Содержание к диссертации
Введение
1 Принципы построения автоматизированных систем управления технологического комплекса «подъем» 10
1.1 Принципы построения электропривода как управляющего объекта автоматизированной системы 10
1.2 Характеристика систем логического управления технологическими процессами 14
1.3 Характеристика устройств управления и защиты технологического комплекса «Подъем» 17
1.3.1 Путевые программные аппараты., 18
1.3.2 Ограничители скорости 20
1.4 Основы построения управляющих автоматов в системах электроприводов 27
1.4.1 Общая характеристика управляющего автомата 27
1.4.2 Функциональная структура управляющего автомата в системе электропривода 30
1.4.3 Представление алгоритма управления в управляющем автомате 36
1.5 Выводы по главе 43
2 Алгоритмизация процесса функционирования управляющего автомата шахтной подъемной установки 44
2.1 Структура потоков информации в управляющем автомате 45
2.2 Математическое описание управляющего автомата 48
2.2.1 Система технологической автоматики 48
2.2.2 Система технологических защит и контроля хода подъемной машины 62
2.2.3 Программное устройство управления 69
2.3 Выводы по главе 75
3 Синтез управляющего автомата шахтной подъемной установки 76
3.1 Синтез закона управления 77
3.1.1 Фазовая траектория движения 78
3.1.2 Диаграмма движения в пространстве состояний 85
3.1.3 Реализация закона управления на языке регулярных событий ... 91
3.1.4 Алгоритмическое представление закона управления формируемого управляющим автоматом 97
3.2 Способы повышения качественных характеристик алгоритмов функционирования управляющего автомата 104
3.2.1 Вычисление местоположения 104
3.2.2 Вычисление скорости и тока 106
3.2.3 Коррекция местоположения сосуда 108
3.2.4 Контроль исправности 108
3.2.5 Формирование программы движения 109
3.2.6 Защита от превышения скорости 110
3.2.7 Защита от переподъема 112
3.2.8 Защита от обратного хода 113
3.3 Методика синтеза управляющего автомата 117
3.4 Выводы по главе 119
4 Система контроля движения электропривода шахтной подъемной установки 120
4.1 Модульная структура системы контроля движения 121
4.2 Аппаратное построение системы контроля движения 125
4.2.1 Выбор элементной базы 125
4.2.2 Техническая структура системы контроля движения 132
4.3 Алгоритмы работы системы контроля движения 135
4.4 Программное обеспечение системы контроля движения 143
4.5 Выводы по главе 145
Заключение и выводы по работ
Список литературы 148
Приложения 159
- Принципы построения электропривода как управляющего объекта автоматизированной системы
- Система технологических защит и контроля хода подъемной машины
- Реализация закона управления на языке регулярных событий
- Модульная структура системы контроля движения
Введение к работе
Актуальность работы. Неотъемлемой частью большинства промышленных агрегатов являются системы управления электроприводами, и именно они во многих случаях определяют эффективность производства. Вследствие этого непрерывное развитие технологических процессов, требование повышения их технико-экономических показателей и безопасности труда вызывают необходимость совершенствования данных систем. Существенную роль здесь приобретает создание систем логического управления (СЛУ), построенных с применением микропроцессорных средств, к классу которых относятся управляющие автоматы (УА).
При разработке УА сталкиваются со многими трудностями, обусловленными дискретным характером задач, которые часто не позволяют использовать традиционные методы исследования. Однако, наметившаяся тенденция более глубокого проникновения электропривода в технологический процесс, определенная успехами в развитии микроэлектроники, выдвигает в качестве актуальной и перспективной проблему создания УА, как базового элемента автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП).
В настоящее время для горно-металлургического производства разработаны и используются различные СЛУ, основное назначение которых состоит, прежде всего, в реализации требуемых параметров технологического процесса. Очевидно, что УА также обеспечивает оптимизацию и заданный уровень автоматизации производства (прокатные станы, подъемные установки и др.). Немаловажно и то, что практически вся применяемая аппаратура управления (наиболее яркий пример - шахтные подъемные установки) не просто морально, а технически устарела и отечественной промышленностью серийно не выпускается.
