансформаторы регулируемые;

г) реостаты.

Исполнительные устройства с механическим выходным сигналом (перемещением РО) включают в свой состав приводы, называемые сервоприводами или исполнительными механизмами, которые могут быть электрическими, гидравлическими или пневматическими, и муфты (электромагнитные, гидравлические), используемые для управляемого соединения ведущего и ведомого валов, а также при необходимости обеспечения плавного пуска механизмов.

Исполнительные устройства приводятся в действие по сигналам, формируемым управляющими устройствами систем автоматики (по сигналам регуляторов, логических управляющих устройств, контроллеров, компьютеров). В ИУ с механическим выходным сигналом перемещение μ регулирующего органа в зависимости от управляющего сигнала U_у может изменяться по следующим законам.

Пропорциональные ИУ:

μ = k_c U_у, (6.1)

где k_c – передаточный коэффициент замкнутой системы управления движением РО.

Выражение (6.1) показывает, что в пропорциональных ИУ реализуется следящее управление движением регулирующего органа.

Интегрирующие ИУ:

, (6.2)

где μ₀ – начальное положение РО; t_у – время действия сигнала управления; ν – скорость движения РО.

При постоянной скорости перемещения РО v = v₀ = const из выражения (6.2) получим пропорциональную зависимость приращения перемещения от времени управления:

(6.3)

Двухпозиционные ИУ:

при (6.4)

где μ_m – полный ход РО (клапана, задвижки, заслонки, крана и т.п.); U_m – номинальное значение сигнала управления.

Трехпозиционные ИУ:

при (6.5)

Выражение (6.5) показывает, что направление перемещение РО при трехпозиционном управлении определяется знаком сигнала управления.

В технической литературе пропорциональные ИУ нередко называют исполнительными механизмами (ИМ) переменной скорости, а интегральные ИУ – исполнительными механизмами постоянной скорости. С ИМ первого типа обычно работают автоматические регуляторы непрерывного действия (аналоговые АР), а с ИМ постоянной скорости – импульсные или позиционные регуляторы.

Обобщенная структура исполнительного устройства с механическим выходным сигналом представлена на рис. 6.2. Из этой структуры легко получить более простые как замкнутые, так и разомкнутые системы ИУ.

Рис. 6.2. Обобщенная структурная схема исполнительного устройства с механическим выходным сигналом

В общем случае в состав исполнительного устройства могут входить следующие элементы (см. рис. 6.2):

УЭ – управляющий элемент (аналоговый или дискретный усилитель мощности, золотник, позиционер и т.п.), выполняющий функции сумматора сигналов, формирователя и усилителя;

ИЭ – исполнительный элемент, выполняющий функции преобразователя сигнала U_уэ в механическое движение со скоростью ω (электромагниты, электродвигатели, гидро- и пневмоцилиндры и т.д.);

МП – механический преобразователь движения (редуктор, зубчато-реечный механизм, устройство «винт-гайка» и др.), обеспечивающий требуемые параметры движения регулирующего органа или рабочего механизма;

РО – регулирующий орган или рабочий механизм (клапан, задвижка, вентиль и т.п. РО для управления потоками вещества или фреза, суппорт, захват и др. подвижные элементы рабочих машин), осуществляющий управляющее воздействие Y на объект управления;

ДС, ДП – датчики скорости и положения РО, формирующие сигналы отрицательных обратных связей по скорости U_ДС и положению U_ДП для обеспечения с высокой точностью перемещения РО, а следовательно, и управляющего воздействия на объект;

КВ – конечные выключатели, формирующие сигналы U_КВ отключения ИЭ в крайних положениях РО;

РП – ручной привод (штурвал) исполнительного механизма;

ДП1, П – датчик и прибор устройства визуального контроля положения РО.

В системах автоматизации широкое применение нашли достаточно простые ИУ, выполненные по разомкнутой системе (без обратных связей), состоящие из привода (исполнительного механизма ИМ) и регулирующего органа РО. ИМ воспринимает командные сигналы управляющего устройства и вызывает перемещение РО, который непосредственно воздействует на технологический процесс. Такие ИУ могут представлять собой конструктивно единое целое или комплектоваться по месту из отдельно поставляемых ИМ и РО.

