Полунатурный стенд-тренажер для изучения процессов управления непрерывным производством

Авторы патента:

G05B15 - Системы, управляемые вычислительными устройствами (G05B 13/00,G05B 19/00 имеют преимущество; автоматические регуляторы G05B 11/00; вычислительные устройства как таковые G06)

Полезная модель относится к вычислительной технике, в частности, к техническим средствам обучения и может быть использована для начального обучения, повышения квалификации и тренировки операторов систем управления технологическими процессами.

Устройство содержит АРМ оператора 1, соединенный с ПЛК 9, который через узловую шину 4 соединен с аналоговым модулем 5 и блоком реле 8 и подключен к панели управления имитатором 13, соединенной с имитатором 12.

Сущность технического решения полезной модели заключается в реализации двух подходов к моделированию реального технологического процесса на специальном аппаратном блоке.

В первом случае процесс моделирует в виде электронной модели 18, реализующей инерционное звено первого порядка. С выхода этой схемы берется сигнал, имитирующий сигнал термодатчика, а входное напряжения схемы имитирует температуру воды, поступающей из котла. Изменением постоянно времени моделируется степень открытости вентиля в трубопроводной системе.

Другой подход, реализованный в учебном объекте управления, основан на применении полунатурной модели 14. Здесь осуществляется реальный нагрев миниатюрного радиатора и охлаждение его вентилятором. В этой модели присутствуют два датчика температуры, один - для измерения температуры окружающей среды, другой измеряет температуру радиатора.

Устройство удобно в эксплуатации и легко осуществимо как в единичном, так и в мелкосерийном производстве.

Известен тренажер оператора систем управления технологическими процессами [1].

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности реального наблюдения прохождения циклов модулируемого технологического процесса.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является система для моделирования технологических процессов [2].

Задача, решаемая полезной моделью - практико-ориентированное обучение навыкам разработки и внедрения автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами.

Технический результат полезной модели заключается в значительном снижении времени моделирования и демонстрации реальных длительных технологических процессов, за счет масштабирования временных циклов, что ускоряет процесс обучения и понимания, а так же в расширении спектра решаемых задач, за счет возможности широкого применения прикладных программных средств.

В первом случае процесс моделируется в виде электронной схемы, реализующей инерционное звено первого порядка. С выхода этой схемы берется сигнал, имитирующий сигнал термодатчика, а входное напряжение схемы имитирует температуру воды, поступающей из котла. Изменением постоянной времени моделируется степень открытости вентиля в трубопроводной системе.

Другой подход, реализованный в учебном объекте управления, основан на применении полунатурной модели. Здесь осуществляется реальный нагрев миниатюрного радиатора и охлаждение его вентилятором. В этой модели присутствуют два датчика температуры, один - для измерения температуры окружающей среды, другой измеряет температуру радиатора.

Для этого в полунатурный стенд-тренажер для изучения процессов управления непрерывным производством, содержащий автоматизированное рабочее место оператора, включающее персональный компьютер с управляющим процессором, аналоговый модуль, включающий аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, датчики температуры, устройство охлаждения, реле, имитатор, электронную модель и узловую шину, соединяющую блок реле, цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователь, к которому подключены датчики температуры, введены программируемый контроллер, связанный через узловую шину с блоком реле и аналоговым модулем, панель управления имитатором, подключенная к имитатору и полунатурная модель с нагревательными элементом, установленным на радиаторе, а электронная модель выполнена в виде блока задания инерционности, блока приема управляющего сигнала и формирователя выходного, сигнала, который через аналого-цифровой преобразователь и узловую шину связан с программируемым логическим контроллером, соединенным через соответствующие шины с персональным компьютером и панелью управления имитатором, при этом блок реле подключен к блоку задания инерционности модели, который вместе с блоком приема управляющего сигнала подключен к формирователю выходного сигнала модели, цифро-аналоговый преобразователь подключен к устройству охлаждения и нагревательному элементу, установленному на радиаторе, связанном с датчиком температуры полунатурной модели и устройством охлаждения, а датчик температуры окружающей среды подключен к аналого-цифровому преобразователю.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - принципиальная схема полунатурной модели, на фиг.3 - принципиальная схема электронной модели, на фиг.4 - переходные характеристики моделируемых процессов нагрева-стабилизации-охлаждения, полученные на предварительных эксплуатационных испытаниях.