Бесспорно, что дальнейшее совершенствование СЛУ связано с научно-техническим прогрессом в области цифровой вычислительной техники и требует пересмотра подходов и методов их исследования. С этих позиций выделение в управляемом электроприводе устройств, объединяемых под понятием управляющий автомат, является предпосылкой для создания принципиально новых локальных АСУ технологическими комплексами.
Проблемами создания локальных АСУ занимались как отечественные, так и зарубежные ученые. Однако в последнее десятилетие в России этому вопросу уделялось недостаточно внимания, а сведения о теоретических принципах и существе разработок иностранных компаний в доступной печати отсутствуют. Вместе с этим необходимость перехода на более высокий уровень автоматизации на основе микропроцессорного управления, не достигнутая в полной мере отечественной практикой, очевидна, что делает проблему исследования актуальной.
Цель и задачи диссертации. Целью работы являются создание системы управления, обеспечивающей взаимодействие между электроприводом и технологическим процессом. При этом электропривод выполняет ряд дополнительных функций, которые способствуют повышению качественных характеристик и безопасности подъемного комплекса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Сформулировать принципы построения управляющего автомата в электроприводе.
2. Осуществить алгоритмизацию технологического процесса при согласованном управлении механизмами производственных комплексов.
3. Разработать алгоритмические структуры и методики проектирования микропроцессорной системы логического управления и технологических защит шахтной подъемной установки.
4. Решить задачу синтеза закона управления электроприводом технологического комплекса.
5. Получить алгоритмы функционирования и техническую структуру системы контроля движения электропривода шахтного подъема.
Методы исследований. В работе в качестве базиса использована концепция построения автоматического электропривода и ее конкретизация применительно к управляющему автомату, основанная на анализе функций и структуры объекта управления посредством сочетания физического моделирования и промышленных испытаний. При решении поставленных задач предпочтение отдавалось общим методам теории автоматического управления, теории оптимизации процессов, теории дискретных устройств.
Научная новизна.
1. Расширено понятие управляющего автомата как устройства, формирующего режим работы электропривода и реализующего алгоритм функционирования систем автоматики, что позволило применить его при анализе и синтезе систем логического управления электроприводами в составе технологических комплексов.
2. Предложены принципы построения управляющего автомата, основанные на представлении его как интегрированной развивающейся структуры, определяющей роль электропривода в оптимизации технологического процесса.
3. Получены математические модели управляющего автомата и вскрыты основные закономерности, определяющие функционирование его модулей и взаимосвязь между ними, что позволило определить состав и характеристики микропроцессорных средств управления.
4. Определена область применения методик анализа и синтеза управляющих автоматов, охватывающая объекты горно-металлургического производства, в которых электропривод определяет основные параметры технологического процесса.
5. Предложена методика синтеза управляющего автомата, отражающая взаимодействие между системой автоматизированного электропривода и технологическим процессом. Практическая ценность. Принципы построения и методика синтеза управляющего автомата и его составных модулей могут быть использованы при разработке технических проектов новых и модернизации действующих автоматизированных систем управления подъемных установок и прокатных станов.
Реализация разработанных алгоритмов функционирования управляющего автомата, позволяет создать микропроцессорную систему контроля движения электропривода шахтной подъемной установки, обеспечивающую высокий уровень эксплуатационной надежности и безопасности.
Результаты работы в целом создают предпосылки для построения автоматизированного электропривода с более высокими технико-экономическими показателями. Кроме этого, возможно использование результатов работы при подготовке специалистов электротехнических специальностей.
Реализация результатов работы. Работа выполнялась в соответствии с темами комплексных и подотраслевых планов. Разработаны программируемый аппарат защиты и контроля хода (ПАЗК) скиповой подъемной машины типа ЦРбхЗ,2/0,75 ствола «Главный» и система контроля движения (СКД) подъемной машины типа ЦР4хЗ,2/0,6 ствола «Воздуховыдающий» Абаканского рудоуправления.
