Розробка автоматичної системи керування температурою у складських приміщеннях мультитемпературного типу класу «С»

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стаття з теми:

Розробка автоматичної системи керування температурою у складських приміщеннях мультитемпературного типу класу «С»

П.І. Сарабєєв, П.Л. Носко, О.В. Башта, В.Б. Мельник, О.В. Герасимова, Національний авіаційний університет, Україна

Для складських приміщень мультитемпературного типу класу «С» запропонована автоматична система керування температурою централізованого типу на аналоговій шині, яка має високі технічні характеристики, а саме: швидкодія - час стояння на точці менше 0,1 секунди; системна мультиплікативна похибка не перевищує 0,15%, а адитивна приведена похибка дорівнює 0,05%; завадозахищеність знижена з 30% похибки майже до нуля. Застосування таких систем є економічно рентабельним та дозволяє для невеликих приміщень значно розширити ринок складської продукції.

Ключові слова: система централізованого типу, складське приміщене, температура, канал вимірювання, терморегулятор, температурний режим, аналогова шина, швидкодія, похибка, завадозахищеність.

Вступ

Якість товару залежить від його умов зберігання. Умови зберігання - це середовище, в якому зберігається продукція. Сюди входять важливі параметри такі як температура, вологість, світло і інші. Тому, для підтримання належної якості продукції необхідно дотримуватися правильного режиму температури та вологості.

Правильне зберігання продукції захищає її від псування. Щоб захистити продукцію від псування та продовжити термін її зберігання, використовують різні методи, наприклад консервування, адаптація різних показників до режиму зберігання клімату тощо. Для цього на складі зберігання виробів повинна бути надійна система вентиляції, яка звертає увагу на ретельне очищення, якісні датчики та сучасну систему управління умовами зберігання всередині. Як правило, вся продукція зберігається на складах, де їх слід розміщувати на полицях відповідно до типу, розміру та кількості. Всі препарати повинні бути поміщені на склад згідно з умовами їх отримання, щоб матеріали, які раніше були відправлені на склад, продовжували надходити споживачеві [1,2].

Кожна із систем має свої переваги та недоліки. Децентралізований тип має цифрову шину, яка ліпше аналогової, але, у цьому випадку, для кожного датчика повинен існувати свій вимірювальний канал разом з цифровим інтерфейсом, на відміну з централізованою системою. Проведена попередня порівняння оцінка вартості двох систем для приміщень класу «С» показує, що вартість децентралізованої системі,за рахунок використання значної кількості датчиків, інтерфейсів тощо, на 40-50%вище за централізованої автоматичної системи керування температурою. У такому випадку доцільно використовувати автоматизовану систему централізованого типу з аналоговою шиною, в якої аналогова струмова петля використовується для передачі аналогового сигналу по парі проводів в лабораторному устаткуванні та в системах управління [3].

Разом с тим,застосування централізованих систем з аналоговою шиною має наступні відомі недоліки, які потребують усунення при розробці автоматичних систем керування для невеликих складських приміщень. Це конфлікт між швидкодією і точністю, складність роботи з віддаленими об'єктами та завадозахищенність.

Метою роботи є розробка ефективної автоматичної системи керування температурою у складських приміщеннях мультитемпературного типу та класу «С».

Матеріали досліджень

У системі централізованого типу головним елементом є аналоговий інтерфейс. Аналоговий інтерфейс на сьогодні - це діапазон 420мА. Він працює виключно в режимі «точка-на-точку». Тобто для кожного датчика потрібен свій перетворювач (в районі датчика) сигналів до 4 -20 мА.

Розроблено схему роботи автоматичного терморегулятора, яка дозволяє наглядно продемонструвати роботу системи типу «точка-на-точку». Створений алгоритм роботи автоматичного терморегулятора, описано характеристики елементів та принцип його дії (рис. 3) [4].

