Проектирование автоматизированных систем.

СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ.
1.1 Анализ назначения, условий работы объекта управления и его характеристик
1.2 Анализ кинематической схемы ОУ
1.3 Описание приводов и методов управления ими
1.4 Описание датчиков и методов получения информации с них
1.5. Формулирование требований к частям СУ и видам обеспечения СУ
ГЛАВА II ВЫБОР СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
2.1. Выбор и обоснование решений по структуре СУ
2.2. Определение количества и видов входных и выходных каналов
2.3 Выбор управляющего устройства
ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ
3.1 Разработка схемы сбора информации
3.2 Разработка схемы управления приводами
ГЛАВА VI. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
4.1 Разработка алгоритма управления
4.2 Разработка управляющей программы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ :

Проектирование автоматизированных систем.

Цель: Разработка рационального, в технико-экономическом смысле, варианта системы управления загрузычными конвейерами и автоматами линии производства шампанского на предприятии ОАО «САШП».
Требования к разрабатываемой системе:
1. Надежность системы.
2. Устойчивость в аварийных ситуациях.
3. Пониженное потребление энергии как самой системы, так и линии производства шампанского в целом.
4. Повышение производительности лини шампанизации.
4.1. Увеличение скорости выпуска готовой продукции.
4.2. Уменьшение количество брака.
5. Уменьшение трения и сопротивления при движении бутылок по транспортерам конвейера.
6. Предотвращение простоя автоматов (работы вхолостую).
Предотвращение перегрузки работы автоматов (работа под повышенной нагрузкой).
Данная система предназначена для конвейера производства шампанского ОАО «САШП». Система производит регулирование работы конвейера по средствам включения, выключения автоматов и транспортеров, а так же изменения скорости движения транспортеров и изменения производительности автоматов. При введении данной системы планируется получить экономию электроэнергии около 9 % (на сегодняшний момент весь конвейер потребляет 93,5кВт/час.), уменьшить трение между бутылками и транспортером, тем самым уменьшить нагрузку на двигатели около7,6%, уменьшить количество брака путем предотвращения перегрузок автоматов и уменьшения боя бутылок, а так же простоя автоматов.
ГЛАВА II ВЫБОР СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
2.1. Выбор и обоснование решений по структуре СУ
Для реализации системы требуется следующее оборудование: девять частотных преобразователей и промышленных контроллеров, двадцать семь оптико-механических датчиков и соединительные провода. Датчики и частотные преобразователи уже имеются на транспортерах и поэтому затрат на их приобретение не требуется.
Для упрощения управления весь конвейер логически разбит на звенья по количеству автоматов. В каждое звено входит транспортер, следующий за ним автомат, датчики на транспортере, частотный преобразователь и промышленный контроллер данного звена.
К каждому частотному преобразователю определенного звена подключаются все двигатели одного транспортера. Сам частотный преобразователь подключается к промышленному контроллеру. Датчики устанавливаются на транспортере и так же подключаются к промышленному контроллеру. Каждый контроллер подключается к одному компьютеру, который координирует работу всей системы. Датчики на транспортере установлены так, чтобы первый датчик показывал наличие бутылок в начале транспортер, второй датчик показывал возникновение перегрузки, для этого он устанавливается перед «карманом» транспортера или, если «карман» отсутствует, то датчик устанавливается на расстоянии 2/5 от следующего автомата. Каждый транспортер имеет свою среднюю скорость в (обр./мин.). Эта скорость определяется опытным путем. Так же для каждого транспортера задается предел регулирования, т.е. максимальная и минимальная скорость на которой транспортер должен работать. По аналогии, только производительность в (бут./час) имеется и у автоматов. Данные скорости не являются предельными, а выбираются такими, что бы конвейер в среднем работал на одной скорости. Таким образом, есть два варианта установок скоростей и уровней производительностей:
1.Найти наименьшее кратное между скоростями всех транспортеров, а так же производительностями автоматов и установить их на данное значение.
2.Для каждого автомата и транспортера задавать индивидуальную скорость и производительность.
В первом случае все транспортеры будут работать на одной скорости, автоматы будут иметь одну производительность. По этому некоторые автоматы буду работать почти на предельной скорости, а другие работать в «пол силы», что будет приводить к износу и разрушению перегруженных автоматов.
Во втором случае транспортеры будут иметь индивидуальную скорость, автоматы - индивидуальную производительность, т.е. каждый автомат будет настроен так, что при включении он будет работать с так называемой «крейсерской скоростью». Это означает, что износ механизмов и потребление энергии автомата будет минимальным, а производительность максимально, что является идеальным состоянием работы. При данном варианте настройки скоростей возникает следующая проблема. Так как некоторые автоматы имеют производительность ниже, чем остальные, то эти автоматы будут перегружаться продукцией (бутылками). Для решения данной проблемы предлагается использовать данную системы регулирования.
