Проектирование системы управления электропривода транспортной тележки комплекса переработки жидких радиоактивных отходов на основе аппаратного контроллера

Рис. 16. Граф-схема автомата Мура функционирования СУ

Таблица 3.1 Таблица переходов автомата Мура

Текущее состояние	Условие перехода	Входные сигналы комбинационной схемы	Последующее состояние	Выходные сигналы
Имя	Код
	Q1	Q2	Q3	Q4		X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10	X11	X12	X13	X14		F1	F11	F21	F22	F3	F4	F5	F6	F7
q0	0	0	0	0	X1, X3	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	q1	1	0	0	0	0	0	0	0	0
q0	0	0	0	0	X2, X3	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	q1	1	0	0	0	0	0	0	0	0
q1	0	0	0	1	X4	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	q2	0	0	1	0	0	0	0	0	0
q1	0	0	0	1	X12	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	q2	0	0	1	0	0	0	0	0	0
q2	0	0	1	0	X5	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	q3	0	0	0	0	1	0	0	0	0
q3	0	0	1	1	X14, X3	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	q6	0	1	0	0	0	0	0	0	0
q3	0	0	1	1	X3	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	q6	0	1	0	0	0	0	0	0	0
q3	0	0	1	1	X6, X7	0	0	0	0	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	q4	0	0	0	0	0	1	0	0	0
q3	0	0	1	1	X6, X7	0	0	0	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	q5	0	0	0	0	0	0	1	0	0
q3	0	0	1	1	X6, X7	0	0	0	0	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	q8	0	0	0	0	0	0	0	1	0
q3	0	0	1	1	X6, X7	0	0	0	0	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	q8	0	0	0	0	0	0	0	1	0
q4	0	1	0	0	X9	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	q6	0	1	0	0	0	0	0	0	0
q5	0	1	0	1	X10	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0	q1	1	0	0	0	0	0	0	0	0
q6	0	1	1	0	X11	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0	0	q7	0	0	0	1	0	0	0	0	0
q6	0	1	1	0	X13	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	q7	0	0	0	1	0	0	0	0	0
q7	0	1	1	1	X5	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	q9	0	0	0	0	1	0	0	0	0
q9	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	q0	0	0	0	0	0	0	0	0	1

Имея граф переходов автомата Мура, необходимо составить таблицу переходов, с помощью которой выполняют дальнейший синтез автомата.

Используя таблицу переходов, возможно составить логические уравнения для каждой функции выходных сигналов. Полученные уравнения представлены на рисунке 17.

Рис. 17. Логические уравнения выходных сигналов

После того, как были составлены логические функции, реализующие алгоритм управления электроприводом транспортной тележки, была выполнена их реализация в виде структурной схемы. Для реализации схемы использовалась среда электротехнического моделирования WorkBench,

Программа Electronics Workbench предназначена для схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств различного назначения и представляет собой виртуальную лабораторию. Такая лаборатория включает библиотеки большого числа стандартных радиоэлектронных элементов таких как:

· переключателей и реле,

· резисторов и конденсаторов,

· катушек индуктивности и трансформаторов,

· диодов и транзисторов,

· тиристоров,

· светодиодов и индикаторов,

· операционных усилителей и компараторов,

· аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей,

· различных логических элементов,

· интегральных микросхем

и т.п. типовых элементов, объединенных в группы.

Реализованная схема, представленная на рисунке 18, выполнена на логических элементах.

В данной схеме к каждой цепочке входных сигналов через ключ, состояние которого возможно изменять определенной кнопкой клавиатуры компьютера, можно подавать напряжение, это реализовано для того, чтобы создать возможность имитации срабатывания различных датчиков. В процессе проверки работы схемы был сделан вывод о том, что выходные сигналы соответствующие различным состояниям удовлетворяют ранее описанному алгоритму работы а, следовательно, уравнения составлены правильно.

Исходя из внешнего вида схемы очевидно, что её удобно реализовывать в виде двух вариантов, программируемой логической матрицы (ПЛМ), или цифровых микросхем реализующих функции алгебры логики.