Для проверки разработанных алгоритмов в реальном масштабе времени созданы физические модели системы контроля движения для электроприводов постоянного и переменного токов, на которых также происходит обучение оперативного персонала шахт и студентов старших курсов СибГИУ специальностей «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и «Промышленная электроника». В настоящее время внедрен в производство ПАЗК, который находится в эксплуатации с 1997 года, и ведется подготовка к пуску СКД. Результаты, полученные в работе, реализованы в 6 технических и рабочих проектах устройств управления и защиты подъемных комплексов для Абаканского, Казского, Таштагольского, и Шерегешского рудоуправлений.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту вынесены:
1. Методики анализа и синтеза управляющего автомата автоматизированной системы управления электроприводом шахтной подъемной установки, которые обеспечивают переход от традиционных систем логического управления к интегрированным с более высоким уровнем автоматизации.
2. Формализация задач анализа и синтеза управляющего автомата, теоретические и инженерные разработки по его алгоритмическому и программно-техническому обеспечению.
3. Алгоритмы функционирования управляющего автомата электропривода технологического комплекса «Подъем».
4. Микропроцессорная система технологических защит и контроля движения шахтной подъемной машины.
Личный вклад автора заключается в формировании основных положений и разработке научных основ создания управляющего автомата автоматизированного электропривода; развитии принципиальных решений систем логического управления и защиты шахтной подъемной установки; разработке методик анализа и синтеза управляющего автомата электропривода технологического комплекса «Подъем»; теоретических и инженерных разработках по алгоритмическому и программному обеспечению задач формирования и контроля процессов управления электроприводом шахтного подъема.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология» (Новокузнецк, 1996), на V Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горно-добывающей промышленности» (Новокузнецк, 1998), на Всероссийской научно-практической конференции «Системы и средства автоматизации» (Новокузнецк, 1998), на Всероссийском Электротехническом конгрессе с международным участием ВЭЛК-99 «На рубеже веков: итоги и перспективы» (Москва, 1999), на юбилейной региональной научно-практической конференции «Перспективы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 1999), на II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2000), на VIII Международной научно-практической конференции «Современные перспективные технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2001), а также на семинарах НИИ АИЭМ СибГИУ и кафедры «Автоматизированного электропривода и промышленной электроники». Система контроля движения и ее варианты удостоены дипломами за лучший экспонат на выставках-ярмарках «НОВОТЕХ-1998», «УГОЛЬ РОССИИ-1999», «УГОЛЬ РОССИИ И МАЙНИНГ-2000», «УГОЛЬ РОССИИ И МАЙНИНГ-2001».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 143 наименований и 2 приложений. Общий объём диссертации составляет 185 страниц, в том числе 158 страниц основного текста, 8 таблиц и 34 рисунка.
Принципы построения электропривода как управляющего объекта автоматизированной системы
Практически во всех отраслях народного хозяйства для управления механизмами, требующими обеспечения высокой точности исполнения заданных законов изменения различных координат (скорости движения, положения рабочего механизма, момента двигателя, силы тока в двигателе и др.), применяется электропривод (ЭП). При этом он осуществляет не только поддержание требуемых значений координат, но и во многом определяет параметры самого технологического процесса. В горно-металлургической промышленности к данному классу можно отнести автоматизированные электроприводы (АЭП) шахтных подъемных установок, прокатных станов, опрокидывателей, экскаваторов и др.
В горнодобывающем производстве особое место занимает электропривод подъемных установок, прежде всего - рудных подъемов, определяющих не только производительность и жизнеспособность рудника, но и являющихся самыми мощными потребителями электроэнергии. Это - электроприводы среднего быстродействия, отличающиеся наличием больших движущихся масс (до 1000 т), на порядок превышающих электромагнитную инерцию машин. Кроме этого указанные механизмы относятся Госгортехнадзором России к особо опасным установкам, где электропривод определяет основные показатели технологического процесса транспортировки грузов обеспечивающие безопасность всего шахтного подъема.
