Содержание к диссертации
Введение
1. Автоматизация процесса регулировки манометров: состояние проблемы и пути её решения 12
1.1. Манометры: описание и классификация 12
1.2. Стенды для регулировки манометров 13
1.3. Технологический процесс регулировки манометров 16
1.4. Обзор технических средств реализации АСГМ 21
1.5. Выводы по первой главе 31
2. Структурное моделирование процесса градуировки манометров 33
2.1. О задаче автоматизации процесса регулировки манометров 33
2.2. Модель регулировки манометров To be – «как должно быть» 37
2.3. Структура автоматизированного регулировочного стенда 40
2.4. Объектная модель информационной системы 42
2.5. Выводы по второй главе 48
3. Модели механизмов и устройств градуировочного стенда 50
3.1. Экспериментальные основания для моделирования механизмов АСГМ 50
3.2. Нелинейные эффекты в процессе управления давлением в АСГМ 53
3.3. Способы управления клапанами 54
3.4. Модели механизмов, стенда и манометра
3.4.1. Модели компонентов ЗД 57
3.4.2. Варианты моделей стенда 59
3.4.3. Математическая модель стенда на основе пресса 64
3.4.4. Математическая модель манометра 68
3.5. Алгоритмы, используемые для градуировки приборов 70
3.5.1. Алгоритм определения статической характеристики давление- угол 70
3.5.2. Алгоритм определения угла технологической стрелки. 71
3.5.3. Алгоритм моделирования поведения задатчика давления 75
3.5.4. Алгоритм управления давлением без обратной связи. 77
3.5.5. Алгоритм инициализации потоков (циклов) чтения кадров с видеокамер и измерения углов стрелок регулируемых манометров. 80
3.5.6. Алгоритм запуска автоматизированной регулировки 80
3.5.7. Основной цикл процесса автоматизированной регулировки. 81
3.5.8. Алгоритм потока чтения давления (бесконечный цикл). 83
3.5.9. Алгоритм потока (цикла) чтения кадра и измерения угла стрелки. 83
3.5.10. Алгоритм печати циферблатов 85
3.6. Интерфейс пользователя и результаты работы программы 88
3.7. Выводы по третьей главе 89
4. Применение автоматизированной системы градуировки манометров и перспективы её развития 91
4.1. Результаты опытной эксплуатации АСГМ 91
4.2. Правовое обеспечение АСГМ 92
4.3. Перспективы развития системы 99
4.4. Выводы по четвертой главе 100
Заключение 101
Список литературы 103
- Технологический процесс регулировки манометров
- Структура автоматизированного регулировочного стенда
- Нелинейные эффекты в процессе управления давлением в АСГМ
- Алгоритм инициализации потоков (циклов) чтения кадров с видеокамер и измерения углов стрелок регулируемых манометров.
Технологический процесс регулировки манометров
На многих предприятиях отечественного приборостроения и, в частности ОАО «Манотомь», до настоящего времени используется механизированный способ регулировки с использованием стенда (рис. 1.2), на который подается масло под необходимым давлением, и регулировщик при помощи вентилей вручную управляет давлением на манометрах.
Ручная регулировка манометров является трудоемкой технологической операцией и занимает около 30% времени сборки приборов. Класс точности манометра и, в конечном итоге, качество выпускаемой продукции определяются квалификацией настройщика.
Успешное решение проблем автоматизации процессов сборки и регулировки манометрических приборов возможно на основе методов теории систем и системного анализа [23, 36], среди которых представляют особый интерес достаточно хорошо разработанные к настоящему времени структурные методологии IDEF [36].
Рассмотрим процесс механизированной регулировки манометров с точки зрения оператора-регулировщика и инженера АСУ ТП. Цель данного анализа: формализовать процесс, выявить возможные способы оптимизации процесса и автоматизировать некоторые действия регулировщика манометров.
На рис. 1.3 с использованием методологии IDEF0 [36] представлена функциональная схема цикла регулировки манометра.
Методология IDEF0 предполагает изображение процесса с помощью блоков и стрелок. Блоки обозначают функции, стрелки – материальные и объектные потоки. Потоки, входящие в левую грань блока обозначают объекты, обрабатываемые этим блоком. Потоки, исходящие из правой грани блока обозначают продукты функции, т.е. объекты, являющиеся результатом обработки. Потоки, входящие в нижнюю грань блока, обозначают механизмы, с помощью которых выполняются функции, и субъекты, которые выполняют эти функции. Потоки, входящие в верхнюю грань блока, обозначают условия, при которых выполняется функция, и управляющие сообщения.
