Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие принципы построения весодозирующих установок и ИИУС весодозирования 16
1.1. Обзор весодозирующей области 16
1.2. Информационная измерительно-управляющая система ВДУ-аналога . 23
1.3. Основные типы датчиков ВДУ 25
1.4. Задачи диссертационной работы 35
Выводы по первой главе 39
Глава 2. Разработка операционных моделей формирования измерительной и управляющей информации весодозирования 40
2.1. Современная базовая ВДУ 40
2.2. Информационная измерительно-управляющая система базовой ВДУ 52
2.3. Фреймовая модель информационных каналов базовой ВДУ 56
2.4. Графовая объектно-ориентированная модель ИИУС ВДУ 79
Выводы по второй главе 96
Глава 3. Разработка параметрических моделей индуктивных датчиков перемещений 97
3.1. Поэтапный метод улучшения датчиков 97
3.2. Модели индуктивных датчиков, выстраиваемых по уровням снижениятемпературного влияния 100
3.3. Погрешности индуктивных датчиков модельного ряда 110
Выводы по третьей главе : 114
Глава 4. Практическое построение и применение ИИУС весодозирующих установок 115
4.1. Групповые преобразователи перемещений для ВДУ 115
4.2. Детализация модельных блоков 121
4.3. Практическое применение. Технические характеристики ИИУС 132
Выводы по четвертой главе 137
Заключение 139
Библиографический список 141
Приложение. Документы, подтверждающие внедрение 150
- Информационная измерительно-управляющая система ВДУ-аналога
- Информационная измерительно-управляющая система базовой ВДУ
- Модели индуктивных датчиков, выстраиваемых по уровням снижениятемпературного влияния
- Практическое применение. Технические характеристики ИИУС
Введение к работе
Актуальность темы. К настоящему времени на предприятиях различных отраслей промышленности, таких, как железобетонные, комбикормовые заводы, хлебозаводы, большое распространение получает автоматизированное весодозирование. Одни из важнейших целей автоматизации - обеспечить наилучшее качество производимой продукции, уменьшить количество аварий на производстве, а зачастую - предвидеть и не допустить их, ужесточить контроль за расходом производимой продукции и расходными материалами, снять с рабочего персонала трудоёмкие, а иногда и опасные физические нагрузки, ускорить процесс производства. Весодозиругощая установка (ВДУ) представляет собой сложную многоуровневую человеко-машинную систему, обеспечивающую управление технологическим процессом (ТП) приготовления смесей, измерение весовых данных и положений ее рабочих органов (РО).
Современные предприятия, уже производившие автоматизацию в прошлом, стремятся модернизировать ее уровень. Модернизация существующего уровня автоматизации обычно заключается в обеспечении оператора (человеческий фактор) наиболее достоверной информацией от объекта наблюдения, понижении числа потенциальных аварий и удешевлении производства. Перед такими предприятиями встает ряд задач, среди которых важное место занимают моделирование технологических установок и технологического процесса в целом, подбор датчиковой аппаратуры, алгоритмизация ТП и создание (подбор) соответствующего программного обеспечения, задача сокращения сроков консервации предприятия на время автоматизации. Подход к автоматизации производства должен быть основан на модульности (блочности) выполняемых работ. Это оставляет возможность для быстрой, качественной, наиболее дешевой и не идущей в разрез с потенциально возможными работами в будущем по модернизации существующего уровня автоматизации.
Принципы построения и характеристики автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) рассматривались многочисленными исследователями-специалистами, в частности, Бочковым А.П., Гасюком Д.П., Филостиным А.Е., Рыбаковым Ф.И., Корытиным A.M., Кьюсиаком
Э., Яковлевым В.Б, Щеныиковым Ю.Ф., Ворониным Ю.М., Петровым В.Я., Олссоном Г., ПианиД. [1-7].
В данной работе наше внимание сфокусировано на промышленные предприятия, использующие в технологическом процессе весодозируюшие установки и испытывающие потребности во внедрение автоматизированного оборудования. В свою очередь современные системы весового (массового) дозирования испытывают существенные потребности оснащения их цифровыми и аналого-цифровыми средствами управления технологическими процессами. Объединение таких средств представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему, перспективным видом, которой является SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) [8-12]. Существенным достоинством SCADA-систем является высокая степень универсальности, что позволяет применять одну и ту же систему данного типа в рамках разных ТП. Одну из основных ролей в SCADA-системах играет программное обеспечение. Главными недостатками SCADA являются высокая стоимость, а также неполная загрузка возможностей системы.