В состав типового электродвигательного ИМ постоянной скорости входят следующие элементы: электродвигатель, редуктор, выходной элемент (рычаг) для связи с РО, конечные выключатели, индуктивные датчики положения, ручной привод. Такие ИМ могут быть однооборотными и многооборотными. Промышленность выпускает более 60 типов только однооборотных ИМ с временем одного оборота выходного вала от 2,5 до 360 с.

Основными характеристиками ИМ являются:

· Выходная мощность;

· Скорость и развиваемый момент (усилие) на выходе;

· Величина линейного или углового перемещения;

· Время полного хода;

· Характер перемещения: вращательное или поступательное (линейное) движение РО.

В качестве примера в табл. 6.1 приведены технические характеристики некоторых из распространенных электрических ИМ, как электродвигательных (одно- и многооборотные, с линейным перемещением выходного элемента), так и электромагнитных, управляемых с помощью пусковых устройств.

Таблица 6.1

Технические характеристики электрических ИМ

Тип	Момент на выходном валу, Нм	Время одного оборота, с	Усилие на штоке	Время полного хода штока, с	Ход штока, мм
Однооборотные МЭО-25/40-68 МЭО-160/250-68			– –	– –	– –
Многооборотные МЭМ-10/16 МЭМ-10		4,1	– –	– –	– –
Линейные электродвигательные МЭП-100 МЭП-63	– –	– –		16-250
Электромагнитные ЭВ-1 ЭВ-3	– –	– –		– –

Далее рассматриваются примеры технической реализации электрических, гидравлических и пневматических исполнительных устройств с механическим выходом.

6.2. Электромагнитные исполнительные элементы

Электромагнитные исполнительные элементы в системах автоматики применяются в качестве приводов РО (клапанов, заслонок и т.п.), гидрораспределителей, подвижных элементов объектов – тормозов, стрелок и др., а также в качестве управляемых муфт.

Электромагнитные приводы (электромагниты) могут быть переменного (одно- и трехфазные) и постоянного тока.

Основные характеристики электромагнитов (ЭМ):

· Ход якоря (рабочего органа);

· Тяговая характеристика – зависимость усилия тяги от перемещения якоря (сердечника);

· Время срабатывания.

В зависимости от хода якоря различают короткоходовые и длинноходовые электромагниты (рис. 6.3).

Рабочий ход короткоходовых ЭМ составляет 1–3 мм, а длинноходовых (соленоидов) – 100–200 мм. Тяговое усилие F_T короткоходового ЭМ с ростом зазора δ между якорем и сердечником (см. рис. 6.3, б) уменьшается, а с ростом тока управления I_у в обмотке возрастает.

В длинноходовых ЭМ магнитопровод имеет цилиндрическую форму, подвижным элементом магнитной системы является сердечник.

Выбираемая конструкция ЭМ и его характеристики должны соответствовать требуемым значениям тягового усилия и хода рабочего органа.

Электромагнитные муфты (ЭММ) применяются в системах электропривода и автоматики для соединения и разъединения валов ведущего и ведомого без остановки ведущего вала. Управление муфтой осуществляется по команде «включить/выключить» управляющего устройства системы. Таким образом реализуется управляемая механическая связь между приводом и рабочим механизмом. Муфта должна обеспечивать передачу требуемой мощности, обладать перегрузочной способностью и определенным быстродействием.

ЭММ по принципу действия разделяются на муфты трения и муфты скольжения. В свою очередь по конструктивному исполнению муфты трения разделяются на муфты сухого и вязкого трения (рис. 6.4).

В ЭММ сухого трения при подаче тока управления I_у в обмотку возбуждения возникает магнитное поле, под действием которого якорь притягивается к индуктору, и через диск трения происходит передача мощности от привода к нагрузке. При постоянной скорости привода cкорость вращения ведомого вала (нагрузки) ω_B принимает следующие значения:

Рис. 6.3. Электромагниты короткоходовые (а), длинноходовые (в) и тяговые характеристики (б)

(6.6)

В ЭММ вязкого трения (ферромагнитной муфте) появление сигнала управления вызывает намагничивание ферромагнитного порошка, образуя тем самым сцепляющий слой ведущего (индуктора с порошковой камерой) и ведомого (металлический диск на ведомом валу) элементов муфты. Принцип управления ферромагнитной муфтой определяется выражением (6.6).

В ЭММ трения величина передаваемого крутящего момента возрастает с ростом магнитного потока (тока I_у).

