Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния вопроса и формулировка цели исследования 11
1.1 Классификация терморегуляторов и их анализ 11
1.2 Условия эксплуатации терморегуляторов, оказывающие влияние на их работоспособность 17
1.3 Анализ способов контроля терморегуляторов и степени их автоматизации 20
1.4 Подход к автоматизации процесса управления динамическими режимами испытательного комплекса по контролю терморегуляторов 27
1.5 Выводы по проведенному обзору. Формулировка цели и задач исследования 29
Глава 2. Разработка математической модели термодинамических процессов, происходящих в специальной барокамере испытательного комплекса по контролю терморегуляторов 32
2.1. Математическая модель работы терморегулятора 32
2.2. Математическая модель предлагаемого способа управления процессом контроля терморегулятора 37
2.3 Математическая модель термодинамических процессов объекта управления - барокамеры испытательного комплекса 42
2.4 Разработка имитационной модели и исследование термодинамических процессов, происходящих в барокамере испытательного комплекса 50
2.5 Анализ системы на устойчивость 55
Выводы по второй главе 63
Глава 3. Разработка алгоритмов управления, обеспечивающих быстродействие при установке температурных режимов в барокамере испытательного комплекса 65
3.1 Разработка алгоритма принятия решения о работоспособности терморегуляторов 65
3.2 Разработка критериев эффективности управления испытательным комплексом по контролю терморегуляторов 67
3.3 Синтез элементов и структуры системы управления 70
3.4 Разработка алгоритмов управления испытательным комплексом 72
3.5 Принципы оценки качества испытательного комплекса 82
3.5.1 Подходы к определению критериев оценки качества 82
3.5.2 Частные критерии качества системы 83
Выводы по третьей главе 86
Глава 4. Структура и техническое решение автоматизированной системы контроля терморегуляторов 87
4.1 Анализ и выбор технических средств испытательного комплекса 87
4.1.1 Система сбора данных испытательного комплекса 87
4.1.2 Анализ и выбор датчиков для измерения физических величин 88
4.1.2.1 Выбор датчика для измерения температуры 88
4.1.2.2 Выбор датчика для измерения давления 91
4.1.3 Анализ и выбор методов возбуждения измерительных датчиков 93
4.1.4. Анализ и выбор схемы подключения датчиков 95
4.1.5 Анализ и выбор метода измерения сигнала с датчика 98
4.1.6 Выбор аналого-цифровых преобразователей для систем сбора данных 100
4.1.7 Архитектура электронной части испытательного комплекса . 107
4.2 Погрешности основных каналов измерения испытательного комплекса 109
4.2.1 Погрешность канала измерения давления 109
4.2.2 Погрешность канала измерения температуры 111
4.3 Описание программы управления испытательным комплексом для контроля терморегуляторов 117
4.3.1 Выбор средства разработки приложения для управления испытательным комплексом 117
4.3.2 Пользовательский интерфейс приложения 120
4.3.3 Описание программного автомата 131
4.4 Программное приложение просмотра статистических данных результатов контроля терморегуляторов 136
4.4.1 Логическая модель базы данных 136
4.4.2 Описание сущностей и атрибутов концептуальной схемы базы данных 137
4.4.3 Определение связей между сущностями 138
4.4.4 Обеспечение целостности базы данных 140
4.4.4.1 Ограничение на уникальность и на неопределенные значения 141
4.4.4.2 Ссылочная целостность 140
4.4.5 Обеспечение безопасности доступа к данным 144
4.4.6 Обработка данных в приложении 145
4.4.7 Пользовательский интерфейс приложения получения статистических данных 148
4.5 Экспериментальные исследования 150
4.5.1 Экспериментальная проверка адекватности математической модели 150
4.5.2 Экспериментальная проверка рациональных режимов работы комплекса 152
4.6 Обоснование экономической эффективности испытательного комплекса 156
4.6.1 Методика расчета экономической эффективности 156
4.6.2 Расчет трудовых и стоимостных затрат при ручном контроле терморегуляторов и при контроле с помощью автоматизированного испытательного комплекса 156
4.6.3 Оценка экономической эффективности внедрения автоматизированной системы 161
Выводы по четвертой главе 165
Основные выводы 166
Литература 168
Приложения 178
- Условия эксплуатации терморегуляторов, оказывающие влияние на их работоспособность
- Математическая модель предлагаемого способа управления процессом контроля терморегулятора
- Разработка критериев эффективности управления испытательным комплексом по контролю терморегуляторов
- Выбор средства разработки приложения для управления испытательным комплексом
Введение к работе
Актуальность темы. Наметившиеся в последние годы тенденции по энергосбережению, учету и экономии энергоресурсов, автоматизации тепловых установок, систем отопления, кондиционирования, тепло-, водо- и хладоснаб-жения требуют применения современных средств учета и регулирования тепла, воды, газа, котельной автоматики и другого оборудования. Одновременно существенно возросли требования к обеспечению точности, надежности и безопасности применяемого оборудования, что достигается в первую очередь посредством установки средств измерения, сигнализации и регулирования давления, уровня, температуры и других физических параметров. Соответственно, и предприятиям, производящим указанное оборудование, необходимо большое количество различных датчиков, сигнализаторов, преобразователей, отличающихся по принципу действия, точности, диапазонам измерения, стоимости и другим признакам.