Применение матриц имеет ряд недостатков:

1. низкая универсальность (невозможность изменения алгоритма работы);

2. высокая стоимость (матрица изготавливается на заказ в ограниченном количестве экземпляров);

трудности возникающие в процессе проведения ремонта.



Рис. 18. Структурная схема управления транспортной тележкой в среде электротехнического моделирования WorkBench

3.4 Выбор контроллера для реализации автоматического управления электроприводом транспортной тележки

Исходя из полученных выше логических формул описывающих функционирование микропроцессорной СУ, можно сделать вывод, что для реализации системы управления может подойти любой современный микроконтроллер. Для реализации СУ потребуется сам микроконтроллер, дополнительное оборудование и расходные материалы (датчики, элементы сопряжения и т.д.), а так же специфические навыки схемотехники и программирования. Разработка подобной системы займет много сил и времени, к тому же перед её использованием необходимо пройти сертификацию в соответствующих органах, поэтому для реализации СУ будем использовать уже существующий контроллер серии Sysmac - CPM1A фирмы «Omron».

Контроллер CPM1 является программируемым логическим контроллером, предназначенным для управления технологическим процессом в промышленном производстве с помощью распредел?нной системы модулей ввода-вывода. ПЛК управляет вводом сигналов, снимаемых с датчиков, обрабатывает полученные данные в соответствии с пользовательской программой, и выводит рассчитанные величины на исполнительные устройства. Ввод сигналов и вывод управляющих величин производится через модули ввода-вывода.

ПЛК не содержит механических переключателей. Все настройки контроллера выполняются программно из управляющего компьютера.

ПЛК выполнен для применения в расширенных условиях эксплуатации, при температуре окружающего воздуха от -25 до +70 С, имеет гальваническую изоляцию с испытательным напряжением изоляции 2,5 кВ

Программируемый логический контроллер CPM1 (Рис. 19) может быть использован везде, где необходимо выполнять автоматическое управление и контроль: в доме, офисе, цехе. Однако, ПЛК спроектирован специально для использования в промышленности, в расширенных условиях эксплуатации.

Рис. 19. Компоненты ПЛК

Описание компонентов ПЛК:

1. Клеммы подвода питания. К данным клеммам подключается питание (100…240 В перем. тока или 24 В пост. тока).

2. Клемма функционального заземления. Для защиты от помех и уменьшения риска поражения током.

3. Клемма защитного заземления. Для уменьшения риска поражения током.

4. Клеммы выхода питания. В СРМ1 с питанием переменным током, есть клеммы выдачи питания 24 В постоянного тока для запитки входных устройств.

5. Клеммы входов. Подключаются ко входным цепям.

6. Клеммы выходов. Подключаются к выходным цепям.

7. Индикаторы состояния ПК. Указывают состояние работы ПК.

8. Индикаторы входов. Горят, когда состояние соответствующего входа = 1.

9. Индикаторы выходов. Горят, когда состояние соответствующего выхода = 1.

10. Аналоговые регуляторы.

11. Периферийный порт. Соединяет ПК с периферийным устройством, адаптером RS-232C или RS-422.

12. Разъем блока расширения входов/выходов. Соединяет ПК с блоком входов/выходов для добавления 12 входов и 8 выходов.

Основным назначением ПЛК является исполнение (в исполнительной среде CoDeSys RTS) программы пользователя, написанной на одном из пяти языков промышленного программирования стандарта МЭК 61131-3. Перед исполнением каждого цикла программы, ПЛК может считывать входные данные из модулей аналогового и дискретного ввода и располагать эти данные в памяти для использования программой. После каждого программного цикла ПЛК может выдавать рассчитанные программой величины в модули аналогового и дискретного вывода. Программа пользователя выполняется в системе исполнения CoDeSys RTS версии 2.463. Эта система выполняет также ввод данных модулей ввода и вывод результатов в модули вывода. Также система CoDeSys может выводить на дисплей визуальную информацию, предусмотренную пользовательской программой.

