Курсовая работа: Автоматическая система управления процессом испытаний электропривода лифтов
Курсовой проект
по дисциплине
«Комплексная автоматизация технологических процессов»
Автоматическая система управления процессом испытаний электропривода лифтов
2009
План
1 Описание технологического процесса, как объекта управления. 8
1.1 Описание технологического процесса и технологического оборудования 8
1.2 Технологические схемы процесса и оборудования. 9
2. Разработка и выбор элементов АСУ ТП.. 23
2.1 Разработка общих алгоритмов функционирования АСУ ТП. Блок – схемы алгоритма и их описание. 23
2.2 Функциональная структура системы управления ТП. Описание функциональных блоков системы.. 24
2.3. Определение уровней управления ТП и архитектуры верхнего уровня АСУ. 26
2.5. Выбор общего и специального программного обеспечения на всех уровнях АСУ ТП 28
3. Математическое моделирование системы управления технологическим процессом. 31
3.3 Разработка алгоритмов работы регуляторов системы управления технологическим оборудованием. 52
Введение
В настоящее время системы электропривода (ЭП) прочно занимают лидирующее место среди приводных устройств и обеспечивают бесперебойную и надёжную работу механизмов во многих областях техники и жизнедеятельности человека. Функциональные возможности и эксплуатационные параметры современных ЭП во многом определяются характеристиками применяемых систем управления. В качестве приводного двигателя в последнее время наибольшее распространение находит асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Современный асинхронный ЭП реализован на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют организовать регулирование выходных координат ЭП в широком диапазоне, с высоким быстродействием и большой точностью.
В настоящее время развитие систем асинхронного ЭП с микропроцессорным управлением позволяет путём создания новых программных алгоритмов синтезировать ЭП с широки набором эксплуатационных характеристик, что в свою очередь позволяет удовлетворить требования, накладываемые со стороны самых разных технологических объектов.
Электропривод подъемно-транспортных механизмов (ПТМ) в общем случае представляет собой сложный мехатронный модуль, объединяющий в своём составе систему управления, силовой преобразователь, асинхронный безредукторный двигатель с короткозамкнутым ротором. В качестве силового преобразователя может использоваться преобразователь частоты (ПЧ) или тиристорный регулятор напряжения (ТРН). Система управления обеспечивает требуемые режимы эксплуатации подъемно-транспортных механизмов, адекватную реакцию ЭП на изменение внешних условий, поддержку защитных функций и коммуникаций с другими устройствами.
Системы ПТМ широко применяются в технологических процессах при перевозке людей и транспортировке грузов. Сбой и нарушение работы ПТМ может привести к гибели людей и тяжёлым экономическим последствиям. В случае превышения допустимого момента, не будут выполняться требования для перевозки людей, может быть нанесен вред здоровью. Если ПТМ не развивают требуемого момента, возможна ситуация застревания кабины лифта или подъёмной клети между требуемыми точками останова, что также рассматривается как аварийная ситуация. При серийном производстве систем ПТМ на этапе экспериментальной проверки показателей функционирования возникает задача проведения сложных нагрузочных испытаний. В данном режиме выполняется проверка ПТМ на соответствие требованиям по ограничению и формированию выходного момента. При этом испытательное нагрузочное устройство должно имитировать диаграмму эксплуатационных усилий, прикладываемых со стороны элементов ПТМ различных типов.
Для создания нагрузочного усилия самым простым решением является применение механического тормозного устройства в виде барабана и колодок. К основным недостаткам следует отнести сложность стабилизации тормозного момента, шум, повышенную вибрацию и т.д. Кроме того, при использовании нагрузочного испытательного оборудования данной конструкции точность результатов испытаний во многом определяется навыками и опытом оператора, который вручную управляет тормозным механизмом. Нагрузочное усилие можно получить применением генераторов и двигателей постоянного тока с различными типами силовых преобразователей и систем управления.
Известно такое изобретение, как СТАНЦИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Дата начала отсчета срока действия патента: 10.03.2006
Патентообладатель:
ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения МПС России (ДВГУПС) (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тяговых электродвигателях электроподвижного состава. Технический результат заключается в повышении энергетических показателей за счет повышения значения коэффициента мощности путем улучшения формы сетевого тока и приближения его фазы к сетевому напряжению при существенном снижении энергопотребления.
Известно такое изобретение, как УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЬНОГО ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА
Дата начала отсчета срока действия патента: 29.10.2008
Патентообладатель:
ФРАМАТОМ АНП ГмбХ (DE)
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контрольного испытания электрического привода и/или приданного приводу механического устройства, которое является, в частности, арматурой или исполнительным органом. Техническим результатом является обеспечение автономности работы от центрального блока измерения при контрольных испытаниях и относительно малой мощности энергоснабжения.