Первую стадию развития ВДУ представлял её механизированный, слабо автоматизированный тип, связанный, в частности, с применением рычажного технологического оборудования [13-16]. Затем произошла смена поколения весодозиругощих установок, и ведущую роль в процессе работы ВДУ стала играть её информационная часть - информационная измерительно-управляющая система (ИИУС). Она включает в себя средства формирования измерительной и управляющей информации, то есть она состоит из аппаратно-программной ИИС (канала формирования измерительной информации, датчиковой аппаратуры) и канала формирования управляющей информации (на программной основе).
Недостаточность автоматизации в сфере предприятий, использующих ВДУ, заключается, во-первых, в отсутствии включения автоматизированной модели приготовления образца смеси (МПОС) в общую модель ТП, которая, в свою очередь, не обеспечивает оперативности в организации мониторинга и выдачи управляющих воздействий в ВДУ-аналогах (из-за наличия естественной инертности персонала), в отсутствии формализации общей модели, достаточной для построения на её базе программного ядра ВДУ. При этом отсутствует также
автоматическая связь между получением результатов ряда измерительных действий с вызовом определенных команд управления (например, по факту набора требуемого веса). Под МПОС понимается совокупность взаимосвязей между значениями масс ингредиентов и временных интервалов, в течение которых производятся технологические операции, приготовляемой смеси в заданных внешних условиях.
Во-вторых, существует необходимость налаживания контроля текущих положений множества рабочих органов (затворов) ВДУ, причём здесь отсутствуют как организация текущего мониторинга положений в общем, так и система критериев выбора соответствующих датчиков перемещений по сочетанию их точности и аппаратурного объёма. Обоснованием такой системы критериев может служить графоаналитический аппарат параметрических структурных схем (ПСС), в разработку которого большой вклад внесли, в частности, М.Ф. Зарипов, А.И. Никонов, И.Ю. Петрова [17-28]. Данный аппарат позволяет использовать его при формировании ряда типовых технических решений с последовательно улучшаемыми метрологическими характеристиками.
При разработке современной весодозирирутощеи установки необходимо производить её моделирование как средство перехода от исходных требований заказчика автоматизируемого промышленного предприятия к стадии разработки программного обеспечения (ПО) ТП. На практике же, применительно к известным ВДУ, наблюдается отсутствие модели совокупного формирования измерительно-управляющей информации и взаимосвязанной с данной моделью программной реализации измерительно-управляющего процесса весодозирования.
К моделированию современных ИИУС ВДУ предъявляются, в частности, следующие требования:
наглядное отражение оперативности измерения технологических параметров (весовых значений ингредиентов и состояний рабочих органов ВДУ) и информационных аспектов управления в такой системе;
возможность свободно изменять в модели процесса весодозирования параметры проектируемых и эксплуатируемых систем, чтобы данная модель была способна описать и визуально представить наблюдаемые состояния системы, определяемые состояниями её рабочих органов, на мнемосхеме.
До настоящего времени общие модели информационных процессов ВДУ не получали формализованного отображения. Вышеизложенные требования делают обязательным создание моделей информационных измерительно-управляющих систем автоматизируемых весодозирующих установок.
Модель действия ИИУС, несмотря на неоднородность различных видов используемой информации (управляющей и измерительной) и связанных с ними предметных понятий весодозирования, должна иметь единую форму и обладать способностью описываться программным языком. Это обеспечивается выбором фреймов в качестве основы моделирования. Аппарат фреймов, рассматриваемый в работах известных ученых, специалистов М. Минского, П. Уинстона, Э.В. Попова, Д.А. Поспелова, Т.А. Гавриловой и других [29-36], позволяет обеспечить совмещение в единой методической структуре разнородной информации, связанной с областями информационно-измерительной техники и весодозирования.
В проводимых исследованиях по разработке и усовершенствованию средств измерения особо важны этапы выявления недостатков и узких мест прототипов, а также сопоставления предлагаемых модельных вариантов. При формировании средств количественного выявления преимуществ измерительных устройств-аналогов в рамках модификации метода поэтапного улучшения измерительных устройств [37-39] предложено связывать использование параметрических схем со стадиями сравнительного анализа технических характеристик.
Тензодатчики силы, используемые непосредственно для оценки веса, уже подразделены на чёткие виды, конструктивно и технологически отработаны [40-50]. В то же время отсутствие чётких критериев подбора датчиков перемещений на основе сравнительных характеристик по совокупности точность-аппаратурный объём несет в себе серьёзные трудности. Проблема текущего (координатного) контроля состояний затворов может быть решена за счет использования в информационно-измерительной системе (ИИС) весодозирующей установки индуктивных датчиков перемещения. Другой задачей, нуждающейся в решении, является учёт зависимостей результатов измерения от колебания температуры и зазоров между подвижными и неподвижными частями датчиков перемещений.
