Рисунок 2.18 - Структурная схема системы управления при оптимизации ПИ-регулятора в основном контуре

Будем допускать величину ошибки не более 5%. Коэффициенты регулятора получились равными k_п = 40,5; k_и = 5,1.

Временные диаграммы вращения вала двигателя и генератора показаны на рисунке 2.19, управляющих напряжений - на рисунке 2.20, токов в цепи двигателя и генератора - на рисунке 2.21.

Рисунок 2.19 - Временные диаграммы изменения задаваемой и выходной скоростей вращения при оптимизации ПИ-регулятора в основном контуре

Рисунок 2.20 - Временные диаграммы изменения управляющих напряжений при оптимизации ПИ-регулятора в основном контуре

При использовании П-регулятора возникает большая статическая ошибка, поэтому целесообразно масштабировать входной сигнал (заданную скорость вращения) для уменьшения установившейся ошибки. Коэффициент масштабирования принят равным k_m=1,25.

Структурная схема системы показана на рисунке 2.22. Временные диаграммы вращения вала двигателя и генератора показаны на рисунке 2.23, управляющих напряжений - на рисунке 2.24, токов в цепи двигателя и генератора - на рисунке 2.25.

Рисунок 2.21 - Временные диаграммы изменения токов в цепи двигателя и генератора при оптимизации ПИ-регулятора в основном контуре

Рисунок 2.22 - Структурная схема системы управления при оптимизации П-регулятора в основном контуре



Рисунок 2.23 - Временные диаграммы изменения задаваемой и выходной скоростей вращения при оптимизации П-регулятора в основном контуре

Рисунок 2.24 - Временные диаграммы изменения управляющих напряжений при оптимизации П-регулятора в основном контуре

Рисунок 2.25 - Временные диаграммы изменения токов в цепи двигателя и генератора при оптимизации П-регулятора в основном контуре

2.6 Синтез дополнительного регулятора

2.6.1 Регулятор, обеспечивающий равенство токов

Необходимо осуществлять контроль и управление токами i_д и i_г так, чтобы они не превышали допустимые номинальные значения I_н. Это может быть обеспечено за счет дополнительного управления u₂(t).

Определим связь управляющего воздействия u₂ с электрическими токами в обмотках. Для этого уравнения исходной динамической системы (1.22) представим в статическом режиме следующим образом:

; (2.22)

. (2.23)

Разность уравнений (2.22) и (2.23) примет вид:

. (2.24)

В статическом режиме справедливо выражение

. (2.25)

Величина внешнего момента относительно мала (M_вн<<M_д), поэтому выполняется приближенное равенство для моментов M_гиM_д, а, следовательно и для токов:

. (2.26)

Перепишем формулу для управления в виде:

. (2.27)

Структурная схема синтезированной системы автоматического управления приведена на рисунке 2.26.

Рисунок 2.26 - Структурная схема системы управления с регулятором, обеспечивающим равенство токов

Во внутреннем контуре реализовано выражение (2.27) для формирования управляющего воздействия u₂.

Рисунок 2.27 - Временные диаграммы изменения задаваемой и выходной скоростей вращения при обеспечении равенства токов

Проведено имитационное моделирование разработанной модели системы с полученными алгоритмами управления. Временные диаграммы программной _прогр и выходной траекторий скорости вращения показаны на рисунке 2.27, управляющих воздействий - на рисунке 2.28, а токов в цепях двигателя и генератора - на рисунке 2.29.

Рисунок 2.28 - Временные диаграммы изменения управляющих напряжений при обеспечении равенства токов

Рисунок 2.29 - Временные диаграммы изменения токов в цепи двигателя и генератора при обеспечении равенства токов

2.6.2 Регулятор, обеспечивающий номинальный ток генератора

Рассмотрим алгоритм управления, при котором регулируется ток в цепи генератора, и целью управления является поддержание этого тока на уровне, близком к номинальному значению (с отрицательным знаком). Графическая схема алгоритма показана на рисунке 2.30, где коэффициенты в и г принимают значения из диапазона 0,9 - 1. Величина Дu выбирается такой, чтобы скорость возрастания напряжения на входе было согласовано с силовым преобразующим устройством.

Рисунок 2.30 - Графическая схема алгоритма управления при регулировании тока генератора

Рисунок 2.31 - Временные диаграммы изменения задаваемой и выходной скоростей вращения при выполнении регулирования тока генератора

Результаты моделирования показаны на следующих рисунках. Временные диаграммы вращения вала двигателя и генератора показаны на рисунке 2.31, управляющих напряжений - на рисунке 2.32, токов в цепи двигателя и генератора - на рисунке 2.33

Рисунок 2.32 - Временные диаграммы изменения управляющих напряжений при выполнении регулирования тока генератора

Рисунок 2.33 - Временные диаграммы изменения токов в цепи двигателя и генератора при выполнении регулирования тока генератора

2.6.3 Регулятор, обеспечивающий номинальный ток двигателя

Рассмотрим алгоритм управления, при котором регулируется ток в цепи двигателя, и целью управления является поддержание этого тока на уровне, близком к номинальному значению. Графическая схема алгоритма показана на рисунке 2.34, где коэффициент г принимает значение, близкое к1. Величина Дu выбирается такой, чтобы скорость возрастания напряжения на входе было согласовано с силовым преобразующим устройством.

