Разливка стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Разливка стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) является самым современным и широко распространенным методом получения стальных заготовок. При разливке если нарушены некоторые технологические параметры (скорость разливки, количество и качество шлакообразующей смеси в кристаллизаторе) возможно возникновение аварийной ситуации, когда из-за нарушения целостности корочки слитка жидкий металл прилипает к медной стенке кристаллизатора. В этом случае сталь выдавливается из кристаллизатора и может привести к аварийной ситуации. Таким образом, создание системы, позволяющей заранее предупреждать о возможных прорывах корочки сляба является крайне важной и актуальной задачей.

В дипломном проекте требовалось разработать подсистему сбора и обработки данных в реальном масштабе времени системы предупреждения прорывов «Термовизор», входящей в состав комплекса «Кристаллизатор».



1. Постановка задачи

1.1 Назначение и структура комплекса

В дипломном проекте решается задача разработки подсистемы сбора и обработки данных в реальном масштабе времени системы «Термовизор» входящей в состав комплекса «Кристаллизатор»

1.2 Назначение комплекса «Кристаллизатор»

Комплекс предназначен для получения объективной и оперативной информации о ходе процесса разливки, о возникших отклонениях и позволяющий своевременно принять необходимые корректирующие воздействия и не допустить появления брака.

1.3 Цели создания комплекса

- Увеличение выхода годного металла;

- Достижение надлежащего качества проката;

- Улучшение условий труда обслуживающего персонала;

- Обеспечение специалистов цеха текущей информацией о технологическом процессе и режимах работы оборудования.



2. Система «Термовизор»

2.1 Описание системы

Разрабатываемая система предназначена для автоматического контроля процесса формирования твердой корочки слитка в кристаллизаторе машины непрерывной разливки стали и обнаружения нарушений ее однородности.

2.1.1 Назначение

? Диагностика состояния оборудования аппаратной части системы с индикацией неисправных элементов.

? Контроль и индикация температурных режимов в кристаллизаторе в процессе разливки.

? Выработка предупреждающих и аварийных сигналов при нарушениях температурных и тепловых режимов процесса разливки.

? Прием необходимых данных из АСУ ТП цеха разливки.

? Хранение и отображение вычисляемых данных с возможностью их передачи в смежные системы, работа в сети.

? Выпуск ежесуточных протоколов разливки.

2.1.2 Технические характеристики

Основные технические характеристики системы «Термовизор» приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Технические характеристики системы «Термовизор»

Погрешность измерения температуры в контрольной точке стенки кристаллизатора	не более±3 °С
Диапазон измеряемых температур в контрольных точках медных плит	от 0 до 400 °С
Сигнал о прилипании корочки слитка должен выдаваться на монитор оператора до выхода точки прилипания корочки слитка из кристаллизатора за время, не менее	20 сек(при скорости разливки 1,2 - 1,8 м/мин)
	30 сек (при скорости разливки 1,2 м/мин)
Допустимое количество прилипаний корочки, не предсказанных системой (в расчете на один кристаллизатор)
на этапе промышленной эксплуатации	Не более 1-го в год
Система должна обеспечивать выдачу сигнала о прилипании корочки при выходе из строя в процессе разливки любых несоседних термопар в количестве, не более	3х (по одной в каждом ряду)
Срок службы блока термодатчиков в составе кристаллизаторов	не менее срока службы комплекта медных плит
Потребляемая мощность, не более	100 ВА

2.1.3 Устройство и работа

Система надежно обнаруживает:

· места прилипания корочки слитка к стенке кристаллизатора,

· грубые неметаллические включения,

· газовые пузыри, возникающие между стенкой кристаллизатора и формирующимся слитком,

· ужимины.

Система ТЕРМОВИЗОР обеспечивает:

· автоматическую диагностику и контроль функционирования оборудования при включении системы;

· автоматическое измерение распределения температуры по стенкам кристаллизатора МНЛЗ во всех режимах работы;

· отображение на экране пульта разливщика ПР и на мониторе оператора основных показателей работы системы;

· автоматическую генерацию предупредительных звуковых сигналов разливщику и оператору МНЛЗ при отклонении условий разливки от нормы;

· отображение на мониторах оператора и разливщика положения точки прилипания корочки слитка к стенке кристаллизатора;

· автоматическую идентификацию заводского номера кристаллизатора;

· автоматический учет наработки кристаллизатора и медных плит;

· отображение на экране монитора настраиваемых параметров кристаллизатора и системы.

Преимущества:

· Высокая надежность работы системы, число ложных срабатываний составляет менее 5%

· "Мозгом" системы является современный производительный процессор, а не PLC контроллер, обслуживающий несколько процессов. Такое решение позволяет процессору выполнять очень сложные функции, которые недоступны для PLC контроллера в системах, построенных по традиционной схеме.

· Система может функционировать автономно. Она может устанавливаться на машины, не имеющие других систем автоматизации.

2.1.4 Структурная схема системы и назначение основных модулей

· до 108 датчиков температуры - термопар типа «хромель-алюмель» (К);

· до 8 низкоомных датчиков температуры холодных спаев - терморезисторов;

· датчик скорости разливки;

· контроллер (блок УФО-П7), обеспечивающий опторазвязку, защиту от перенапряжений, аналоговую фильтрацию, аналого-цифровое преобразование (АЦП), поступающей информации и передачу цифровой информации к вычислителю (блок УФО-Т7) по выбранному в процессе разработки протокола обмена;

· вычислитель (блок УФО-Т7), осуществляющий прием цифровой информации от контроллера, прием команд управления от рабочей станции диагностики (РСД), вычисление параметров температурных и тепловых режимов кристаллизатора и их нарушений по заданным алгоритмам, передачу цифровой информации в РСД по выбранному в процессе разработки протокола обмена. Вычислитель включает в себя промышленный компьютер с операционной системой Labview-RT или Windows-XP/HT последних версий;

· РСД, реализующая ПО режимов работы системы «Термовизор» по заданным требованиям и алгоритмам;

· рабочая станция визуализации (РСВ), включающая монитор и динамик для визуализации и звукового сопровождения штатного режима работы системы по заданным требованиям.