Известно такое изобретение, как УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЬНОГО ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА
Заявка: 94019968/28, 12.10.2005
Патентообладатель(и):
Сименс АГ (DE)
Изобретение относится к устройству для контрольного испытания электрического привода, предпочтительно, привода арматуры, содержащему измерительный и анализирующий блок, съемный блок распределительного устройства, через который проведены электрические линии питания привода и на котором расположены отводы для измерительного и анализирующего блока.
На фоне известных недостатков коллекторных машин постоянного тока с интересом рассматривается идея об использовании в качестве испытательного нагрузочного устройства асинхронного ЭП на базе ПЧ с векторным управлением.
Целью данной работы является разработка системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда для проверки ПТМ с возможностью имитации нагрузочных усилий со стороны элементов ПТМ различных типов.
Для достижения поставленной задачи необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать особенности режимов работы подъемно-транспортных механизмов и выделить требования к нагрузочному моментному ЭП испытательного стенда.
2. Разработать математическое описание и динамические имитационные модели компонентов нагрузочного асинхронного ЭП и элементов подъемно-транспортных механизмов.
3. Разработать методику определения структуры и параметров для системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда.
4. Реализовать микропроцессорное управление нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда и провести экспериментальное исследование его работоспособности.
Перечисленные в данной работе задачи будут решаться методами теории электрических машин, теории автоматического управления, численного моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных условиях.
1 Описание технологического процесса, как объекта управления
1.1 Описание технологического процесса и технологического оборудования
Испытательный стенд предназначен для проведения испытаний электроприводов подъемно-транспортных механизмов различных типов.
Стенд позволяет задавать и регулировать тормозные режимы, а также измерять следующие технические характеристики испытываемых устройств:
нагрузочный момент
скорость вращения
время разгона и торможения
величину и частоту формируемых напряжений, токов
В состав типового испытательного стенда входят стенд нагрузочный, шкаф управления, автоматизированное рабочее место.
Автоматизированное рабочее место позволяет управлять процессом испытаний как в ручном, так и в автоматическом режиме, визуализировать задаваемые команды управления и информационные сигналы с исследуемых изделий, осциллографировать временные зависимости измеряемых параметров и проводить их исследование.
Типовой нагрузочный стенд состоит из рамы, нагрузочного устройства, датчиков крутящего момента, датчика положения и гидравлического или механического тормоза.
В качестве нагрузочного устройства при испытаниях приводов и двигателей используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Типовой шкаф управления состоит из цепей коммутации трехфазного напряжения, преобразователя напряжения сети в напряжение требуемой частоты и амплитуды, цепей фильтрации напряжения, интерфейсных модулей связи с персональным компьютером, высоковольтного генератора импульсных высоковольтных помех, а также необходимых органов управления и индикации. Шкаф управления дополнительно может быть укомплектован автоматизированным рабочим местом на базе персонального компьютера с необходимым программным обеспечением.
1.2 Технологические схемы процесса и оборудования
Высокие достижения в области микропроцессорной техники, успехи в разработке управляющих алгоритмов и развитие силовой преобразовательной базы с учётом общеизвестных преимуществ АД обуславливают применение в составе нагрузочного ЭП двигателя именно данной конструкции.
На рисунке 1 представлено устройство испытательного стенда для проведения нагрузочных испытаний ЭП.
Рисунок 1 – Устройство испытательного стенда для нагрузочных испытаний
Испытательный нагрузочный стенд состоит из следующих компонентов:
1 – АД нагрузочного моментного ЭП,
2 – место для установки испытуемого ЭП,
3 – измерительное плечо,
4 – тензометрический датчик момента,
5 – редуктор,
6 – инкрементный датчик скорости.
Моментное усилие, развиваемое на валу АД 1, передаётся к редуктору 5 и далее поступает к выходу испытуемого ЭП 2. Необходимость введения редуктора 5 обусловлена стремлением согласовать между собой моменты и частоты вращения выходного вала ЭП 2 и двигателя нагрузочного ЭП 1. Контроль за величиной момента на выходном валу ЭП 2 выполняется с помощью тензометрического датчика момента 4, установленного между корпусом редуктора 5 и основанием ЭП 2. При увеличении момента сопротивления со стороны нагрузочного ЭП основание ЭП 2 стремится повернуться относительно корпуса редуктора 5. С помощью измерительного плеча 3 датчик 4 регистрирует крутящий момент, развиваемый на выходном валу ЭП 2. Одновременно с измерением момента, происходит считывание информации о текущем угловом перемещении выходного вала ЭП 2. Для данных целей используется импульсный оптический датчик положения. Для измерения скорости вращения вала АД нагрузочного моментного ЭП 1 используется инкрементный оптический датчик 6.