Результаты моделирования показаны на следующих рисунках. Временные диаграммы вращения вала двигателя и генератора показаны на рисунке 2.35, управляющих напряжений - на рисунке 2.36, токов в цепи двигателя и генератора - на рисунке 2.37.

Рисунок 2.34 - Графическая схема алгоритма управления при регулировании тока двигателя

Рисунок 2.35 - Временные диаграммы изменения задаваемой и выходной скоростей вращения при выполнении регулирования тока двигателя



Рисунок 2.36 - Временные диаграммы изменения управляющих напряжений при выполнении регулирования тока двигателя

Рисунок 2.37 - Временные диаграммы изменения токов в цепи двигателя и генератора при выполнении регулирования тока двигателя

Результаты моделирования показывают, что система при различных рассмотренных вариантах управления является работоспособной и устойчивой. Разные алгоритмы позволяют несколько по-разному изменять баланс токов в цепях двигателя и генератора. Как правило, во время разгона токи кратковременно превышают номинальные значения, а генератор работает в двигательном режиме. Во время останова также возможно превышение токов номинальных значений (генератор выходит за номинальный режим).

3. Техническое обеспечение лабораторного стенда

Современный подход к созданию АСУТП требует не просто замены прежних аналоговых регуляторов на цифровые, имеющие несомненные преимущества, с точки зрения обеспечения визуализации процесса, графического интерфейса оператора, самоконтроля, хранения и архивирования информации, но и должен предполагать повышение качества управления за счет использования высокоэффективных алгоритмов. Использование таких алгоритмов управления ранее сдерживалось их сложностью и господством аналоговой элементной базы, отчего практическая реализация либо становилась принципиально невозможной, либо могла быть достигнута ценой неприемлемых затрат. Даже широкомасштабный процесс перехода на цифровую элементную базу, осуществленный в 70-80-е годы прошлого столетия, не обеспечил тогда соответствующего повышения качества управления из-за трудностей при реализации режима жесткого реального времени.

Использование более совершенных алгоритмов управления позволяет:

- непрерывно осуществлять оптимальную настройку регуляторов, обеспечивая стабильный уровень качества производимой продукции и снижение количества отбракованной продукции;

- обеспечить экономию сырья и энергоресурсов;

- увеличить сроки службы оборудования.

Стремительное развитие технологии производства средств микропроцессорной техники создало необходимые предпосылки для практического внедрения подобных алгоритмов, однако сдерживающим фактором долгое время являлась высокая трудоемкость и стоимость разработки программного обеспечения (ПО) АСУТП, требующей для реализации проектов использования языков высокого уровня, а значит, участия инженеров-программистов самой высокой квалификации.

3.1 Описание лабораторного стенда для изучения систем автоматизации

Симуляция технологических процессов играет большую роль в процессе обучения и моделирования систем управления технологическими процессами (АСУТП). Для того чтобы закрепить полученные теоретические знания, необходимо применить их на практике. С этой целью и используют различные системы симуляции.

Лабораторный стенд, рассматриваемый в работе, является системой симуляции технологических процессов. Данный стенд планируется использовать для изучения АСУТП, где будет производиться симуляция различных технологических процессов, таких как изменение параметров процессов, запуск и остановка процессов, моделирование различных ситуации, которые могут произойти в ходе технологического процесса, слежение за ходом технологического процесса посредством графиков и индикаторов на мнемосхеме.

Основная идея сборки лабораторного стенда заключается в использовании нескольких составных частей, каждая из которых, по сути, представляет собой законченный программный либо аппаратный модуль. На рисунке 3.1 представлена схема, иллюстрирующая взаимосвязи между компонентами реализуемого стенда для изучения автоматизации.

Рисунок 3.1 - Структурная схема одного из вариантов исполнения лабораторного комплекса

Основной задачей персонального компьютера в данной конфигурации является осуществление взаимодействия со стендом. Именно при помощи предустановленного на персональный компьютер программного обеспечения в виде Simatic WinCC будет осуществляться взаимодействие со SCADA-системой, в составе которой будет программируемый логический контроллер. Также посредством Simatic Step 7 будет производиться корректировка моделей, находящихся на контроллере.