ПЛК может быть использован для удал?нного сбора данных, диспетчерского управления, в системах безопасности, для лабораторной автоматизации, автоматизации зданий, тестирования продукции. Примерами может быть применение ПЛК для решения следующих задач:

· автоматическое управление исполнительными механизмами (печами, электродвигателями, клапанами, задвижками, фрамугами и т.п.) с обратной связью и без;

· управление освещением, кондиционированием воздуха, котельными, тепловыми пунктами и т.п.;

· контроль и регистрация температуры в теплицах, элеваторах, печах для закалки стали, испытательных камерах тепла и холода, в различных технологических процессах;

· стабилизация температуры в термостатах, термошкафах, котлах, жилых зданиях, теплицах, на элеваторах и т.п.;

· автоматизация стендов для приемо-сдаточных и других испытаний продукции, для диагностики неисправностей при ремонте, для автоматизированной генерации паспортных данных неидентичной продукции;

· научные исследования и разработки, запись в компьютер и отображение медленно меняющихся физических процессов, построение многомерных температурных, силовых, световых, вибрационных, шумовых и других полей, лабораторные работы в ВУЗах.

Корпус выполнен из ударопрочного полистирола методом литья под давлением. Внутри корпуса находится печатная плата. Монтаж платы выполнен по технологии монтажа на поверхность (поверхностного монтажа).

Требуемый уровень квалификации персонала.

ПЛК спроектирован таким образом, что никакие действия персонала в пределах разумного не могут вывести его из строя. Поэтому квалификация персонала влияет только на быстроту освоения работы с ПЛК, но не на его над?жность и работоспособность.

ПЛК не имеет цепей, находящихся под опасным для жизни напряжением, если он не подсоедин?н к внешним цепям с высоким напряжением.

Управлять ПК можно с помощью IBM PC/AT или совместимым компьютером при помощи соединения их через адаптер RS-232. Схема такого соединения представлена на рисунке 20. На рисунке 20 так же помечены входы и выходы для датчиков, необходимых для совершения технологической операции.

Рис. 20. Схема подключения ПК с компьютеру: Q_i, X_i - входной сигнал i-го датчика; V_i - выходной сигнал

3.5 Выбор датчиков для реализации автоматического управления электроприводом транспортной тележки

Выбор датчика положения.

Наиболее распространены бесконтактные датчики положения следующих типов: индуктивные, генераторные, магнитогерконовые и фотоэлектронные. Указанные датчики не имеют механического контакта с подвижным объектом, положение которого контролируется.

Бесконтактные датчики положения обеспечивают высокое быстродействие и большую частоту включений механизма. Определенным недостатком этих датчиков является зависимость их точности от изменения напряжения питания и температуры. В зависимости от требований, выходным аппаратом этих устройств может быть как бесконтактны логический элемент, так и электрическое реле.

В схемах точной остановки электроприводов, бесконтактные датчики могут использоваться как для подачи команды на переход к пониженной частоте вращения, так и для окончательной остановки.

Индуктивные датчики положения ИКВ-22

Индуктивные датчики ИКВ-22. Работа этих датчиков основана на принципе изменения индуктивного сопротивления катушек со стальным сердечником при изменении воздушного зазора в магнитной цепи.

На стальной плите 1 установлен магнитопровод 2 с двумя катушками 3, закрытый пластмассовой крышкой 4. С нижней стороны к плите крепятся два конденсатора 5 типа МБГП (один емкостью 15 мкФ, 200 В, второй --10 мкФ, 400 В). Конденсаторы закрыты крышкой 6. Подключение кабеля производится через сальниковый ввод 7. На механизме устанавливается магнитный шунт 8, размеры которого должны быть не менее: толщина 2 мм, ширина 80 мм, длина 140 мм. Воздушный зазор между магнитопроводом и шунтом равен 6±4 мм.