По ходу технологического процесса в зависимости от его особенностей может происходить изменение режимов работы электропривода. Число электроприводов, требующих согласно технологии лишь одного режима, очень ограничено, и они обычно не относятся к числу регулируемых. Как правило, регулируемый электропривод работает попеременно в режимах программном и стабилизации.
В настоящее время металлургическая и горнодобывающая промышленность остро нуждаются в создании автоматизированных систем управления производством на базе автоматизации основных технологических процессов, многие из которых имеют электроприводы большой мощности. Очевидно, что в данном случае целесообразно на базе автоматизированного электропривода создавать локальную АСУ, входящую как подсистема в АСУ ТП. В связи с этим поиск рациональных структур, применение новых подходов к анализу и синтезу управляющих объектов при создании автоматизированного электропривода, как локальной АСУ, требуют пересмотра некоторых методологических принципов построения таких систем [86].
Для построения локальной АСУ ЭП необходимо включение в ее состав управляющего автомата, определяющего его взаимодействие с технологическим процессом. Исключение влияния человеческого фактора на процесс управления АЭП дополнительно требует наличия в его составе информационно-управляющей системы (ИУС), осуществляющей контроль параметров технологического процесса, распределение информационных потоков и выработку управляющего воздействия на входе того модуля, который в текущий ситуации позволяет наиболее эффективно реализовать заданный алгоритм функционирования. В этом случае система АЭП, входя в состав АСУ ТП, является источником данных и для информационной системы последней, получая, в свою очередь, от нее данные, необходимые для формирования управляющих воздействий.
Существующие принципы построения автоматизированных комплексов ориентированы в основном на создание систем, главным назначением которых является формирование управления объектом в соответствии с требуемым алгоритмом функционирования, определяемым технологическим процессом. Оптимизация процессов управления достигается в основном за счет применения традиционных методов синтеза. При этом возникают проблемы реализации оптимальных настроек, вызванные известными противоречиями в требованиях достижения заданных статической и динамической точностей. Особенно остро эти противоречия сказываются в тех случаях, когда параметры системы имеют граничные значения (в электроприводе к такому параметру относят электромеханическую постоянную времени).
Таким образом, в сложившихся условиях, управляющие системы нуждаются в развитии методов анализа и синтеза, направленных на поиск путей реализации структур, в наибольшей мере удовлетворяющих современному этапу развития микропроцессорных управляющих средств. Решение этих задач требует пересмотра некоторых методологических принципов построения таких систем.
Создание системы электропривода как локальной АСУ, входящей в АСУ ТП, возможно на базе единой концепции ее построения [86], в соответствии с которой система электропривода должна содержать несколько взаимосвязанных и взаимодействующих модулей: 1. Самонастраивающаяся автоматическая регулирующая система скорости и положения рабочего органа (САРС). Эта система предназначена для формирования управляющих воздействий на объект управления - регулирования скорости и положения рабочего органа. Выходными переменными системы являются физические величины, управляемость и наблюдаемость которых необходимо обеспечить. 2. Управляющий автомат автоматизированной системы управления технологическим процессом (УА). Основное назначение УА - логический анализ ситуаций и выработка управляющих воздействий, обеспечивающих оптимальное в заданном смысле протекание технологического процесса, а также реализация функций защиты от отклонений заданных характеристик технологических режимов и нарушений эксплуатационных характеристик оборудования. 3. Система анализа информации и синтеза управлений - информационно управляющая система (ИУС). Это многофункциональная система, она произво дит контроль параметров элементов системы электропривода и анализ протека ния технологического процесса, документирование результатов проверки и долгосрочное хранение полученной информации. Результатом ее работы явля ется выполнение функций диспетчера в «штатных» ситуациях, экспертные за ключения в «нештатных» и коррекция управляющих воздействий на объект управления, постоянно обеспечивая необходимой информацией главных спе циалистов. ИУС имеет сложную организацию и содержит функциональные модули: анализа и синтеза информации, оптимизации производственного процесса и регистрации динамических и статических характеристик и необходимых для анализа физических переменных. 4. Управляемый преобразователь энергии (ПЭ). Служит для преобразования числа фаз и законов изменения напряжения сети в законы изменений и число фаз, требуемых для питания двигателей, входящих в систему электропривода. 5. Объект управления (ОУ), включающий двигатель и рабочий механизм. Его назначение - приведение в движение исполнительных органов рабочего механизма по заданному закону с целью осуществления технологического процесса.