Визуализация математической модели, а также объекта управления возможна двумя способами, как на персональном компьютере, так и на отдельной панели оператора Simatic HMI Comfort TP700 Panel, имеющей жидкокристаллический дисплей и консоль для ввода-вывода различной информации, связанной с объектом управления.

Второстепенной задачей персонального компьютера является хранение моделей технических систем, их систематизация и возможность добавления новых моделей различных процессов.

Следующий элемент в системе лабораторного стенда - это так называемый имитатор технических процессов. В его задачи входит имитация входных и выходных физических сигналов объекта управления, а также имитация процессов, протекающих в объекте управления в реальном времени. По своей сути имитатор технологического процесса является объектом управления.

Физически имитатор может быть реализован различными способами, а именно на базе отдельного устройства, как, например, на базе отладочной платы STM32 F4 Discovery. Однако от такой концепции было решено отказаться в пользу более простой и компактной в плане реализации и построить и объект управления, и устройство управления непосредственно на базе контроллера. В конечном итоге схематичное изображение текущей сборки стенда представлено ниже на рисунке 3.2.

Лабораторный стенд состоит из двух частей - из системы управления и объекта управления.

Устройство управления предназначено непосредственно для управления виртуальными исполнительными механизмами, которые влияют на ход технологического процесса.

Рисунок 3.2 - Структурная схема лабораторного стенда симуляции технологических процессов

Объект управления предназначен для симуляции технологического процесса.

Данный лабораторный стенд реализован на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) Siemens Simatic S7-1500, используемого в качестве устройства управления, и программного пакета Simatic HMI TP700 Comfort в качестве объекта управления. Контроллеры Siemens применяются в очень широком диапазоне приложений, связанных с созданием систем автоматического регулирования, управления и автоматизированного управления различными техническими устройствами и технологическими процессами, в том числе для автоматизации процессов на железной дороге.

Рисунок3.3 - Панель управления Siemens Simatic HMI TP700 Comfort

Программа, имитирующая процессы, происходящие в объекте управления, работает непосредственно на контроллере. Такой тип реализации структуры лабораторного стенда предполагает выделение одной части входных и выходных каналов контроллера под устройство управления, а другой части - под объект управления.

3.2 Выбор устройств технического обеспечения

Для реализации данной работы предполагается использование программируемого логического контроллера Siemens Simatic S7-1500. Функциональное назначение ПЛК Siemens Simatic S7-1500 - управление технологическим процессом. На устройство управления подается сигнал из SCADA-системы, которая выполняется на панели управления Simatic HMI TP700 Comfort. Данный сигнал сообщает ПЛК о том, какое действие необходимо выполнить. Затем этот сигнал обрабатывается соответствующим образом, регулирует необходимые параметры таким образом, чтобы обеспечить нормальное протекание технологического процесса. При этом значение, полученное на выходе, передается обратно на объект управления, где и используется для симуляции технологического процесса.

Данный программируемый контроллер обладает модульной структурой и предназначен для построения систем автоматизации различной степени сложности. Линейка промышленных контроллеров Siemens Simatic S7-1500 пришла на замену линейкам S7-300 и S7-400.

Эффективному использованию данного типа контроллеров в проекте лабораторного стенда способствует возможность использования различных типов центральных процессоров различной производительности, для решения различных по степени сложности задач автоматизации.

Контроллеры Siemens в сфере автоматизации обладают различными преимуществами, такими как маленькое занимаемое пространство, удобное использование его при помощи множества функций, и, несомненно, - это легкое автоматизированное производство и перенастройка оборудования. Скорость работы данных контроллеров хоть и не доходит до уровня персональных вычислительных машин, но все же превосходит большинство конкурентов в своей области.

Как уже говорилось ранее, используемый контроллер обладает модульной конструкцией установка модулей осуществляется на специальную профильную шину. Для подключения модулей применяются специальные шинные соединители, которые идут в комплекте поставки с модулем. На рисунке 3.4 представлен монтаж модулей контроллера на профильную шину.

Сами модули не имеют строгого порядка размещения на профильной шине, однако фиксированное размещение касается только модулей блока питания, модуля центрального процессора и интерфейсного модуля. Возможно осуществление быстрого монтажа и демонтажа модулей без необходимости каждый раз производить отключение внешних цепей при помощи фронтальных соединителей, которые не входят в основной комплект поставки контроллера.

Рисунок 3.4 - Монтаж модулей контроллера на профильную шину и различные конфигурации стоек

В первых партиях данного устройства присутствует три различных по производительности центральных процессора и большое количество модулей различного назначения. Аппаратура контроллера может гибко адаптироваться к требованиям решаемых задач. В процессе развития производства контроллер может легко дополняться необходимым набором модулей.

На данный момент лабораторный стенд реализован на базе модификации S7-1500, построенной на базе сигнальных процессоров. Этот тип процессоров предназначен для ввода и вывода дискретных или аналоговых сигналов с различными временными или электрическими характеристиками. Данные сигнальные модули между собой соединяются специальными перемычками.