Введение текущего контроля состояний затворов позволяет существенно расширить функциональные возможности измерительного процесса ВДУ,
поскольку, уже используемые в ней концевые (контактные) преобразователи [49, 50] способны фиксировать лишь крайние положения, занимаемые указанными подвижными частями.
При этом вследствие неполного контакта концевых выключателей, используемых до сих пор в большинстве измерительных средств весодозирующих установок в качестве датчиков положения РО исполнительных механизмов (ИМ), дозировщик зачастую получает недостоверную информацию, из-за чего возможны аварии, потеря качества продукции, а также неоправданные затраты расходных материалов. Неполный контакт или ложный контакт концевых выключателей обычно происходят из-за периодического ржавления или загрязненности контактных площадок датчика, их залипання или из-за образования люфта в крепежной части подвижного элемента датчика.
Таким образом, создание ИИУС весодозирования, обеспечивающей значительное повышение быстродействия и качества приготовления смесей, оперативное реагирование на нештатные ситуации, а также разработка операционных моделей формирования её* измерительно-управляющей информации, является весьма актуальным.
Цель работы. Разработка ИИУС весодозирования, обеспечивающей построение и оперативное использование моделей приготовления смесей, проведение мониторинга перемещений рабочих органов и построение модельного ряда используемых при этом датчиков.
Научная новизна:
Предложен способ формирования измерительной информации весодознрующей установки, предусматривающий реализацию операций опроса датчиков перемещения с измерением текущих положений затворов.
Предложен способ формирования управляющей информации весодознрующей установки, который предусматривает моделирование приготовления смесей, выполняемое после ввода заявки на весодозирование и объединяющее использование его весовых и временных параметров.
Выработан способ агрегатированного формирования измерительно-управляющей информации, предусматривающий заполнение операциями мониторинга временных промежутков между выдаваемыми командами управления, а также структурное представление агрегатированиого информационного процесса весодозирующей установки.
Выполнено фреймоструктурное представление предложенных способов формирования измерительной и управляющей информации ИИУС весодозирования.
Предложена графовая объектно-ориентированная модель, которая осуществляет переход от фреймосистем формирования измерительно-управляющей информации к программному ядру весодозирующей установки.
6. На базе метода поэтапного совершенствования измерительных устройств
разработан ряд структурно-параметрических моделей улучшенных индуктивных
датчиков перемещений, обеспечивающий подбор датчиков для ИИУС
весодозирующей установки по соотношению их точности и аппаратурного объёма.
Практическая ценность работы.
Решение изложенных задач позволяет получить:
основу программной разработки ИИУС весодозирующей установки на языке высокого уровня с формированием измерительно-управляющей информации;
расширение функциональных возможностей мониторинга технологического процесса весодозирующей установки, за счёт чего устраняется расхождение (порядка 10% и более) заданных и полученных соотношений масс ингредиентов и чем соответственно повышается качество приготовляемой смеси;
расширение функциональных возможностей управления технологическим процессом весодозирующей установки, за счёт чего достигается существенное (порядка 1 часа) сокращение времени ежедневной подготовки и информационного ввода моделей приготовления требуемых смесей в заводских условиях;
устранение значительных (до 1,5 часов в рабочую неделю) задержек реагирования персонала весодозирующей установки на возникновение аварийных
ситуаций, связанных с неполными срабатываниями затворов, за счет соответствующего устранения неавтоматизированных оценочных операций, производимых персоналом;
возможность обоснованного выбора датчиков перемещений подвижных частей весодозирующих установок.
Реализация результатов работы.
Модельное обеспечение ИИУС весодозирования использовано в разработках научно-производственного предприятия "Тензоприбор", г. Самара. ИИУС с программным ядром на базе среды Delphi 7.1 внедрена в весодозирующую установку бетоносмесителыгого цеха ООО "СВ - Железобетонный завод", г. Самара.
На защиту выносятся:
способ формирования измерительной информации весодозирования со встроенными операциями мониторинга, предусматривающими проведение измерений веса ингредиентов смеси и текущих положений рабочих органов.
способ формирования управляющей информации весодозирования со встроенными командами конфигурирования, оперативного управления весодозирующей установкой, моделью приготовляемой смеси, а также структурно-операционная модель информационного процесса в целом.
фреймосистемы, модельно представляющие предложенные способы формирования измерительно-управляющей информации весодозирования, а также агрегатированная структура информационного процесса весодозирующей установки.
графовая объектно-ориентированная модель, соответствующая содержимому фреймосистем информационного процесса и содержащая классы реализации функций ИИУС весодозирующей установки.