Элементы механической передачи нагрузочного электропривода
Для согласования моментов и скоростей вращения между АД нагрузочного ЭП и выходным валом испытуемого ЭП применяется стандартный шестеренчатый редуктор, цилиндрическая зубчатая и ременная передачи. Кинематическая схема нагрузочного ЭП представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Кинематическая схема элементов передач нагрузочного моментного ЭП
На кинематической схеме элементов передач нагрузочного ЭП приняты следующие обозначения:
1 – АД нагрузочного моментного ЭП,
2 – зубчатый ремень,
3 – датчик скорости, установленный на валу АД нагрузочного ЭП,
4 – цилиндрическая передача колесо-шестерня,
5 – понижающий редуктор с коэффициентом i=33.64,
6 – датчик положения, установленный на выходном валу редуктора,
7 – датчик момента, развиваемого испытуемым ЭП,
8 – редуктор, входящий в состав испытуемого ЭП,
9 – АД испытуемого ЭП.
Для целей исследования и создания полной имитационной модели асинхронного нагрузочного ЭП необходимо учесть особенности механической конструкции стенда. Элементы передач представляет собой сложную многомассовую систему с упругими связями и зазорами. Основная упругость в данном случае сосредоточена в зубчатом ремне, что позволяет легко перейти от многомассовой механической системы к эквивалентной двухмассовой системе. Расчётная схема двухмассовой системы передач применительно к нагрузочному моментному асинхронному ЭП представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Расчётная схема двухмассовой системы передач нагрузочного ЭП
1.3 Классификация и перечень технологических переменных, анализ видов связи между технологическими переменными
Схема технологического процесса испытаний электропривода лифтов представлена на рисунке 4:
Рисунок 4 – Схема технологического процесса испытаний электропривода лифтов
На данной схеме представлены следующие обозначения типовых блоков:
Р – регулятор;
ЭП – электропривод, включающий питающую сеть, совместно с трансформатором, необходимым для согласования напряжений питающей сети и двигателя; приводной двигатель и преобразователь;
ТО – технологическое оборудование, включающее все необходимое оборудование, непосредственно участвующее в технологическом процессе;
ТП – технологический процесс;
Ф – формирователь момента, включенный в обратную отрицательную связь на вход задающего воздействия – в данном случае это тензометрический датчик момента.
Основными технологическими переменными являются:
- Мзад – задающее воздействие, характеризующее требуемую величину нагрузочного момента, создаваемого нагрузочным двигателем;
- ωзад – сигнал задания скорости с выхода регулятора Р (управляющее воздействие), пропорциональный задающему воздействию;
- ω – сигнал управления (переменная состояния ЭП), формируемый электроприводом для управления технологическим оборудованием;
- М – выходное значение нагрузочного момента (переменная состояния ТП), отработанное замкнутым контуром схемы технологического процесса;
- Мос – сигнал отрицательной обратной связи, поступающий с блока формирования момента.
В качестве датчика скорости и датчика угла поворота используется два импульсных датчика (инкрементные энкодеры).
Технологический процесс состоит в следующем: задающее воздействие Мзад суммируется с сигналом обратной связи Мос, поступающим с тензометрического датчика момента и поступает на регулятор Р, на выходе которого формируется сигнал задания скорости ωзад, пропорциональный значению входного сигнала Мзад-Мос (ошибки по управлению ε). Сигнал задания скорости ωзад является управляющим воздействием для электропривода ЭП, задатчик скорости которого формирует сигнал напряжения управления Uу и подает на вход системы управления преобразователем, который, в свою очередь управляет двигателем и приводит его во вращение с скоростью ω. Далее приводной двигатель, работающий с заданной скоростью ω, приводит в движение редуктор который преобразует величину входного момента и формирует выходной сигнал Мэп.
На рисунке 5 представлена структура системы векторного управления нагрузочным асинхронным ЭП для случая работы в режиме упора. Система базируется на имитационной модели АД во вращающихся координатах, сориентированных по вектору потокосцепления ротора и представляет собой классическую структуру векторного управления с дополнительным внешним контуром положения. Для поддержания высокой стабильности характеристик и максимального быстродействия используется режим работы при задании постоянного потокосцепления ротора.