Рис. 1 Структурная схема системы

2.2 Выбор технических средств

2.2.1 Технология PAC

Сегодня на рынке систем автоматизации управления технологическими процессами (АСУ ТП) наличествуют две основные архитектуры: классическая «закрытая» PLC (Programmable Logic Controller, то есть основанная на программируемых логических контролерах) и более «открытая», использующая технологии персональных компьютеров (PC-based).

Как правило, небольшие системы управления или системы, которые должны исполнять только функции управления, реализуются на базе гибко программируемых контроллеров (PLC). Подобные устройства отличаются высокой надежностью, живучестью и быстродействием. Контроллеры данного класса чаще всего имеют десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов, небольшую или среднюю вычислительную мощность. Они реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, блокировок, регулирования. Многие из них имеют один или несколько физических портов для передачи информации на другие системы автоматизации.

Для решения таких задач, как обработка данных, визуализация технологических процессов или работа в информационной сети, рентабельнее применение системы на базе PC. Так как в последнее время появились многочисленные модификации персональных компьютеров в промышленном исполнении с повышенной надежностью работы, PC стали активно применятся для автоматизации производственных объектов. К важным достоинствам РС следует отнести открытую архитектуру, легкость подключения любых блоков ввода/вывода, выпускаемых сторонними производителями, возможности по использованию широкой номенклатуры наработанного программного обеспечения (операционных систем реального времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления). Контроллеры на базе РС, как правило, управляют сравнительно небольшими замкнутыми объектами. Общее число входов/выходов контроллера на базе РС обычно не превосходит нескольких десятков соединений, а набор функций предусматривает либо сложную обработку измерительной информации с расчетом нескольких управляющих команд, либо вычисления по специализированным формулам, аргументами которых выступают измеряемые величины.

PLC-системы, продолжающие еще доминировать на рынке, начинают меняться, используя технологии, свойственные открытым системам: интерфейсы Ethernet, порты VGA и USB, флэш карты и т. п. Кроме того, программируемые контроллеры, становясь все более открытыми, все чаще поставляются с общедоступными операционными системами, что позволяет независимым производителям программного обеспечения разрабатывать свои системы программирования контроллеров. С другой стороны, и промышленные персональные компьютеры, использующиеся в управлении процессами, начинают приобретать больше свойств и функций PLC. Так, современные PC-based контроллеры имеют встроенное устройство сопряжения с объектами, сторожевые таймеры, выпускаются в форм-факторах, характерных для PLC, а в некоторых из них есть аппаратные средства обеспечения горячего резервирования. Очевидным достоинством такого решения является снижение стоимости за счет использования известных, хорошо проработанных технологий, значительная гибкость, сокращение сроков внедрения систем управления и упрощение процедуры их эксплуатации. Результатом такой конвергенции технологий, стал переход управляющих приборов к технологии под названием PAC (Programmable Automation Controller -- программируемый контроллер для автоматики).

Данное решение сочетает в себе лучшие черты PLC и PC, среди которых: жесткое реальное время, многопоточность, наличие микроядра, большая вычислительной мощность, графический интерфейс пользователя, улучшенные функциональные возможности, расширенный набор интерфейсов, развитые инструментальные средства и умеренную цену.

Все это позволяет объединить компоненты управления, сбора и обработки данных, коммуникации и визуализации на основе единой аппаратной и программной платформе - платформе промышленного компьютера.

Повышение функциональности и реализация функций жесткого реального времени достигается за счет использования операционных систем реального времени.

Встраиваемые операционные системы (embedded operating systems) являются наиболее эффективным решением с точки зрения производительности, надежности и функциональности для использования при автоматизации технологических процессов и создании встраиваемого и тиражируемого оборудования. Встраиваемые операционные системы обладают таким достоинством как полноценная стандартная платформа, что делает возможным использование стандартного программного обеспечения.

При автоматизации технологических процессов незаменимой является такая дополнительная возможность как поддержка таймера реального времени и возможность работы без файла подкачки - загрузка из flash-памяти или с оптического носителя, что особенно важно в помещениях с повышенной вибрацией и запыленностью.

Учитывая то, что предприятие приняло концепцию перехода на единую аппаратную и программную платформу для решения различных задач автоматизации, наиболее приемлемой является вышеописанная технология PAC.

2.2.2 Описание модулей сбора данных I-8000

В качестве PAC для системы сбора данных с термопар мною выбран контроллер серии I-8000 фирмы ICPDAS.



В качестве модулей ввода сигнала с термопар выбраны модули I-87018RW



Основные характеристики I-87018RW:

Количество аналоговых входов: 8

Тип термопары: J, K, T, E, R, S, B, N, C, L, M

Входной диапазон по напряжению: +/-15 мВ, +/-50 мВ, +/-100 мВ, +/-500 мВ, +/-1 В, +/-2.5 В

Входной диапазон по току: -20 ~ +20 мА (необходим внешний шунт 125 Ом)

Разрешение аналоговых входов: 16 бит

Точность аналогового ввода: ±0.25 %

Потребляемая мощность: 1.2 Вт

Рабочая температура: -25 ~ +75°C

Описание I-87018RW:

I-87018RW - 8-канальный модуль аналогового ввода от термопар с защитой от перенапряжения, высокий профиль. I-87018RW предназначен для ввода показаний температуры от термопар градуировки J, K, T, E, R, S, B, N, C, L, M, LDIN43710. [5]

2.2.3 Выбор термопар для контроля температур стенок кристаллизатора

Термопары применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.