Полунатурный стенд-тренажер (фиг.1) содержит автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора 1, включающее персональный компьютер 2 и управляющий процессор 3, узловую шину 4, аналоговый модуль 5, включающий аналого-цифровой преобразователь 6 и цифро-аналоговый преобразователь 7, блок реле 8, программируемый логический контроллер 9, датчик температуры окружающей среды 10, датчик температурной модели 11, имитатор 12, панель управления имитатором 13, полунатурную модель 14 (фиг.2), содержащую нагревательный элемент 15, устройство охлаждения 16 и радиатор 17, электронную модель 18, состоящую из блока задания инерционности 19, блока приема управляющего сигнала 20 и формирователя выходного сигнала 21.

Узловая шина 4 соединяет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, блок реле 8 и программируемый логический контроллер (ПЛК) 9. ПЛК 9 подключен к АРМ 1 и к панели управления имитатором 13, соединенной с имитатором 12. ЦАП 7 подключен к нагревательному элементу 15 и устройству охлаждения 16 полунатурной модели 14. К радиатору 17 подключены нагревательный элемент 15 и устройство охлаждения 16, а сам радиатор подключен к датчику температуры полунатурной модели 11, подключенному к АЦП 6, к которому так же подключен датчик температуры окружающей среды 10 и выход формирователя выходного сигнала 21 электронной модели 18 (фиг.3).

Блок задания инерционности 19 соединен с блоком реле 8 и подключен к формирователю выходного сигнала 21, к которому так же подключен блок приема управляющего сигнала 20, ко входу которого подключен ЦАП 7.

Введенные блоки обеспечивают функционирование системы в заданных режимах.

Устройство работает следующим образом.

Полунатурная модель 14 (фиг.1, 2) обеспечивает реальный нагрев алюминиевого радиатора 17 при помощи установленного на него нагревательного элемента 15 (транзистора). Второй транзистор управляет работой устройства охлаждения 16 (вентилятора).

Уровень температуры нагрева задается программно и регулируется уровнем напряжения, подаваемого с аналогового выхода ПЛК 9. Работа устройства охлаждения 16 (вентилятора) соответствует режиму теплообмена «плита открыта», соответственно остановка вентилятора соответствует режиму теплообмена «плита укрыта».

Схема включает также 2 датчика температуры 10, 11. Первый датчик 10 определяет температуру воздуха окружающей среды, второй 11 температуру тепловой модели. Основным элементом здесь является резистивный термодатчик КТУ 81/110/ В, занесенный в стандартную трехпроводную схему включения (мост Ватсона). При закороченном термодатчике напряжение на выходе моста подбирают равным нулю. Это достигается подбором сопротивлений моста.

В связи с инерционностью процессов протекающих при работе тепловой модели и невозможностью построения точных характеристик было решено оставить эту модель только в качестве демонстрационной.

Построение характеристик в АРМ 1 ведется с электронной модели 18 (фиг.3).

При моделировании электронной схемой объект управления рассматривается как инерционное звено первого порядка. Работа этой модели заключается в подаче определенного напряжения на вход схемы, имитирующего подачу пара в систему нагрева из котельной. Напряжение, снимаемое с выхода схемы рассматривается как напряжение с датчика, измеряющего температуру термостенда. Масштаб напряжения: 1 вольт на конденсаторе соответствует 10°С виртуальной плиты. Четыре резистора разного номинала, замкнутые на релейные выхода программируемого логического контроллера 9, определяют скорость зарядки конденсатора (скорость нагрева виртуальной плиты).

Были проведены предварительные эксплуатационные испытания макета устройства, показавшие возможность эффективного использования предложенных методом моделирования для решения поставленных задач.

