Курсовой проект
по дисциплине
«Комплекснаяавтоматизация технологических процессов»
Автоматическаясистема управления процессом передвижения пассажирского лифта
2009
План
Введение краткий обзор существующихавтоматизированных ситема управления (в том числе патентная информация) глубинапатентной информации 5 лет. 4
1. Анализ технологического процессакак объекта управления. 8
1.1 Описание технологическогопроцесса технологического оборудования. 8
1.2 Технологические схемы процесса иоборудования. 10
1.3. Классификация и переченьтехнологических переменных анализ взаимодействия между технологическимипроцессами. 12
1.4. Классификация и перечень измеряемыхпеременных состояния, определение требуемой точности измерения переменныхтехнологического процесса. Определение условий работы измерительных устройств. 13
1.5 Классификация и переченьуправляющих воздействий определение требуемой точности управления ТП.Определение условий работы силовых регулирующих устройств. 14
1.6 Определение основных требований кведению технологического процесса, формулирование критерия качества и целиуправления. 14
2. Разработка и выбор элементов АСУТП. 17
2.1 Разработка общих алгоритмовфункционирования АСУ технологическим процессом. Блок схемы алгоритмов и ихописания. 17
2.2 Функциональная структура системыуправления ТП описание функциональных блоков системы. 21
2.3 Определение уровней управления ТПи архитектуры верхнего уровня АСУ. 22
2.4 Блок схемы аппаратных средствуровней системы. Выбор аппаратных средств на всех уровнях управления. Вариантпринципиальной схемы соединения между аппаратными блоками системы. 25
2.5 Выбор общего и специальногопрограммного обеспечения на всех уровнях АСУ ТП. 26
2.6 Принципы обмена информацией междууровнями системы. Выбор интерфейсных устройств и протоколов обмена. 26
3. Математическое моделированиесистемы управления технологическим процессом. 27
3.1 Выбор среды моделирования иразработка математической модели технологического процесса и технологическогооборудования с исполнительными электроприводами. 27
3.2 Структура и параметрическийсинтез регуляторов системы управления ТП. 35
3.3 Компьютерное моделированиеалгоритмов управления. Графическое представление результатов моделирования. 43
Заключение. 46
Литература. 47
Введение краткий обзорсуществующих автоматизированных ситема управления (в том числе патентнаяинформация) глубина патентной информации 5 лет
Сегодня уже трудно представить себе российский город безработающего вертикального транспорта. Для огромного количества людей нормальнаяработа лифтового хозяйства является синонимом нормальной жизни. Качественнаяработа лифтов и подъемных механизмов и их надежность остается одним из ключевыхаспектов в деле обеспечения безопасности жилых и общественных зданий, поэтому необходимонепрерывное развитие и модернизация лифтового оборудования.
Лифт – механизм вертикального транспорта, предназначенныйдля транспортировки пассажиров и грузов в жилых и производственных помещениях.Широкое распростронение использования лифтового электропривода в промышленностии в повседневной жизни, определяет лифт как наиболее распространненый видвертикального транспорта.
Наблюдаемая в последнее время тенденция к повышениюэтажности зданий в городах, а также к комфорту передвижения в лифтах ведёт кусложнению систем управления процессом передвижения. Благодаря развитиюсовременных микропроцессорных систем управления данные задачи успешно решаютсяв настоящее время.
Современный лифт – это сложное электромеханическоеустройство, работающее в полуавтоматическом режиме по установленной программе.Программа работы лифта определяется дейтсвиями пассажиров, местонахождением иположением (свободна или занята) кабины и регламентируется при помощи системыуправления лифтом.
Система управления лифтом должна решать задачибезопасного и комфортного передвижения пасажиров. Передвижение должноосуществяться с допустимым ускорением, требуемой скоростью и отсутствиеощутимых рывков. Для выполнения приведённых требований необходимо получатьинформацию о положении и скорости движения кабины с помощью различных датчиков.