В дальнейшем возможна перестройка структуры контроллера для поддержания сборки в актуальном состоянии в течение длительного периода времени.

Компоновка Siemens Simatic S7-1500 предполагает установку следующих модулей для использования в составе конечной сборки контроллера:

модули центрального процессора (CPU), использующиеся для выполнения пользовательских программ, управления другими модулями контроллера и компонентами системы распределенного ввода-вывода. В зависимости от модели, данный модуль также может быть оснащен встроенным блоком питания;

сигнальные модули (SM), служащие для ввода-вывода дискретных или аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами. В качестве особенности, следует выделить, что данный модуль поддерживает отечественные ГОСТ градуировки термометров сопротивления и термопар;

коммуникационные модули (CM/CP), использующиеся для увеличения количества коммуникационных интерфейсов контроллера и выполнения обмена данными посредством подключения к сетям PROFINET/Industrial Ethernet, PROFIBUS и AS-Interface либо для обмена данными через последовательные интерфейсы RS 232, TTY, RS 422/ RS 485.

технологические модули (TM), предназначенные для счета или отслеживания положения объектов. В зависимости от предустановленных пользователем настроек результаты счета могут преобразовываться в скорость перемещения, частоту или период следования импульсов;

модуль питания (PM), используемый для питания входных и выходных цепей (контуров нагрузки), а также датчиков и исполнительных устройств;

интерфейсные модули (IM), предназначенные для подключения стоек расширения к базовому блоку контроллера, что позволяет использовать в системе локального ввода-вывода до 32 модулей различного назначения.

Программное обеспечение для ПЛК будет разрабатываться в программной среде Simatic Step 7. Программирование контроллеров можно производить на любом из трех языков:

- LAD (язык релейно-контактной логики);

- FBD (язык функциональных блочных диаграмм);

- STL (язык списка инструкций).

Также программирование ПЛК можно производить и на других дополнительных языках, которые поставляются отдельно. Такими языкам, например, могут быть:

- GRAPH 7 - язык управления последовательными технологическими процессами;

- SCL - структурированный язык управления, по синтаксису близкий к Pascal;

- HiGraph 7 - язык управления на основе графа состояний системы.

Функции сенсорной панели Siemens Simatic HMI TP700 Comfort - симуляция технологического процесса, его визуализации и осуществление контроля над ним. На панели управления присутствует программное обеспечение (ПО) Simatic WinCC. Это ПО позволяет запустить человеко-машинный интерфейс (HMI), который позволит осуществлять взаимодействие с программируемым логическим контроллером. В WinCC будет реализована мнемосхема конкретного технологического процесса, а также будет предоставлена возможность изменения параметров технологического процесса, управления им, моделирования различных ситуаций, а также инструменты для слежения за технологическим процессом.

Контроль технологического процесса осуществляется посредством анализа графиков и индикаторов на мнемосхеме. Управление аварийными ситуациями будет происходить как автоматически, так и вручную.

В качестве модуля центрального процессора используется модель 1516-3 PN/DP со встроенными каналами ввода-вывода. Данная модель является старшей в линейке центральных процессоров 1500 серии и обладает поистине превосходными характеристиками.

Центральные процессоры линейки S7-1500 имеют достаточно большой объем рабочей памяти, что позволяет им совершать внушительный объем различных операций. В роли загружаемой памяти предполагается использование карт памяти Simatic Memory Card, обладающими емкостью от 2 Мбайт до 2 Гбайт.

Рисунок 3.5 - Siemens S7-1500, центральный процессор CPU 1516-3 PN/DP со съемным дисплеем

В качестве вспомогательных функций карта памяти может использоваться для сохранения данных в случае перебоев питания контроллера без использования буферных батарей, а также для сохранения всей работы STEP 7, включая символьные имена. За счет считывания этой информации сервисные работы могут выполняться без наличия на самом программаторе исходного проекта.

Для программирования, конфигурирования, обслуживания используется интерфейс PROFINET, которым оснащены все центральные процессоры. Модель 1516-3 PN/DP оснащена дополнительным Ethernet интерфейсом и PROFIBUSDP интерфейсом.

Центральные процессоры оснащены также Web-интерфейсом, с помощью которого можно выполнят диагностику всех модулей, получать доступ к системным сообщениям, получать доступ к производственным данным. В таблице 3.1 представлены технические характеристики центрального процессора 1516-3 PN/DP.