2.2. Определение количества и видов входных и выходных каналов
В состав основного оборудования системы входит:
Контроллеры
Частотные преобразователи (инверторы)
Датчики
При выборе производителя устройств я руководствовался прежде всего тем, что на линии производства шампанского установлены промышленные контроллеры, датчики и частотные преобразователи фирмы OMRON, поэтому недостающее оборудование выбрано именно этой фирмы. При выборе конкретных моделей оборудования я руководствовался набором сервисных функций, которые соответствует требованиям к работе.
Количество выходных каналов с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь » с оптоэлектронными коммутаторами – 16.
Параметры выходных оптоэлектронных коммутаторов:
- максимальное коммутируемое напряжение постоянного или переменного тока – 60 В;
- максимальное действующее значение коммутируемого тока выходного канала – 1 А;
- максимальная частота коммутации на активную нагрузку – 5 Гц;
- выходное сопротивление в закрытом состоянии – 0,5 Ом.
Диапазоны измерения силы постоянного тока:
- от 0 до 20 мА;
- от 4 до 20 мА.
Диапазоны измерения напряжения постоянного тока:
- от 0 до 2,5 В;
- от 0,4 до 2,0 В.
Входное сопротивление измерительных каналов при измерении напряжения постоянного тока не менее 500 кОм.
Диапазон индикации сопротивления постоянному току от 60 кОм до 600 кОм.
СУ обеспечивает индикацию частоты переменного тока в диапазоне от 0,5 Гц до 60 Гц при амплитуде переменного напряжения синусоидальной формы от 2 до 30 В.
Количество входных каналов для приема сигналов от датчиков типа «сухой контакт» с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь ia» – 16.
СУ обеспечивает прием сигналов от датчика типа «сухой контакт» с идентификацией следующих состояний:
- «замкнуто», если сопротивление датчика не превышает 7,5 кОм;
- «разомкнуто», если сопротивление датчика не менее 40 кОм.
Период измерений дискретных сигналов (от датчиков типа «сухой контакт») – 70мс.
2.3 Выбор управляющего устройства
Промышленные контроллеры имеют разнообразное применение в промышленности и в быту они предназначены для управления электронными и электрическими аналоговыми и цифровыми устройствами. В составе с вспомогательными устройствами контроллеры выполняют различные функции: обработка информации, управление, регулирование, мониторинг, измерение, сигнализацию, контроль. Основными направлениями применения контроллеров в промышленности является: конвейеры, транспортеры, контроль водоснабжения, автоматы, станки и многие другие. Основными направлениями применения контроллеров в быту является: автоматизация помещений, кондиционирование, автоматические двери, миксеры и мешалки, эскалаторы, водоснабжение и т.д. Так же в большинстве медицинской техники имеется применение контроллеров.
Программируемые контроллеры компании OMRON габаритным размерам относятся к контроллерам средних размеров, однако, обеспечивают повышенную эффективность выполнения программ за счет способности разделения программы на задачи. Контроллеры, кроме того, имеют более высокую скорость выполнения операций, повышенную производительность, обладают способностью создания макро-протоколов для одновременной поддержки нескольких портов, а также способны осуществлять непрерывный коммуникационный обмен через три уровня сетевого обмена. Более того, они обладают повышенными возможностями гибкой обработки информации, что является основной задачей контроллеров для автоматизации производственных процессов.
Рис. 14. Схема подключения контролера
Японская фирма OMRON является одним из мировых лидеров в области промышленной автоматизации и программируемые логические контроллеры (ПЛК) начала выпускать одной из первых. Первые контроллеры серии SYSMAC S6 появились в начале 80х годов и изначально использовались для замены традиционных устройств релейной автоматики.
Сегодня ПЛК, благодаря своей универсальности, решают широчайший круг задач и могут применяться в любых отраслях промышленности, в энергетике, металлургии, медицине, транспорте, сельском хозяйстве.
Программируемый контроллер (ПЛК) - устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления. Контроллер реализован на базе микропроцессорной техники и работает в локальных и распределённых системах управления в реальном времени в соответствии с набором программ.
По функциональным признакам в ПЛК можно выделить следующие элементы:
- Центральный процессор, предназначенный для выполнения команд (инструкций) управляющей программы и обработки данных, размещённых в памяти.
- Память контроллера с жёстким распределением областей для размещения различных типов данных.
- Модули ввода, обеспечивающие приём и первичное преобразование информации от датчиков объекта управления.