Большое внимание необходимо уделить вопросу безопасностипередвижения в случаях пожаров и землятресений, обрыва канатов, срабатыванияловителей.
Современные тенденции развития электропривода лебёдки илифтового оборудования направлены в сторону отказа от машинного помещения исоздания автономной конструкции лифта. То есть лифт содержит в себе всемеханизмы предвижения включая лебёдку.
Так патент №2352514 выданный фирме Коне Корпорейшн в21.01.2004 содержит следующее описание:
Изобретение касается лифта, который предпочтительновыполнен без машинного отделения. Лебедка лифта взаимодействует с подъемнымиканатами посредством канатоведущего шкива, при этом указанные канаты имеютнесущую часть, сплетенную из стальной проволоки круглого и/или некруглогопоперечного сечения, и удерживают противовес и кабину лифта, перемещающиеся посвоим направляющим. Вес лебедки не более составляет приблизительно 1/5 весаноминальной нагрузки лифта. Внешний диаметр канатоведущего шкива, приводимого вдействие лебедкой лифта, составляет не более приблизительно 250 мм, а кабина лифта и противовес подвешены с использованием нескольких проходов подъемного каната.Изобретение позволяет уменьшить размеры и/или вес ли
Также следует отметить немаловажную роль способностисистемы управления остановить кабину с точностью на заданном уровне. Патент № 2202508выданный Лаврову В.В. 20.03.2005, описывающий способ точной остановки полакабины лифта на уровне посадочной площадки.
Изобретение относится к лифтостроению, в частности кспособам, обеспечивающим точность остановок кабин пассажирских лифтов. Способточной остановки пола кабины лифта на уровне посадочной площадки заключается втом, что система управления лифтом вырабатывает команды, подаваемые наисполнительное устройство, которым является тормоз лебедки, используя сигналы,поступающие от датчиков в шахте для затормаживания объекта регулирования лифта,фиксирует с помощью измерительного элемента положение кабины лифта и порезультатам измерения вырабатывает команду на обеспечение воздействия исполнительногомеханизма на объект регулирования. При этом объектом регулирования, на которыйоказывает воздействие исполнительный элемент, является пол кабины, совмещенныйс ее порогом и отделенный от этой кабины, а воздействие упомянутогоисполнительного механизма, размещенного на самой кабине, осуществляется свозможностью выравнивания уровня пола кабины с уровнем порога дверей шахтывыбранной посадочной площадки и происходит при неподвижной кабине лифта завремя, не превышающее времени открытия дверей кабины и шахты на выбраннойпосадочной площадке при получении соответствующего сигнала измерительногоэлемента. Сигнал на время включения исполнительного механизма, определяющийрасстояние, на которое необходимо переместить пол кабины, вырабатываетсяустройством сравнения, которое сопоставляет сигнал с измерительного элемента ссигналом, записанным в запоминающем устройстве и характеризующим точноеместоположение порога дверей шахты выбранной посадочной площадки, и сигналом сдатчиков-ограничителей, контролирующих высоту подъема пола. Изобретениеобеспечивает повышение точности остановки кабины относительно посадочнойплощадки
В настоящее время в нашей стране стоит проблема заменыустаревшего лифтового оборудования. Замены редукторного электропривода срелейно-контакторной системой управления. Целесообразно использовать существующегошахтного оборудования и проводки, произвести замену лишь системы управления иприводные механизмы дверей и лебёдки лифта.
Также следует обратить внимание на использование системыуправления не только для модернизации существующего лифтового оборудования, нои использование в новом строительстве.
Отсюда следует, что использование для модернизациисуществующего оборудования линейных двигателей или расположения электроприводана кабине лифта будет требовать существенных денежных затрат. Поэтому следуетобратить внимание на безредукторный электропривод. Исключение из конструкциилифтовой лебёдки редуктора и использование в качестве приводного двигателявысокомоментный асинхронный электродвигатель позволит решить задачумодернизации с наименьшими затратами.