Таблица 3.1 - Основные характеристики процессора CPU 1516-3 PN/DP

Характеристика	Значение
Встроенная рабочая память для программы/ для данных, Мбайт	1/5
Загружаемая память, Мбайт	От 2 до 2048
Время выполнения логических операций, мкс	0,01
Время выполнения математических операций с фиксированной точкой, нс	0,016
Время выполнения математических операций с плавающей точкой, нс	0,064
Встроенные интерфейсы	1x PROFINET (2x RJ45) + 1x Ethernet (1x RJ45) + 1x PROFIBUS

Для обеспечения питания входных и выходных цепей, а также датчиков и исполнительных устройств, используется модуль питания. В качестве блока питания для стойки контроллера S7-1500 используется блок PM 190W 120/230 Vac, внешний вид которого представлен на рисунке 3.6.

Блок питания PM 190 W 120/230 VAC предназначен для формирования выходного напряжения 24В, необходимого для питания центральных процессоров и целого ряда используемых в рамках стенда модулей контроллера SIMATICS7-1500.

Рисунок 3.6 - Блок питания PM 190 W 120/230 VAC

Блоки питания PM 190 W 120/230 VAC используют для своей работы входное напряжение ~120/230В. Данный блок питания может использоваться как для питания внутренних цепей контроллера, так и для питания его входных и выходных цепей. Модуль монтируется на стандартную профильную шину DINS7-1500 первым слева. Следующим монтируется модуль центрального процессора, а именно используемый в работеCPU 314C-2 DP. Подключение к центральному процессору производится c помощью силовой перемычки, которая входит в комплект поставки каждого блока питания. На лицевой панели модуля расположены:

- индикаторы отображения текущего рабочего состояния модуля и диагностики;

- кнопка включения/выключения питания модуля;

- подключение напряжения через разъем питания;

- разъем питания;

- съемный разъем выходного напряжения 24 В постоянного тока.

Под крышкой расположены интерфейсы подключения кабели входного напряжения, кабели выходного напряжения и защитного заземления. На рисунке 3.7 представлен общий вид модуля без защитной крышки. В таблице далее приведены технические характеристики используемого в рамках стенда блока PM 190 W 120/230 VAC.

Технические характеристики этого модуля представлены в табл. 3.2.

Рисунок 3.7 - Общий вид модуля питания PM 190 W 120/230 VAC (без передней панели), разъем питания и съемный разъем выходного напряжения 24 В постоянного (DC) тока

Таблица 3.2 - Технические характеристики PM 190 W 120/230 VAC

Характеристика	Значение
Номинальное входное напряжение, В	120/ 230, автоматическое переключение
Входной ток при входном напряжении 120 В, А	3,7
Входной ток при входном напряжении 230 В, А	1,7
Номинальное выходное напряжение постоянного тока, В	24
Частота питающей сети, Гц	50/60
Номинальный выходной ток, А	8
Допустимое время ошибки питания, мсек	20
Выходная мощность, Вт	194
Номинальное выходное напряжение постоянного тока,	24
Наличие буферизации питания	Да
Наличие защиты от короткого замыкания	Да
Потери мощности, типовое значение, Вт	19,6
Диагностические светодиоды индикации: нормального режима работы/ наличия ошибок в работе модуля/ запроса обслуживания	Зеленый светодиод RUN/ Красный светодиод ERROR/ Светодиод MAINT

Для осуществления ввода и вывода аналоговых и дискретных сигналов используются сигнальные модули ввода и вывода, соответственно.

Рисунок 3.8 - Сигнальные модули

В сигнальных модулях используется технология фронтального штекера, что позволяет отключать сразу все проводники. Фронтальный штекер представляет собой конструкцию, в которой подключение внешних проводников происходит посредством винтовых контактов быстросъемного разъема. Фронтальный штекер позволяет избежать ошибочного подключения за счет механического кодирования штекера. Также сигнальный модуль имеет дополнительное положение фронтального штекера, при котором штекер зафиксирован в модуле, но электрического контакта с этим модулем не имеет. Настройка сигнальных модулей осуществляется исключительно программным способом.

В качестве сигнальных модулей в лабораторном стенде используется два модуля для приема и передачи дискретных сигналов: DI 32x24 VDCHF, DQ 32x24 VDC/0.5AST. Также два аналоговых модуля для ввода/вывода соответствующих сигналов: AI 8xU/I/RTD/TC и AQ 4xU/IST. Внешний вид данных устройств представлен на рисунке 3.9, различные по назначению сигнальные модули имеют почти идентичный внешний вид.

Как было сказано выше, модули входов/выходов или сигнальные модули (SM) используются для обработки входных сигналов от датчиков и выдачи управляющих сигналов на исполнительные механизмы. SM-модули выпускаются в корпусах из пластика, на передней части которых располагаются светодиоды, отображающие работу входов/выходов и состояние самого модуля. Каждый сигнальный модуль имеет защитную крышку, закрывающую клеммы, которая предотвращает случайное прикосновение к контактам. На внутренней стороне крышки изображена схема соединения данного модуля с другими модулями или цепями.