ряд параметрических моделей индуктивных датчиков перемещений, построенный на основе метода поэтапного улучшения измерительных устройств.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции "Ашировские чтения" (Самара, 2002), международной научной конференции "Информационные, измерительные и управляющие системы" (Самара, 2005), научно-методической конференции "Актуальные проблемы развития университетского технического образования в России" (Самара, 2002), научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Судак, 2003), всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Компьютерные технологии в науке, практике и образовании" (Самара, 2004), всероссийской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 2005" (Москва, 2005), всероссийской научно-практической конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 2005).
Тематика диссертации соответствует основному научному направлению Самарского государственного технического университета "Информационное обеспечение, автоматизация производственных процессов и научных экспериментов".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных трудов, в том числе 3 статьи, 6 материалов научных докладов, а также получено положительное решение Федерального института промышленной собственности по заявке о выдаче патента №2005125242/22 (028358), 2005.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка и приложения. Основное содержание работы изложено на 149 страницах текста, включающих 70 рисунков, 11 таблиц и библиографический список, состоящий из 124 наименований.
В первой главе проведён обзор весодозирующей области на примере ВДУ-аналога, выявлена ЙИУС ВДУ-аналога, проведён обзор датчиковой аппаратуры,
используемой в весодозирующих установках, поставлены задачи диссертационной работы.
Во второй главе приведены структуры современной базовой ВДУ и общая операционная схема процесса приготовления смеси на базовой ВДУ. Выделена информационная измерительно-управляющая система базовой ВДУ с рассмотрением её технических характеристик. Построены фреймовые структуры информационных каналов базовой ВДУ. Даны формулировки способов формирования измерительной и управляющей информации ИИУС ВДУ. Произведено графовое объектно-ориентированное моделирование ИИУС базовой ВДУ, являющееся последним этапом моделирования ИИУС перед её программным воплощением.
В третьей главе рассмотрен и применён метод поэтапного улучшения датчиков, на основе которого, построен модельный ряд индуктивных датчиков, выстраиваемых по уровням температурного влияния, состоящий из исходного преобразователя, трёх улучшенных и третьего модифицированного преобразователя. Произведён расчет погрешностей индуктивных датчиков из построенного модельного ряда.
В четвертой главе рассмотрена (со схемным представлением) возможность группового применения преобразователей перемещений из построенного ряда. Рассмотрены особенности модельных блоков, разработанного на основе графовой объектно-ориентированной модели, ядра ВДУ. Рассмотрены рабочие ситуации базовой ВДУ. Приведены технические характеристики ИИУС базовой ВДУ, существенно превосходящие характеристики ВДУ-аиалога.
Информационная измерительно-управляющая система ВДУ-аналога
Измерительная техника является одним из важнейших факторов ускорения научно-технического прогресса в весодозирутощей отрасли [65]. Главной операцией измерительной техники является измерение - одна из древнейших операций практической деятельности человека [66-68]. Измерение определяется как информационный процесс получения опытным путём численного отношения между данной физической величиной и некоторым сё значением, принятым за единицу сравнения. Качественно новый вид средств измерений представляют собой информационно-измерительные системы, предназначенные для автоматического представления информации в виде, удобном для использования при управлении или регулирования [47]. Средством измерения является совокупность технических средств, объединенных общим алгоритмом функционирования и обладающая нормированными метрологическими характеристиками." ИИС, взятая вместе со средствами формирования команд активизации объекта наблюдения, представляет собой информационную измерительно-управляющую систему.
В свою очередь, мониторинг какого-либо процесса представляет собой постоянное, текущее наблюдение за ходом данного процесса, с целью контроля заданных параметров, а также оценки получаемой измерительной информации.
В информационной измерительно-управляющей системе рассматриваемого ВДУ-аналога, как и в любой промышленной измерительной системе, качество продукции, выпускаемой предприятием, и надёжность работы самой ВДУ зависит от своевременного получения дозировщиком измерительной информации от объекта наблюдения (ОН), которая несёт количественную оценку взвешиваемых ингредиентов на той или иной стадии процесса приготовления смеси и состояния исполнительных механизмов установки. В рассмотренной ранее структурной схеме ВДУ-аналога (см. рис. 1.1), совокупность следующих блоков: источник технологических параметров ИТП, дозировщик Дк, пульт управления ПУ, модуль ввода-вывода МВВ, экономист Эк, диспетчер Дч, моторист Мт и измерительная аппаратура ИА, - составляет информационную измерительно-управляющую систему, представленную на рисунке 1.3.