Развитие высокомоментных двигателей позволило отказатьсяот использования дорогостоящего редуктора. Что позволило уменьшить шумы,улучшить согласованние с инерцией нагрузки и снизить стоимость системыэлектропривода лебёдки для лифтов различной конструкции.
Прямой (безредукторный) привод означает отсутствиеэлементов передачи мощности между двигателем и приводимой во вращениенагрузкой, что, в свою очередь, дает преимущества перемещения с высокойдинамикой практически без люфта и превосходную жесткость пристатических/динамических нагрузках.
1. Анализ технологическогопроцесса как объекта управления
1.1 Описание технологического процесса технологическогооборудования
Описание технологического процесса и оборудования
Основными частями лифта являются: лебёдка, кабина,противовес, направляющие для кабины и противовеса, двери шахты, ограничительскорости, тяговые канаты и канат ограничителя скорости, узлы и детали приямка,электрооборудование и электроразводка. Основные параметры техническойхарактеристики лифта: номинальная грузоподъёмность /> кг, масса противовеса /> кг, массапустой кабины /> кг, номинальная скорость />. Лифтдвенадцатиэтажного дома плюс этаж технического обслуживания. Расстояние междуэтажами 3м. Расчетная работа электропривода пуск раз в 3 минуты, 20 раз зачас.Погрешность останова />.
/>
Рисунок 1 – Кинематическая схема лифта
Кинематическая схема лифта представлена на рисунке 1.Лифт имеет полиспастную подвеску с кратностью полиспаста 2, при которой тяговыеканаты 1, сходящие с канатоведущего шкива 2, огибает полиспастный блок 3 накабине 4 и противовесе 5 и крепятся к верхнему перекрытию шахты в машинномпомещении.
Перемещение кабины и противовеса по направляющимосуществляется лебёдкой 6, установленной в машинном помещении, с помощьютяговых канатов 1. Там же размещены ограничители скорости, контроллер, вводноеустройство. Лифт комплектуется специализированным контроллером.
При нажатии кнопки вызывного аппарата в электроаппаратурууправления лифтом подается электрический импульс (вызов). Если кабина находитсяна остановке, с которой поступил вызов, открываются двери кабины и шахты наданной остановке. Если кабина в другом месте, подается команда на её движение.В обмотку электродвигателя лебёдки и катушки электромагнитных тормозов подаётсянапряжение, тормоза отпускают, и ротор электродвигателя приходит в движение.
При подходе кабины к требуемой посадочной площадкесистема управления лифтом по сигналу датчиков точной остановки переключаетэлектродвигатель лебёдки на работу с пониженной частотой вращения ротора.Скорость движения кабины снижается, подаётся команда на остановку, и в момент,когда порог кабины совмещается с уровнем порога двери шахты, кабинаостанавливается, вступает в действие тормоз, включается в работу привод дверей,и двери кабины и шахты открываются. На лифте с системой управления отконтроллера происходит бесступенчатое регулирование частоты вращения роторадвигателя посредством системы частотного регулирования, что обеспечиваетплавные остановку и пуск кабины.
При нажатии кнопки приказа на панели управления,расположенной в кабине, закрываются двери кабины и шахты, кабина отправляетсяна посадочную площадку, кнопка приказа которой нажата.
После прибытия на требуемую посадочную площадку и выходапассажиров двери закрываются, кабина стоит до тех пор, пока не будет нажатакнопка любого вызывного аппарата.
Движение кабины возможно только при исправности всехблокировочных и предохранительных устройств. Срабатывание любогопредохранительного устройства приводит к размыканию цепи управления и остановкекабины.
1.2 Технологические схемы процесса и оборудования
Технологическая схема оборудования
Основу конструкции лифта составляет механизм подъёма наоснове применения лебёдки с канатной системой передачи движения кабине.
Пассажиры перемещаются в специально-оборудованной кабинес закрываемыми дверями, которые имеют блокировочные устройства, исключающими возможностьдвижения при открытых створках.
Для центрирования кабины и противовеса в горизонтальнойплоскости и исключения поперечного раскачивания во время движения, применяютсянаправляющие, устанавливаемые на всю высоту шахты лифта.