Рисунок 3.9 - Общий вид сигнального модуля

Сигнальные модули имеют довольно широкие возможности настройки, реализация которых осуществляется посредством утилиты Hardware Configuration, входящей в состав пакета STEP7. С помощью нее можно установить тип входных/выходных аналоговых сигналов, поддержку прерываний, диагностические функции и многие другие функции.

Разрешающая способность аналоговых сигнальных модулей от 9 до 16 бит. От разрешения зависит время обработки сигнала - чем больше разрешение, тем больше время. Данные модули могут проводить самодиагностику и выдавать данные о своем состоянии на центральный процессор либо осуществлять индикацию о состоянии при помощи трех светодиодов на лицевой панели модуля. Далее в таблицах 3.3 и 3.4 представлены характеристики аналоговых сигнальных модулей, а в таблицах 3.5 и 3.6 данные о дискретных модулях.

Таблица 3.3 - Технические характеристики AI 8xU/I/RTD/TCST

Характеристика	Значение
Номинальное напряжение питания, В	24
Входной ток при питании 24 В, мА	240
Защита от короткого замыкания	Да
Номинальное выходное напряжение постоянного тока, В	24
Потребляемая мощность шины на задней стенке, Вт	0,7
Нормальная рассеиваемая мощность, Вт	2,7
Число аналоговых входов	20
Макс. разрешение с диапазоном перегрузки, Бит	16
Время интегрирования, мсек	2,5/16,67/20/100
Основное время преобразования, включая время интегрирования, мсек	9/23/27/107
Дополнительная систематическая и случайная погрешность при времени интегрирования, мсек	2,5

Таблица 3.4 - Технические характеристики AQ 4xU/IST

Характеристика	Значение
Номинальное напряжение питания, В	24
Входной ток при питании 24 В, мА	190
Номинальное выходное напряжение постоянного тока, В	24
Потребляемая мощность шины на задней стенке, Вт	0,7
Нормальная рассеиваемая мощность, Вт	2,7
Число аналоговых входов	20
Максимальное разрешение с диапазоном перегрузки, Бит	16
Время интегрирования, мсек	2,5/16,67/20/100
Основное время преобразования, включая время интегрирования, мсек	9/23/27/107
Дополнительная систематическая и случайная погрешность при времени интегрирования, мсек	2,5

Таблица 3.5 - Технические характеристики DI 32x24VDCHF

Характеристика	Значение
Номинальное напряжение питания, В	24
Входной ток при питании 24 В, мА	40
Номинальная рассеиваемая мощность, Вт	4,2
Число входов	32
Максимальная частота счетчика, кГц	1
Диапазон счета, бит	32
Входной ток для сигнала «1», мА	2,5
Задержка на входе (при номинальном значении входного напряжения) с «0» на «1», мс	от 0,05 до 20
Задержка на входе (при номинальном значении входного напряжения) с «1» на «0», мс	от 0,05 до 20

Рисунок 3.10 - Блок-схема и назначение контактов AQ 4xU/IST для выхода по напряжению

Рисунок 3.11 - Блок-схема и подключение контактов DI 32x24VDCHF

Таблица 3.6 - Технические характеристики DQ 32x24VDC/0.5AST

Характеристика	Значение
Номинальное напряжение питания, В	24
Входной ток при питании 24 В, мА	60
Номинальная рассеиваемая мощность, Вт	3,8
Число входов	32
Максимальная частота счетчика, кГц	1
Диапазон счета, бит	32
Входной ток для сигнала «1», А	0,5
Задержка на входе (при номинальном значении входного напряжения) с «0» на «1», мкс	100
Задержка на входе (при номинальном значении входного напряжения) с «1» на «0», мкс	500

Рисунок 3.12 - Блок-схема и подключение контактов DQ 32x24 VDC/0.5AST

В качестве отдельного модуля следует выделить такое устройство как SIMATIC HMI Comfort Panel TP700. Данная панель является представителем перспективной серии устройств-операторов для решения широкого круга задач человеко-машинного интерфейса. Данная панель имеет сенсорный дисплей с диагональю 7 дюймов, представлена на рисунке 3.14.



Рисунок 3.13 - Блок-схема подключений и назначение контактов блока AI 8xU/I/RTD/TCST

Рисунок 3.14 - Внешний вид SIMATIC HMI Comfort Panel TP700

Панели человеко-машинного интерфейса серии Comfort Panel обеспечивают поддержку огромного набора функций. Этот модуль позволяет выполнять наглядную визуализацию и удобное управление процессом, либо отображать разнообразную документацию. При работе с программируемыми контроллерами SIMATIC посредством WinАС обеспечивается поддержка широкого набора диагностических функций, для получения доступа к которым ранее был необходим STEP 7.