Таблица 1.2 «Типы термопар»

Тип термо- пары	Букве- нное обозна- чение НСХ*	Материал термоэлектродов	Коэффициент термоЭДС, мкв/°С (в диапазоне температур, °С)	Диапазон рабочих температур, °С	Предельная темпе- ратура при кратко- временном приме- нении, °С
		Положительного	отрицательного
ТЖК	J	Железо (Fe)	Сплав константен (45% Сu + 45% Ni, Mn, Fe)	50-64 (0-800)	ОТ -200 до +750	900
ТХА	K	Сплав хромель (90,5% Ni +9,5% Сr)	Сплав алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co)	35-42 (0-1300)	от -200 до +1200	1300
ТМК	T	Медь (Сu)	Сплав константан (55% Си + 45% Ni, Mn, Fe)	40-60 (0-400)	от -200 до +350	400
ТХКн	E	Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr)	Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe)	59-81 (0-600)	от-200 до+700	900
ТХК	L	Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr)	Сплав копель (56% Си + 44% Ni}	64-88 (0-600)	от -200 до +600	800
ТНН	N	Сплав никросил (83,49% Ni +13,7% Сr + 1,2% Si+ 0,15% Fe + 0,05% С + 0,01% Mg)	Сплав нисил (94,98% Ni + 0,02% Сr + 4,2% Si + 0,15% Fe + 0,05% С + 0,05% Mg)	26-36 (0-1300)	от -270 до +1300	1300
ТПП13	R	Сплав платина-родий (87%Pt + 13%Rh)	платина (Pt)	10-14 (600-1600)	от 0 до +1300	1600
ТПП10	S	Сплав платина-родий (87% Pt -- 13% Rh)	платина (Pt)	10-14 (600-1600)	от 0 до +1300	1600
ТПР	B	Сплав платина-родий (70% Pt - 30% Rh}	Сплав платина-родий (94% Pt-6%Rh)	10-14(1000-1800)	от 600 до+1700	1800
ТВР	A-1 A-2 A-3	Сплав вольфрам-рений (95% W - 5% Re)	Сплав вольфрам-рений (80% W-20% Re)	14-7 (1300-2500)	от 0 до +2200 от 0 до +1800 от 0 до +1800	2500
ТСС	I	Сплав	Сплав силин		от 0 до + 800	900

Примечание: НСХ -- номинальные статические характеристики преобразования по международной классификации ТСС сопровождается изменением направления тока.

При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. Исходя из требований к системе термовизор я выбрал 2 типа термопар:

К - хромель-алюмель

2.2.4 Описание протокола обмена данными DCON.

Протокол DCON, использованный в модулях фирмы ICP DAS не относится к стандартным, однако очень широко распространен в России благодаря популярности модулей RealLab! серии NL фирмы НИЛ АП и усилиям фирм, продвигающих на Российский рынок изделия Тайваньских производителей ICP DAS и Advantech.

Этот протокол использует только физический и прикладной уровень модели OSI. На физическом уровне используется прямое двоичное кодирование, когда логический ноль представлен низким уровнем напряжения в шине RS-485, логическая единица - высоким уровнем. Требования к среде передачи (витая пара) определяются стандартом на интерфейс RS-485.

Широкая популярность протокола DCON обусловлена отсутствием необходимости в специализированных микросхемах для реализации стека протоколов, что существенно снижает себестоимость устройств, а, следовательно, цену для конечного потребителя. С другой стороны, у системного интегратора уменьшаются затраты на обучение, поскольку применение протокола предельно простое.

Протокол DCON используется в архитектуре "ведущий - ведомый". В сети может быть 255 ведомых устройств, но только одно ведущее, что в принципе исключает возможность конфликтов.

Для увеличения надежности передачи информации на физическом уровне используется простейший способ - вычисление контрольной суммы. Канального уровня в протоколе нет и поэтому ошибки передачи могут быть выявлены только на прикладном уровне, непосредственно граничащем с программой пользователя.

Рис. 2. Формат кадра протокола DCON

Кадры протокола DCON имеют структуру, показанную на рис. 2.. Каждый кадр начинается с разделителя, в качестве которого могут быть использованы знаки: $, #, %, @, *, в ответах ведомого устройства используются символы ~, !, ?, >.

За некоторыми командами следуют данные, но их может и не быть. Контрольная сумма, состоящая из двух символов, может отсутствовать. Каждый кадр должен оканчиваться символом возврата каретки cr (ASCII код 0Dh).

Контрольная сумма (CHK) состоит из двух символов (в нее не включается код символа возврата каретки) и позволяет обнаружить ошибки в командах, посланных из ведущего устройства, а также в ответах ведомого.

Вся информация, содержащаяся в кадре, включая адрес модуля и данные, передается в ASCII кодах.

Контрольная сумма представляется двумя ASCII символами шестнадцатеричного формата и передается непосредственно перед "возвратом каретки" (cr). Она должна быть равна сумме кодовых значений всех ASCII символов команды и быть представлена в шестнадцатеричной системе счисления. Если сумма больше FFh, то в качестве контрольной суммы используется только ее младший байт.

Например, если нужно переслать ведомому устройству команду $012(cr), то сумма ASCII кодов символов команды (символ возврата каретки не считается) равна

“$”+”0”+”1”+”2” = 24h+30h+31h+32h=B7h, контрольная сумма равна B7h, т.е. перед символом (cr) в команде надо указать ”B7”, и команда $012(cr) будет выглядеть как $012B7(cr).

Если ответ модуля на эту команду без контрольной суммы получен в виде, например, !01400600(cr), то сумма ASCII кодов символов этой команды равна:

“!”+”0”+”1”+”4”+”0”+”0”+”6”+”0”+”0”=21h+30h+31h+34h+30h+30h+36h +30h +30h =1AСh, и контрольная сумма для этого случая равна ACh, т.е. ответ модуля при работе с контрольной суммой будет, например, !014006С0AC(cr), где предпоследний байт С0 означает, что установлен режим обмена с контрольной суммой.

При написании программы прикладного уровня используется набор команд, примеры которых приведены в табл. 2.1.

