Гусев Н.В., Нечаев М.А., Ляпушкин С.В., Коваленко М.В. Комплексная автоматизация технологических процессов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Н.В. Гусев, М.А. Нечаев,

С.В. Ляпушкин, М.В. Коваленко

КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Лабораторный практикум

Рекомендовано в качестве учебного пособия

Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

Издательство

Томского политехнического университета

2011

УДК 658.512.4.001.56(075.8)

ББК 30.606-05я73

Г96

Гусев Н.В.

Г96 Комплексная автоматизация технологических процессов.

Лабораторный практикум: учебное пособие / Н.В. Гусев,

М.А. Нечаев, С.В. Ляпушкин, М.В. Коваленко; Томский поли-

технический университет. – Томск: Изд-во Томского политех-

нического университета, 2011. – 134 с.

В пособии изложены основы построения систем автоматизации

технологических процессов, в том числе на примерах практической реа-

лизации. Рассмотрены цифровые и аналоговые элементы систем автома-

тизации. Изложены вопросы управления автоматизированного электро-

привода в системах с преобразователями частоты.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям

140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и тех-

нологических

комплексов» и 140610 «Электрооборудование и электрохо-

зяйство предприятий, организаций и учреждений».

УДК 658.512.4.001.56(075.8)

ББК 30.606-05я73

Рецензенты

Кандидат технических наук

ведущий инженер ООО «Элетим»

В.Н. Черемисин

Кандидат технических наук, доцент кафедры ЭПА

Северского технологического института

С.Н. Кладиев

Ляпушкин С.В., Коваленко М.В., 2011

политехнического университета, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

1.Система автоматического регулирования температуры с

микропроцессорным управлением ........................................................... 6

1.1 Схема организации АСУ технологического процесса .................... 7

1.3.Линеаризованная САР температура ................................................. 13

1.3.1. Линеаризованная схема САР температуры ...................................... 13

1.3.2. Объект управления ............................................................................. 13

1.3.3. Элементы схемы ................................................................................. 15

1.3.4. Оптимизация контура регулирования ............................................. 15

1.4. Нелинейная САР температуры ......................................................... 17

1.5. Функциональная схема САР температуры .................................... 19

1.5.1. Функциональная схема САР температуры ..................................... 19

1.5.2. Контроллер MCS196KC-20.01N .................................................... 20

1.5.3. Частотный преобразователь ЕI-9001 ................................................ 20

1.6. Программа работы .............................................................................. 22

1.7. Методические указания ...................................................................... 22

1.7.1. Соединение аппаратных средств ....................................................... 22

1.7.2. Работа с программным обеспечением .............................................. 23

1.7.3. Возможности применения преобразователя частоты

«ВЕСПЕР» для управления контуром температуры ................................. 25

1.7.4. Исследование работы САР температуры

в автономном режиме ................................................................................... 26

1.7.5. Исследование работы САР температуры

в неавтономном режиме ............................................................................... 27

1.7.6. Снятие кривых нагрева ...................................................................... 27

1.7.7. Снятие переходного процесса температуры .................................... 27

1.8. Конрольные вопросы .......................................................................... 28

1.9.Содержание отчета ............................................................................... 29

2.Изучение цифровых Электромеханических систем

на базе PCNC ................................................................................................ 30

2.1. Теоретические сведения о современных

концепциях числового программного управления

электромеханическими системами ......................................................... 30

2.1.1 Системы типа CNC и PCNC-1 ............................................................ 30

2.1.2. Системы типа PCNC-2........................................................................ 34

2.1.3. Системы типа PCNC-3........................................................................ 36

2.1.4. Системы типа PCNC-4........................................................................ 37

2.1.5. Тенденции в развитии современных

персональных систем с ЧПУ ....................................................................... 40

2.2 Описание лабораторной установки .................................................. 44

2.2.1. Функциональная схема лабораторной установки ........................... 44

2.2.2. Описание элементов следящего электропривода ............................ 48

2.2.2.1 Преобразователь ЛИР-128А ............................................................ 48

2.2.2.2 Программируемый модуль ввода/вывода UNIOxx-5 .................... 50

2.2.2.3 Модуль аналогового ввода-вывода

с гальванической развязкой AI16-5A-1 ...................................................... 53