Данная панель оператора, как и другие модели серии, имеет возможность отображать Web-страницы, текстовые документы MSWord и AdobeAcrobat, а также документы MSExcel.

Также панель способна обеспечить сохранность данных при перебоях в питании, для этого используются две SD-карты. Каждая панель серии оснащена двумя отсеками для установки карт памяти SIMATIC HMI SD Memory Card. Одна из них используется в качестве системной карты памяти, вторая в качестве карты памяти данных.

Панель TP700 Comfort имеет встроенные интерфейсы RS-422/RS-485 с поддержкой протокола PROFIBUSDP, встроенный интерфейс PROFINET, два USB-Host порта и один USB порт ведомого устройства, аудио вход и аудио выход.

Конфигурирование устройства производится с помощью программного пакета Simatic WinCCV11 и выше. Проект загружается либо через USB, либо через Ethernet-интерфейс.

Рисунок 3.15 - Панель оператора Siemens Simatic HMI TP700 Comfort

Используемая в лабораторном стенде панель оснащена ЦПУ ARM 532 МГц. Наличие достаточного по мощности ЦПУ позволяет использовать данную панель в качестве объекта управления, который при выполнении работ будет выводить информацию о своем состоянии и панель управления ПЛК на сенсорный экран.

Заключение

В результате выполнения выпускной квалификационной работы были решены следующие задачи:

Выполнен обзор принципов работы стенда испытаний тяговых двигателей. Записана математическая аналитическая модель взаимной нагруженных двигателя и генератора. Модель приведена к форме Коши.

Разработана общая структурная схема системы управления с двумя контурами. При условии, что в основном контуре используется П-регулятор, выполнен анализ устойчивости методом Ляпунова. Условие устойчивости выглядит как неравенство - ограничение, накладываемое на управление во втором контуре.

Собрана модель системы управления в пакете Simulink. Методами автоматизированной настройки получены параметры регулятора основного контура. Для второго контура рассмотрено несколько вариантов регулирования.

Выполнен сравнительный анализ различных вариантов системы управления.

Выбраны технические средства реализации лабораторного комплекса для изучения систем автоматики.

Таким образом, поставленная цель достигнута: для системы «двигатель-генератор», которые включены по схеме взаимной нагрузки, синтезированы алгоритмы управления, обеспечивающие устойчивость и качество процессов управления.

По результатам выполненной работы можно заключить, что наилучшим образом работает регулятор для управления напряжением вольтодобавочного преобразователя, если цель управления - поддерживать номинальный ток в цепи генератора.

Решения, полученные в рамках выпускной квалификационной работы, могут быть использованы для изучения систем автоматизации на примере рассмотренного электромеханического нелинейного объекта. Полученные алгоритмы управления образуют далеко не полный возможный список возможных алгоритмов для данной системы, что позволяет на основе этой работы выполнять дальнейшие исследования.

Библиографический список

1. Харламов В.В. Универсальный энергоэффективный стенд для нагрузочных испытаний тяговых асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока [Текст] / В.В. Харламов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - №3(27). - C. 58 - 66.

2. Харламов В.В. Методы и средства диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока: Монография / В. В. Харламов. Омск: ОмГУПС, 2002. 233с.

3. Харламов В.В. Совершенствование технологии диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей электровозов: Научная монография / В.В. Харламов, П.К. Шкодун, А.В. Долгова, Д.А. Ахунов. Омск: ОмГУПС, 2015. 198с.

4. ГОСТ 183-74. Машины электрические вращающиеся. Общие технические требования. Общие технические условия.

5. ГОСТ 2582-81. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия.

6. ГОСТ 11828-86. Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний. М.: Изд-во стандартов. 1986. 32с.

7. Дементьев Ю.Н. Электрический привод: Учебное пособие для академического бакалавриата / Ю.Н. Дементьев, А.Ю. Чернышев, И.А. Чернышев. Томск: Изд-во ТПУ, 2017. 223с.

8. Фролов Ю.М. Электрический привод: краткий курс: учебник для академического бакалавриата / Ю.М. Фролов, В.П. Шелякин; под ред. Ю.М. Фролова. М.: Издательство Юрайт, 2017. 253 с.

9. Никитенко Г.В. Электропривод производственных механизмов /Г.В. Никитенко. М.: Лань, 2013. 208 с.

10. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. М.: Академия, 2007. 576 с.

11. Котеленец Н.Ф., Акимова Н.А., Антонов М.В. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин. М.: Академия, 2003. 384 с.

12. Авилов В.Д., Беляев В.П., Исмаилов Ш.К., Харламов В.В. Диагностирование и настройка коммутации тяговых и других коллекторных электрических машин. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. 134с.

13. Справочник по электрическим машинам / Под ред. И. П. Копылова, Б.К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1989. Т.2. 688 с.