Табл. 2.1. Примеры команд протокола DCON

Команда	Ответ	Описание
%AANNTTCCFF	!AA	Устанавливает адрес, диапазон входных напряжений, скорость обмена, формат данных, контрольную сумму
#AA	>(Data)	Возвращает все входные значения для заданного модуля
#AAN	>(Data)	Возвращает входное значение в канале номер N для модуля с заранее заданным адресом
$AA0	!AA	Выполняет калибровку аналогового модуля для компенсации погрешности коэффициента передачи
$AA1	!AA	Выполняет калибровку аналогового модуля для компенсации погрешности смещения нуля
$AA2	!AATTCCFF	Возвращает параметры конфигурации модуля с указанным адресом
$AA8	!AAV	Читает конфигурацию светодиодного индикатора
$AA8V	!AA	Устанавливает конфигурацию светодиодного индикатора

Команды протокола DCON делятся на 4 типа:

• команды модулей аналогового ввода;

• команды модулей аналогового вывода;

• команды дискретного ввода-вывода;

• команды счетчиков/таймеров.

Рассмотрим пример применения команды #AA (см. табл. 2.1) для получения данных из модуля аналогового ввода.

Синтаксис команды: #AA[CHK](cr), где AA - адрес модуля (от 00 до FF).

Ответ модуля на эту команду имеет вид >(Data)[CHK](cr), если команда выполнена. Здесь > - символ-разделитель при выполненной команде; (Data) - измеренные данные. Если имели место синтаксические ошибки или ошибки связи, то ответа нет.

Например, для опроса модуля с адресом 01 рассматриваемая команда примет вид #01(cr). Ответ на нее может выглядеть следующим образом:

>+1.2345+0.3456+0.0001+2.5000+1.2345+0.3456+0.0001+2.5000

В ответе представлены 8 значений напряжений на 8 входах модуля ввода.

2.3 Выбор системного и инструментального ПО

Так как для сбора и генерации сигналов были выбраны специальные платы фирмы National Instruments, то лучше всего для написания программного обеспечения подходит среда разработки LabVIEW предлагаемая этой же фирмой. Помимо поддержки выбранных устройств сбора и генерации сигналов LabVIEW обладает радом преимуществ и функциональных возможностей, о которых будет рассказано ниже.

2.3.1 LabVIEW фирмы National Instruments

LabVIEW - система графического программирования, основанная на языке программирования G, для ввода/вывода, обработки, анализа и визуализации сигналов, систем контроля и управления. Составление программы происходит из графических объектов, именуемых виртуальными инструментами (VI - virtual instruments), взамен традиционного написания большого текста программы.

Среда разработки LabVIEW позволяет создавать удобные, надежные и легко тестируемые программы для ведения контроля над процессом выполнения широко спектра задач направленного на измерение физических величин.

В основе создания приложения в среде LabVIEW лежит графическое программирование. Новый концептуальный подход позволяет оперировать графическими представлениями команд, которые заменяют более сложные вычислительные операции интуитивно понятными иконками. В LabView можно легко работать с различными устройствами ввода/вывода, получать и передавать сигналы по самым разнообразным интерфейсам.

LabView открыто для модификаций и усовершенствований - если не хватает какой-нибудь функции или драйвера устройства, то их всегда можно написать на любом языке программирования, позволяющем создавать динамически загружаемые библиотеки.

Сочетание графического языка программирования и современного компилятора позволяет значительно сократить время разработки сложных систем при сохранении высокой скорости выполнения программ. Библиотеки современных алгоритмов обработки и анализа данных превращают LabVIEW в универсальный инструмент создания интегрированных систем на базе IBM PC совместимых компьютеров, Macintosh, рабочих станций SUN SparcStation и Hewlett Packard.

Во многих средах разработки, быстродействие выполнение критично. LabVIEW является единственной графической системой программирования с компилятором, генерирующим оптимизированный код со скоростью быстродействия сравнимой с кодом, получаемым С компилятором.

Модуль LabVIEW RT расширяет возможности пакета LabVIEW и позволяет создавать детерминированные приложения, исполняемые в реальном времени. Можно разрабатывать и отлаживать приложения в хорошо знакомой среде LabVIEW под Windows и затем загружать программу, время исполнения которой критично, в RT контроллер, компьютер или специализированную плату.

Разработка LabVIEW RT приложений для измерений и управления полностью идентична процедуре разработки в стандартной среде LabVIEW для Windows (рис. 3.1):

1. Разработка приложения (программы)

2. Загрузка приложения в автоматическом режиме или с помощью меню

3. Отладка приложения. Процедура отладки приложения в LabVIEW RT аналогична процедуре в обычной среде LabVIEW, включая точки останова выполнения программы, пошаговое исполнение, мониторинг данных из любой точки программы. Коммуникация между средой разработки RT и RT модулем, установленным например, в контроллер, происходит автоматически.

4. Развертывание приложения.

Большинство приложений реального времени разработанных с помощью LabVIEW RT используют программу реального времени как часть более большой программы. Не обязательно чтобы все части большой программы исполнялись в реальном времени. При такой архитектуре, в хост-компьютер загружается часть программы, время исполнения которой не должно быть жестко детерминированным. Такими частями программы могут быть пользовательский интерфейс, управление другими устройствами , запись данных на диск и доступ к сети. Задача реального времени исполняется в контроллере или специализированной плате. Фактически реализуется модель распределенных (distributed) вычислений. Коммуникация между встроенным в контроллер или плату приложением и главной частью программы может быть через общий раздел памяти, TCP/IP или VI сервер.



2.3.2 Установка приоритетов в Виртуальных Инструментах (ВИ)

Приоритеты в системе делятся на следующие (по возрастанию):

- Фоновый;

- Нормальный;

- выше нормы;

- высокий;

- критичный по времени.

Нити с более высшим приоритетом, приостанавливают выполнение нитей с более низшим. По умолчанию всем нитям устанавливается нормальных приоритет. Приоритет «критичный по времени» является наивысшим, и приостанавливает выполнение нитей с боле низким приоритетом. ПодВИ наследуют приоритет ВИ, их вызывающего.