Электромагнитная муфта скольжения (ЭМС) состоит из ведущей части – индуктора и ведомой части – короткозамкнутого ротора (рис. 6.5).

При подаче тока I_ув обмотку индуктора возникает вращающееся магнитное поле, под действием которого на валу ротора появляется крутящий момент. Уравнение механической характеристики ЭМС имеет вид:

w_В = w_П – К(I_у)М²,

где К(I_у) – коэффициент, являющийся, некоторой функцией тока управления; М – крутящий момент на валу ротора.

Рис. 6.4. Электромагнитные муфты сухого (а) и вязкого (б) трения: 1 – контактные кольца; 2 – щетки токоподводящие; 3 – диск, покрытый материалом с высоким коэффициентом трения; 4 – пружина; 5 – шпонка

Для рабочих механизмов малой мощности ЭМС могут также использоваться для плавного регулирования частоты вращения в диапазоне 1:8 при нагрузке 2-20 Нм.

Рис. 6.5. Конструктивная схема (а) и механические характеристики (б) ЭМС

6.3. Электродвигательные исполнительные устройства

Электродвигательные ИУ могут осуществлять перемещение РО как с постоянной, так с переменной скоростью. По способу управления движением электродвигательные ИУ первого типа могут быть интегрирующими или позиционными, а ИУ второго типа – пропорциональными.

Электродвигательные ИУ, работающие с постоянной скоростью, используются в первую очередь с импульсными или позиционными регуляторами. Они просты по устройству: в качестве управляющего элемента используется пусковая аппаратура, исполнительным элементом является двух- или трехфазный асинхронный двигатель либо двигатель постоянного тока.

В качестве примера рассмотрим электродвигательное ИУ постоянной скорости с двухфазным асинхронным двигателем (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Принципиальная схема электродвигательного ИУ

постоянной скорости с двухфазным АД

На схеме (см. рис. 6.6) приняты следующие обозначения: SB1, SB2 – кнопки ручного управления перемещением РО; К1, К2 – контакты реле управляющего элемента УЭ (пускателя); SQ1, SQ2 – конечные выключатели; С – конденсатор для сдвига по фазе напряжений на обмотках управления W_y и возбуждения W_B двигателя М на 90 эл. градусов; МП – механический преобразователь; R_ДП – резистивный датчик положения РО; PV – указатель положения РО.

Рассматриваемое ИУ обеспечивает движение РО вперед или назад в течение времени, когда один из соответствующих контактов УЭ К1/К2 или кнопок SB1/SB2 замкнут. В конечных положениях РО двигатель отключается соответствующим конечным выключателем SQ1/SQ2. Визуальный контроль положения РО осуществляется с помощью стрелочного индикатора PV.

Электродвигательные ИУ с переменной скоростью перемещения РО представляют собой замкнутые следящие автоматические системы, отрабатывающие заданные перемещения. В этих ИУ обязательным является наличие управляемого силового преобразователя энергии (широтно-импульсный преобразователь, управляемый выпрямитель, преобразователь частоты или магнитный усилитель в зависимости от типа двигателя и требований к ИУ).

В качестве примера рассмотрим схему электродвигательного ИУ постоянной скорости с пропорциональным управлением перемещением РО, выполненную на базе электропривода по системе ШИП-ДПТ (рис. 6.7).

На схеме (см. рис. 6.7) приняты следующие обозначения: ШИП – реверсивный широтно-импульсный преобразователь, состоящий из широтно-импульсного модулятора ШИМ и мостовой схемы силовой части на 4 транзисторных ключах; М – электродвигатель постоянного тока (ДПТ); ДП – датчик положения РО, формирующий сигнал отрицательной обратной связи U_ос; U_у – сигнал управления от управляющего устройства системы управления технологическим процессом; g = – скважность импульсов; U_п– напряжение источника питания; I_д, U_д – ток и напряжение ДПТ; ω – угловая скорость вращения вала ДПТ; μ – перемещение регулирующего органа.

Рис. 6.7. Принципиальная схема электродвигательного ИУ по системе ШИП-ДПТ с пропорциональным управлением перемещением РО

Принцип действия ИУ по системе ШИП-ДПТ можно описать следующими выражениями:

γ = К_шим(U_у – U_ос), (6.8)

U_д = γU_п, (6.9)

ω = γ ω_ном, (6.10)