14. Терехин, В.Б. Компьютерное моделирование систем электропривода постоянного и переменного тока в Simulink: учебное пособие/ В.Б. Терехин, Ю.Н. Дементьев. Томск: Изд-во ТПУ, 2015. 307 с.

15. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем / С.Г. Герман-Галкин. СПб: БХВ-Петербург, 2001. 320 с.

16. Дорф, Р. Современные системы управления / Р. Дорф, Р. Бишоп. М.: Лаборатория базовых знаний, 2004. 832 с.

17. Терехов В.М. Системы управления электроприводов / В.М. Терехов, О.И. Осипов. М.: Академия, 2005. 304 с.

18. Когут А.Т. Разработка и исследование алгоритмов нелинейного многоканального управления в системе диагностики тяговых двигателей / А.Т. Когут, А.А. Лаврухин// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, 2013, № 1. С. 368 - 373.

19. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т.2: Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. М.: Физматлит, 2004. 464с.

20. Студопедия / Составление и учет первичных документов актово-розыскной работы.

Приложение А

Графический материал

Рисунок А.1 - Структурная и принципиальная схема испытательной станции

Рисунок А.2 - Модель объекта управления



Рисунок А.3 - Преобразование модели в форму Коши

Рисунок А.4 - Общая структура системы управления и основной контур



Рисунок А.5 - Алгоритмы регулирования

Рисунок А.6 - Результаты моделирования



Рисунок А.7 - Результаты моделирования

Приложение Б

Листинг программы расчета параметров

clear all;

Un = 1500;

Pn = 400000;

Wn = (2*pi*735)/60;

KPD = 0.921;

Rya = 0.0473;

Rv = 0.0679;

lam = 0.5;

R2 = Rya;

R1 = Rv + Rya + Rv;

R_1 = 1.05*R1;

R_2 = 0.97*R2;

p = 2;

Mn = Pn/Wn;

beta = 0.004*Mn;

a = 2;

In = Pn/(Un*KPD);

Imax = 1.2*In;

Lya = (2*Un)/(5*p*Wn*In);

J = 5*((Lya*Pn^2)/((Rya^2)*(Wn^2)*(In^2)));

Cm1 = Pn/(Wn*(In^2));

Ce1 = (Un - In*(Rv + Rya))/(In*Wn);

Cm2 = Pn/(Wn*(In^2));

Ce2 = (Un - In*(Rv + Rya))/(In*Wn);

T1 = 3*Lya / R1;

T2 = Lya / Rya;

Приложение В

Листинг программы численного решения системы уравнений, описывающих динамику системы управления

kp = 20;

ki = 1;

a11=Cm1/J; a12=Cm2/J;

a21=-kp/(T1*R1); a22=-1/T1; a23=-Ce1/(T1*R1); c1=kp/(T1*R1);

a31=-kp/(T2*R2); a32=-1/T2; a33=-Ce2/(T2*R2); c2=kp/(T2*R2);

b=1/(T2*R2);

time = [0, 170, 1040, 1200];

g_time = [0, 100, 100, 0];

TIME = [];

UPR = [];

global time g_time

global J Cm1 Cm2 Ce1 Ce2 T1 T2 R1 R2 Mn

global TIME UPR kp

options = odeset('RelTol',1e-2,'AbsTol',[1e-1 1e-1 1e-1]);

[T,Y] = ode45(@ControlObject,[0 500],[1 1 0],options);

function dx = ControlObject(t, x)

global time g_x1_time g_u2_time u2

global J Cm1 Cm2 Ce1 Ce2 T1 T2 R1 R2 Mn

global a11 a12 a13 a21 a22 a23 a24 a31 a32 a33 a34 kp

if (abs(Cm1*x(2)*x(2) + Cm2*x(2)*x(3)) < 0.1 * Mn)

Mvn = - (Cm1*x(2)*x(2) + Cm2*x(2)*x(3));

else

Mvn = -0.2 * Mn;

end

g_x1 = interp1(time, g_x1_time, t);

u1 = kp * (g_x1 - x(1));

if abs(x(1)) < 2

u1 = u1 - 0.2;

u2 = u2 - 0.2;

else

if x(3) > -240 || x(2) < 200

u2 = u2 + 0.01;

else

u2 = u2 - 0.01;

end

end

Листинг В.1, лист 1

ifu1 < 0

u1 = 0;

end

if u2 < 0

u2 = 0;

end

dx = zeros(3,1);

dx(1) = a11*x(2)*x(2) + a12*x(2)*x(3) + a13*Mvn;

dx(2) = a24*x(1) + a21*x(2) + a22*x(1)*x(2) - a24*g_x1;

dx(3) = a34*x(1) + a31*x(3) + a32*x(1)*x(2) - a34*g_x1 - a33*u2;

Размещено на Allbest.ru

...