В дополнение к пяти уровням приоритета можно установить приоритет подпрограммы. ВИ с таким приоритетом не делится процессорным временем с остальными. Когда ВИ с приоритетом подпрограммы поступает на исполнение, он фактически обретает полный контроль над нитью, в которой находится. Ни один другой ВИ не может быть запущен в этой нити, пока ВИ с приоритетом подпрограммы не будет выполнен, даже если другой ВИ так же имеет приоритет подпрограммы.

2.3.3 Распределение ВИ в системе исполнения

Программа LabView имеет шесть систем исполнения:

- интерфейс пользователя;

- стандартная;

- инструментальный ввод/вывод;

- сбор данных.

Сами названия систем исполнения - это подсказка, какого типа ВИ следует располагать внутри их. По умолчанию все ВИ работают в стандартной системе исполнения с нормальным приоритетом. Система исполнения «интерфейс пользователя» отвечает за все задачи связанные с оным. В дополнение к 6 системам исполнения любому ВИ можно присвоить систему исполнения «такую же, как вызывающий ВИ». Это позволяет запускать подВИ в той же системе исполнения, что и ВИ, его вызывающий.

Все системы исполнения, исключая интерфейс пользователя имеют очередь нитей. Для примера: если у нас есть три нити, назначенные к одной системе исполнения, то в любой момент времени выполняется только одна из нитей, в то время, как другие ожидают в очереди. Все нити исполняются некоторое равное фиксированное время, при условии, что они имеют равные приоритеты. При выполнении нити она помещается в конец очереди, а следующая за ней приступает к выполнению. По окончанию действия, система исполнения убирает отработавшую нить из очереди.

Кроме системы исполнения «интерфейс пользователя», ни одна из систем не может влиять непосредственно на интерфейс с пользователем. Если в ходе выполнения программы требуется ответ от пользователя, то система исполнения, в которой выполнялась данная нить, передаёт управление системе исполнения «интерфейс пользователя».

2.3.4 Совместная работа ВИ, критичных по времени

Из-за того, что приоритет «критичный по времени» является наивысшим, ВИ с таким приоритетом могут монополизировать процессорное время, поэтому инструменты с меньшим приоритетом не получают возможности приступить к исполнению.

Поэтому при создании ВИ критичного по времени, необходимо предусмотреть паузы в его работе, для того, чтобы инструменты с меньшим приоритетом получили возможность выполнится.

После разделения заданий по отдельным ВИ с различными приоритетами, будет необходимо наладить связи между ними. Для этой цели служат глобальные переменные, функциональные глобальные переменные, а так же FIFO реального времени.

3.3.4.1 Глобальные переменные

Глобальные переменные используются для передачи небольшого количества данных между ВИ, например между ВИ критичным по времени и ВИ с низким приоритетом.

При такой передаче возможна потеря некоторых данных, из-за того, что данные в глобальной переменной могут быть перезаписаны более новыми до того, как программа произведёт чтение. Здания в ВИ с более низким приоритетом просто не будут получать достаточное количество процессорного времени, чтобы прочитать данные до того, как другие задания в ВИ с более высоки приоритетом их перезапишут.

Использовать глобальные переменные в критичных по времени задачах следует с осторожностью. Например следует убедиться, что ВИ с более низким приоритетом успевают считать данные из неё, до того, как критичный по времени ВИ запишет туда новое значение.

Глобальные переменные - хорошее решение для передачи данных, размер которых меньше 32 бит, например скалярные величины. При передачи больших объёмов данных следует использовать функциональные глобальные переменные, или же FIFO реального времени.

сталь заготовка литье

3.3.4.2 Функциональные глобальные переменные

Используются для передачи данных между ВИ. Функциональная глобальная переменная - это по сути подВИ, установленный на подпрограммный приоритет. Этот подВИ содержит цикл while, внутри которого находится оператор Case для открытия доступа на чтение или запись (рис 3).



Рис 3: структура функциональной глобальной переменной

Цикл содержит регистры сдвига (shit registers), в которых хранятся данные. Функциональная глобальная переменная получает на вход данные о том, какое задание этот ВИ будет выполнять (параметр Mode). Любые последующие обращения к функциональной глобальной переменной получают доступ к новым данным. Функциональные глобальные переменные имеют сходство с очередями, т.к. пользователь всегда может добавить ещё регистры сдвига, для хранения большей истории о значениях.

В отличие от глобальных переменных, функциональные глобальные переменные можно использовать так, как если бы они не были общедоступны. Если щёлкнуть правой кнопкой по подВИ, установленным на подпрограммный приоритет, и выбрать Skip subroutine Call if busy, то программа будет пропускать исполнение этого подВИ, если он уже выполняется в какой-то другой нити. Такой приём очень полезен в ВИ, критичных по времени, потому, что ВИ не простаивает в ожидании результата работы подВИ. Если выполнение подВИ пропущено, то он вернёт значение по умолчанию для этого типа данных, а не какое-либо стандартное значение. Для примера: стандартным значением для численных величин является ноль, для строк и массивов стандартным значением является пустая строка, а для булевых переменных - ложь.

При использовании функциональных глобальных переменных может возникнуть потеря данных в том случае, если ВИ перезаписывает данные в этой переменной до того момента, пока другой ВИ успевает её считать.

коммуникационных протокол передней панели и сетевой коммуникационный протокол.

2.4 Разработка ПО

В зависимости от выполняемых системой функций программная часть комплекса должна обеспечивать работу системы в различных режимах и содержать не менее 10 (уточняется в процессе разработки) независимых программ, связанных между собой по информации на входе и выходе в соответствии с заданными требованиями и алгоритмами:

· управляющая программа (УП);

· программа настроек (ПН);

· программа диагностики (ПД);

· программа штатной работы (ПШР);

· программа вычислений (ПВ);

· программа сбора и обработки первичной информации (ППИ);

· программа просмотра архивов (ППА);

· программа архивирования (ПА);

· программа создания протокола (ППР);

· программа работы в сети (ПС);

· программа анимации (ПАН).