Направляющие обеспечивают возможность торможения кабины(противовеса) ловителями при аварийном превышении скорости и удерживают её домомента снятия с ловителей.
Пространство, в котором перемещается кабина и противовесограждается на полную высоту и называется шахтой.
Помещение, в котором устанавливается подъёмная лебёдка идругое необходимое оборудование, называется машинным помещением.
Часть шахты, расположенная ниже уровня нижней посадочнойплощадки, образует приямок, в котором размещаются упоры или буферы,ограничивающие ход кабины (противовеса) вниз и останавливающие с допустимымускорением замедления.
Для предотвращения аварийного падения кабины(противовеса) лифт оборудуется автоматической системой включения ловителей отограничителя скорости, срабатывающей при аварийном превышении скорости.
Ловители устанавливаются по боковым сторонам каркасакабины (противовеса) и приводятся в действие канатом, охватывающим шкивограничителя скорости.
В приямке устанавливается натяжное устройствоограничителя скорости.
Станция управления работой лифта. приборы и аппаратынаходятся в машинном помещении.
Соединение электрического оборудования кабины со станциейуправления обеспечивается посредством подвесного кабеля и жгута проводов,смонтированного в шахте.
Датчики замедления, шунты датчика точной остановки иустройства контроля шахтных дверей также устанавливаются в шахте.
На рисунке 2 представлена схема размещения оборудованиялифта. Лебёдка и шкаф управления располагаются в лифтовом помещении, закрытомот проникновения посторонних лиц.
/>
Рисунок 2 – Технологическая схема оборудования
Основная плата управления установлена в шкафуконтроллера. Последовательная линия передачи данных подразделяется на каналыкабины и шахты. Канал кабины, к которому подключена клеммная коробка кабины,представляет собой подвесной кабель. На рисунке 2 приняты следующиеобозначения: 1 – шкаф контроллера, 2 – позиционный индикатор, 3 – этажныекнопки, 4 – датчик положения кабины.
1.3 Классификация и переченьтехнологических переменных анализ взаимодействия между технологическимипроцессами
При управлении пассажирским лифтом система управленияотслеживает и контролирует скорость передвижения кабины, положении кабины вшахте, загрузку кабины. В данном случаем технологическими переменными можноназвать изменяющуюся загрузку лифта и положение кабины. Так как кабинаподвешена на металлических тросах обладающих конечной жесткостью, меняющейся взависимости от положения кабины (чем ближе кабина к машинному помещению, тембольше жёсткость и наоборот), а также механическая система лифта являетсятрёхмассовой. Из перечисленного следует, что взаимодействие технологическихпеременных и технологическим процессом передвижение кабины носит сложныйхарактер и требует подробного изучения.
В зависимости от поступивших вызовов и приказовпроисходит управления оборудованием лифта по заданной программе.
Основными параметрами технической характеристики лифтаявляются: грузоподъёмность, скорость движения и высота подъема кабины. Онирегламентируются Государственными Стандартами ГОСТ 22011-95 Лифты пассажирскиеи грузовые[1].
1.4 Классификация и перечень измеряемых переменныхсостояния, определение требуемой точности измерения переменных технологическогопроцесса. Определение условий работы измерительных устройств
Практически все переменные состояния связаны сэлектроприводом лебёдки, перечислим основные из них:
меняющийся вес кабины в зависимости от количествапассажиров, следовательно меняющийся момент нагрузки на электроприводе лебёдки.
Положение кабины в шахте лифта, следовательно уголповорота шкива.
Изменяющиеся токи и напряжения на двигателе, которыепоступают в систему управления преобразованными с помощью координатныхпреобразователей, для выработки управляющих воздействий на двигатель.
Скорость передвижения кабины – скорость вращения приводалифта.
Следовательно можно сделать вывод – для управленияпередвижением лифта необходимо управлять описанными выше переменнымисостояниями.
