Разработка устройств управления систем автоматизации укладки труб.

Самыми часто используемыми на российских промышленных предприятиях в настоящее время считаются SIMATICS7-200/300/400. На рисунке 1.2 представлена показана модульная конструкция контроллеров S7-300/400 [8].Рисунок 1.10 – Модульная конструкция контроллеров S7-300/400.В данной конструкции используются следующие компоненты и модули: Стойки (Racks). Служат для размещения, крепления модулей и соединения их между собой посредством шинных соединителей. Источники питания (PowerSupply, PS). Обеспечивают подачу игектроэнергии к внутренним устройствам и модулям. Центральное процессорное устройство (CentralProcessionUnit, CPU) Хранит и обрабатывает программу пользователя. В зависимости от CPUизменяются время обработки команд и наличия различных функций контроллер (таблица 1.5).Таблица 1.5 – Характеристики процессорных устройство моделей серии S7-200/300/400Наименование параметра CPU 212CPU 315-2DPCPU 412-2DPОбъем памяти программ и данных 1,5 Кбайт 64 Кбайт 144 Кбайт Время выполнения 1000 логических команд 1,2 мс 0,3-0,6 мс 0,2 мс Количество счетчиков 64 64 256 Количество таймеров 64 128 256 Количество дискретных входов/выходов До 78 До 1024 До 4096 Количество аналоговых входов/выходов До 8 До 128 До 256 Коммуникационный интерфейс PPIMPI+DPMPI+DP4. Интерфейсныемодули (Interface Modules, IM). Соединяют стойку с расположенными на ней модулями с другой стойкой, т. е. служат для расширения количества модулей контроллера или создания сетевой структуры5. Сигнальныемодули (SignalModules, SM). Предназначены для приема формирования аналоговых и дискретных сигналов и их связь c системной шиной контроллера. Сигнальные модули, в свою очередь, подразделяются на модули дискретного ввода (SMDI – discreteinput), модули дискретного вывода (SMDO – discreteoutput), модули аналогового цифрового ввода (SMAI – analoginput) и модули аналогового вывода (SMAO – analogoutput).6. Функциональные модули (FunctionModules, FM). Выполняют сложную или критичную по времени обработку сигналов независимо от процессорного модуля, например счетчик импульсов, быстродействующий ПИД-регулятор и т.д.7. Коммуникационные процессоры (CommunicationProcessors, СР).устанавливаются соединения со вспомогательными сетями (подсетями) или для обмена данными между контроллерами по промышленной сети Profibus8. Подсети (Subnets). Соединяют программируемые контроллеры друг с другом и с другими устройствами в системах управления уровня контроллеров, полевого уровня и уровня НМIГЛАВА 2. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ2.1 Функциональная схема замкнутой системыОсновное назначение при укладке труб играет регулирование толщины. Кинематическая схема системы регулирования толщины укладки труб представлена на рисунке 2.1. Рисунок 2.1– Кинематическая схема системы регулирования толщины укладки труб 1 – исполнительный двигатель; 2 – кинематический редуктор; 3 – ведомая шестерня редуктора; 4 – ведущая шестерня редуктора; 5 – усилитель; 6 – нажимной винт; 7 – рабочий валок; 8 – пассивный валок (с фиксировано-расположенным по высоте валом); 9 – труба; 10 – оптический датчик положения валков; 11 – элемент сравнения; 12 – эталонный сигналНа основании рисунка 2.1 составим функциональную схему, которая будет иметь вид, представленный на рисунке 2.2. Рисунок 2.2 – Функциональная схема системы регулирования толщины листа при прокатеНа рисунке 1.2 обозначены следующие блоки:– ЭС – элемент сравнения;– УПЭ – усилительно-преобразовательный элемент;– ИМ – исполнительный механизм;– РО – регулирующий орган;– ОУ – объект управления;– Д – датчик обратной связи.Сигналы имеют следующие обозначения и размерности:– Z – входной сигнал задания, В;– E – сигнал рассогласования, В;– U1 – управляющий сигнал на выходе усилительно-преобразовательного элемента, В;– Wд – скорость вращения на выходе исполнительного механизма, рад/с;– L1 – перемещение нажимного винта (РО), м;– L2 – перемещение рабочего валка, м;– Uос – сигнал обратной связи, полученный с помощью оптического датчика, В.2.2 Структурная схема системы управленияДля составления структурной схемы необходимо составить передаточную функцию каждого из элементов, представленных на рисунке 2.2. УПЭ предполагается безынерционным, но с ограниченной зоной линейности. Статическая характеристика данного элемента имеет вид, показанный на рисунке 2.3. Рисунок2.3 – Статическая характеристика УПЭПринимая, что УПЭ не обладает инерционностью, его передаточная функция будет иметь вид пропорционального звена, имеющего коэффициент усиления кy:,(2.1)где Uвыхмакс–максимальное выходное напряжение усилителя, 12 В;Uвхмакс – Зона линейности усилителя мощности по входу, 4В.