Система технологических защит и контроля хода подъемной машины
Применение микроэлектроники и микропроцессорной техники является главным направлением совершенствования систем и устройств автоматики. Однако при этом коренным образом изменяются методы проектирования систем и конструирования устройств автоматики, поскольку они должны теперь базироваться на глубоком изучении особенностей технологических процессов (влияющих на управляемость), структуризации процессов, четком определении уровней управления и особенностей их локализации и интеграции. Поэтому основой создания систем управления на базе микропроцессорной техники является алгоритмизация (математическое описание) процессов функционирования технологических объектов и систем.
При проектировании современных систем главными являются задачи: определения качества функционирования системы, выбора оптимальной структуры и законов управления, построения системы в соответствии с поставленной перед ней целью. Очевидно, их решение требует исследования характеристик процесса функционирования системы математическими, включая и машинные, методами. В этой связи алгоритмизацию можно рассматривать как необходимый начальный этап, используемый при проектировании и исследовании систем.
Построение алгоритмов оказывается возможным, если имеется информация или выдвинуты гипотезы относительно структуры, принципов функционирования и параметров исследуемого объекта, т.е. проведена формализация этого процесса и построена математическая модель.
Исходной информацией при построении математических моделей процессов функционирования систем служат данные о назначении и условиях работы исследуемой системы. Эта информация определяет основную цель алгоритмизации и позволяет сформулировать требования к разрабатываемой модели. Кроме этого, анализ показывает, что одним из направлений повышения качества проектируемых устройств является формализация исходного представления, его преобразование [91]. Это позволяет в короткие сроки проработать различные альтернативные варианты проектов, обеспечивая их алгоритмическую надежность, исключить ошибки проектирования, повысить производительность инженерного труда и снизить затраты.
Учитывая, что в основу математического описания и построения всех систем управления электроприводом положен принцип структурного моделирования, при котором соблюдается подобие элементов различной природы, описание систем технологической автоматики, защит и контроля целесообразно также осуществлять методом структурного моделирования. Данный метод позволяет выделить из системы любую часть и рассматривать ее как отдельный элемент, включение которого в общую схему производится с учетом взаимодействия его с другими элементами. При этом алгоритмизация функционирования управляющего автомата, включает: - анализ общего алгоритма работы технологического комплекса; - функциональное построение отдельных модулей; - определение структуры потоков информации; - анализ объекта управления; - математическое описание модулей. Как отмечалось выше алгоритмизация это всего лишь начальный этап проектирования системы и в нашем случае его цель подготовить информацию о функционировании модулей управляющего автомата в виде необходимом для использования на последующих этапах. Однако, уже на данном этапе закладывается минимальная функциональная основа любой локальной АСУ - система технологической автоматики. Поэтому одним из результатов алгоритмизации должно быть выделение методики проектирования данных систем. Также отметим, что первые два положения процедуры алгоритмизации являются результатом систематизации информации о ходе технологического процесса, в связи с этим, они особого интереса не представляют и поэтому в работе нашли отражение как уже состоявшийся факт. Подъемная установка представляет собой единый функционально законченный комплекс и любое воздействие внешней среды влечет за собой изменение входных воздействий или внутренних параметров. Поэтому, для перехода от содержательного (концептуального) описания УА к математическому, необходимо определить воздействия на него внешней среды, технологических машин и механизмов, электропривода и наоборот. Таким образом, УА, предназначенный для логического анализа ситуации и формирования оптимального управляющего воздействия на входе системы автоматического регулирования (САР), использует технологическую информацию от различных источников. Для выполнения требуемых функций необходимо решить задачи по сбору данных о состоянии технологических процессов, наблюдению за их ходом, сохранению результатов регистрации, их обработке и выдаче на индикацию, а также управлению. Для решения предложенных задач необходимо определить структуру информационных потоков. Требуется разделить выполнение отдельных задач между различными модулями управляющего автомата и внутри модулей между аппаратными и программными частями. Возможный объем собираемой информации определяется: - технологическими требованиями (например: для защиты от превышения скорости в СТЗ необходимо минимум два сигнала - местоположение подъемного сосуда и его фактическая скорость движения и др.); - требованиями правил безопасности (определяется минимально необходимый набор выполняемых функций); - пожеланиями заказчика (дополнительные сигналы для удобства обслуживающего и наладочного персонала). Все сигналы можно разделить на информационные и управляющие. К информационным относятся сигналы, при помощи которых осуществляется централизованный контроль за состоянием технологического объекта (измерение и регистрация значений технологических параметров, обнаружение и регистрация их отклонений от установленных пределов, контроль срабатывания защит и блокировок и др.). В управляющие входят сигналы, определяющие режим ведения технологического процесса и формирующие управляющие воздействия на объект. В системе технологической автоматики к информационным относится только часть входных сигналов, осуществляющая контроль состояния технологического оборудования подъемной установки Anz] и А"2. Остальные входные сигналы, определяющие режим работы подъемной установки Апр1 и направление движения подъемной машины А"р2, как и выходные сигналы управления тормозом Z"al, выключателем тока якорной цепи Z"a2 и системой автоматического регулирования Zna3, являются управляющими.
Реализация закона управления на языке регулярных событий
Обобщая материалы, изложенные в предыдущих главах, можно сформулировать следующие основные положения методики синтеза управляющего автомата в системах электропривода. 1. Анализ функций традиционных подсистем управления и защиты. Заключается в идеализации операций, которые должна выполнять подсистема, которая приводит к формулировке условий работы в терминах дискретного времени. Выполняется таким образом, чтобы схема информационного взаимодействия (связности) данных подсистем отражала передачу управления от одного функционального модуля к другому. Здесь получают, так называемые, внешнее и внутреннее описания. Первое - задает входные и выходные сигналы, их характеристики и связи с другими компонентами, второе - устанавливает функциональную связь между ними, т.е. определяет алгоритм функционирования. 2. Декомпозиция и формализованное представление подсистем, опреде ляющих функциональную структуру управляющего автомата. Выделенные подсистемы последовательно разделяются на меньшие функциональные модули, каждый из которых можно анализировать и разрабатывать отдельно от других. Это разделение выполняется до такого уровня, когда реализация функций управления и самих подсистем превращается в достаточно наглядную и легко разрешимую задачу. При этом степень детализации модуля приводится в соответствие со сложностью реализуемых функций. Образованные после декомпозиции функциональные структуры систем подвергаются формализации. 3. Анализ функционирования модулей управляющего автомата. Выполняется с целью определения узких мест при реализации имеющихся функций на микропроцессорной технике и способов улучшения эксплуатационных показателей технологического процесса. Причем проектировщик теперь имеет дело с фрагментами, а не целой системой. Задача анализа, в данном случае, - преобразование функциональных описаний традиционных подсистем, на основе выбранной стратегии, теоретических положений, определяющих правила выполнения преобразований описания. В результате получается функциональная структура нового устройства (УА), компонентами которой являются стандартные элементы. 4. Формирование алгоритмов работы управляющего автомата. Создание алгоритмов работы управляющего автомата, после получение новой алгоритмической структуры, может потребовать их доопределения и уточнения целевого назначения. Поэтому этот этап носит явно выраженный итеративный характер, т.