Основными требованиями к технологическому процессупередвижения лифта является движение с требуемой скоростью (1 м/с), ограничениеускорения (/>),и остановка кабины на уровне этажа (/>). По ГОСТ 22011-95 точностьизмерения ускорения и скорости должна укладываться в пределы />. За измерение положениякабины отвечают датчики расположенные в шахте лифта, необходимо согласовать ихрасположение с требуемой точностью останова кабины.
Условия работы измерительных устройств определяютсяограничением температуры эксплуатации оборудования.
1.5 Классификация и перечень управляющих воздействийопределение требуемой точности управления ТП. Определение условий работысиловых регулирующих устройств
Основные управляющие воздействия вырабатываетмикропроцессорная система управления. Это задающие воздействия на используемыерегуляторы. Но в конечном счёте управляющие воздействия направлены науправление двигателем с помощью изменения частоты питающего напряжения /> и самогонапряжения/>.
Преобразователем управляет логический контроллеробрабатывающий поступающие сигналы с постов вызовов и приказов на передвижениекабины лифта.
Также логическим контроллером выдаются сигналы назакрытие-открытие дверей кабины. Сигналы об случившейся аварии и сигнализацияслучившегося на пульте диспетчера.
Условия работы силовых регулирующих устройств:температура от 0 до +40 градусов.
1.6 Определение основных требований к ведениютехнологического процесса, формулирование критерия качества и цели управления
Основными задачами управления является обеспечениебезопасного и комфортного передвижения в кабине лифта и произведение останована требуемом уровне.
Критерии качества:
Плавность движения. По нормам ПУБЭЛ максимальная величинаускорения (замедления) кабины в нормальных эксплуатационных режимах дляпассажирских лифтов не должна превышать />.
При посадке кабины на ловители или буфер в аварийныхситуациях допускается ускорение до />.
Эффект физиологического воздействия ускорений существеннозависит от времени их действия. Так, при времени действия ускорений менее />, человеческийорганизм удовлетворительно переносит ускорения около />. Поэтому ПУБЭЛ допускаеткратковременное превышение ускорений замедления кабины.
Комфортабельность условий перевозки пассажировопределяется минимальной величиной времени ожидания лифта на посадочнойплощадке, плавностью и точностью остановки, отсутствием шума и вибраций вкабине, наличием хорошей вентиляции салона и достаточной освещённости.
Улучшение комфортабельности способствует красивая отделкакабины с хорошо продуманной гаммой цветов, создающей эффект увеличения объёмасалона кабины.
Снижение уровня электромагнитных помех может бытьгарантировано хорошим качеством экранировки источников помехэлектрооборудования лифта и установкой высокочастотных фильтров во вводномустройстве электрической силовой цепи лифта.
Также необходимо сформулировать основные требования кэлектроприводу лифтов:
надежность в работе, обеспечение безопасности припользовании лифтовой установкой;
малошумность
удобство и простота в эксплуатации и обслуживании;
ограничение ускорений кабины (по условиям комфортностидля пассажирских лифтов и отсутствия проскальзывания каната относительноканатоведущего шкива для грузовых лифтов);
обеспечение плавных переходных процессов пуска иторможения при широких пределах изменения момента сопротивления;
наличие ревезионной пониженной скорости />
обеспечение точности остановки кабины относительно уровняэтажной площадки
оборудование лифтовой лебедки автоматически действующимтормозом нормально замкнутого типа.
2. Разработка и выбор элементовАСУ ТП
2.1 Разработка общих алгоритмов функционирования АСУтехнологическим процессом. Блок схемы алгоритмов и их описания
Центральной частью блока управления являетсямикропроцессор TMS320F2812 фирмы Texas Instruments «USA». В основу принципаработы электронного селектора положен метод тактового опроса всех устройств(датчиков), контролирующих положение кабины лифта в шахте, а также всех кнопоквызывных и приказных постов. К устройствам, контролирующим положение кабины вшахте, относятся датчики верхнего и нижнего этажей (ДВЭ и ДНЭ) датчик точнойостановки ДТО, датчики замедления вверх ДчЗВв и вниз – ДчЗВн. Датчики ДТО,ДчЗВв и ДчЗВн установлены на кабине лифта. Они взаимодействуют с шунтамирасположенными в шахте лифта в зонах замедления и точной остановки у каждойостановочной площадки (реализуется счётный принцип определения положения кабиныв шахте).