Одним из крупнейших российских приборостроительных предприятий, специализирующихся на разработке и изготовлении датчиков, приборов контроля и регулирования, средств автоматизации для систем кондиционирования воздуха, вентиляции и отопления является ЗАО «ОРЛЭКС» (г. Орел). Предприятием выпускается широкая гамма приборов: от электромеханических датчиков-реле до микропроцессорных преобразователей давления и регуляторов температуры с различными законами регулирования.
Для поддержания своих позиций на международном рынке заводу необходимо обеспечить надежный контроль качества и работоспособности выпускаемой продукции.
В данной диссертации исследуется подход к автоматизации процесса управления испытательным комплексом по контролю терморегуляторов и разработанная автором автоматизированная система испытаний, базирующаяся на этом подходе. Система позволит повысить эффективность контроля приборов и осуществить замену морально устаревающего оборудования на заводе ОРЛЭКС, что и объясняет актуальность темы предлагаемой диссертации.
Объектом исследования в данной работе служит испытательный комплекс для контроля терморегуляторов.
В качестве предмета исследования рассматриваются алгоритмы и модели управления термодинамическими процессами испытательного комплекса.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса управления контролем терморегуляторов, позволяющего увеличить быстродействие процесса контроля.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Анализ алгоритмов управления температурными режимами испытательного комплекса и методов контроля регуляторов температуры в процессе испытаний;
2. Разработка математической модели термодинамических процессов в барокамере с объектом испытания в виде терморегулятора;
3. Экспериментальное исследование режимов работы испытательного комплекса;
4. Разработка автоматизированной системы испытаний регуляторов температуры на базе предложенного подхода.
Методы исследований:
Для решения поставленных задач применялась методика системного анализа, а также методы интегрального и дифференциального исчислений, теории управления, математического моделирования, теории алгоритмов
Научная новизна работы:
• Разработан подход к автоматизации процесса управления испытательным комплексом по контролю терморегуляторов, основанный на воздействии внешним давлением на сильфон терморегулятора, и математическом описании термодинамических процессов, происходящих в барокамере испытательного комплекса;
• Разработана математическая модель термодинамических процессов, происходящих в специальной барокамере испытательного комплекса по контролю терморегуляторов, основанная на дифференциальных уравнениях первого порядка и функциях расхода газа при истечении через проходные сечения дросселей;
• Разработаны алгоритмы управления испытательным комплексом, основанные на прямом и обратном преобразовании температуры в давление по кривой насыщения пропана - наполнителя термосистемы регулятора;
• Разработан способ управления испытательным комплексом по контролю терморегуляторов и подана заявка на изобретение.