Рис. 21. Схема включения индуктивного датчика ИД и выходного реле

Выходное реле нормально включено и отключается в момент прохождений магнитного шунта над датчиком, когда из-за изменения индуктивного сопротивления катушки наступает резонанс токов и ток через обмотку реле падает. Данные реле Р: тип МКУ-48, 12 В переменного тока, ток втягивания не более 0,45 А, ток отпадания не менее 0,1 А. Напряжение питания цепи датчик -- реле 24 В переменного тока.

Выбор магнитного пускателя.

Магнитные пускатели предназначены, главным образом, для дистанционного управления трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, а именно:

- для пуска непосредственным подключением к сети и остановки (отключения) электродвигателя (нереверсивные пускатели),

- для пуска, остановки и реверса электродвигателя (реверсивные пускатели). Кроме этого, пускатели в исполнении с тепловым реле осуществляют также защиту управляемых электродвигателей от перегрузок недопустимой продолжительности.

Магнитные пускатели открытого исполнения предназначены для установки на панелях, в закрытых шкафах и других местах, защищенных от попадания пыли и посторонних предметов.

Магнитные пускатели защищенного исполнения предназначены для установки внутри помещений, в которых окружающая среда не содержит значительного количества пыли.

Магнитные пускатели пылебрызгонепроницаемого исполнения предназначены как для внутренних, так и для наружных установок в местах, защищенных от солнечных лучей и от дождя (под навесом).

Для реализации автоматического управления транспортной тележкой, выбираем магнитный пускатель серии ПМЛ, изображенный на рисунке 22.

Магнитные пускатели имеют магнитную систему, состоящую из якоря и сердечника и заключенную в пластмассовый корпус. На сердечнике помещена втягивающая катушка. По направляющим верхней части пускателя скользит траверса, на которой собраны якорь магнитной системы и мостики главных и блокировочных контактов с пружинами.

Рис. 22. Реверсивный магнитный пускатель

Принцип работы пускателя прост: при подаче напряжения на катушку якорь притягивается к сердечнику, нормально-открытые контакты замыкаются, нормально-закрытые размыкаются. При отключении пускателя происходит обратная картина: под действием возвратных пружин подвижные части возвращаются в исходное положение, при этом главные контакты и нормально-открытые блокконтакты размыкаются, нормально-закрытые блокконтакты замыкаются.

Реверсивные магнитные пускатели представляют собой два обычных пускателя, укрепленных на общей основании (панели) и имеющем электрические соединения, обеспечивающие электрическую блокировку через нормально-замкнутые блокировочные контакты обоих пускателей, которая предотвращает включение одного магнитного пускателя при включенном другом.

Самые распространенные схемы включения нереверсивного и реверсивного магнитного пускателя смотрите здесь: Схемы включения магнитным пускателем асинхронного электродвигателя. В этих схемах предусмотрена нулевая защита с помощью нормально-открытого контакта пускателя, предотвращающая самопроизвольное включение пускателя при внезапном появлении напряжения.

Реверсивные пускатели могут также иметь механическую блокировку, которая располагается под основание (панелью) пускателя и также служит для предотвращения одновременного включения двух магнитных пускателей. При электрической блокировке через нормально-замкнутые контакты самого пускателя (что предусмотрено его внутренними соединениями) реверсивные пускатели надежно работают и без механической блокировки.

Реверс электродвигателя при помощи реверсивного пускателя осуществляется через предварительную остановку, т.е. по схеме: отключение вращающегося двигателя - полная остановка - включение на обратное вращения. В этом случает пускатель может управлять электродвигателем соответствующей мощности.

В случае применения реверсирования или торможения электродвигателя противовключением его мощность должна быть выбрана ниже в 1,5 - 2 раза максимальной коммутационной мощности пускателя, что определяется состоянием контактов, т.е. их износоустойчивостью, при работе в применяемом режиме. В этом режиме пускатель должен работать без механической блокировки. При этом электрическая блокировка через нормально-замкнутые контакты магнитного пускателя обязательна.