Учитывая недостатки ВДУ-аналога, представленные ранее, можно сделать вывод, что потребностям современного промышленного производства смеси ИИУС ВДУ-аналога не удовлетворяет. Современные ВДУ, кроме повышения уровня автоматизации, требуют упорядочения набора типовых индуктивных датчиков, используемых в качестве датчиков положения основных блоков ВДУ, с различными соотношениями точность-аппаратурный объём, в том числе, способных нормально функционировать в условиях колебаний температуры и поперечных колебаний подвижных элементов (ПЭ).
К сожалению, не существует модельного обоснования для выбора нужного индуктивного датчика, отвечающего наиболее рациональному соотношению точность (температурная погрешность) - аппаратурный объём. Поэтому актуальным, в частности, является обращение к указанному ниже методу поэтапного улучшения датчиков. Кроме того, аналитические оценки точности индуктивных датчиков, удовлетворяющих требованиям приемлемого функционирования в условиях значительных нерабочих смещений подвижных элементов ВДУ, практически отсутствуют.
Тензодатчик - измерительный преобразователь деформации твердого тела, вызываемой механическими напряжениями в электрический сигнал, предназначенный для последующей обработки [40-50]. Бывают металлические (проволочные, фольговые, пленочные) и полупроводниковые (пластинчатые) тензодатчики.
В основе принципа работы металлических тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводящего материала при его механической деформации.
Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рис/Да. На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку 2 наклеивается решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3 диаметром 0,02-0,05 мм. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 4. Сверху преобразователь покрывается слоем лака 1. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Весьма важным параметром тензочувствительной решетки является расстояние между витками. Это расстояние определяет при заданных габаритах резистора число витков и, следовательно, сопротивление, а также допустимый ток, который ограничивается самонагревом и будет тем меньше, чем меньше расстояние между витками. Кроме того, наличие поперечных участков длиной Ъ вызывает изменение сопротивления тензорезистора за счет деформации этих участков при действии на деталь напряжения, перпендикулярного оси чувствительности тензорезистора. Для проволочных тензорезисторов отношение поперечной и продольной чувствительностей определяется отношением Ъ/1. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5—20 мм, обладающие сопротивлением 30—500 Ом.
Информационная измерительно-управляющая система базовой ВДУ
К выходам МВВ подключены исполнительные механизмы (электродвигатели, обмотки реле, электромагниты), которыми управляет оператор через КПУ. С помощью исполнительных механизмов выполняются команды открытия и закрытия затворов, запуска и останова вибратора накопительного бункера, включения и выключения двигателя смесителя, переключения шибера смесителей в нужное положение, а также включение и выключение оповестительных устройств.
Микроконтроллер МВВ обеспечивает ускоренное первичное преобразование информации, прием команд от удаленной ЭВМ и передачу в ее адрес преобразованных данных с использованием цифрового интерфейса RS-485, а также имеет аналоговый вход и АЦП с достаточной разрешающей способностью. Для реализации стоящих перед современными ВДУ задач, микроконтроллер должен иметь двухканальный 14-разрядный АЦП с частотой преобразования до 10МГц и буферной памятью не менее 128К слов на канал. Данным требованиям удовлетворяют, например, микроконтроллеры фирмы «МикроЧип» серии 16f.
Количество МВВ в промышленной системе определяется количеством дозаторов в технологическом процессе, а количество датчиков зависит от конструкции дозатора. На практике дозатор воды рассчитан па 500 кг, поэтому, в нём используется 3 датчика с наибольшим пределом взвешиваний (НГТВ) 200 кг. Запас в 100 кг необходим на случай аварии. Дозатор цемента рассчитан на 800 кг, и в нём используется три датчика с НПВ 300 кг. Класс точности датчиков 0,03 ... 0,05%, степень зашиты корпуса IP65, пределы взвешивания - от 20кг до 7000кг. Диапазоны рабочих температур - от -10С до +40С, возможно также - от -30 до +50С [12].
Итак, различия между структурами ВДУ-аналога и базовой ВДУ заключаются в следующем: упразднились рабочие места диспетчера, моториста и экономиста; блоки "дозировщик", "пульт управления" и "измерительная аппаратура преобразовались", соответственно, в блоки "оператор", "компьютеризированный пульт управления" и "модернизированная измерительная аппаратура". Вследствие таких модификаций система стала более устойчивой к нештатным ситуациям (например, при реагировании на ситуацию выхода из строя датчика конечного положения), снизилось влияние человеческого фактора (например, утомляемость персонала), а также повысилось общее быстродействие системы.
Представленная структура базовой ВДУ легко вписывается в рамки современных многоуровневых человеко-машинных систем, называемых SCADA системами. Существенными достоинствами, которых являются высокая степень автоматизации и универсальности. Одну из основных ролей в SCADA-системах играет программное обеспечение [12, 81-82].