2.3. Теоретические основы формирования задания с .......................... 56

помощью линейной интерполяции ......................................................... 56

2.4. Ошибки следящего электропривода станка с ЧПУ ..................... 58

2.4.1. Требования к точности работы следящих ЭП ................................. 58

2.4.2. Виды ошибок ....................................................................................... 59

2.4.3. Ошибки при воспроизведении траектории движения .................... 59

2.5. Пограмма управления лабораторным стендом ............................. 62

2.5.1. Описание программы управления ..................................................... 62

2.5.2. Особенности программного обеспечения стенда ............................ 62

2.5.3. Интерфейс пользователя программы ................................................ 65

2.6. ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ......................................... 66

2.7. Программа Эксперимента ................................................................. 68

2.8. Требования к отчету ............................................................................ 69

3. Автоматическая система дозирования сыпучих на базе

контроллера FASTWEL RTU – 188 BS ................................................... 70

3.1 Комплексная автоматизация технологического процесса

дозирования и смешивания сыпучих материалов ............................... 71

3.1.1 Автоматизированная система дозирования и смешивания

компонентов .................................................................................................. 72

3.2 Функциональная схема лабораторной установки

Автоматическая система дозирования сыпучих материалов ........... 73

3.3. Описание экспериментальной установки ...................................... 76

3.3.1 Программные средства ........................................................................ 76

3.3.2 Конвейер бесстержневой типа СТ назначение изделия .................. 76

3.3.3 Технические характеристики: ............................................................ 76

3.3.6 Преобразователь частоты .................................................................... 79

Назначение ..................................................................................................... 80

3.3.8 Подключение к модулю RTU188 внешних устройств ..................... 81

3.3.9 Составные части модуля RTU188 ....................................................... 81

3.3.9.2 Супервизор и сторожевой таймер ................................................... 81

3.3.9.3 Оперативное Запоминающее Устройство (ОЗУ) .......................... 81

3.3.9.4 Перепрограммируемое Постоянное Запоминающее

Устройство (FDD) ........................................................................................... 82

3.3.9.5 Часы реального времени RTC ......................................................... 82

3.3.9.6 Последовательные порты (X3,J4,J6) ................................................ 82

3.3.9.7 Порт изолированного дискретного ввода (Х4, Х5) ........................ 82

3.3.9.8 Порт изолированного аналогового ввода (XI, Х2) ......................... 82

3.3.9.9 Универсальный порт дискретного ввода – вывода (J5)................. 83

3.3.9.10 Удаленный Сброс ............................................................................ 83

3.3.9.11 Порт расширения минимальной

конфигурации UNIO48 (J1,J2) ..................................................................... 83

3.3.9.12 Электропитание модуля RTU188 ................................................... 83

3.3.10 Программное обеспечение ................................................................ 84

3.4 Модуль релейной коммутации TBR8 ............................................... 84

3.4.1 Назначение панели релейной коммутации TBR8 ............................. 84

3.4.2 Технические данные ............................................................................ 84

3.4.3 Устройство и работа платы ................................................................. 85

3.4.3.1 Структурная схема платы ................................................................ 85

3.4.3.2 Электрическое питание платы ......................................................... 87

3.4.3.3 Настройка .......................................................................................... 88

3.5 Тензодатчик серии С ............................................................................ 88

3.6 Автоматизированное рабочее место оператора .............................. 89

3.10. Математическая модель автоматической системы

дозирования сыпучих материалов ........................................................ 100

3.11. Оптимизация контура веса ............................................................ 101

3.11.1 Определение постоянной времени транспортной задержки ....... 101

3.11.2 Оптимизация контура веса ............................................................. 102

3.11.2.1 Синтез регулятора веса на модульный оптимум ....................... 102

3.11.2.2 Синтез регулятора веса на симметричный оптимум ................ 103

3.12. Результаты моделирования ........................................................... 103

3.13. Программа работы .......................................................................... 104

ПРОГРАММА «КОНТРОЛЛЕР LOGO!» ................................................ 114

СОЕДИНЕНИЯ КОНТРОЛЛЕРА ............................................................. 131

ПРОГРАММА «ИНСПЕКТОР» ................................................................ 135

ПРОГРАММА «ТУРБОКОНТРОЛЛЕР» ................................................. 137

Список использованной литературы ................................................... 141

1. Система автоматического регулирования

температуры с микропроцессорным управлением

Цель работы: Ознакомиться с принципом построения многоуров-

невой автоматизированной системы управления, изучить особенности

теплоинерционного объекта управления, возможные способы регулиро-

вания его температуры, методы структурно-параметрического синтеза

технологического регулятора температуры, ознакомиться с примером

практической реализации системы автоматического регулирования тем-

пературы с микропроцессорным управлением.