2.4.1 Требования к ПО системы «Термовизор»

2.4.1.1 Требования к управляющей программу (УП)

УП должна обеспечивать переключение режимов работы системы с помощью команд, внесенных в соответствующее меню УП.

При работе с УП можно использовать как клавиатуру РСД, так и манипулятор «мышь».

Меню должно отображаться в верхней горизонтальной строке экрана монитора РСД и содержать названия следующих режимов работы системы

· настройка;

· диагностика;

· штатная работа;

· архив;

· протокол;

· сеть;

· анимация («прогон»).

При переключении режимов программа штатной работы и архивирования не должна прерываться за исключением остановок при изменении параметров в режиме настроек.

2.4.1.2 Требования к программе сбора и обработки первичной информации (ППИ). (Размещается в контроллере - блок УФО-П7)

ППИ должна обеспечивать управление работой АЦП и передачу данных, выбранных в процессе разработки протокола обмена. Данные должны представлять собой температуры в сек термопар (до 108) и всех датчиков холодных спаев (до 8-ми) в ?С, одно или 2 значения скорости разливки в м/мин или ед. АЦП и номера каналов неисправных (обрыв или КЗ) термопар, датчиков холодных спаев и датчиков скорости разливки.

2.4.1.3 Требования к программе настроек (ПН). (Размещается в РСД)

ПН должна обеспечивать ввод и изменение параметров с последующей их передачей в вычислитель - блок УФО-Т7 или РСД.

Параметры настройки должны вводится и изменяться с помощью мыши и клавиатуры с одновременным их отображением на экране монитора РСД в соответствии с вызываемыми из меню таблицами при включении режима настройка.

- Размещение таблиц на экране - произвольное, обеспечивающее максимальное удобство для пользователя.

Таблица 1 должна содержать размеры всех известных на настоящий момент сечений отливаемых слитков и номера термопар, не выходящих за границы сечений для каждого слитка. Термопары должны быть пронумерованы по периметру кристаллизатора, начиная с левой боковой стенки, если смотреть со стороны ручья, с переходом на дальнюю стенку (базовую), правую боковую и на ближнюю (небазовую). Должна быть произведена сквозная нумерация термопар от 1 до n в каждом слое. Термопарам, не входящим в сечение слитка - присвоить номера: 1 пр., 2 пр., … n₁ пр. (термопары за правой стенкой) и 1 лев., 2 лев., … n₁ лев. (термопары за левой стенкой). Должна быть предусмотрена возможность введения размеров неизвестных до настоящего момента слитков. Также должны содержаться сведения о количестве слитков в кристаллизаторе, как правило 1 или 2, и о площади рабочих стенок кристаллизатора (в м²) Данные Таблицы 1 передаются в УФО-Т7 в программу вычислений (ПВ) и в программу просмотра архивов (ППА).

Таблица 2 должна содержать перечень команд, выдаваемых на РСД с возможностью их отключения. Перечень команд должен содержать:

· команду о наличии подвисания, без идентификации стенок;

· команду о нарушении теплообмена;

· команду о нормированном или ненормированном тепловом поцессе;

· команду о нестабильном теплообмене;

· команду о наличии подвисания, с идентификацией стенки.

Таблица 3 должна содержать пороговое значение для вычисления признака наличия подвисания. Значения из Таблицы 3 должны поступать в программу вычислений (ПВ) и в программу просмотра архивов (ППА). Кроме возможности ручного изменения значений должна быть предусмотрена возможность замены файла Таблицы 3 целиком. Таблица 3 должна содержать следующие пороговые значения:

1) количество строк в матрицах
2) границы температур
3) превышение среднего
4) минимальная сумма квадратов
5) максимальная сумма квадратов
6) отношение (-/+)
7) сумма квадратов нижнего слоя
8) количество критичных столбцов нижнего слоя
9) наклон верхнего слоя
10) наклон среднего слоя
11) коэффициент корреляции верхнего слоя
12) коэффициент корреляции среднего слоя
13) окно наклонов
14) отношение
15) отношение
16) отношение
17) отношение
18) отношение
19) отношение
20)
21)
22)
23) предельная скорость разливки
24) сумма признаков
25) коэффициент децимации
26) инверсия
27) отношение

Данные из Таблицы 4 должны поступать в программу вычислений (ПВ). Таблица 4 должна содержать следующие данные:

частота опроса АЦП
крутизна скорости разливки, (м/мин)/ед.АЦП или ? (м/мин)/В
постоянная скорости разливки
температура датчиков холодных спаев

Данные из Таблицы 5 должны поступать в программу вычислений (ПВ). Таблица 5 должна содержать следующие пороговые значения:

стандартное отклонение среднего слоя
стандартное отклонение нижнего слоя
количество термопар среднего слоя
количество термопар нижнего слоя
верхний - средний
средний - нижний



2.4.1.4 Требования к программе диагностики (ПД). (Должна размещаться в РСД)

ПД должна обеспечивать выдачу сообщений о неисправных термопарах (обрыв или КЗ) с номерами термопар их расположения по периметру кристаллизатора. Номера каналов неисправных термопар поступают в ПД из программы сбора и обработки первичной информации (ППИ). Также ПД должна обеспечивать выдачу сообщений о неисправных датчиках холодных спаев с указанием стенки кристаллизатора и о неисправном датчике скорости разливки, сведения о которых поступают из программы ППИ.

Сообщения о неисправностях должны поступать в программу штатной работы и в программу вычислений, а также отображаться на экране монитора РСД при включении режима диагностика.

На экране монитора РСД в режиме диагностика должен также отображаться развернутый по периметру вид рабочих стенок кристаллизатора, как указано в п. 3.3.2.1 с температурами пронумерованных в каждом слое термопар в виде столбиков с возможностью отображения тренда любой выбранной термопары. Должна быть предусмотрена возможность ручного отключения любой термопары и датчика холодных спаев с помощью мыши с последующей передачей информации в программу штатной работы и вычислений. При отключении датчика холодных спаев ему присваивается значение из из Таблицы 4 программы настроек (ПН).

