Объектно-ориентированный подход к синтезу системы управления винтовым компрессором

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (39). Частина 1.

4

Сумский государственный университет

ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПОДХОД К СИНТЕЗУ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВИНТОВЫМ КОМПРЕССОРОМ

Темченко С.А.

Введение

На данном этапе развития промышленности во всех ее отраслях применяются достаточно сложные технологические объекты, которые обеспечивают высокую эффективность их использования, удобство и простоту эксплуатации, гибкость, увеличение количества выполняемых функций. Среди всего промышленного оборудования представляется возможным выделить класс объектов, которые в совокупности называются гидравлическими и аэродинамическими машинами. К классу этих машин относят нагнетатели (насосы, вентиляторы, газодувы, компрессоры) и гидро- и пневмодвигатели [4].

Насосы, вентиляторы, газодувы, компрессоры широко применяются во всех отраслях народного хозяйства, в учреждениях жилищно-коммунального и социально-бытового назначения. В промышленности, в том числе и в химическом, нефтехимическом машиностроении, в газовой отрасли широко распространены насосы и компрессоры. В частности, в системах обеспечения водой городов и орошаемого земледелия основным видом оборудования являются насосы. Газоперекачивающие установки, основу которых составляют компрессоры, установлены на всей протяженности магистральных газопроводов. Среди компрессорных машин наибольшее распространение получили воздушные компрессоры, что обусловлено высокой потребностью в сжатом воздухе при решении многих народнохозяйственных задач. Более подробно устройство и области применения компрессорных установок изложены в работах [4-6].

В настоящее время для привода в движение рабочих органов нагнетателей в преимущественном большинстве случаев используется электропривод в виду ряда его достоинств. Приводные электродвигатели нагнетателей потребляют до 10 % электроэнергии, которую производят в стране. Энергопотребление компрессора и выполнение функций, возложенных на него, во многом зависят от системы управления.

Развитие систем управления технологическими процессами и оборудованием предполагает использование современной элементной базы, а именно микроконтроллеров и компьютерных систем управления.

Внедрение данных управляющих систем позволяет добиться повышения эффективности использования новых объектов и систем; увеличить их надежность и удобство управления; улучшить функций человеко-машинного интерфейса; увеличить количество выполняемых функций; повысить скорость обработки и передачи управляющих и информационных сигналов. На сегодняшний день мир компьютерных и информационных технологий без преувеличения можно назвать наиболее динамичной областью современных знаний. Практически каждый год появляются новые модели процессоров и комплектующих, новые версии программного обеспечения. Все это происходит на фоне постоянного усложнения не только отдельных физических и программных компонентов, но и лежащих в их основе концепций и идей. Применение средств вычислительной техники при проектировании управляющих систем становится необходимым условием создания эффективного технологического оборудования. Так, на этапе разработки проекта вычислительная техника используется в виде САПР, на этапе реализации - в виде конкретных систем управления оборудованием и технологическими процессами.

Развитие вычислительной техники привело к необходимости поиска новых методов разработки и проектирования систем управления. Одним из результатов этого поиска стало появление методологии объектно-ориентированного проектирования.

Концептуальной основой всех известных объектно-ориентированных методологий является так называемый объектно-ориентированный подход (ООП). ООП к разработке программных систем является сейчас преобладающим, потому что он продемонстрировал свою полезность при построении систем в самых разных областях любого размера и сложности. Кроме того, ООП предоставляет в распоряжение разработчика легко воспринимаемый и выразительный язык визуального моделирования, специально предназначенный для разработки и документирования моделей сложных систем самого различного целевого назначения. То есть, речь идет о том, что важным фактором дальнейшего развития и повсеместного использования методологии объектно-ориентированного анализа и проектирования является интуитивная ясность и понятность конструкций соответствующего языка моделирования. К преимуществам ООП при проектировании различных систем следует отнести также и тот факт, что при таком подходе представляется возможным разбить сложную задачу на некоторое число меньших, более простых задач, а к решению последних привлечь большее количество специалистов, что приведет к ускорению процесса создания и внедрения разработанной системы. Данное обстоятельство приобретает еще большее значение в связи с тем, что в современных условиях жесткой конкуренции между производителями высокотехнологичных изделий более быстрое появление продукта на рынке при равенстве прочих показателей, как правило, означает успех проекта. Кроме того, возможность эффективного использования отработанных и проверенных фрагментов других проектов и разработчиков для создания новых, узкоспециальных систем позволяет экономить ресурсы, как материальные, так и временные.