Введение

Системы автоматического регулирования температуры находят

применение в самых разных отраслях промышленности и сельског

о хо-

зяйства. Это могут быть инкубаторы на птицефермах, системы точного

поддержания температуры и создания необходимого микроклимата на

объектах электронной и аэрокосмической промышленности, в любых

цехах и помещениях, где работают люди. В качестве объекта управле-

ния могут выступать одно или несколько помещений любых размеров,

различные камеры, поверхности тел и т. п.

Один из наиболее эффективных способов поддержания заданной

темп

ературы, широко используемый в настоящее время, это регулиро-

вание оттока (или притока) воздуха, а вместе с ним избыточного тепла,

т. е. создание системы вентиляции.

В настоящее время развитие таких систем идет по пути создания

высокоэффективных промышленных установок на ба

зе регулируемых

электроприводов (РЭП) и программируемых промышленных контрол-

леров с широкими интерфейсными возможностями. Это позволяет од-

новременно с экономией электроэнергии решать задачи комплексной

автоматизации производства, обеспечивать оптимизацию параметров

технологических процессов.

Наиболее экономичным способом регулирования производитель-

ности вентиляторов является применение регулируемого электроприво-

да. Для мощных установок можно рекомендовать несколько менее эко-

номичный, но более простой способ регулирования произ

водительности

– изменением угла поворота лопаток осевого вентилятора при постоян-

ной скорости приводного двигателя.

Важным элементом интенсификации производства и повышения

его производительности является комплексная автоматизация. Приме-

нение принципов комплексной автоматизации позволяет связать в еди-

ную сеть большое количество технологических установок, механизмов

и других объектов производства. Управление всеми объектами может

осуществляться от общей ЭВМ верхнего уровня. Это позволяет оптими-

зировать связи между объектами, уменьшить численность персонала.

1.1 Схема организации АСУ технологического процесса

Одной из особенностей развития современных технологий является

повышение технологических требований к динамическим и точностным

показателям электропривода, расширение и усложнение его функций,

связанных с технологическим процессом, и соответствующее возраста-

ние сложности систем управления (СУ) электроприводами. Их развитие

идет по пути создания систем числового программного управления и

расширения использования современной вычислительной техники, соз-

даваемой непосредственно для целей управления на базе микропроцес-

соров.

Цифровые методы обработк

и информации существенно повышают

уровень и степень автоматизации производства. Решение комплексных

задач, связанных со сбором и обработкой информации, становится во

много раз эффективнее, чем при использовании традиционных средств.

При комплексной автоматизации сложного технологического про-

цесса создается многоуровневая распределенная автоматизированная

система управления (АСУ). В качеств

е АСУ среднего уровня в настоя-

щее время используют преимущественно микропроцессорные СУ, как

правило, конструктивно законченные устройства, получившие название

индустриальных рабочих станций, индустриальных компьютеров, про-

мышленных программируемых контроллеров.

Преимущества цифровых методов обработки информации и разви-

тие микропроцессорной техники способствуют расширению примене-

ния микропроцессорных СУ и на нижнем уровне управления двигате-

лями, ст

атическими преобразователями и т. п. Наиболее перспективное

направление – создание встроенных в оборудование СУ на базе специа-

лизированных контроллеров. При этом контроллеры нижнего уровня

управления могут подключаться к системе среднего уровня либо через

стандартные последовательные и параллельные интерфейсы, либо пу-

тем установки на системную шину в качестве специализированных уст-

ройств сопряжения с объектом.

Одна из возможных схем организации многоуровневой АСУ тех-

нологического процесса показана на рис. 1.1.

Сист

ема имеет три уровня иерархии. На верхнем уровне находить-

ся ЭВМ, на среднем – контроллеры 1, 2, 3 и на нижнем – электроприво-

ды, которые воздействуют на объект автоматизации непосредственно.