Микропроцессор с помощью программы, записанной взапоминающем устройстве организует цикл из определенного количества тактовыхимпульсов, достаточного для опроса всех датчиков и кнопок вызова и приказа.
Счет этажей осуществляется микропроцессором при движениикабины вниз по сигналам от датчика замедления вниз, а при движении кабины снизувверх – по сигналам от датчика замедления вверх.
Последовательность опроса устройств – строго определена.Микропроцессор чётко фиксирует номер импульса, который он посылает. За каждымномером импульса закреплено одно определенное устройство, вследствие чегомикропроцессор «знает, какое устройство в данный момент опрашивает. Длявыделения при действии тактового импульса опроса сигнала от соответствующегоему опрашиваемого устройства используются мультиплексоры (в блоке управления ихнесколько для обслуживания нужного количества опрашиваемых устройств). При этомна информационные выходы подключены выходы опрашиваемых устройств, а появлениена его выходе одного из этих сигналов определяется подаваемым на адресные входытрёхразрядным двоичным кодом.
Двоичный код, управляющий работой мультиплексора,формируется на выходах двоичного счётчика. Тактовые импульсы поступают насчётчик с передающего выхода микропроцессора ТХД, т.е. на счётный вход счётчикапоследовательно подаются опросные импульсы. По окончании цикла опроса счётчик(в блоке 1 их два для подсчёта всего количества импульсов в цикле опроса)сбрасывается в исходное состояние.
Рассмотрим последовательность действия блока в моментвключения лифта. После включения прежде всего в микропроцессор вводится число,определяющее этажность здания. Код этажности набирается на отдельноммультиплексоре на выводах которого при установке лифта набирается нужныйдвоичный код. Микропроцессор поочередно подключает выводы этого мультиплексорак своему входу INTO, который используется в данной схеме не как вход внешнихпрерываний, а как вход, предназначенный только для опроса количества этажей вздании.
После определения количества этажей лифт совершаеткалибровочный рейс на первый этаж при первом нажатии на любую кнопку вызова илиприказа (если лифт не находится на первом этаже).
Если, например, при стоящей на первом этаже свободнойкабине поступает вызов с первого этажа, то этот сигнал через мультиплексор 2поступает на вход микропроцессора RXD – стандартный вход приемника сигналов.Микропроцессор составляет события, а именно то, что на запрос о состояниивызывной кнопки первого этажа пришел импульс от этой кнопки, свидетельствующийо наличии вызова, и формирует на порте PO адрес, по которому из запоминающегоустройства 4 поступают команды о дальнейших действиях, выявляется совпадениеэтажа вызова с этажом положения кабины, и на выходе RD микропроцессораформируется сигнал (в данной схеме выходы WR и RD используются как одиночныеразряды порта, служащие для включения реле управления вверх и вниз, а такжереле открывания дверей), который после усиления поступает на выход«откр.дверей».
Предположим, что пассажир вошел в кабину и нажал кнопкуприказа пятого этажа. В цикле опроса за кнопки вызова и приказа пятого этажаотвечает в данном случае 13-й импульс. При появлении на выходе TXLмикропроцессора 13-го по счету импульса он попадает на счётный вход счётчика 1,двоичный код на выходе которого включает канал мультиплексора 2, на входекоторого подключен сигнал от кнопки приказа пятого этажа, и с выходамультиплексора этот сигнал поступает на вход RXD приемника сигналовмикропроцессора. Далее, как описано выше, микропроцессор обрабатывает этотсигнал и формирует сигнал на выходе WR, который после усиления поступает навыход «вверх» и обеспечивает включение реле управления вверх в релейной частисхемы. При движении вверх счёт этажей осуществляется по датчикам замедлениявверх. По прибытии на этаж назначения и выходе всех пассажиров из кабины в блокэлектронного селектора подается сигнал «Сброс», по которому снимаютсясформированные ранее сигналы управления, и лифт готов к движению по вызову илиприказу. При движении кабины лифта микропроцессор при помощи мультиплексоровнепрерывно опрашивает датчики замедления вверх и вниз, датчик точной остановки,датчики крайних этажей, кнопки вызовов и приказов. Информация, поступающая отэтих устройств, обрабатывается микропроцессором, который в соответствии сзаписанной в запоминающем устройстве программой формирует требуемые сигналыуправления.