На сегодняшний день существует несколько технологий объектно-ориентированной разработки различных систем, в основе которых лежит построение и интерпретация на компьютере моделей этих систем. Самой распространенной и наиболее часто применяемой является технология OMT (Object Modeling Technique). Данная технология имеет удобную систему обозначений. В связи с выше сказанным далее будем ориентироваться на методологию OMT.

Цель работы. Основной целью проведенной работы является рассмотрение методологических вопросов (ООП) к разработке систем управления технологическим оборудованием, а также разработка функциональной схемы системы управления винтовым компрессором.

Материал и результаты исследований

Винтовые компрессоры (ВК) являются подклассом в классе так называемых компрессорных установок (КУ), которые применяются в технологических процессах для сжатия газа. К классу КУ также относятся поршневые компрессоры (применяемые в установках для получения искусственных удобрений и пластических масс, текстильной промышленности), центробежные компрессоры, которые отличаются высокой надежностью и долговечностью работы, малыми габаритами и массой, подачей газа без пульсаций давления, осевые компрессоры (применяемые в авиационной и криогенной технике, в машиностроении, газовой, химической, энергетической и других отраслях промышленности) [5].

Общими, определяющими и ограничивающими КУ как класс рабочих машин, конструктивными признаками являются: наличие рабочего органа (РО) (поршень, винт, рабочее колесо и т.п.) с автономным приводом, наличие вспомогательных исполнительных механизмов (ИМ), которые обеспечивают надежную работу компрессора и выполнение им технологического задания.

Следуя выбранной методологии ОМТ, в работе [7] получена объектная модель суперкласса «Компрессорная установка», которая представляет собой абстрактный класс верхнего уровня иерархии. Разработанная модель дает возможность установить состав и характер конструктивно-технологических признаков, наследуемых классами нижнего уровня, а точнее любым из представителей каждого из этих классов [7]. Данный факт позволяет выделить из объектной модели суперкласса «Компрессорная установка» объектную модель класса «Винтовой компрессор», которая приведена на рис. 1.

Как следует из рис. 1 ВК в качестве исполнительных элементов имеет следующие системы (в том числе и винтовой механизм ВМ): система подачи масла (СПМ), система регулирующих и защитных клапанов (СРЗК).

Данная объектная модель позволяет определить набор функций, выполняемых системой управления винтовым компрессором (СУВК):

- управление приводом ВМ (особенно следует отметить управление процессом пуска и торможения). При выполнении приводом требуемого технологического задания его тип не имеет существенного значения. Однако, в дальнейшем при рассмотрении привода ВМ мы будем ориентироваться на электропривод, поскольку в настоящее время он характеризуется наиболее выгодным сочетанием таких свойств, как наблюдаемость, управляемость, энергоемкость, экологическая чистота;

- управление и контроль состояния и работы КУ и других ИМ (СПМ, СРЗК);

- отслеживание и выполнение команд оператора и системы управления (СУ) верхнего уровня;

- защита персонала и оборудования (при достижении параметрами технологического процесса недопустимых значений).

Перечисленные выше функции СУ и объектная модель класса «Винтовой компрессор» служат достаточным основанием для разработки объектной модели класса «Система управления винтовым компрессором», которая изображена на рис. 2.