Программное обеспечение предложенной современной ВДУ должно выполнять следующие функции: стыковка верхнего уровня (КПУ) с нижним уровнем (аппаратными средствами ТП); диагностика аппаратных средств ТП; калибровка аппаратных средств ТП; управление аппаратными средствами ТП; сбор, обработка, хранение, оперативное отображение и печать информации о ходе ТП; обеспечение возможности гибкой настройки системы; обеспечение реализации самодостаточного дружественного графического интерфейса. Средой программирования, способной обеспечить реализацию указанных функций на высоком техническом уровне, является Delphi 7, имеющая в своем составе все необходимые для этого средства, среди которых выделим следующие: визуальную среду разработки; объектно-ориентированный язык программирования; средства работы с популярными базами данных; средства, упрощающие интернационализацию ПО; средства моделирования; средства внедрения сторонних программных компонентов; возможность использования стандартных средств операционной системы Windows.
Применение такого ПО в составе ВДУ позволит дать только одному оператору возможность управлять практически всем ТП, что, в частности, помогает решить проблему технологического риска, связанного с присутствием человеческого фактора. Дружественный графический интерфейс программы и её высокая степень автоматизации снизят вероятность принятия оператором неверного решения. Применение ПО снимет с оператора такие трудоёмкие операции, как расчёт требуемых доз ингредиентов и перерасчёт этих доз, исходя из технологических коэффициентов (расчетные формулы представлены далее). Программа, исходя из заказанной марки смеси и заказанного объёма, сама рассчитает требуемые дозы и учтёт технологические коэффициенты. Также программа, исходя из заказанной марки смеси, активирует только нужные для приготовления смеси именно этой марки накопительные бункеры. При выгрузке смеси в смеситель программа учитывает технологический цикл приготовления смеси и будет выгружать ингредиенты в том порядке и с такими задержками, которые были установлены технологом при настройке ПО. Так как программа, получая сигналы от датчиков положений, отображает на мнемосхеме состояние всех исполнительных механизмов, включая механизмы закрывания/открывания затворов и двигатели вибраторов и смесителей, то оператор всегда в курсе событий реального ТП. Кроме того, программа сама анализирует одновременное состояние затворов накопительных бункеров, дозаторов и смесителей, во избежание опасных "сквозняков"; имеется в виду одновременное открытое состояние двух и более блоков ВДУ разного типа из числа НБ, дозаторов и смесителей.
Программа ведёт автоматический учёт израсходованного сырья, составит и напечатает товарно-транспортные накладные, будет сигнализировать оператору о всех авариях, даже потенциальных, сообщит оператору о зависании того или иного ингредиента, после чего ему остаётся только указать по мнемосхеме на соответствующий вибратор. Возможность сохранять заявки в программе позволяет устранить из схемы рабочего процесса ВДУ звено "диспетчер". Оператор, получив заявку (обычно по телефону) вводит её параметры в программу (заявке автоматически присваивается очередной порядковый номер), а к выполнению оператор приступит по мерс надобности, например, когда приедет транспортное средство заказчика или заказчик оплатит производство смеси.
В процессе приготовления бетонной смеси, влажность песка и щебня (основных ингредиентов) отличается от номинальных значений, поэтому должны быть введены корректирующие коэффициенты влажности песка и щебня, а также коэффициент доломитки, определяющий наличие песка в щебне. Раньше при работе с ВДУ-аналогом дозировщику приходилось рассчитывать влияние этих коэффициентов вручную. В память базовой ВДУ введены формулы расчета этих коэффициентов. Также в базовой ВДУ вводится понятие замеса, которое позволяет разделить требуемую массу смеси на несколько пропорциональных частей (замесов), исходя из вместимости смесителя. Обычно масса одного замеса подбирается так, чтобы объём замеса был равен одному кубическому метру. Автоматическое деление заявку на замесы позволяет оператору работать с заявкой как с агрегированным объектом.
Модели индуктивных датчиков, выстраиваемых по уровням снижениятемпературного влияния
Дополнительным требованием к ИИУС в составе современных ВДУ является сведение канала управляющей информации (КУИ) с капалом измерительной информации (КИИ) в единый комплексный информационный канал. Это позволяет серьёзно уменьшить стоимость весодозирующей установки, за счёт использования одного МК для двух видов работ с информацией, в составе одного МВВ. Это позволяет также использовать стандартный цифровой интерфейс RS-232, который является достаточно простым и дешевым, что уменьшает сроки на разработку ВДУ. С интерфейсом RS-232 работает стандартный последовательный порт ПК. Ещё одним плюсом такого подхода является целостность информации. То есть, случаи, когда управляющая команда идет в разрез (в идеологическом смысле работы ВДУ) с информацией от ОН, практически исключены.