Рисунок 5 – Структура системы управления нагрузочным ЭП
На рисунке 5 приняты следующие обозначения:
ППГ – преобразователь Парка-Горева,
ОППГ – обратный преобразователь Парка-Горева,
3/2 – модуль преобразований из трёхфазной системы статорных токов в составляющие пространственного вектора,
ИДС – импульсный датчик скорости,
ИДП – импульсный датчик положения,
Для минимизации взаимного влияния между перекрёстными контурами
управления потокосцеплением ротора и скорости использовано их преднамеренное разделение по быстродействию. Для решения задачи косвенного определения переменных параметров АД, недоступных для прямого измерения, но необходимых для организации качественного векторного управления использовано устройство вычисления переменных на базе обращённой имитационной модели АД с автоматической системой для компенсации внешних возмущений.
1.4 Классификация и перечень измеряемых переменных состояния, определение требуемой точности управления технологическим процессом. Определение условий работы измерительных устройств
На микроконтроллер возложены функции мониторинга состояния системы осуществляемого с помощью датчиков тока статора АД. Контроль за положением и скоростью системы выполняется с помощью импульсных квадратурных датчиков положения (ДП), установленном на выходном валу ЭП, и скорости (ДС), расположенном на валу АД.
Устройства получения информации о состоянии технологического процесса предназначены для сбора и преобразования информации без изменения ее содержания о контролируемых и управляемых параметрах ТП. Входом устройств являются естественные или унифицированные сигналы, выходом – соответствующие значения унифицированных сигналов.
К устройствам для получения информации о состоянии процесса, образующим канал сбора и преобразования информации, относят чувствительные элементы или собственно датчики.
Датчики физических величин воспринимают контролируемый параметр и преобразуют его в величину, удобную для передачи по каналам связи или дальнейшего преобразования.
Основными характеристиками измерительных устройств для получения информации о состоянии ТП (датчики) являются: входная величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком; выходная величина, используемая для передачи информации; статическая и динамическая характеристики датчика; порог чувствительности; основная и дополнительные погрешности.
Измерительные устройства, входящие в состав АСУ:
1. Встраиваемая в ПЭВМ многофункциональная плата ввода/вывода PC104
фирмы Fastwell;
2. Комплект измерительных датчиков тока Honeywell типа K591-001
3. Источник питания датчиков типа ПБ-96
4. Инкрементный датчик положения (энкодер) – 2 шт.
5. Тензометрический датчик момента KYOWA TP-E
6.Программное обеспечение: операционная система Windows-XP, инструментальная система для разработки прикладного ПО Visual C++, прикладные программы.
Данный метод обеспечивает измерение, с погрешностью не более 1,5 %, следующих величин: переменного тока в фазах нагрузочного двигателя, частоты вращения приводного двигателя, частоты вращения испытуемого ЭП, положения вала испытуемого двигателя.
В процессе проведения испытаний измеряются и регистрируются следующие параметры:
Нагрузочного двигателя: токи в фазах двигателя, частота вращения двигателя.
Испытуемого двигателя: частота вращения, положение вала.
Характеристики:
48 каналов ввода/вывода
Совместимость с оптомодулями Opto-22 и Grayhill
Программирование в системе (ISP)
Возможность создания прошивки "под заказ"
-40°C...+85°C
Описание:
Платы PC104, в зависимости от загруженной прошивки, могут выполнять цифровой/частотный ввод-вывод, аналоговый ввод-вывод (через модули Grayhill), измерение частоты и многие другое. Прошивка изменяется программно, благодаря чему разработчики получаю уникальную возможность решать с помощью одной платы множество задач. Версия PC1046 имеет 96 каналов ввода-вывода.
Система измерения представлена следующими каналами:
Канал измерения переменного тока.
Датчики – трансформаторы тока фирмы Honeywell типа K591-001. Датчики тока с закрытой петлей (т.н. компенсационные датчики) предназначены для бесконтактного измерения постоянного, переменного и импульсного токов в диапазоне ±5…±1200 А. Датчики преобразуют входной ток в пропорциональный ему вторичный выходной ток меньшей величины. Точность измерений датчиков тока составляет ±0,5%.
Характеристики:
| Наименование | Диапазон измерений, А | Напряжение питания, В | Параметры катушки, витки/Ом | Выходной сигнал | Измеряемое сопротивление, Ом |
| CSNK591-001 | ±1200 | ±15…±24 | 5000/50 | 100 мА | 0…50
|