Практическую значимость работы составляет автоматизированная система контроля терморегуляторов, реализующая разработанные алгоритмы управления. Система включает программу управления испытательным комплексом, приложение обработки статистических данных результатов контроля, базу данных, содержащую данные о технических характеристиках терморегуляторов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач, обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений, применением известных математических методов, подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
• Подход к автоматизации процесса управления испытательным комплексом по контролю терморегуляторов, основанный на воздействии внешним давлением на сильфон терморегулятора, и математическом описании термодинамических процессов, происходящих в барокамере испытательного комплекса;
• Математическая модель термодинамических процессов, происходящих в специальной барокамере испытательного комплекса по контролю терморегуляторов, основанная на дифференциальных уравнениях первого порядка и функциях расхода газа при истечении через проходные сечения дросселей;
• Алгоритмы управления испытательным комплексом, основанные на прямом и обратном преобразовании температуры в давление по кривой насыщения пропана - наполнителя термосистемы регулятора;
• Автоматизированная система управления испытательным комплексом по контролю терморегуляторов.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на научно-технических конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция "Диагностика веществ, изделий и устройств", Орел(1999 г.); Международная научно-практическая конференция "Научные исследования: информация, анализ, прогноз", Воронеж (2004 г.); Международная научно-техническая конференция "Информационные технологии в науке, образовании и производстве" (ИТНОП), Орел(2004 г.) ; Всероссийская научная конференция "Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии", (Орел 2004 г.); Международная научно-техническая конференция " Информационные технологии в науке, образовании и производстве " (ИТНОП), (Орел 2006 г.). По результатам исследований опубликовано 11 работ и подана заявка на изобретение.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы при разработке автоматизированной системы управления режимами испытательного комплекса по контролю терморегуляторов, и внедрены на заводе ОРЛЭКС города Орла. По предварительной оценке процесс контроля ускорился в 7 раз.
Публикации. По теме диссертации опубликовано одиннадцать печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и изложена на 212 стра ницах, содержит 85 рисунков, 29 таблиц, список использованных источников, включающих 100 наименований.
Условия эксплуатации терморегуляторов, оказывающие влияние на их работоспособность
Термобаллон, помещенный в контролируемую среду, воспринимает ее температуру. Изменение температуры приводит к выкипанию или конденсации части жидкости, соответственно изменяя давление насыщенных паров в замкнутой системе. Температура сильфона (по условиям работы) не должна быть ниже, чем термобаллона.
Действующая на дно сильфона сила давления наполнителя, уравновешивается силой упругой деформации пружины 4, заставляя поворачиваться коромысло 6. Угол поворота коромысла а ограничен упорами 8. Контактная группа исполнительного устройства 7 переключается в положениях дна сильфона х/, Х2 рис. 3 (точкиpcpi, Тсрп рСр2,Тср2кривой насыщения рис. 4а) и зависят от предварительного сжатия пружины кулачком 5 задающего устройства.
Среднее значение поддерживаемой в камере температуры зависит от величины дифференциала переключения контактов (Тср2-Тср1). Относительное смещение температуры срабатывания задается вращением кулачка. С этой целью терморегуляторы (например, серий ТМ, ТАММ) выпускаются в виде ряда модификаций, настроенных на конкретнее наименьшее значение температуры срабатывания и определенное значение дифференциала. Среднее значение поддерживаемой в камере температуры будет зависеть от границ пределов срабатывания контактной группы Tcpi, Тср2.
Физические законы, положенные в основу конструкции прибора, накладывают дополнительные ограничения на условия эксплуатации. Это вызвано тем, что количество заполняемой термосистему прибора жидкости ограничивают, так как при высоких температурах (в условиях хранения) слишком высокое давление может вызвать нарушение прочности. При определенной температуре жидкость должна полностью превратиться в пар, а дальнейшее возрастание давления перегретого пара происходит медленно.
