2 Разработка и сборка системы управления стендом

2.1 Разработка системы управления стендом на базе техники Siemens и технологий National Instruments для исследования гранулятора-измельчителя

Возможности современного цифрового привода переменного тока (Micromaster 440 от фирмы Siemens) в сочетании с современными технологиями автоматизации исследований (техника National Instruments и программная среда LabVIEW), позволяют создавать средства для эффективного физического исследования самых разнообразных объектов [19, 21], одним из которых может быть инновационный универсальный гранулятор-измельчитель, реализующий способ экструзионного измельчения материалов, с последующим их гранулированием.

Экспериментальный стенд включает в себя гранулятор-измельчитель ГИ–01 и систему его управления со средствами автоматизации исследований. Система предназначена для эффективного решения задач по оптимизации режимов измельчения и гранулирования материалов, для разработки режимных алгоритмов гранулирования, а также для практической реализации этих алгоритмов.

Решение указанных задач достигается благодаря наличию следующих функциональных возможностей:

• визуализация текущего состояния процесса гранулирования и элементов системы управления;

• операторное управление процессом гранулирования;

• контроль текущего состояния процесса гранулирования;

• выбор технологического режима гранулирования;

• программное автоматическое управление в соответствии с выбранным технологическим режимом;

• оптимизация режима гранулирования на основе программно задаваемого алгоритма;

• мониторинг процесса гранулирования и автоматическое накопление информации об изменениях технологических параметров;

• обработка полученной информации по заданной программе исследования.

Стенд представляет собой программно-аппаратный комплекс, реализованный на базе техники Siemens и технологий National Instruments.

Аппаратная часть стенда представлена функциональной схемой на рисунке 2.1. Механизм гранулятора-измельчителя приводится во вращение асинхронным электродвигателем, подключённым к цифровому приводу переменного тока Micromaster 440, который управляется компьютером по программе в среде LabVIEW через сетевой канал связи Profibus. Таким образом, построена двухуровневая система управления гранулятором-измельчителем.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема аппаратной части стенда.

В силовой части привода представлены типичные элементы современного привода переменного тока на основе частотного инвертора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Очищенное от высших гармоник фильтром, сетевое переменное напряжение 380 В, 50 Гц преобразуется выпрямителем в постоянное и подаётся на вход частотного инвертора. Инвертор, построенный на транзисторных ключах, управляется широтно-импульсной модуляцией так, чтобы на выходе получалось синусоидальное переменное напряжение, которое изменяется по частоте (в диапазоне возможностей двигателя) и по амплитуде (от 0 до номинала входного сетевого напряжения) в соответствии с заданием скорости привода (выходная частота инвертора) и с автоматическим поддержанием константы «В/Гц» (U/F).

Микропроцессорный блок управления приводом (CPU) управляет инвертором, линейным контактором и другими компонентами собственно привода. Кроме того CPU имеет интерфейсные модули для обеспечения других управляющих функций. Интерфейс оператора позволяет подключить панель оператора и поддержать взаимодействие с оператором в автономном режиме. Интерфейсы ввода аналоговых сигналов АЦП позволяют принимать в систему информацию с аналоговых датчиков, установленных в грануляторе-измельчителе. Интерфейс Profibus обеспечивает возможность удалённой последовательной связи по стандартной промышленной сети с компьютером и организации верхнего уровня управления. Есть в приводе также не показанные на схеме интерфейсы дискретного ввода, дискретного вывода, аналогового вывода (ЦАП), интерфейсы энкодеров и другие. Их можно задействовать в случае расширения функциональности.

Компьютер связывается с приводом через коммуникационный процессор – специальный интерфейсный модуль, адаптированный к стандартной компьютерной шине PCI, и рассчитанный при поддержки специального сетевого программного обеспечения на коммуникации с приводом по стандарту шины Profibus DP.

Всё управление функционированием аппаратных ресурсов в соответствии особенностями процессов измельчения, гранулирования и задачей исследований осуществляют программные компоненты системы.

Структура программного обеспечения (рисунок 2.2) имеет двухуровневую иерархию построения. Непосредственно приводом и технологическим процессом управляет системное программное обеспечение (ПрО) привода Micromaster 440, а алгоритм верхнего уровня реализован разными компонентами компьютерного ПрО.

Рисунок 2.2 - Структура программного обеспечения.

Модули системного ПрО имеют полный набор всех управляющих функций привода переменного тока асинхронного двигателя:

- управление частотным инвертором с ШИМ;

- реализация всех узлов контуров автоматического управления с векторной трансформацией переменных привода и с применением экспертных моделей (observer model);

- защита и ограничение переменных привода (ток, момент, скорость и др.).

Эти модули с одной стороны, уже хорошо проработаны и готовы для применения, а, с другой стороны, допускают, через параметрирование (P-параметрами управления), широкие возможности для настройки и адаптации под особенности конкретного приложения. В том числе, можно производить внутренние перекоммутации привода, меняя функциональную структуру системы управления (технология BICO). Благодаря наличию r-параметров состояния есть возможность постоянного и непрерывного контроля всех сигналов и текущих значений переменных привода.