Рис. 3 - Алгоритм роботи програми автоматичного терморегулятора

При цьому, Програмне забезпечення для вимірювання температури створено в IDE Arduino, дані з системи регулювання температури передаються через модулі взаємодії. Arduino зчитує температуру з I2C -датчика температури TC74A0-5.0VAT. Якщо значення поточної температури більше або дорівнює заданій температурі, активується короткочасний сигнал тривоги та вентилятор. Коли температура опуститься нижче встановленої точки, вентилятор вимикається. На РК-дисплеї відображаються поточна температура та задана температура.

Наявність функції керування в пристроях передбачає можливість реалізації трьох типів регулювання: П-, ПІ- і ПІД регулювання. Наглядно роботу регуляторів можна побачити на рис.4.

Рис. 4 - П-, ПІ-, ПІД-регулювання: Хзад - задана точка (в нашому випадку - уставка температури на регуляторі), t- час Аналіз графіків рис. 4 показує, що ПІД - регулятор в даному випадку має найкращі показники, а саме: точність і швидкодію, у порівнянні з іншими регуляторами. Вихідна його потужність відповідає сумі трьох компонентів: пропорційної, інтегральної та диференціальної. Чим більший коефіцієнт пропорційності, тим менша вихідна потужність для однієї і тієї ж помилки регулювання, чим довше константа часу інтеграції, тим повільніше накопичується інтегральний компонент і чим довше константа часу диференціації, тим сильніше реакція системи на виникаючі впливи

Рис. 5 - Структурна схема ФАПЧ: F(s)- петлевий фільтр, Kd- коефіцієнт посилення, e(t)- керуюча напруга

Як показує практика ПІД-регулятор використовується в інерційних системах з відносно низькою перешкодою вимірювального каналу. Він має: швидкий доступ до режиму, точне підтримання заданої температури та швидка реакція на впливи. Саме тому у нашому випадку в автоматичної системи керування температурою централізованого типу було використано ПІД-регулятор [5].

При розробці централізованих систем керування температурою з аналоговою шиною досліджені питання зменшення похибок. Основними похибками такої системи є похибка квантування і похибка із-за шумів.

На основі проведеного аналізу пристроїв, конструктивних схем та методів щодо завадозахищеності було рекомендовано: похибку із-за шумів знижувати за допомогою впровадження в систему фазового автопідлаштування частоти (ФАПЧ), який регулює фазу запропонованого керованого генератора так, щоб вона відповідала фазі опорного сигналу або відрізнялася від функції, відомої з часом [6]. ФАПЧ порівнює фази вхідного та опорного сигналів та видає сигнал помилки, пов'язаний з різницею між цими фазами. Сигнал про помилку продовжується через фільтр низьких частот і використовується як контроль для генератора керованого напругою (ГКН), який забезпечує негативний зворотний зв'язок. Якщо вихідна частота відхиляється від опорної, сигнал помилки збільшується і впливає на генератор керований напругою, у напрямку зменшення помилок. У рівновазі вихідний сигнал фіксується на опорній частоті.

На рис. 5. представлена структурна схема ФАПЧ в умовних позначеннях. Схема включає фазовий детектор, який представляє собою помножувач з коефіцієнтом посилення - Kd, петлевий фільтр - F(s),який формує керуючу напругу (або сигнал помилки) e(t).

Для підтримки частоти генератора, область, в якій частоту можна керувати, вважається областю детектора з пропускною здатністю керування. Поза межами діапазону детектора контролер опускається до нуля, а частота вхідного сигналу не залежить від частоти стоп-сигналу.

Так як в нашої системи використовується частотно-модульований сигнал, основним завданням при вимірюванні частот стає зменшення похибки квантування зміни частоти. Для цього проведено аналіз існуючих трьох методів зменшення похибки квантування.

Перший метод - частотомір середніх значень. Цей метод є завадозахищеним, точним, але не швидкодіним. Другий метод - періодомір. Цей метод є точним, швидкодійним але не завадозахищеним. І третій метод - «метод залежних вимірювань». Проведений порівняльний аналіз існуючих методів показав, що найбільш ефективним методом вимірювання частоти є «метод залежних вимірювань», який бере найкраще з двох попередніх і є точним, швидкодійним і завад о- захищеним. Застосування цього методу дозволяє зменшити похибку квантування приблизно до нуля.