Все действия по регулировке манометрического прибора выполняются одним лицом (регулировщиком), поэтому, чтобы не затенять рисунки, на схемах это действующее лицо не показано. Для регулировки используется специальный регулировочный стенд (рис. 1.4) и отвертка для сборки/разборки прибора и настройки регулировочных параметров прибора.
На рис. 1.4 представлена структура функции «съем и полная сборка манометра или разборка и регулировка узла», реализуемой блоком 4 (рис. 1.3).
Функция «съем и полная сборка манометра или разборка и регулировка узла». Цикл регулировки манометра: 1. Регулировщик закрепляет неотрегулированный узел на регулировочном стенде для подачи давления. Соединение должно быть герметично. 2. Винтами закрепляет на узле циферблат с типовой линейной шкалой, так, чтобы ось узла проходила по центру отверстия циферблата. Затем одевает стрелку на ось, установив ее в положение «0» по шкале. 3. Ориентируясь по показаниям образцового манометра, регулировщик подает давление, соответствующее оцифрованным значениям регулируемого манометра и определяет погрешности показаний.
Если на всех оцифрованных точках регулируемый манометр показал давление с погрешностью в пределах своего класса точности с допуском 0,6, то манометр отрегулирован. Регулировщик снимается узел со стенда и собирает в корпус.
Иначе, регулировщик снимает стрелку и циферблат, затем поправляет регулируемые параметры для устранения ошибок, и повторяет действия 2-4.
Последовательность действий процесса регулировки манометра показана на рис. 1.5, для этого использована методология IDEF3 [36].
Данная методология предполагает изображение процесса блоками и стрелками. Блоками изображаются функции и действия, стрелками изображается порядок действий (временное предшествование), двойными стрелками – объектные потоки, пунктирными стрелками – прочие потоки, требующие пояснения. Ветвление процесса изображается с помощью перекрестков, классификация и значения которых приведены в таблице 1.2.
В таблице 1.2 использованы перекрестки следующих типов: соединения (несколько входов и один выход) и ветвления (один вход и несколько выходов). Каждый из этих типов делится на подтипы: перекресток «И» (обозначается символом &), перекресток «ИЛИ» (обозначается символом O), перекресток «Исключающее ИЛИ» (обозначается символом X).
Структура автоматизированного регулировочного стенда
Как видно из таблицы 2.1, эффективным оказалось использование технологии DirectShow. Кроме значительной скорости измерения, достоинством технологии DirectShow оказалось возможность распараллеливания процессов обработки изображений от разных камер. В отличие от стандартного способа (с помощью функций библиотеки AviCap32.dll), при использовании DirectShow не замечено зависимости количества измерений в единицу времени от количества подключенных видеокамер. Незначительным недостатком DirectShow перед функциями AviCap32.dll является сложность в реализации.
На рис. 2.12 изображена объектная модель информационной системы с использованием языка UML [27]. Поясним некоторые обозначения. Блоками на UML диаграмме изображаются классы, в верхней части блока приводится название класса, в средней части – список атрибутов и их типы. В нижней части – список операций (методов), с указанием параметров и их типов, и типа значения выдаваемого (возвращаемого) операцией. Пунктирные стрелки показывают отношение зависимости, например, TWebCamThread зависит от TActionList. Такие стрелки используются, когда данные или поведение одного класса зависит от данных или состояния другого класса. Треугольные стрелки показывают отношение обобщение (наследование), т.е. класс TPortOwen является наследником от класса TPort. Стрелки с ромбовидным наконечником показывают отношение агрегации, т.е. включение одного класса в другой, как часть включается в целое, деталь включается в агрегат.
При использовании технологии DirectShow была искусственно введена задержка между измерениями 30 мс, без задержки скорость измерений повышалась до 100 – 500 измерений в секунду, возможно из-за наличия в DirectShow интерполяции кадров по времени. Главным классом является TForm1 (наследник от TForm), экземпляром которого будет главная форма (окно) программы. TForm1 включает в себя 4 экземпляра TWebCamThread и по одному экземпляру TActionList, TListPointDouble, TPortDM5002Thread, TPortOwen. TForm1 должна обеспечить пользователю: ввод типа регулируемого манометра, запуск и настройку видеокамер, отображение характеристик цикла регулировки и регулируемых приборов по выполнению необходимых измерений, запуск печати циферблатов или формирования изображения для печати. TForm1 должна выполнять следующие действия: запуск и работу цикла регулировки, управление давлением в системе.