Внешние условия эксплуатации терморегуляторов, которые влияют на работоспособность терморегуляторов, являются - температура окружающей среды, температура контролируемой среды, влажность воздуха, коммутирующий ток. Температура окружающей и контролируемой среды являются основными факторами, влияющими на работоспособность терморегулятора. Во время работы прибора его термочувствительный элемент помещается в контролируемую среду, а основные части прибора находятся под воздействием температуры воздуха. Термосистемы с ограниченным заполнением жидкостью имеют одну особенность: когда температура сильфона (по условиям работы) оказывается ниже, чем в термобаллоне, то насыщенные пары конденсируются в сильфонной коробке, и термопатрон остается без жидкости, т. е. перестает реагировать на изменение температуры. Поэтому температура сильфона должна быть больше температуры чувствительного элемента: ТС Т. Это ограничение необходимо учитывать при контроле терморегуляторов, т.е. необходимо прослеживать, в каких условиях эксплуатируется терморегулятор. При эксплуатации прибора необходимо учитывать влажность воздуха. При повышенной влажности может произойти коррозия контактов, что тоже может повлиять на работоспособность прибора. При разработке приборов устанавливается определенная величина коммутирующего тока. В случае превышения его предельного значения может произойти поломка терморегулятора. По приведенным характеристикам потребители выбирают необходимую им продукцию соответствующего качества, критерием которого является их сертификация. Продукция завода "Орлэкс" сертифицирована Госстандартом России, испытательными центрами ВЕАВ, Регистром Ллойд (Великобритания) и VDE (Германия). Соответствовать международным требованиям и стандартам, безусловно, тяжело. К примеру, если во времена СССР завод производил термостаты 11 модификаций, то теперь их освоено свыше 200. Конструкторам предприятия важ 20 но, чтобы их разработки полностью отвечали требованиям международных стандартов. Конкурентов у ЗАО "Орлэкс" и на внутреннем, и на внешнем рынке довольно много. На предприятии особенно внимательно подходят к необходимости технического перевооружения, чтобы не отстать от ведущих мировых производителей аналогичных приборов и устройств, поэтому вопрос контроля приборов очень актуален. Для этого на заводе используются различные способы контроля терморегуляторов, имеющие отличительные особенности с точки зрения быстродействия и степени автоматизации.
Математическая модель предлагаемого способа управления процессом контроля терморегулятора
Задача исследования процесса контроля является сложной и требует применения методики системного анализа, необходимо применять методики структуризации и анализа целей функционирования систем, поэтапно устраняя неопределенности и выявляя основные особенности исследуемого процесса.
Испытательный комплекс по контролю терморегуляторов (ИК) можно представить в виде некоторой системы S, состоящей из элементов А со связями R , в которой учитываются понятия цели или структуры целей Z , среды SR и интервала времени AT- периода существования системы, влияющего на процесс целеобразования [26, 27,28]:
Глобальная цель ориентирована на получение конечного продукта, а именно, автоматизированной системы управления процессом контроля терморегуляторов. Сформулировать её можно следующим образом: " Быстродействие при установке температурных режимов в барокамере ". Критерий эффективности, определяющий данную цель- время установки температурных режимов в испытательном комплексе (ВУ).
Глобальную цель необходимо декомпозировать по признаку «пространство инициации целей"[27, 29, 30], при этом цели второго уровня будут определяться критериями среды целеобразования. Основные критерии, влияющие на время установки температурных режимов - это время, затрачиваемое на установку требуемого давления в барокамере (ТБ), время, затрачиваемое на установку требуемой температуры в жидкостном термостате (ТВ), время, затрачиваемое на вспомогательные операции, связанные с загрузкой приборов в барокамеру и задания режимов контроля (ТВС). Таким образом, можно представить глобальную цель в форме:
Подцели второго уровня можно представить в следующем виде: обеспечение быстродействия при установке температуры в жидкостном термостате, обеспечение быстродействия при установке давления в барокамере, обеспечение быстродействия при выполнении вспомогательных операций. Интерпретация подцели второго уровня «Обеспечение быстродействия при установке температуры в жидкостном термостате», в соответствии с составом и структурой системы позволила сформулировать следующий критерий: время, затрачиваемое на установку требуемой температуры в жид костном термостате ТВ= min Интерпретация подцели второго уровня «Обеспечение быстродействия при установке давления в барокамере » в соответствии с составом и структурой системы позволила сформулировать следующий критерий: время, затрачиваемое на установку требуемого давления в барока мере ТБ= min Интерпретация подцели второго уровня «Обеспечение быстродействия при выполнении вспомогательных операций» в соответствии с составом и структурой системы позволила сформулировать следующий критерий: время, затрачиваемое на вспомогательные операции, связанные с загрузкой приборов в барокамеру и задания режимов контроля ТВС = min На втором уровне неопределенность достижения глобальной цели существенно раскрыта. Фактически, подцели второго уровня можно интерпретировать как необходимые задачи для достижения глобальной цели. Иерархия целей представлена в виде стратифицированной структуры (Рис 3.2). Задачи, выделенные в страте 1, решаются в основном диспетчером автоматизированного рабочего места, а задачи страты 2-е помощью устройств автоматического управления. Следует отметить, что задача обеспечения требуемого давления в барокамере должна быть решена с условием, что температура в барокамере находится в пределах допустимых значений. Температура в барокамере обязательно должна быть выше температуры в жидкостном термостате, так как в противном случае в сильфоне остается только один конденсат и сильфон деформируется. Критерий ТБ характеризует время, затрачиваемое на установку требуемого давления в барокамере, и определяется следующим образом: где Тк- время фиксации сигнала о достижении значения контрольной точки, Тн - момент начала изменения давления. Переменной в соотношении (3.1) является время фиксации сигнала о достижении значения контрольной точки Тк. Воздействовать на данную переменную можно путем увеличения скорости изменения давления (увеличения проходных сечений дросселя). Критерий ТВ характеризует время, затрачиваемое на установку требуемой температуры в жидкостном термостате, и определяется следующим образом: где Тф- время фиксации сигнала о выходе температуры жидкостного термостата из допустимого диапазона; Тс - время, когда значение температуры вошло в допустимый диапазон. Уменьшение критерия ТВ достигается правильной настройкой системы подачи хладагента в испаритель системы охлаждения термостата. Критерий ТВ характеризует время, затрачиваемое на вспомогательные операции, связанные с загрузкой приборов в барокамеру и задания режимов контроля, и определяется следующим образом.
Разработка критериев эффективности управления испытательным комплексом по контролю терморегуляторов
Основная цель управления испытательным комплексом - это регулирование давления в барокамере согласно техпроцессу контроля в соответствии с контрольными точками. Но при этом необходимо поддерживать температуру в барокамере в пределах допустимых норм.
Для поддержания требуемой температуры в барокамере необходимо регулировать скорость сброса и нагнетания воздуха в барокамеру и учитывать температурные факторы, действующие со стороны жидкостного термостата ванны.
Управление ветвями пневмопривода системы контроля позволит повысить эффективность управления процессом контроля терморегуляторов в целом за счет установки рациональных скоростей подачи и сброса давления, не приводящих к резкому изменению температуры в барокамере. Это достигается следующим: использованием в испытательном комплексе регулирующих клапанов с исполнительными механизмами на ветвях подачи и сброса давления; введением в систему логического регулятора давления в барокамере (регулятора цикла); введением в систему логического регулятора температуры воздуха барокамеры; введением в систему логического регулятора температуры в жидкостном термостате; установкой термоизоляции между жидкостным термостатом и барокамерой; установкой термоизоляции механических элементов, предназначенных для крепления терморегуляторов, чтобы уменьшить обмен тепла между ванной и приборами. Для достижения цели ВУ устройство управления выполняет функции управления, контроля, мониторинга и согласования работы элементов системы. Устройство управления оформлено в виде программного модуля, в основу работы которого положен принцип работы конечного автомата, и при этом выполняются следующие алгоритмические операции: сравниваются показания датчика давления в барокамере со значениями контрольных точек. При этом надо учитывать скорость сброса и нагнетания давления: при подходе к точкам контроля необходимо переключить быструю подачу воздуха на медленную; температура в ванне сравнивается с заданной и при необходимости подаётся управляющее воздействие на осуществление импульсной подачи жидкости в испаритель; в зависимости от цикла контроля (НОРМА, ХОЛОД, ТЕПЛО) устройство управления вырабатывает управляющее