/>
Рисунок 3 – Общий алгоритм функционирования системыуправления пассажирским лифтом в режиме «Нормальная работа»
На рисунке 3 приведена блок-схема программы управлениялифтом в режиме «Нормальная работа». При закрытых дверях с помощью программы,записанной в запоминающем устройстве, осуществляется опрос постов вызова, и припоявлении вызова, проверяется условие нахождения кабины лифты на том же этажевызова. Если это условие не выполняется, то осуществляется переход кпрограммному блоку «Выбор направления», а при его выполнении формируется сигнал«Открыть дверь». После открывания дверей по завершении выдержки времени или припоступлении сигнала приказа обеспечивается закрывание дверей, решается задачавыбора направления движения с учётом взаимного положения этажа назначения иэтажа исходного положения кабины. В соответствии с результатами этого выборавключается привод для движения кабины в нужном направлении. В процессе движениякабины осуществляется проверка условия совпадения положения кабины с этажомназначения. При выполнении этого условия формируется сигнал замедления иостановки кабины, открываются двери, дальше управление осуществляетсяаналогично описанному.
Аналогичные программы формируются для обеспечения работылифта в других режимах (с учётом особенностей работы в этих режимах). Правда,управление в «Режиме ревизии» обычно выполняют без участия микропроцессорнойсистемы для обеспечения большей безопасности (алгоритм управления в этом режимедостаточно прост а возможность управления в крыши кабины не должна зависеть отработоспособности микропроцессорной системы). При использовании режимагруппового управления вводят дополнительные программные блоки, выполнениекоторых зависит от принятого при этом алгоритма управления.
2.2 Функциональная структурасистемы управления ТП описание функциональных блоков системы
Схема системы управления в режиме нормальной работыпредставлена на рисунке 4.
В схеме приняты следующие обозначения: ПЛ – привод лифта,ПД – привод дверей, ПВП – посты вызовов и приказов, УРПВ – узел регистрацииприказов и вызовов, УВНД – узел выбора направления движения, УОПК – узелопределения положения кабины, УЗО – узел замедления и остановки, ДПД – датчикиположения дверей, ДСЛ – датчики состояния лифта, УБЗ – узел блокировок изащиты, УВВ – узел выдержки времени, УОЗД – узел открывания и закрываниядверей, ПСУ – позиционно-согласующие устройство, СВ – сигнал движения вверх, СН– сигнал движения вниз, СБ – сигнал большой скорости, СМ – сигнал малойскорости, СЗД – сигнал закрывания дверей, СОД – сигнал открывания дверей, СВВ –сигнал выдержки времени, СВП – сигналы о вызовах и приказах, СНПК – сигнал оналичии пассажира в кабине, СПЗК – сигнал о полной загрузке кабины, СПГЛ –сигнал о прегрузке кабины; СРРЛ –сигнал регулирования разгона лифта; УОЗК –узел определения загрузки кабины, СПК – сигнал положения кабины.
/>
Рисунок 4 – Функциональная структура управления
2.3 Определение уровнейуправления ТП и архитектуры верхнего уровня АСУ
Для управления технологическим процессом передвиженияпассажирского лифта необходимо наличие трёх уровней управления.