- Модули вывода, предназначенные для выдачи управляющих сигналов на исполнительные устройства объекта управления.
По конструктивному исполнению ПЛК могут быть:
- Блочного типа
- Модульного типа
Применение программируемых контроллеров OMRON в управлении непрерывными технологическими процессами.
 
ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ
3.1 Разработка схемы сбора информации
Сбор информации о состоянии конвейерных установок и их исполнительных механизмов поступает от датчиков, указателей положения, от конечных и путевых выключателей, блок-контактов пускателей, контакторов и функциональной аппаратуры. Контроль параметров конвейерных установок, сведения о которых требуются оперативному персоналу постоянно, дублируется индивидуальными измерительными комплектами непрерывного действия.
Контроль наличия груза на ленте, пластинчатом полотне и т. п. осуществляется с целью предотвращения перегрузки рабочего органа, а также переполнения пересыпных устройств в точках перегрузки. В качестве датчиков наличия груза в рассматриваемой подсистеме применяются контактные (датчики нажимного типа) и бесконтактные датчики. В качестве бесконтактных датчиков используются индуктивные, радиоактивные, емкостные и фотоэлектрические датчики.
Наличие груза на ленте контролируется при помощи датчиков, замыкающих электрическую цепь при отклонении импульсного прибора массой перемещаемого груза. Импульсный элемент в частном случае может быть выполнен в виде лопатки или ролика. При определенной нагрузке провисающая ветвь движущейся ленты приводит во вращение ротор датчика, включает сигнализацию и отключает электропривод конвейера. При транспортировании штучных грузов, если производится их перегрузка с одного конвейера на другой, осуществляется контроль минимально допустимых интервалов между отдельными грузами.
3.2 Разработка схемы управления приводами
Система состоит из 10 частотных преобразователей, 27 оптико-механических датчиков и 9 программируемых промышленных контроллеров. Датчики устанавливаются по 3 штуки на каждый транспортер кроме последнего выходного. Частотные преобразователи устанавливаются возле каждого транспортера, и подключаются к двигателям транспортера соответственно. К каждому промышленному контроллеру подключается частотный преобразователь, три датчика и контроллер автомата соответственно. Все контроллеры подключаются к последовательному порту RS – 232.
Как только оператор с компьютера дает команду запуска конвейера, программа на компьютере формирует набор данных и пересылает эти данные контроллерам последовательно одному за другим. В набор данных входит: значения переменных, команды (NC). Далее для примера рассмотрим один из контроллеров, так как они действуют по одной схеме.
Контроллер при получении данных делает выбор и записывает в свои аналогичные переменные. Получив значение команды действует по следующим направлениям:
Если значение равно «0», т.е. команд никаких нет, и если конвейер уже включен, то запускается «система регулирования». Если конвейер не включен, то контроллер возвращается к «началу» (к получению данных).
Если значение равно «1», т.е. поступила команда на выключение конвейера и конвейер действительно работает, то контроллер выключает свой автомат и транспортер и возвращается к «началу» если конвейер не работает, то обычный возврат к «началу».
Если значение равно «2», т.е. поступила команда запустить конвейер с предварительным тестированием конвейера, то запускается «система проверки и диагностики». Значение переменной KP приравнивается к единице и запускается «система регулирования».
Если значение равно «3», т.е. поступила команда запустить конвейер без предварительного тестирования конвейера, то значение переменной KP приравнивается к единице и запускается «система регулирования».
После запуска системы проверки контроллер устанавливает скорость работы транспортера на среднюю и запускает транспортер. Далее происходит задержка 10сек. (как показал практический опыт, этого достаточно, чтобы выявить механическую неисправность транспортера). По окончании задержки контроллер останавливает транспортер и переходит к следующему действию. После проверки транспортера происходит проверка автомата. Для этого: контроллер устанавливает скорость работы автомата на среднюю и запускает его работу в холостую. Далее происходит задержка 25сек. (как показал практический опыт, этого достаточно, что бы выявить механическую неисправность автомата). По окончании задержки контроллер останавливает автомат и переходит к системе регулирования.
ГЛАВА VI. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
4.1 Разработка алгоритма управления
Система регулирования делится на два этапа, на первом этапе происходит определение состояние датчиков, а на втором этапе происходит само регулирование.