воздействие на исполнительные механизмы стенда - пневмоприводы; в конце и в начале циклов контроля УУ вырабатывает команду для пневмоцилиндра, который фиксирует положение крышки барокамеры (ОТКРЫТЬ, ЗАКРЫТЬ); У УУ формирует управляющую команду на сохранение результатов контроля в базе данных. Программный автомат - это ядро управления, именно он координирует работу всех программ. Автомат организован по принципу ожидания событий. При наступлении нужного события происходит выполнение каких-либо действий и ожидание следующего события Выбор ветви пневмопривода для быстрой или медленной подачи воздуха, для быстрого или медленного сброса давления зависит от сигнала, полученного с контроллера. Контроллер выступает связующим звеном между объектом управления и программным автоматом. Приложение посылает контроллеру закодированную команду, содержащую код элемента объекта управления и код команды (открыть, закрыть, включить, выключить). Контроллер в соответствии с этими командами посылает и принимает сигналы от соответствующих элементов стенда. Цепочка всех программ, в том числе и программного автомата, выполняется циклически, что обеспечивает непрерывное управление стендовым оборудованием. В алгоритме работы комплекса можно выделить поддержку следующих режимов работы: а. Вспомогательный режим - режим «наладка»; б. Основной режим: 1) режим "Холод"; 2) режим "Норма";3) режим "Тепло". В режиме «наладка» оператору необходимо осуществить следующие действия: Открыть вентиль подачи воздуха, индикатор НЕТ ВОЗДУХА должен погаснуть. а. Перевести тумблер РАБОТА, НАЛАДКА в режим НАЛАДКА. Прове рить работу механизма перевода кулачков в режиме НАЛАДКА с помощью тумблеров ТЕПЛО, ХОЛОД, НОРМА и установить механизм в режим ХОЛОД. б. С помощью прилагаемых калибров проверить точность установки регулируемых упоров механизма перевода кулачков в режимах ХОЛОД, НОР МА, ТЕПЛО. в. С помощью кнопок, расположенных на пультах, находящихся по бокам ванны, проверить работу механизма закрытия крышки барокамеры. Крышка должна перемещаться плавно без помех.
Выбор средства разработки приложения для управления испытательным комплексом
Для управления стендом необходимо создать программное обеспечение, разработанное на основе современных систем SCADA [72]. Одной из таких систем является Lab VIEW.
Lab VIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workshop) - это система программирования, ориентированная на создание приложений в области автоматизации научных исследований, управления производством, промышленными установками и по своим возможностям приближается к системам программирования общего назначения, например к Delphi.
Система Lab VIEW основана на принципах графического программирования и является проблемно-ориентированной; она поддерживает программирование множества действий и реализует концепцию виртуальных приборов.
Среда программирования LabVIEW является удобным программно-аппаратным комплексом для разработки приложений, позволяющих осуществлять опрос датчиков, установленных на объекте исследования, обработку полученной информации, генерацию сигналов для его управления [74, 75].
При обработке сигналов и их преобразовании из аналоговых в цифровые и наоборот могут быть использованы платы ЦАП/АЦП.
LabVIEW является средством визуального модульного проектирования. Прикладной алгоритм разбивается на ряд субалгоритмов, которые также можно разбить ещё раз, до тех пор, пока сложный прикладной алгоритм не превратится в ряд простых подзадач. Формируется виртуальный прибор (VI), чтобы выполнить каждую подзадачу, а затем эти виртуальные приборы объединяются на другой блок-схеме, чтобы выполнить глобальную задачу. Таким образом, основной виртуальный прибор содержит совокупность подприборов, которые являются совокупностями функций LabVIEW.
Виртуальные измерительные системы (ВИС) являются подклассом так называемых Интеллектуальных Измерительных Систем (ИИС) [76, 77]. Ниже приведена таблица с перечислением характерных для ИИС и ВИС признаков и возможностей: На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что система Lab-VIEW идеально подходит для построения автоматизированной системы управления элементами испытательного комплекса.
На основе созданных алгоритмов управления разработана программа управления испытательным комплексом, интерфейс которой выполнен с использованием архитектуры SDI (однодокументный интерфейс).
По ходу работы с приложением, пользователю приходится работать с одной единственной формой, на которой расположены индикаторы и другие элементы управления контролем. Для описания логики диалога работы с данными используется транзитивная сеть (рис. 4.21).
Похожие диссертации на Автоматизация и управление испытательным комплексом по контролю терморегуляторов