е. требует многократных проб, прежде чем возникает уверенность, что алгоритм реализации правильный и завершенный. Исходя из принципов построения и методики синтеза управляющего автомата, может быть предложена методика проектирования, которая состоит из четырех этапов. 1. Выделение в общей системе управления технологическим процессом отдельных подсистем (устройств), которые, на основании указанных принци пов построения, функционально объединяются под понятием управляющий ав томат. Исходной информацией при разделении функций между системой управления и управляющим автоматом является описание технологического процесса с определением его координат, оптимальных и рациональных режимов работы. 2. Выбор аппаратных средств управляющего автомата. Управляющий автомат представляет собой логическое устройство с высокой степенью детерминированности и допускает множество вариантов его системного включения. Поэтому выбор аппаратных средств является задачей многоплановой зависящей от множества факторов. В связи с этим целесообразно рекомендовать только типовой состав аппаратных средств ядра управляющего автомата, который выполняется конструктивно в виде универсального одноплатного контроллера и предназначен для встраивания в контур управления объектом или процессом. 3. Получение алгоритмов работы управляющего автомата в соответствии с предложенной методикой синтеза. 4. Проверка совместимости полученных алгоритмов функционирования и аппаратных средств. При выявлении элементов несоответствия вернуться в п. 2. 5. Разработка рабочей программы управляющего автомата. При использовании предлагаемой методики разработка рабочей программы управляющего автомата сводится к преобразованию полученного алгоритма в исходный текст программы, что является делом относительно несложным и по своей сути представляет просто совокупность процессов трансляции, реализация которых опирается на системное программное обеспечение. 1. Предложенная форма аналитического представления алгоритма функционирования управляющего автомата определяет формирование оптимальных траекторий при ограничениях технологических координат и наиболее эффективна при программной реализации. 2. Разработан алгоритм управления электроприводами шахтных подъемных установок, основанный на применении метода пространства состояний. 3. Показана возможность представления закона управления с ограничениями при формировании оптимальных траекторий конечным автоматом, что по-новому ставит задачу исследования методов синтеза с целью получения более универсального подхода при проектировании управляющих автоматов различных систем электропривода. 4. На основе формализованного описания систем логического управления шахтных подъемных установок, определены требуемые параметры функционирования и разработаны алгоритмы микропроцессорной системы с программным движением, повышающие качественные характеристики закона управления УА и обеспечивающих более эффективную и надежную работу технологического комплекса в целом. 5. Предложена методика синтеза управляющего автомата, которая позволяет на основе общего функционального описания системы управления и взаимодействия последней с объектом управления определить функциональную структуру управляющего автомата и его алгоритмическую реализацию.
Модульная структура системы контроля движения
Для реализации системы контроля движения шахтной подъемной машины был выбран контроллер семейства MicroPC с использованием модулей российской фирмы Fastwel. Эти контроллеры предназначены для выполнения задач автоматизации технологических процессов, где требуется надежное оборудование, способное работать в жестких условиях эксплуатации.
Работа данного контроллера полностью аналогична работе персонального компьютера PC AT. Обработка информации и принятие решений в нем производится модулем микроконтроллера CPU188-5MX, который постоянно опрашивает входные сигналы, поступающие с объекта управления, и производит обработку полученной информации в соответствии с заложенной рабочей программой. При недостаточном количестве каналов ввода-вывода модуля центрального процессора, или нехватке вычислительных мощностей предусмотрены дополнительные периферийные модули легко интегрируемые в контроллер.