Архитектура комплексного процесса формирования измерительно-управляющей информации ВДУ представлена на рисунке 2.4. Операции мониторинга (ОМ) представляет КИИ (отображен на рисунке серым цветом). Команды управления весодозирующей установкой (К1-К10) представляют КУИ [79-80]. Информация, формируемая в канале измерительной информации, включает в себя контрольно-измерительную (опрос тензодатчиков силы, опрос датчиков положения и перемещения) и сервисную (проверка связи с МВВ и наличия команд на управление исполнительными механизмами) составляющими.
Данные операции выполняются попеременно с командами управления, как показано на рисунке 2.4, причём в каждый свободный от передачи команд управления квант времени система выполняет очередную операцию мониторинга. За счёт этого мнемосхема КПУ обновляется с высокой скоростью, что повышает информированность оператора о ходе техпроцесса.
Командами управления (К1-К10) весо дозирую щей установкой являются: 1) настройка параметров технологического процесса; установка значений параметров ТП оператором и передача в соответствующий МВБ для записи; 2) калибровка весоизмерительных датчиков, которая выполняется до ввода ВДУ в эксплуатацию и после произошедших сбоев в работе; 3) обнуление веса дозаторов, которая выполняется периодически из-за налипания дозируемых ингредиентов на стенке дозаторов; 4) ввод технологических коэффициентов, которая выполняется при смене характеристик ингредиентов, например, ввиду изменения условий окружающей среды; 5) ввод параметров приготовляемой смеси, к которым относятся марка смеси и её количество; Исходя из введенных оператором параметров и соответствующих им значений весов ингредиентов из БД, в соответствующие регистры микроконтроллерных устройств автоматически записываются требуемые весовые значения соответствующих ингредиентов, а также другие важные параметры, такие как вес упреждения и время успокоения дозатора; 6) пуск дозирования, определяющий открытие соответствующих затворов накопительных бункеров (закрытие затворов выполняется МК автоматически, по достижению заданных доз ингредиентов); 7) выгрузка дозаторов, определяющая открытие затворов дозаторов, которые участвовали в процессе приготовления данной смеси; она выполняется после того, как все дозаторы наберут нужные им дозы и закроются затворы всех накопительных бункеров; после открытия затворов дозаторов взвешенные ингредиенты начнут поступать в смеситель и когда вес в каждом дозаторе будет меньше начального веса, должны выполниться команды закрытия затворов дозаторов; 8) выгрузка смесителя, которая выполняется после попадания в смеситель всех ингредиентов и истечения времени перемешивания, заданного маркой смеси; выполнение этой команды открывает затвор активного смесителя, после чего полученная смесь попадет в грузовой транспорт, стоящий под смесителем; 9) аварийный останов, что выполняется по факту возникновения аварийных ситуаций; данная команда останавливает дозирование, переводя все исполнительные механизмы ВДУ в исходное положение; после устранения аварии дозирование можно продолжить; 10) операции записи и выборки из БД, что обеспечивает чтение требуемой на данный момент времени оператору или самой системе информации из БД, а также протоколирование процесса весодозирования. Приведенные выше операции измерения и команды управления являются основными командами ВДУ, то есть каждая из этих команд последовательно или циклически вызывает выполнение целого комплекса команд более низкого иерархического уровня, называемых подкомандами измерения и управления. После выполнения очередной операции мониторинга, система, исходя из полученных количественных и качественных оценок, может начать автоматическое выполнение одной из подкоманд управления. Так, во время выгрузки очередного дозатора в смеситель, когда вес в этом дозаторе достигнет начального, система выполнит подкоманду закрытия затвора этого дозатора. В другом случае, получив отрицательный ответ после выполнения операции проверки связи с МВВ, она уведомит оператора о потери связи, переведет ВДУ в аварийный режим и инициирует цикл подкоманд восстановления связи,
Практическое применение. Технические характеристики ИИУС
Команда СТОП переводит соответствующий МК в пассивное (подчинённое) состояние, когда абсолютно все действия в ТП выполняются по указанию от пульта управления оператора, а не по заложенным в МК алгоритмам. Затем, согласно представленным на рисунке 2.15 субфреймам, производятся: останов двигателя смесителя, останов перемещения шибера, выключение вибраторов накопительных бункеров, закрытие затворов накопительных бункеров, закрытие затворов дозаторов и закрытие затворов смесителей. Все эти фреймы соединены со входами фреймов более низкого уровня, в задачу которых входит установка соответствующего выходного ключа соответствующего модуля ввода-вывода в ноль. Фактически здесь происходит перевод системы в начальное, безопасное состояние.