2.4.1.5 Требования к программе штатной работы (ПШР). (Размещается в РСД)

ПШР не должна прерываться при переключении режимов за исключением перерывов при изменении параметров в режиме настроек.

На вход ПШР должны поступать данные:

температура в верхнем, среднем и нижнем слоях из программы вычислений (ПВ)	, где i - номер такта; n - номер термопары
медианы средних значений температур для каждого слоя	из ПВ
скорость разливки	(м/мин) из ПВ
значение средней плотности теплового потока	(МВТ/м2) из ПВ
сигнал «Подвисание»	из ПВ
сигнал «Нарушение теплообмена»	из ПВ
сигнал «Теплообмен нестабилен»	из ПВ
количество и номера неисправных термопар и отключенных термопар	из ПД
№плавки, начало разливки, конец разливки, марка стали, сечение слитка	из ПС
сообщения о неисправных датчиках холодных спаев и скорости разливки	из ПД

ПШР должна обеспечивать изображение на экране монитора РСД и РСВ температурных и тепловых режимов кристаллизатора в процессе разливки в виде:

1) трех, расположенных одно под другим, начиная с верхнего слоя, температурных полей в виде прямоугольников одинакового сечения, независимо от числа термопар в сечении слитка. По горизонтальной оси должны откладываться температуры (из ПВ) в последовательности, указанной в п. 3.3.2.1, через выбранный из соображений наглядности интервал. Значения температур внутри интервала вычисляются методом линейной интерполяции. Значения температур изображаются с помощью цветовой шкалы в диапазоне 0 - 300 °С с плавным переходом цветов: фиолетовый - синий - голубой - зеленый - красный - оранжевый от 0 до 300 ?С. Должна быть предусмотрена возможность изменения температурного масштаба с помощью мыши;

По вертикальной оси откладываются эти же температуры со сдвигом по времени на один такт опроса. Количество тактов должно обеспечивать изображение 180 сек процесса, обновляемое через каждый такт, при этом допускается соответствующее прореживание информации. Три прямоугольника, снабженные соответствующими заготовками должны размещаться в левой части экрана, слева от верхнего прямоугольника должен изображаться столбик значений разливки. Должно быть предусмотрено изображение 3-х мерных температурных полей (температура в цвете, время, пространство по развернутому периметру кристаллизатора). Переключение двухмерного поля на трехмерное должно осуществляться с помощью мыши. Также должна быть предусмотрена возможность переключения нормализованных температурных полей () на абсолютное (), поступающие из ППИ.

2) в правой части экрана должны отображаться тренды медианных значений температур - на одном графике, тренды скорости разливки и плотности теплового потока, обновляемые через каждый такт опроса: справа - текущее значение, слева - история;

3) в правой верхней части экрана должен отображаться транспарант с изменяющимися надписями: нормальный процесс разливки (зеленый фон), теплообмен нестабилен (желтый фон), подвисание (красный мигающий фон + пищалка);

4) в нижней части экрана должны отображаться: дата, время, номер плавки, сечение слитка, номера неисправных термопар, марка стали, сообщения: начало разливки, конец разливки, сообщения о неисправных датчиках ХС и скорости разливки. Может уточняться и дополняться.

2.4.1.6 Требования к программе архивирования (ПА). (Размещается в РСД)

ПА не должна прерываться при переключении режимов за исключением перерывов при изменении параметров в режиме настроек.

На вход ПА должны поступать те же данные, что и на вход ПШР - см. п.3.5.2, а также значения температур всех термопар и датчиков ХС из программы сбора и обработки первичной информации (ППИ).

ПА должна обеспечивать формирование ежесуточных файлов с указанием года, месяца, числа, содержащих:

1) значения температур всех термопар и датчиков ХС из ППИ на каждом такте опроса;

2) значения температур () на каждом такте опроса (из ПШР);

3) данные из п. 3.5.2 на каждом такте опроса для подпунктов 3) - 10).

2.4.1.7 Программа просмотра архивов (ППА). (Размещается в РСД)

ППА работает с файлами, созданными программой архивирования (ПА), с возможностью их просмотра в виде графиков и таблиц.

Графики изменения во времени температур должны быть 2-х типов: абсолютные () и нормализованные (). Переключение с одного типа на другой должно осуществляться с помощью мыши.

Просмотр графиков температур, , Р должен иметь стандартный вид: перемещение вправо и влево по времени, сжатие по времени, установка и перемещение курсора с выводом времени и всех значений п. 3.5.2 подпунктов 3) - 10) в точке курсора, а также всех значений из ПВ.

В точке курсора должна также быть предусмотрена возможность вывода изображений трехмерных и двухмерных температурных полей, описанных в п. 3.5.3-1), на 180 сек справа от курсора.

ППА должна обеспечивать создание укороченных файлов, соответствующих выбранному участку архива.

2.4.1.8 Программа работы в сети (ПС). (Размещается в РСД)

ПС должна обеспечивать прием по сети по согласованному с цехом протоколу обмена следующих данных из АСУ ТП цеха с последующей их передачей в ПВ, ПШР и ПА:

1) номер плавки;

2) сечение слитка;

3) начало разливки;

4) конец разливки;

5) марка стали;

6) температура солидуса;

7) температура ликвидуса;

8) температура воды на входе кристаллизатора (Т_вх ?С);

9) температура воды на выходе кристаллизатора (Т_вых ?С);

10) расход воды Q_в (м³/час - уточняется);

11) скорость разливки (м/мин).

12) ПС должна обеспечивать вывод на монитор удаленного компьютера иображение температурных и скоростных режимов разливки (п. 3.5.3) всех ручьев цеха).

ПС должна обеспечивать передачу на удаленный компьютер протоколов разливки, а также архивных файлов (суточных и укороченных) любого ручья.

2.4.1.9 Программа создания протокола (ППР). (Размещается в РСД)

ПС должна обеспечивать создание ежесуточных протоколов разливки для технологов, службы автоматизации и руководства цеха.