Объектная модель Класс TWebCamThread (наследник от TThread) должен выполнять чтение кадров, измерение момента времени чтения кадра t, обработку кадра (определение угла стрелки а с помощью класса TSensor) и запись (t, а) в список TListPointDouble. Каждый экземпляр TWebCamThread должен выполняться параллельно основному потоку и параллельно друг другу. Класс
TPortDM5002Thread (наследник от TThread) должен обеспечивать: измерение момента времени t, чтение давления системы P с цифрового манометра ДМ5002 (c помощью класса TPortDM5002) и запись (t, P) в список TActionList. Класс TPortDM5002Thread должен обеспечивать считывание давления в потоке, параллельном основному потоку программы. Класс TPortOwen должен обеспечивать связь с контроллером и передачу ему значений сигналов управления. Класс TSensor измеряет угол наклона стрелки относительно вертикальной нижней полуоси двумя способами:
1. При наличии априорной информации: текущее давление, положение стрелки, которое было измерено в предыдущий раз. Способ позволяет определить положение стрелки за относительно короткое время за счет использования априорной информации. Способ будет успешно работать, только если угол стрелки изменился незначительно.
2. При отсутствии априорной информации. Способ позволяет гарантированно определить положение стрелки, но работает гораздо медленнее первого.
Класс TSensor использует TFilter для определения контура стрелки и по контуру вычисляет угол, при неудачном определении контура или стрелки выдается значение угла меньше нуля. Класс TListPointDouble (наследник от TList) используется для следующих двух случаев: 1. Хранение списка значений (t, ), получаемых при съеме данных в процессе прямого или обратного хода. 2. Хранение списка значений (P, ), получаемых после совмещения списков (t, ) и (t, P). Построение статической модели манометра путем аппроксимации массива данных (P, ) полиномом второго или третьего порядка.
Класс TActionList или TExperiment3 (наследник от TList) используется для хранения списка значений (t, P) получаемых при съеме данных в процессе прямого и обратного хода. Кроме того, класс используется для вычисления скорости роста давления, ускорения, и предсказания значения давления через квант времени основного цикла регулировки (Timer2). Скорость роста давления и ускорение вычисляется двумя методами: 1) аппроксимация по нескольким последним точкам (4 – 6); 2) конечная разность с использованием последних двух точек для вычисления скорости и трех последних точек для вычисления ускорения. Первый метод можно использовать в случае, если разность используемых значений давления сравнима или меньше погрешности датчика давления. Второй метод лучше использовать в случае, если разность используемых значений давления значительно больше погрешности датчика давления.
Класс TPortDM5002 используется для открытия порта запроса данных с датчика давления, как в синхронном так и асинхронном режиме. Напомним, что класс TPortDM5002Thread организует поток чтения данных параллельно основному, поэтому запрос данных в классе TPortDM5002 можно организовать синхронным способом. Класс TPortDM5002Thread записывает данные в TActionList. Благодаря этому, даже при неудачном чтении данных давления, можно оценить актуальное значение давления или спрогнозировать на короткий срок значение давления.
Класс TFilter предназначен для определения граничной точки черного объекта на белом фоне. При создании фильтра, указывается характеристика границы в виде последовательности точек в координатах, обозначающих яркость точки фона около контура объекта (ось абсцисс) и яркость точки объекта (ось ординат). Подробнее принцип работы фильтра и алгоритм определения угла стрелки будут рассмотрены в третьей главе.
Нелинейные эффекты в процессе управления давлением в АСГМ
Для настройки манометров требуется плавно повышать давление до максимального значения, затем плавно понижать до минимального значения (рис. 3.5, а, б). Так как на начальном участке невозможно добиться требуемой скорости из-за ограниченности выходного сигнала устройства сопряжения (УС), то можно воспользоваться другим графиком (рис. 3.5, в). Кроме того, в данной задаче допускается снижение скорости, но нежелательно превышение скорости выше определенного максимума, следовательно, график роста давления может иметь вид (рис. 3.5, г).
При проведении опытов было замечено «проседание» характеристики манометра на малых давлениях при большой скорости роста давления (возможно проявление инерционности механизма), поэтому максимально допустимая скорость роста на малых давлениях должна быть ниже обычного (рис. 3.5, д, е). Кроме того, при работе программы управления, которая успешно отрабатывала рост давления (рис. 3.6, а), через несколько циклов роста-спада давления начинали проявляться эффекты «залипания» (рис. 3.6, б). Эти эффекты могут быть обусловлены: либо наличием сухого трения, либо гидравлической силой потока масла, либо наличием в масле мелких частиц, которые забивают клапан и препятствуют потоку масла и, следовательно, затрудняют успешное управление давлением. P
Проблемы при управлении давлением. Таким образом, автоматизация процесса регулировки манометров осложняется не только отмеченной выше в разделе 3.1 нестационарностью, но и отмеченными нелинейными эффектами.