Замыкающий фрейм "Формирования управляющей информации", именуемый "Операции с БД", представлен на рисунке 2.16. Его возможности задеиствуются каждый раз, когда система переходит из одного полноценного (целостного) состояния в другое, и заключаются в записи информации об этом новом состоянии системы в базу данных [83-84] или выемке архивной информации оператором. Первая подзадача решается посредством трех фреймов более низкого уровня, которые выполняют запись информации о начале дозирования, начале перемешивания и об окончании замеса. В эту информацию входят требуемые и полученные весовые значения ингредиентов, время начала и окончания операции, учётные данные о процессе приготовления. Второй подзадачей является выемка архивной информации, обозначенная в одноименном фрейме, который имеет три субфрейма. Подзадача первого из них — подготовка товарно-транспортной накладной; она распечатывается каждый раз, когда все замесы текущей заявки выгружены в транспортное средство и полученная смесь готова к транспортировке заказчику. Подзадача второго - подготовка протокола, который может быть затребован руководством или экономистами предприятия. Подзадача третьего -выемка информации о марках смесей, которая требуется при расчете модели приготовления образца смеси.
Изображенные на рисунках 2.6 - 2.16 фреймоструктуры выражают основу предложенного способа формирования управляющей информации ВДУ, который подразумевает выполнение операций: настройка параметров ТП, калибровка датчиков веса, обнуление веса дозаторов, ввод технологических коэффициентов, ввод параметров смеси, пуск дозирования, выгрузка дозаторов, выгрузка смесителя, аварийный останов, а также операции с базой данных, причем предусмотрено оперирование параметрами ИИУС, в частности: "Количество НБ \ "Количество дозаторов", "НПВ дозаторов", "Начальный вес дозаторов", "Перегруз дозы дозаторов", "Вес упреждения", "Время успокоения дозаторов", "Шаг шкалы дозаторов", "Количество смесителей", "Максимальная вместимость смесителей", "Коэффициент доломитки", "Коэффициенты влажности", "Доза ингредиента", "Текущий вес дозатора", "Время начала перемешивания смеси"; а также предусмотрен вызов команд, в частности: "Выбор дозатора", "Опорожнение дозатора", "Запоминание начала шкалы измерения", "Запоминание конца шкалы измерения", "Смещение шкалы измерения к нолю", "Выбор НБ", "Ввод коэффициента доломитки", "Ввод коэффициента влажности", "Выбор марки смеси из БД", "Ввод учётных данных" "Проверка соответствия настроек ВДУ условиям ТП", "Сохранение веса пустого дозатора", "Передача в МВБ значений доз ингредиентов", "Открытие/закрытие затворов НБ", "Открытие/закрытие затвора дозатора", "Открытие/закрытие затвора смесителя", "Запуск/останов двигателя смесителя". При этом, реализация МПОС обеспечивается оперированием параметрами ИИУС, являющимися основой данной модели: "Начальный вес дозаторов", "Перегруз дозы дозаторов", "Вес упреждения дозаторов", "Время успокоения дозаторов", "Коэффициент доломитки", "Коэффициент влажности". Обращение к МПОС производится в рамках операций настройки параметров ТП, ввода технологических коэффициентов и параметров смеси, а также операций с базой данных. Команды "Калибровка датчиков веса", "Обнуление веса дозаторов", "Ввод технологических коэффициентов" и "Ввод параметров смеси" обеспечивают настройку параметров, определяющих работу МПОС.
Таким образом, в способ формирования управляющей информации КУИ введены дополнительные средства для автоматизированной работы с агрегатиро ванной МПОС, благодаря чему с рабочего персонала снимаются многочисленные трудоёмкие расчетные операции; произведено позиционирование расчета модели приготовления образца смеси в техпроцессе, выполняемого после ввода заявки на весодозирование; к тому же сюда введены средства реагирования на нештатные ситуации и протоколирования проводимых с ВДУ операций.
На рисунке 2.17 изображена схема структурно-операционной модели, отображающей информационный процесс ВДУ в целом. Команды управления (К;) показаны в порядке определяемым оператором и соответствуют выражению /,,/1, є {1,..,10}. Операции мониторинга показаны в порядке определяемым текущим произвольным значением операции мониторинга, являющейся очередной для выполнения ядром ВДУ; l2,\ є {1,..,5}.
Похожие диссертации на Информационная измерительно-управляющая система весодозирования с моделированием приготовления смесей и мониторингом перемещений рабочих органов