Магнитные пускатели защищенного и пылебрызгонепроницаемого исполнений имеют оболочку. Оболочка пускателя пылебрызгонепроницаемого исполнения имеет специальные резиновые уплотнения для предотвращения попадания внутрь пускателя пыли и водяных брызг. Входные отверстия в оболочку закрыты специальными пробами с применением уплотнений.

Выбор счетчика оборотов.

Для определения точной остановки транспортной тележки, в качестве счетчика оборотов выберем пошаговый энкодер, изображенный на рис. 23.

Импульсный (пошаговый) энкодер относится к типу энкодеров, которые предназначены для указания направления движения и/или углового перемещения внешнего механизма.

Рис. 23. Пошаговый энкодер

Пошаговый энкодер периодически формирует импульсы, соответствующие углу вращения вала. Этот тип энкодеров, в отличие от абсолютных, не формирует выходные импульсы, когда его вал находится в покое. Пошаговый энкодер связан со счетным устройством, это необходимо для подсчета импульсов и преобразования их в меру перемещения вала.

Пошаговый оптический энкодер состоит из следующих компонентов: источника света, диска с метками, фототранзисторной сборки и схемы обработки сигнала. Диск пошагового энкодера подразделен на точно позиционированные отметки. Количество отметок определяет количество импульсов за один оборот. К примеру, если диск поделен на 1000 меток, тогда за 250 импульсов вал должен повернуться на 90 градусов.

Пошаговый энкодер может быть классифицирован в однофазный тип (только канал выход), который может быть использован, чтобы считать сумму импульсов или определять ускорение. Рассматривая интервал между импульсами и квадратурой энкодера (каналов A и выход B), можно также определить направление вращения вала (по-, или против часовой стрелки). Тип энкодера с нулевым индексом выхода (канал N) выдает импульс нулевой отметки за один оборот, чтобы корректировать ошибки в пределах каждого оборота. Более высокое разрешение (в два или в четыре) получается подсчетом как переднего, так и заднего края меток. Канал A и B генерирует импульсы с фазами, смещенными относительно друг друга на 90 градусов.

4. Математическая модель регулируемого электропривода

4.1 Задачи автоматического регулирования

Объектом регулирования является привод транспортной тележки, предназначенной для перемещения невозвратных защитных контейнеров в составе системы цементирования.

Задачей автоматического регулирования является:

· поддержание скорости перемещения транспортной тележки, установленной регламентом производственного процесса;

· переход на доводочную скорость, при приближении к технологической станции производственного процесса.

4.2 Структурная схема электропривода

Структурная схема необходима для анализа электромеханических процессов, протекающих в ЭП (пуск, торможение, изменение нагрузки).

На рис. 24. представлена структурная схема линеаризованной системы.

Рис. 24. Структурная схема системы ПЧ - АД с обратной связью по скорости

4.3 Определение передаточной функции токового звена двигателя

Токовое звено электропривода определяется по формуле[7]:

(29)

Где -- модуль жесткости линеаризованной механической характеристики АД

(30)

(31)

- критическое скольжение

=0,25

Тэ - эквивалентная электромагнитная постоянная времени цепей статора и ротора АД, определяемая по формуле[7]:

(32)

- угловая скорость электромагнитного поля АД при его поминальной частоте питания

; рад/с ;(33)

Подставив все значения, получим следующую передаточную функцию токового звена АД[7]:

(34)

4.4 Определение передаточной функции механического звена двигателя

Механическое звено асинхронного двигателя определяется по формуле:

(35)

- электромеханическая постоянная времени двигателя

(36)

Передаточная функция механического звена АД двигателя получится следующая:

4.5 Определение передаточной функции преобразователя частоты

Передаточную функцию преобразователя частоты находят по формуле:

(37)

где: - передаточный коэффициент преобразователя частоты.