Обратная связь по температуре принципиально может быть подана на

вход любого из этих элементов: ЭВМ; контроллера (режим А на

рис. 1.1); преобразователя частоты (режим Б на рис. 1.1), т. к. микро-

процессорная система преобразователя EI-9001 имеет встроенный алго-

ритм технологического регулятора. Тогда этот элемент будет выполнять

функцию управления контуром технологического параметра – в нашем

случае – температурой нагрева. В его задачу входит определение ошиб-

ки и формирование задания в соответствии с заложенным алгоритмом

управления на соо

тветствующую координату – скорость электродвига-

теля.

Если обратная связь реализована через ЭВМ, то по принципу орга-

низации такая система управления конкретной координатой будет на-

зываться неавтономной. Если же обратная связь будет реализована че-

рез контроллер или микропроцессорную систему преобразователя, то по

принципу организации упра

вления такая система будет являться авто-

номной относительно соответственно ЭВМ или контроллера как уст-

ройства верхнего уровня.

В соответствии с функциональной схемой рис. 1.1 ЭВМ верхнего

уровня имеет следующие функции:

 программирование микропроцессорных систем среднего уровня;

 формирование заданий системам нижних уровней;

 контроль за выполнением заданий.

Автономная система управления технологическим процессом от-

дельного производственного объекта реализована на базе контроллера,

в функции которого входит:

 распределение заданий на электроприводы;

 решение задачи интерполяции задания во времени;

 управления контуром технологического параметра;

 передачи информации о результатах выполнения на ЭВМ.

Нижней уровень иерархии АСУ представлен исполнительным

электроприводом, который непосредственно воздействует на объект ав-

томатизации.

Если обратные связи по температуре будут заведены непосредст-

венно на входы преобразователей частоты (на рис. 1.1 показаны пунк-

тирными линиями – режим Б), то задача управления отдельным конту-

ром технологического параметра переходит от контроллера к тех

ноло-

гическому регулятору преобразователя.

Функции СУ нижнего уровня также зависят от выбранного прин-

ципа взаимодействия её с системой более высокого уровня.

И автономный, и неавтономный принципы построения системы

имеют свои преимущества и недостатки. Выбор того или другого прин-

ципа основывается на технико-экономическом анализе на этапе проек-

тирования си

стемы.

1.2.Объект управления

Объект управления в рассматриваемой системе обладает тепло-

инерционными свойствами. Если тепловые процессы в нагревательном

шкафу рассматривать как для однородного тела, обладающего беско-

нечно большой те

плопроводностью и имеющему одинаковую температуру во всех

точках объёма, и при этом принять следующие допущения:

 скорость вращения вентилятора



= 0;

 теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна первой сте-

пени разности температур шкафа и окружающей среды;

 температура окружающей среды постоянна;

 теплоёмкость шкафа, мощность нагревательных элементов и

теплоотдача не зависят от температуры шкафа, тогда уравнение тепло-

вого баланса можно записать в следующем виде:

Pdt A dt Cd



 . (1)

Уравнение (1) имеет постоянные коэффициенты

P, A и C,

где

P – количество теплоты (мощность), выделяемая нагрева-

тельными элементами в единицу времени, Дж/с;

А – теплоотдача шкафа в окружающую среду в единицу времени

при разности температур в 1 °С, Дж/(с·°С);

С – теплоёмкость шкафа – количество теплоты, необходимое для

повышения температуры шкафа на 1 °С, Дж/°С.

Уравнение (1) записано относительно превышения температуры

шкафа над температурой окружающей среды

ОКР





 ,

где

T, T

ОКР

– температура шкафа и окружающего воздуха соответ-

ственно, °С.

Уравнение (1) можно привести к виду

PAt C



 (2)

или

PCd

А dt





 . (3)

В свою очередь, уравнение (3) можно представить в виде

H У





, (4)

где

– постоянная времени нагрева шкафа – время, в тече-

ние которого превышение температуры от 0





достигло бы устано-

вившегося значения



 при constP



и отсутствии теплоотдачи в

окружающую среду

=0.

Рис.1.1. Схема организции многоуровневой системы автоматизации