Исходное описание алгоритма управления, по которому составляется рабочая программа, может быть представлено как на языке алгебры Буля, так и на любом другом алгоритмическом языке. Для запоминания управляющей программы служит программируемая память (флэш-память). Загрузка программы в память контроллера осуществляется из сервисной ПЭВМ, которая связана с ним специализированным кабелем через СОМ-порт, с помощью коммуникационной программы transl88.exe. Благодаря своей компактности, низкому энергопотреблению и функциональной насыщенности (см. рис. 4.3), модуль CPU188-5 является оптимальным решением для широкого диапазона приложений. - 3 системных таймера, супервизор, отслеживающий аппаратные неисправности, и сторожевой таймер, используемый для выявления программных сбоев; - 5 линий прерываний + NMI; - 2 канала DMA (до 5 Мбайт/с; без сигналов DACK); - универсальный порт дискретного ввода-вывода (UNI048) на 48 каналов, которые могут использоваться для управления модулями УСО с гальванической развязкой, счета импульсов, измерения и формирования частоты, формирование временных диаграмм и т.д.; - 2 программируемых изолированных асинхронных последовательных порта: СОМІ - RS-232/485, COM2 - RS-232/422/485; - порты ЖК-индикатора, матричной и порт АТ-совместимой клавиатуры; - изолированный порт аналогового ввода-вывода: 8 аналоговых 12-разрадных входов и 2 аналоговых 12-разрядных выхода; - изолированный удаленный сброс; - максимальный потребляемый ток: 750мА; - диапазон рабочих температур: от -40 до +85 С; - среднее время наработки на отказ 120 тыс. часов. Таким образом, при длине рабочей программы в 10000 VAX-инструкций и указанным быстродействием модуля центрального процессора время её выполнения составит порядка 1,87 мс, что, с учетом времени отпускания применяемого электромагнитного реле - 15 мс, определяет общее время срабатывания защиты СКД, которое намного меньше времени срабатывания эксплуатируемых электромеханических аппаратов (100-:-400 мс). Как видно, быстродействие системы в основном зависит от типа выходного реле (здесь обусловлено достаточно высокой коммутационной нагрузкой в цепи предохранительного торможения - 220 ВА на постоянном токе) и его замена на более быстродействующее электромагнитное или твердотельное может высвободить значительный резерв времени срабатывания. А так как устройство контроллера предусматривает использование прерываний, то его применение возможно и в области быстротекущих технологических процессов. Кроме этого, значительная наработка на отказ контроллера и кассетный принцип построения из стандартных модулей, позволяющий производить замену неисправного модуля в течение короткого времени (около одной минуты), позволяют сделать заключение о низкой стоимости эксплуатации контроллера. Все это говорит о возможности реализации на данном программируемом контроллере системы контроля движения шахтной подъемной машины с функциями систем автоматики, технологических защит и устройств формирования закона управления, при соблюдении всех предъявляемых требований. Для осуществления измерения местоположения сосудов в стволе шахты бал выбран преобразователь угловых перемещений фотоэлектрический модели ВЕ-178А. Он предназначен для использования в системах автоматического регулирования для информационной связи по положению между исполнительными механизмами промышленных устройств и устройством числового программного управления, а также в системах автоматического или автоматизированного контроля, регулирования и управления других областей техники. Преобразователь состоит из трёх частей: механической, оптической и электронной. Механическая часть обеспечивает вращение вала преобразователя относительно корпуса и размещение оптической и электронной частей внутри корпуса. Оптическая часть содержит светодиод, линзу, растровую индикаторную пластину и растровый диск. При вращении световой поток от светодиода через линзу, растровые пластину и диск поступают в электронную часть на фотодиоды, которые выдают несформированные сигналы. Эти сигналы подаются на входы формирователей, преобразующих синусоидальное напряжение в прямоугольные импульсы. Формирователями импульсов служат компараторы, выходы которых, для получения прямых и инверсных сигналов, подключаются к выходным каскадам, выполненным на транзисторах.
Так как на индикаторной пластине растры расположены в два сектора, сдвинутые относительно друг друга на 1/4 шага растра, то импульсы получаемые с фотодиодов также сдвинуты на четверть периода.
Подключение датчика к микроконтроллеру CPU188-5MX осуществляется через клеммную плату с гальванической развязкой TBI-24/0 к универсальному порту ввода-вывода дискретных сигналов, выполненному на программируемой вентильной матрице ПВМ (FPGA). ПВМ построена по архитектуре заключающейся в объединении множества конфигурируемых логических блоков с помощью программируемых коммутирующих путей (матрицы соединений). В связи с этим была получена конфигурационная программная схема устройства, предназначенного для подсчета импульсов, поступающих от трех преобразователей угловых перемещений, и ввода-вывода дискретных сигналов.