На каждом транспортере имеется три датчика. DN – начальный датчик, он устанавливается так, чтобы как только из предыдущего автомата вышла бутылка, датчик срабатывает, генерирует сигнал высокого уровня, логически равного «1», тем самым показывая, что на транспортере появились бутылки или продолжают поступать на транспортер. DP – датчик перегрузки, он устанавливается перед «карманом» транспортера, когда бутылки заполняют «карман», датчик вырабатывает сигал высокого уровня, логически равного «1», тем самым показывая, что транспортер перегружен. DK – конечный датчик, он устанавливается в конце транспортера перед самим автоматом таким образом чтобы как только последняя бутылка зашла в автомат, датчик сгенерировал сигнал низкого уровня, логически равного «0».
Так все три датчика выдают только два логических сигнала, равных либо нулю, либо единице нулю. На основе этого можно составить таблицу истинности табл. 3. Данные этой таблицы является показателем состояния транспортера.
Таблица 3
Состояния датчиков
номер варианта
Значение датчика
DN
Значение датчика
DP
Значение датчика
DK
1
2
1
3
1
4
1
1
5
1
6
1
1
7
1
1
8
1
1
1

Проведя анализ данных этой таблицы, можно выделить варианты регулирования:
-№1. При таком состоянии датчиков происходит проверка включения транспортера и автомата. Если они включены, то происходит выключение транспортера и автомата данного звена, так как бутылок на транспортере нет или они еще не поступили к автомату.
-№2. При таком состоянии датчиков происходит уменьшение производительности автомата так как бутылок на транспортере мало и увеличение скорости движения транспортере для ускорения подачи бутылок к автомату.
-№3. При таком состоянии датчиков происходит уменьшение производительности автомата, так как бутылок на транспортере мало и увеличение скорости движения транспортере для ускорения подачи бутылок к автомату.
-№4. При таком состоянии датчиков происходит увеличение производительности автомата, так как транспортер перегружен бутылками и уменьшение скорости движения транспортера для замедления подачи бутылок к автомату, тем самым понижая трение между бутылками и транспортером.
-№5 . При таком состоянии датчиков происходит проверка включения транспортера и автомата. Если они выключены, то происходит включение транспортера и автомата данного звена, так как на транспортере появилась первая бутылка или бутылки продолжили поступление. Происходит уменьшение производительности автомата, так как бутылок на транспортере мало и увеличение скорости движения транспортере для ускорения подачи бутылок к автомату.
-№6. При таком состоянии датчиков происходит проверка включения транспортера и автомата. Если они выключены, то происходит включение транспортера и автомата данного звена, так как на транспортере появилась первая бутылка или бутылки продолжили поступление. Происходит уменьшение производительности автомата, так как бутылок на транспортере мало и увеличение скорости движения транспортера для ускорения подачи бутылок к автомату.
-№7. При таком состоянии датчиков происходит проверка включения транспортера и автомата. Если они выключены, то происходит включение транспортера и автомата данного звена, так как на транспортере появилась первая бутылка или бутылки продолжили поступление. Происходит уменьшение производительности автомата, так как бутылок на транспортере мало и увеличение скорости движения транспортера для ускорения подачи бутылок к автомату.
-№8. При таком состоянии датчиков происходит проверка включения транспортера и автомата. Если они включены, то происходит выключение транспортера и автомата данного звена, так как бутылок на транспортере нет или они еще не поступили к автомату. Происходит увеличение производительности автомата, так как транспортер перегружен бутылками и уменьшение скорости движения транспортера для замедления подачи бутылок к автомату, тем самым понижая, трение между бутылками и транспортером.
При такой системе регулирования теоретически появляются две ошибочные ситуации:
1.Если на транспортер не поступают бутылки или поступление их не достаточно, а транспортер работает на максимальной скорости движения и автомат работает с минимальной производительностью. В этом случае контроллер отключает транспортер и автомат и ждет, пока состояние датчиков не изменится.
2.Если на транспортере количество бутылок превышает норму, происходит перегрузка транспортера, а транспортер работает с минимальной скоростью движения и автомат работает с максимальной производительностью. То в этом случае выключаются автомат и транспортер предыдущего звена и устанавливается запрет на включение.
Система регулирования работает в следующей последовательности: сначала происходит определение состояния датчиков, далее на основе их состояния происходит выбор вида регулирования и само регулирование. Далее происходит возврат к «основной системе».
4.2 Разработка управляющей программы
Введение структурного программирования преследует следующие цели:
стандартизация программ, как модулей;
разработка программ несколькими программистами, работающими параллельно;
создание программы, более легкой для понимания;
создание программ по шагам;
использование BASIC-подобных мнемонических инструкций для написания программы, что трудно сделать при лестничном программировании (таких как условные переходы и циклы).
Появление новых инструкций позволяет упростить и саму процедуру программирования. В частности имеется возможность:
создавать циклически повторяющиеся программные секции;
осуществлять косвенную адресацию слов;