В эксперименте строились переходные характеристики моделируемых процессов нагрева-стабилизации-охлаждения. Для осуществления нагрева-стабилизации, на панели управления были выставлены необходимые температура и объем воды, теплообмен плиты и осуществлялось слежение за построением кривой. Выдерживалась кривая в стабилизированном состоянии, после чего отключалась подача воды. При этом происходил процесс охлаждения плиты в соответствии с показаниями датчика температуры (фиг.4).

Из вышеизложенного видно, как на примере моделирования реального технологического процесса «нагрев - стабилизация - охлаждение» (технологическая линия непрерывного безопалубочного формования железобетонных изделий ООО «Строительные технологии и машины», г.Жигулевск, микрорайон Г-1) строится система автоматизации и управления циклами (фиг.4). Графики выстраиваются на мониторе, а прикосновениями к радиатору можно ощутить изменение температуры по циклам.

Основное преимущество предлагаемого технического решения заключается в возможности моделирования длительных технологических процессов (полный цикл на вышеуказанной установке длится 36 часов) за короткие промежутки времени. График, показанный на фиг.4, строится за 200 секунд.

Такой подход значительно уменьшает время, необходимое для понимания процесса и, следовательно, ускоряет процесс обучения, а также позволяет осуществлять отработку навыков оператора АСУТП, за короткие промежутки времени.

Структурная схема предлагаемой полезной модели построена таким образом, что, варьируя набором принципиальных (фиг.2) и электронных (фиг.3) схем, можно моделировать (при требуемом для понимания масштабировании временных циклов) любые длительные технологические процессы.

В последнее время все больше промышленных предприятий внедряют новые или модифицируют старые АСУ технологическими процессами с применением интегрированных средств автоматизации (промышленные контроллеры, SCADA-системы, цифровые датчики и исполнительные устройства, совместимые с промышленными контроллерами). Данные технические средства характеризуются высокой надежностью и высоким качеством управления при сравнительной быстроте внедрения. Однако до последнего времени учебные учреждения, готовящие специалистов в области автоматизации технологических процессов, не имели возможности готовить специалистов, подготовленных для работы с такими средствами автоматизации. Разработанное устройство, в котором применяются современные технологии автоматизации, позволит решить проблему подготовки специалистов к практическому применению промышленных интегрированных средств автоматизации.

Предлагаемое устройство обладает экономичностью из-за ограниченного набора стандартных модулей, сокращает срок подготовки специалистов, легко реализуемо.

Источники информации

1 Патент RU 2012065 С1, кл. G09B 21/18, опубл.30.04.1994.

2 Патент RU 2256208, C2, кл. G05B 15/00, опубл. 10.07.2005 (заявка RU 2003116878, кл. G05B 15/00, 05.06.2003), (прототип).

Полунатурный стенд-тренажер для изучения процессов управления непрерывным производством, содержащий автоматизированное рабочее место оператора, включающее персональный компьютер с управляющим процессором, аналоговый модуль, включающий аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, датчики температуры, устройство охлаждения, реле, имитатор, электронную модель и узловую шину, соединяющую блок реле, цифроаналоговый и аналого-цифровой преобразователь, к которому подключены датчики температуры, отличающийся тем, что в него введены программируемый контроллер, связанный через узловую шину с блоком реле и аналоговым модулем, панель управления имитатором, подключенная к имитатору, и полунатурная модель с нагревательным элементом, установленным на радиаторе, а электронная модель выполнена в виде блока задания инерционности, блока приема управляющего сигнала и формирователя выходного сигнала, который через аналого-цифровой преобразователь и узловую шину связан с программируемым логическим контроллером, соединенным через соответствующие шины с персональным компьютером и панелью управления имитатором, при этом блок реле подключен к блоку задания инерционности модели, который вместе с блоком приема управляющего сигнала подключен к формирователю выходного сигнала модели, цифроаналоговый преобразователь подключен к устройству охлаждения и нагревательному элементу, установленному на радиаторе, связанном с датчиком температуры полунатурной модели и устройством охлаждения, а датчик температуры окружающей среды подключен к аналого-цифровому преобразователю.