В качестве ИМ используется частотный электропривод (двигатель и преобразователь частоты которого выбраны в пункте 1.4),отвечающий за поворот винта 6, посредством передачи скорости вращения вала якоря двигателя через редуктор 2. Он описывается уравнением:(2.2)где угловая скорость ИД;– коэффициент наклона электромеханической характеристики; – напряжение, питающее якорную цепь.На основании выражения (2) составим передаточную функцию ИМ: (2.3)В качестве РО используется редуктор и нажимной винт. Редуктор обеспечивает преобразование высокой скорости вращения ведущей шестерни 4 в более низкую скорость вращения ведомой шестерни 3, повышая при этом вращающий момент. Выходной и входной сигналы редуктора связаны соотношением: (2.4)где – коэффициент передачи редуктора.Нажимной винт используется для преобразования движения из вращательного в поступательное и описывается уравнением (2.5)гдекн – коэффициент нажимного винта.Подставляя (4) в (5) получим:(2.6)Таким образом, на основании уравнения (6) передаточная функция РО будет иметь вид:,(2.7)где кро – коэффициент передачи регулирующего органаВ качестве ОУ используется рабочий вал, положение которого может быть описано:(2.8) где δ(t) – положение рабочего валка.Из уравнения (8) следует, что передаточная функция ОУ будет иметь вид:(2.9)где коу – коэффициент передачи объекта управления .В качестве Д используется оптический датчик положения валков. Он излучает световой пучок, направленный на объект или специальный отражатель и анализирует отраженный свет. Полученные результаты измерений преобразуются в электрический сигнал:(2.10)На основании уравнения (10) получена передаточная функция Д:, (2.11)где Тс – постоянная времени;кос – коэффициент передачи датчика обратной связи.На основании представленных передаточных функций составим структурную схему системы управления (рисунок 2.4).Рисунок 2.4 – Структурная схема системы регулирования толщины укладки трубНиже представлены все выведенные передаточные функции:ЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате выполнения курсового проекта были рассмотрены современные автоматизированные системы контроля и управления укладкой труб. Представлена структура схемы автоматизации, используемая на указанном объеке. Проведен анализ обмена данными согласно модели OSI. Представлена структура её построения, описаны уровни, отвечающие за работу промышленных сетей. Представлена их физическая реализация. Описан способ передачи данных в модели OSI, начинающийся с верхнего уровня. Представлены порции представления данных (фреймы, пакеты и т.д.). Приведено описание оборудования, используемого на каждом из уровней. Осуществлён выбор электродвигателя, преобразователя частоты, контроллера. Приведен вывод структурной схемы для контроля толщины при укладке труб. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВБесекерский, В.А., Попов, Е.П. Теория систем автоматического управления. – М.: Наука, 2018. –274с.Борисов, В.Г., Фролов, В.В. Измерительная лаборатория начинающего радиолюбителя / В.Г. Борисов, В.В. Фролов. – М.: Свет, 2018. – 614 с.Вахнина, В.В. Электроснабжение промышленных предприятий и городов: учеб.-метод. пособие для практических занятий и курсового проектирования / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко. - Тольятти: Изд-во ТГУ, 2020. – 54с.Ключев, В.И. Теория электропривода: учебник для вузов / В.И. Ключев. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 704 с.Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. – Санкт-Петербург: Профессия, 2003. – 752 с.Тарасова, Г. И., Идентификация и диагностика систем: лаб. Практикум. Ч. 1. / Г.И. Тарасова, Т. А. Топильская– М: МИЭТ, 2011. – 84 с. Кубарева, Т.С. Применение алгоритма динамического программирования при выборе оптимального состава и распределении нагрузки между агрегатами. СГТУ: Саратов, 1993. – 193 с. Айзерман, М.А. Теория автоматического регулирования. М.: Наука. 1996. 452 с. [Электронный доступ] http://stu.scask.ru/book_las.php?id=49Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink. – М.: ДМК Пресс, 2008. – 288с.Герман-Галкин, С.Г. Проектирование мехатронных систем на ПК. – СПб.:КОРОНА-Век, 2008. – 368с..