Рассмотрим способы управления клапанами для задания давления P в гидравлической системе, изображенной выше на рис. 3.2. 1. Порционная подача масла
Способ заключается в кратковременном открытии одного клапана, при закрытом состоянии другого клапана. При этом масло должно проходить через клапан порциями и ступенчато менять давление в системе. Данный способ простой, но требует гарантированно-закрытого состояния, а некоторые клапаны не могут обеспечить такое состояние. Ещё один недостаток такой схемы - должна быть достаточно высокая временная разрешающая способность системы управления, так как при давлении системы P = in 0 и слишком большой разницы (Pin-P0) скорость изменения давления слишком высокая и требует соответствующего кратковременного открывания клапана.
Заключается в постепенном открывании одного клапана и одновременном закрывании другого клапана. В результате чего, поток масла через систему меняется, и давление устанавливается в определенное значение в соответствии с состоянием обоих клапанов. Способ немного сложнее предыдущего, но имеет плавный рост давления (при отсутствии помех) и не требует от системы управления высокой разрешающей способности по времени. Кроме того, хорошо работает даже если один или оба клапана не закрываются полностью. При загрязненности масла, данный способ не обеспечит должной устойчивости давления при неизменных значениях управляющих сигналов, так как поток масла постоянно идет через клапаны и есть вероятность, что какая-нибудь частица перекроет один из клапанов, в результате давление будет резко меняться в непредсказуемую сторону. По типу используемого устройства или алгоритма управления рассмотрим следующие способы:
Чаще всего используют пропорционально-интегрально дифференциальный (ПИД) регулятор. Значение управляющего сигнала рассчитывается по отклонению состояния ОУ от требуемого состояния (ошибки управления), скорости изменения ошибки и интеграла ошибки. Для использования такого регулятора необходимо построить математическую модель ОУ (в нашем случае это устройство сопряжения и система клапанов) и идентифицировать параметры модели.
Принцип работы конечного автомата заключается в определении управляющего сигнала по состоянию СУ. Достоинство этого способа: логичность определения управляющего воздействия. Недостаток: большое количество настраиваемых параметров.
Важнейшей компонентой стенда для автоматизированной регулировки узлов манометров с трубкой Бурдона является гидравлическая установка, представленная на рис. 3.2. На этом рисунке использованы следующие обозначения: ДД – датчик давления (цифровой образцовый манометр), Ст – насосная станция, Вн1, Вн2 – вентили, Др – дроссель для настройки входного давления, Кл1, Кл2 – электромагнитные клапаны для подъема и сброса давления, УУ – устройство управления. Гидравлическая установка предназначена для плавной подачи и сброса давления на регулируемые манометры. Поясним кратко функциональное назначение основных компонент гидравлической установки с помощью рис. 3.2. Станция нагнетания давления Ст способна выдавать постоянное давление масла. Через вентиль Вн1 давление масла подается на дроссель Др, с помощью которого можно настроить необходимое давление на вентиле Вн2 и входе клапана Кл1 (если Вн2 открыт). Электромагнитные клапаны Кл1 и Кл2 способны плавно менять свою гидравлическую проводимость под действием напряжений U1 и U2, таким образом регулируются потоки масла Q1 и Q2 через клапаны и давление на манометрах P.
Алгоритм инициализации потоков (циклов) чтения кадров с видеокамер и измерения углов стрелок регулируемых манометров.
Правовая охрана АСГМ обеспечивается патентом [29]. Изложим суть нашего изобретения. Изобретение относится к приборостроению, а именно к производству стрелочных приборов, и применяется для индивидуальной градуировки шкал манометров. Индивидуальную градуировку шкал целесообразно осуществлять в тех случаях, когда статическая характеристика прибора нелинейна и характер изменения систематической погрешности в диапазоне измерения случайным образом меняется от прибора к прибору данного типа (например, вследствие разброса нелинейности характеристик чувствительного элемента) так, что регулировка не позволяет уменьшить основную погрешность до пределов ее допускаемых значений. В этом случае индивидуальную градуировку проводят в следующем порядке. На предварительно отрегулированном приборе устанавливают циферблат с еще не нанесенными отметками. К измерительному прибору подводят последовательно измеряемые величины нескольких наперед заданных или выбранных значений. На циферблате наносят отметки, соответствующие положению указателя при этих значениях измеряемой величины, а расстояния между отметками делят на равные части.