винтовой компрессор технологический оборудование

Рисунок 1 Объектная модель класса «Винтовой компрессор»

Рисунок 2 Объектная модель класса «Система управления винтовым компрессором»

Рисунок 3 Функциональная схема системы управления винтовым компрессором

Схема объектной модели СУВК (рис. 2) в точности отражает физическое агрегирование СУВК тремя структурными элементами: контроллером, информационной системой (ИС) и пультом управления (ПУ). Данная СУ может быть выполнена однопроцессорной, т.к. современная управляющая техника обладает высоким быстродействием, достаточным количеством информационных входов и управляющих выходов (как дискретных, так и аналоговых).

На рис. 3 представлена функциональная схема системы управления винтовым компрессором.

На функциональной схеме можно выделить несколько управляющих подсистем, а именно: систему управления технологическим процессом (СУТП), СУВК, ПУ, привод ВМ. Во время работы данные подсистемы осуществляют обмен информационными и управляющими сигналами. Так, СУ верхнего уровня (СУТП) передает управляющий сигнал в СУВК и контролирует выполнение технологического задания (по поступающей из СУВК информации). В свою очередь СУВК формирует информационный сигнал о ТП и работе оборудования; данная информация отображается на ПУ оператора. Оператор также имеет возможность влиять на работу ВК при помощи ПУ. В то же время СУВК управляет приводом ВМ и обрабатывает информацию от датчиков параметров технологического процесса.

На функциональной схеме показаны следующие датчики: датчик давления воздуха потребителю 1, датчик давления масла 2 на входе в компрессор, датчик давления масловоздушной смеси 3 до фильтра отделителя масла, датчик давления 4 масловоздушной смеси после фильтра отделителя масла. Также используются следующие датчики температуры: датчик температуры 5 масловоздушной смеси на нагнетании, датчик температуры 6 масла на входе компрессора, датчик температуры 7 масла в устройстве подогрева, датчик температуры 8 воздуха потребителю. Очевидно, на данном этапе разработки нам известен не полный набор сигналов, присутствующих в системе, и в результате дальнейших разработок он будет уточнен. Особенно это касается информационного обмена СУВК с ПУ и СУТП.

Одним из вариантов элементного решения поставленных задач, является использование средств автоматизации и приводов фирмы Siemens. В качестве СУВК представляется целесообразным использование программируемого логического контроллера S7-315-2DP, в функции которого входит обработка сигналов от ИС (датчиков температуры, давления) и выдача информационных и управляющих сигналов на ПУ и привод ВМ, ПМ, а также управление регулирующими и защитными клапанами. В качестве СУВМ возможно использование частотно-регулируемого привода, например, Simovert Masterdrive Motion Control.

Выводы

Использование объектно-ориентированной методологии дало возможность построить объектную модель класса «Винтовой компрессор». Перспективность использования полученных результатов заключается в универсальном их применении при компьютерном проектировании систем управления винтовыми компрессорами.

Также была разработана объектная модель системы управления ВК, то есть, выполнен, по существу, этап концептуального проектирования, что послужило достаточным основанием для разработки функциональной схемы. Изложенная в настоящей статье процедура построения иерархически подчиненных объектных моделей может найти применение для решения задач концептуального проектирования систем управления другими классами технологических машин и процессов.

Литература

1. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя: Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2001. 432 с.

2. Гайсарян С.С. Объектно-ориентированные технологии проектирования прикладных программных систем. Центр Информационных Технологий. http://www.citforum.ru/

3. Леоненков А.В. Самоучитель UML. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 432 с.

4. Мандрус В.И. Гидравлические и аэродинамические машины: Учебник. Львов: «Магнолия плюс», издатель В.М. Пича, 2005. 340 с.

5. Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 288 с.

6. Скворцов Л.С., Рачицкий В.А., Ровенский В.Б. Компрессорные и насосные установки. М.: Машиностроение, 1988. 264 с.

7. Червяков В.Д., Темченко С.А. Объектное моделирование компрессорных установок с винтовыми исполнительными механизмами. //Компрессорное и энергетическое машиностроение: научно-производственный и информационный журнал. 2006. №3. С. 35-37.

Размещено на Allbest.ru