Работа с приводом через его параметры возможна как автономная (операторная панель привода), так и дистанционная по каналу последовательной связи (Profibus DP).

Кроме задачи управления приводом, модули системного ПрО поддерживают:

- диалог с оператором в автономном режиме через простую операторную панель привода;

- приём и выдачу технологической информации при взаимодействии с процессом;

- связь с верхним уровнем управления по стандартному протоколу сети Profibus DP.

Алгоритм верхнего уровня реализован на универсальном компьютере под операционной системой Windows XP с помощью технологий виртуальных инструментов National Instruments в среде LabVIEW, которая интегрирована с технологией сетевых коммуникаций Simatic Net, выводящей инструменты исследователя на исследуемый процесс. В пакете Simatic Net выбран для применения модуль OPC Server, являющийся средством для построения интерфейса из среды Siemens в другие среды (приложения). Клиентская часть этого программного приложения OPC Client реализована средствами LabVIEW.

У построенной таким образом и соответственно сконфигурированной системы получается возможность прямого доступа ко всем параметрам привода. Следовательно в программе LabVIEW можно: с одной стороны, получать полноценную картину состояния как привода, так и процесса измельчения; с другой стороны, воздействовать на процесс как через управление двигателем измельчителя, так и выдачей технологических сигналов. При этом, сама среда LabVIEW позволяет эффективно автоматизировать процесс исследования для самого широкого круга задач.

Программа управления стендом строится на основе задач исследований. Поскольку функциональные возможности двухуровневой системы управления гранулятором-измельчителем достаточно обширны, вариантов разработок задач исследований может много. Наиболее актуальными представляются задачи выявления оптимальных режимов измельчения и гранулирования.

Требуемый алгоритм исследования реализуется на основе применения средств языка графического программирования LabVIEW (язык G). Такой способ программирования не требует от исследователя глубоких знаний традиционного программирования. Весь акцент его усилий переносится на собственно алгоритм исследования. За счёт этого и достигается эффективность решения задач.

Рисунок 2.3 - Экран операторного интерфейса программы управления стендом

В качестве примера рассмотрим простую программу управления приводом гранулятора-измельчителя с визуальным контролем состояния процесса. Она предоставлена на экране компьютера операторным интерфейсом с виртуальными приборами (рисунок 2.3), которые показывают реальные текущие параметры процесса измельчения (момент двигателя, скорость, температуру в зоне измельчения-гранулирования и др.) и управляют этим процессом, формируя реальные сигналы на его привод (включение контактора и привода, задание скорости и т. п.).

Рисунок 2.4 Фрагмент программы управления стендом

Действия виртуальных приборов и возможности операторного воздействия на них определяются программой, фрагмент которой показан на рисунке 2.4. Она внешне напоминает блок-схему алгоритма управления процессом и поэтому именуется блок-диаграммой. Программа управления процессом, созданная в виде блок-диаграммы, ясно отражает алгоритм исследования, затем компилируется в двоичный код, становясь обычной исполняемой компьютерной программой.

Таким образом, основными достоинствами данной системы являются:

• возможности наращивания аппаратных ресурсов взаимодействия с объектом управления и расширения функций управления;

• программируемость CPU привода, которая даёт возможность гибкой трансформации системы управления (её нижнего уровня) в соответствии с изменениями задачи исследований;

• защищённость привода в ходе экспериментов, обеспеченная наличием в нём внутренних защит от самых разных аварийных ситуаций;

• простота программирования алгоритма исследования за счёт применения языка графического программирования LabVIEW;

• возможность быстрого внедрения результатов исследования, достигаемая за счёт применения в стенде типового промышленного привода и типовых средств управления.

В настоящее время стенд смонтирован и проведены предварительные исследования по управлению процессом измельчения и гранулирования. Полученные результаты дадут информацию по выбору оптимального технологического режима процесса, а также покажут направления совершенствования, как конструкции гранулятора-измельчителя, так и системы управления им.

На рисунке 2.5 показан общий вид экспериментального стенда для испытания гранулятора-измельчителя ГИ-01 с цилиндрической зубчатой передачей внутреннего зацепления [3,4].

Стенд включает в себя:

- гранулятор-измельчитель 1, имеющий клиноременной привод вращения от асинхронного электродвигателя Siemens 2 (мощность 5,5 кВт, частота вращения 0 - 1000 об/мин) и пульт управления 3, которые смонтированы на несущем каркасе 4;

- компьютер 5 с управляющим ПрО на базе LabVIEW и Simatic Net;

- шкаф управления 6, составные элементы которого показаны на рисунке 2.6.

Рисунок 2.5 - Общий вид экспериментального стенда для испытания гранулятора-измельчителя ГИ-01