Протокол разливки должен быть составлен в виде таблицы, содержащей:

дату разливки;
номера плавок и марок разливаемых смесей из ПШР;
сечение слитков из ПШР;
количество неисправных термопар;
время сигнала «Теплообмен нестабилен» в %	вычисляется по сигналам из ПВ
время сигнала «Нарушение теплообмена» в %	вычисляется по сигналам из ПВ
количество подвисаний	вычисляется по сигналам из ПВ
скорость разливки	(м/мин и %), (м/мин и %), (м/мин и %) - вычисляется по данным из ПВ для диапазона >0,4 м/мин
плотность теплового потока	(мВТ/м2 и %), (мВТ/м2 и %), (мВТ/м2 и %) - вычисляется по данным из ПВ
время сигнала «Нормальный процесс» в %	вычисляется по сигналам из ПВ

2.4.1.10 Программа анимации (ПАН) (Размещается на отдельном компьютере)

ПАН должна работать с ежесуточными или укороченными архивными файлами.

ПАН должна содержать программу вычислений (ПВ), программу настроек (ПН), программу штатной работы (ПШР), программу архивирования (ПА), и программу просмотра архивов (ППА).

При работе в штатном режиме ПАН обеспечивать ускорение записанного в архивных файлах процесса в n раз. Значение n - уточняется в процессе разработки и отладки программы.

2.4.1.11 Требования и вычислительные алгоритмы к программе вычислений (ПВ)

Программа вычислений размещается в вычислителе (блок УФО-Т7).

На вход ПВ поступает 3хn температур с термопар, не выходящих за границы слитка, по n в каждом из 3-х слоев (верхний слой, средний слой, нижний слой), до 8-ми температур холодных спаев ( для одного слитка в кристаллизаторе), 3х2n₁ температур с термопар, не входящих в сечение слитка, значения температур поступают масштабируемыми в (?С). Также на вход ПВ поступают одно или два значения скорости разливки в ЦАП (). Эти данные поступают из контроллера (блок УФО-П7) с тактом . Значения n, n₁ и поступают из ПН (Таблица 1 и Таблица 4).

Из Таблицы 1 ПН на вход ПВ поступают номера термопар, не выходящих за границы слитка, от 1 до n в каждом слое и номера термопар, не входящих в сечение слитка (от 1_пр до n_1пр и от 1_л до n_1л), сведения о количестве слитков (1 или 2) и о площадях рабочих стенок кристаллизатора (1 или 2) в м².

На вход ПВ поступают также данные из Таблиц 3 и 4 программы настроек (ПН).

Из программы диагностики (ПД) на вход ПВ поступают номера неисправных термопар и номера отключенных вручную термопар, сообщения о неисправных и отключенных вручную датчиках холодных спаев с указанием стенки, сообщение о неисправных датчиках скорости разливки.

Из программы работы в сети (ПС) на вход ПВ поступают данные п. 3.8.1.

2.4.2 Разработка алгоритмов.

2.4.2.1 Алгоритмы вычисления признака «Подвисание»

1 шаг. Неисправным и отключенных вручную термопарам присваиваются средние значения температур двух неисправных термопар, расположенных в слое справа и слева от неисправной (отключенной) термопары или группы неисправных термопар, расположенных подряд.

2 шаг. На каждом такте опроса (с учетом комплекта децимации с выбором среднего значения из пропущенных тактов) формируются три матрицы-строки размерностью 1х(n+4):

, где

3 шаг. В буферном запоминающем устройстве (стек) каждом такте вычислений (опроса) формируются три матрицы размерностью вида:

, где

i=0, 1, 2, … - номер такта вычислений (опроса)

При i=0 .

Элементы матриц обозначаются , где - номер строки, - номер столбца.

4 шаг. Матрицы на каждом такте умножаются слева на единичные матрицы-строки размерностью в результате чего получаются матрицы-строки размерностью :

, после чего вычисляются матрицы

5 шаг. Производится вычитание матриц-строк:

-

6 шаг. Вычисляются меридианы элементов матриц-строк в результате чего получаются значения .

7 шаг. На каждом такте вычислений формируются матрицы-строки по типу:

если , то =0

если , то =1

если , то =-1

из Таблиц 3 программы настроек (ПН).

8 шаг. В буферном запоминающем устройстве (стек) каждом такте вычислений (опроса) формируются три матрицы размерностью вида:

, где

i=0, 1, 2, …

При i=0 .

9 шаг. Вычисляются матрицы по формуле: , где - транспонированная матрица В.

10 шаг. Вычисляются матрицы по формуле: , где М -см. 4 шаг.

11 шаг. Строятся матрицы-строки размерностью , состоящие из диагональных элементов матриц С, т.е.:

12 шаг. Вычисляются значения по формуле: , где - матрица-строка размерностью , транспонированная матрица .

13 шаг. Строятся матрицы-строки размерностью , т.е.:

= (см. 5 шаг) и вычисляются значения по формуле:=, после чего

Вычисляются матрицы-строки и размерностью по формулам:

=, =-



2.5 Описание программы

Далее приведено описание пользовательского интерфейса программы.

Наиболее информативной является вкладка «Индикация» с вкладкой «Тренды». На экране отображена динамика теплообмена на стенках кристаллизатора при разливке металла. Теплообмен представлен для одного ручья в виде теплового поля стенок кристаллизатора и в виде трендов температуры каждой термопары за последние 2 мин до текущего времени. Тепловое поле представлено рисунком, где на развертке стенок кристаллизатора каждая температура изображена своим цветом, что позволяет наглядно представить текущее состояние теплообмена, его динамику и оценить качество слитка. Тренды температуры каждой термопары представлены на графиках по столбцам термопар. Графики позволяют следить за изменениями теплообмена во времени и по высоте кристаллизатора (и слитка). Период обновления экрана равен периоду опроса данных - 1 с. Кроме того, и на рисунке теплового поля, и на графиках при нарушении теплообмена и возникновении «...