При индивидуальной градуировке систематическая погрешность уменьшается во всем диапазоне измерения, а в точках, полученных при градуировке, она достигает значения, равного погрешности обратного хода.
Известна установка для градуировки шкалы стрелочных манометров [30], которая содержит компьютер, установку для создания давления, датчик давления, сканирующий узел и печатающее устройство. Градуировка манометра производится в состоянии, когда его штатная стрелка установлена, так как именно ее положение определяется сканированием. В процессе градуировки информация, получаемая от сканирующего устройства и от датчика давления, обрабатывается компьютером и создается виртуальная модель шкалы циферблата. Шкала прибора в таком случае может создаваться, когда циферблат установлен на самом приборе, при этом в качестве циферблата может служить задняя стенка корпуса. В другом варианте функционирования установки при изготовлении шкалы циферблат может находиться и отдельно от прибора, а после создания шкалы может быть на нее смонтирован.
Достоинством известной установки является то, что градуировка шкалы стрелочного манометра производится непосредственно по положению приборной стрелки. Однако это преимущество установки до конца не раскрыто. Кроме этого, форма стрелки, ее размеры, цвет и другие определяющие параметры могут существенно отличаться в различных моделях приборов, причем и внутри размерного ряда одной модели. Это существенно влияет на точность градуировки различных приборов, когда она производится при помощи одной универсальной стрелки. Другими недостатками установки являются: - неполная автоматизация процесса градуировки шкал манометров; - устранение влияния только нелинейности показаний, следовательно, влияние гистерезиса не рассматривается; - допускается несколько циклов повышения и понижения давления, что увеличивает время процесса градуировки и трудоемкость; - выполняется сканирование показаний только одного прибора на одной установке, что не дает возможности повышения производительности труда и снижения стоимости прибора; - использование на установке нескольких датчиков давления, находящихся в зоне циклического создания давления, что говорит о снижении уровня соответствия значения давления на датчике и значения давления на приборе; - при ручном задании давления в рабочей полости чувствительного элемента связь между ним и программируемым устройством управления отсутствует.
В качестве прототипа выбрана установка для градуировки шкалы стрелочных манометров [31]. Установка имеет в своем составе программируемое устройство управления (ПУУ), устройство 2 для создания давления в рабочей полости чувствительного элемента, например задатчик давления. В случае использования устройства 2 с ручным управлением, связь между ним и программируемым устройством управления (ПУУ) отсутствует, в противном случае ПУУ соединено с устройством 2. Установка также снабжена датчиком давления 3, соединенным с ПУУ и с устройством 2 для создания давления, а также содержит печатающее устройство 4, соединенное с ПУУ и способное печатать шкалу прибора как непосредственно на циферблат прибора, так и на другой приемлемый объект. Кроме этого установка имеет в своем составе носитель метки (меток), который вместо штатной приборной стрелки закрепляется на оси манометра на время градуировки, а также имеет устройство 7, способное регистрировать положение метки при повороте оси манометра и соединенное с ПУУ. У выбранного прототипа имеются аналогичные недостатки, что и у известной установки для градуировки шкалы стрелочных манометров [30]. Кроме этого у прототипа есть и другой существенный недостаток, а именно: - для снятия показаний используется универсальный диск. Такой способ осложняет изготовление приборных стрелок, а в случае несоответствия балансировок приводит к снижению класса точности прибора.
Целью предлагаемого технического решения является усовершенствование способа и устройства для индивидуальной градуировки шкал манометров, повышение производительности и точности приборов
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для индивидуальной градуировки шкал манометров специальным устройством подают с определенной скоростью давление в полость упругого чувствительного элемента (далее трубки Бурдона) от нуля до номинального значения и снижение обратно до нуля, причем для этого достаточно одного цикла. Считывающее устройство имеет связь с манометрами по оптическому принципу и в реальном времени определяет положение стрелок манометров и в виде цифрового сигнала передает на компьютер с управляющей программой. Действительное значение давления, подаваемое на приборы, во времени определяется с помощью цифрового измерителя, связанного с компьютерной управляющей программой. Управляющая программа обрабатывает полученную информацию, моделирует шкалы приборов и передает полученные данные на печатное устройство. Кроме этого по сравнению с [30, 31], в которых используется универсальная стрелка либо универсальный диск, в предлагаемом техническом решении используется индивидуальная стрелка. В предлагаемом техническом решении снято требование к статической балансировке стрелок. Ее характеристики учитываются при снятии показаний.