(38)

где: - число пар полюсов

При работе АД в зоне частот Гц и номинальном сигнале управления преобразователем соотношение

(39)

Т_пч - постоянная времени цепи управления ПЧ, которая при высоких частотах модуляции выходного напряжения промышленных ПЧ (2...50 кГц) не превышает 0,001с. В итоге получим передаточную функцию преобразователя частоты [7]:

(40)

4.6 Определение параметров регулятора скорости

Определение коэффициентов регулятора скорости возможно двумя способами:

1. Расчет параметров регулятора, путем разрыва контура регулирования по единичной обратной связи и приравниванию полученной передаточной функции контура к нормированному виду регулятора.

2. Автоматический подбор коэффициентов, путем выбора формы желаемого переходного процесса.

Расчет параметров регулятора будем осуществлять вторым способом. Для этого:

1. Зайдя в меню настроек PID контроллера, нажимаем кнопку «Tune».

2. Ползунками выбираем желаемый вид, а также время переходного процесса.

3. Контроллер автоматически просчитывает коэффициенты, соответствующие:

Proportional - коэффициенту усиления регулятора

Integral - интегральной составляющей регулятора,

Derivative - дифференциальной составляющей регулятора.

Окна настроек регулятора скорости приведены на рисунках 25 и 26.

Рис 25 . Окно настройки ПИД регулятора



Рис. 26. Графики желаемого и текущего переходного процесса

Модель системы автоматического регулирования скорости тележки по транспортировке радиоактивного цементного компаунда в среде Matlab представлена на рисунке 27.

Рис. 27. Модель системы автоматического регулирования скорости

Результаты моделирования системы автоматического поддержания скорости перемещения транспортной тележки представлена на рисунке 28.

Рис. 28. Графики переходных процессов системы автоматического регулирования скорости

электропривод цифровой контроллер тележка

Заключение

В дипломном проекте был разработан электропривод тележки по транспортировке радиоактивного цементного компаунда, совершающий движение по заданному циклу. Целью дипломного проекта являлась разработка алгоритма перемещения транспортной тележки системы цементирования комплекса переработки жидких радиоактивных отходов. В ходе расчетов, была уменьшена требуемая мощность двигателя с 7 до 5,5 кВт. Что показывает правильность выбора методов расчета и подходящей аппаратуры для управления электроприводом.

На основе технических данных и требований, в результате анализа, был спроектирован цифровой автомат перемещения транспортной тележки. Так же была выполнена реализация алгоритма управления транспортной тележки в виде структурной схемы в среде электротехнического моделирования WorkBench. Как результат, было уменьшено участие человека в производственном процессе, что приводит к увеличению производительности системы цементирования, а так же, исключается «человеческий фактор», т. е. повышается надежность производственного процесса.

Список используемых источников

Современный частотно-регулируемый электропривод / Горбань Р.Н., Янукович А.Т. - под редакцией Гаврилова А.В. - С-Петербург, СПЭК. 2001.

Масандилов Л.Б. / Электропривод подъемных кранов - Издательство МЭИ, Москва, 1990.

Королев Г.В. / Электронные устройства автоматики - Высш. шк. - 1991.

Нарышкин А.К. / Цифровые устройства и микропроцессоры - Издательский центр «Академия», 2006.

Доцковский Л.Х., Роговой В.И. и др. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор) / Электротехника. 1996 г. № 10.

CHIP NEWS, № 1, 1999. Цифровое управление электроприводом. М. 1999.

Сипайлов Г.А., Лоос А.В. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа. 1980.

Новиков В.А., Чернигов Л.М. / Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации - Издательский центр «Академия», 2006.

Келим Ю.М. / Типовые элементы систем автоматического управления - ИНФРА-М, 2002.

Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. / Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке Matlab - Наука, 2000.

Дорф Р., Бишоп Р. / Современные системы управления - Лаборатория Базовых Знаний, 2004.

Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. / Автоматизация химических производств. Теория, расчет и проектирование систем автоматизации - Химия, 1982.

Баронов В.В. / Автоматизация управления предприятием - ИНФРА-М, 2000.

Олссон Г. / Цифровые системы автоматизации и управления, 2001.

Елисеев В.А. / Справочник по автоматизированному электроприводу - Энергоатомиздат, 1963.

Размещено на Allbest.ru

...