В результаті проведених досліджень запропонована автоматична система керування температурою у складських приміщеннях мультитемпературного типу класу «С», схема роботи якої представлено на рис.6.

Рис. 6 - Схема роботи системи: F/N- перетворювач частоти в код, ЧІМ - частотно-імпульсний модулятор

температура регулювання складський приміщення

Система складається з N ідентичних модулів вводу сигналів датчиків неелектричних величин - резистивних R1(або ємнісних С1), які включені в частото-утворюючі ланки ЧІМ-модуляторів. Останні виконані за схемою «квадратичного» ПНЧ з вихідною трикутною напругою робочою частотою в межах від 600 Гц до 3000 Гц. До кожного з модулів підключається по 8 датчиків. Вибір одного з датчиків у черговому модулі здійснюється за допомогою послідовної шини керування DaisyChained або послідовного периферійного інтерфейсу SPI. Для забезпечення підключення до аналогової шини (одно- або двопровідної) обраного ЧІМ застосовуються схема «монтажного АБО» на основі буферних каскадів з комплементарними емітерними повторювачами з третім станом (обидва зачинені).

Вихідний сигнал кожного з модулів послідовно в часі потрапляє на вхід широкосмугової системи ФАПЧ на основі структури, яка забезпечує очищення нуль-переходів вхідного сигналу перед операцією безпосереднього перетворення частоти в код. Для зменшення фазового шуму в систему введено додатковий контур регулювання на основі ітераційного інтегруючого перетворювача з динамічним запам'ятовуючим пристроєм.

Для підтвердження доцільності використання розробленої схеми проведено її експериментальне дослідження та аналіз похибок. В результаті виконаних розрахунків встановлено, що швидкодія - час стояння на точці становить менше 0,1 секунди; системна мультиплікативна похибка не перевищує 0,15%, а адитивна приведена похибка дорівнює 0,05% і основна похибка буде похибка самого датчика, який буде використовуватись при побудові такої системи. Порівняльний аналіз систем автоматичного керування температурою централізованого типу з ФАПЧ і без нього показали, що без використання ФАПЧ похибки шумів системи складали майже 30%. Але, після впровадження ФАПЧ похибки шумів зменшились майже до 0. В таблиці це представлено результатами останнього стовпчика.

Таблиця 1 - Результати експерименту

Висновки

Запропонована система автоматичного керування температурою аналогової шини має високі технічні характеристики, а саме - в повній мірі задовольняє 3 основним параметрам: швидкодія - час стояння на точці менше 0,1 секунди. Що стосується точності системи, то системна мультиплікативна похибка не перевищує 0,15%, а адитивна приведена похибка дорівнює 0,05% і основна похибка буде похибка самого датчика, який буде використовуватись при побудові такої системи; завадо захищеність знижена з 30% похибки майже до нуля. Тому, застосування автоматичних систем керування температурою із високими техніко-економічними характеристиками є економічно рентабельною та дозволяє для невеликих складів продукції значно розширити ринок застосування таких систем.

Список літератури

1. Складська нерухомість. Класифікація. [Електронний ресурс].

2. Як має здійснюватися зберігання продуктів харчування. [Електронний ресурс].

3. Види систем керування. [Електронний ресурс].

4. Різновид регуляторів. П, ПІ, ПД і ПІД регулятори. [Електронний ресурс].

5. Фазове автопідлаштування частоти (ФАПЧ). [Електронний ресурс].

6. Похибка вимірювання. [Електронний ресурс].

7. Сарабєєв П.І., Башта О.В., Носко П.Л. Автоматична система керування температурою у складських приміщеннях / ПОЛІТ. Сучасні проблеми науки: ХХІ міжнар. наук. - практ. конф. студ. та молодих учених, 5-9 квітня 2021 р.: тези доп. - К., 2021. - С. 57-59.

Размещено на Allbest.ru