Верхний уровень
В последнее время наблюдается тенденция к оснащениюзданий сложным инженерным и коммуникационным оборудованием. Появляетсянеобходимость вести наблюдение за основными системами жизнеобеспечения зданиядля предупреждения и быстрого реагирования на неисправности. Данную задачупозволяет решить автоматизированная система контроля, управления идиспетчеризации (АСКУД). Её также можно назвать как сервер ЖКХ. В частности длялифтового оборудования АСКУД позволяет:
контролировать положение кабины лифта в режиме реальноговремени
формировать отчеты о простоях, неисправностях,техническом обслуживании
контролировать доступ в шахту или машинное помещение
контролировать выход лифтового оборудования из строя
В диспетчерскую приходит вся информация с лифтовподключённых к системе. Диспетчер по полученным данным может направить бригадуна ремонт вышедшего из строя оборудования.
На базе обычной SCADA системы реализован диалогвзаимодействия диспетчера и поступающих данных. Также ведётся журнал событий втечение месяца.
Средний уровень
На среднем уровне происходит реализация локальныхуправляющих алгоритмов (управление приводом);
взаимодействие между технологическими объектамиуправления;
информационный обмен с уровнем III.
Для реализации перечисленных функций применяемуниверсальный сервоконтроллер ELESY PCI-Servo 4 производства фирмы «ЭЛЕСИ»Россия.
Контроллер предназначен для измерения непрерывныхсигналов, представленных напряжением постоянного тока и (или) постоянным током,сбора и обработки информации с первичных датчиков, формирования сигналовуправления по заданным алгоритмам, приема и передачи информации попоследовательным каналам связи в системах измерения, контроля и управленияобъектами.
Основная область применения – системы управленияперемещением технологического оборудования в соответствии с заданной программойдвижения.
Нижний уровень
Нижний уровень АСУ ТП состоит из преобразователя частоты ESD-TCLфирмы «ЭЛЕСИ», который является специальной разработкой для управлениябезредукторным асинхронным приводом лифтовой лебёдки; источник питания SiemensLOGO для подачи напряжения питания 24В;
датчик положения, определяющий точное местонахождениекабины в шахте; два механических нормально замкнутых тормоза; посты вызовов иприказов; конечные выключатели «верхний этаж» и «нижний этаж».
На дискретные входы сервоконтроллера подаются команды спостов вызовов и приказов, сигналы о нахождении лифта в верхнем и нижнемположении в шахте, сигналы открывания закрывания дверей кабины лифта, сигналыаварий.
2.4 Блок схемы аппаратных средств уровней системы. Выбораппаратных средств на всех уровнях управления. Вариант принципиальной схемысоединения между аппаратными блоками системы
/>
Рисунок 5 — Блок-схема соединения аппаратных средствуровней управления АСУ ТП
2.5 Выбор общего и специальногопрограммного обеспечения на всех уровнях АСУ ТП
Для сервоконтроллера ELESY PCI-Servo 4 используетсяследующее программное обеспечение.
Драйвер под Windows XP/2000/NT.
Утилита для конфигурирования параметров сервоконтроллерас возможностью тестирования периферии.
DLL библиотека с поддержкой набора функций управлениясервоконтроллером.
Примеры программирования сервоконтроллера на BorlandDelphi, C++ Builder.
Преобразователь частоты реализует векторное управлениедвигателем, программа работы написана в среде Code Composer Studio v3.1.
2.6 Принципы обмена информацией между уровнями системы.Выбор интерфейсных устройств и протоколов обмена
Обмен информацией между верхним (АРМ оператора) и среднимуровнем осуществляется посредством локальной сети PROFIBUS-DP по интерфейсуRS-485.
3. Математическое моделированиесистемы управления технологическим процессом
3.1 Выбор среды моделирования иразработка математической модели технологического процесса и технологическогооборудования с исполнительными электроприводами
Моделирование работы технологического процесса будемпроводить в среде MATLAB Simulink, обладающей широкими возможностями выполненияматематического моделирования, создавая модель из простых блоков. Также в средеSimulink содержаться блоки, которые позволяют визуализировать процессымоделирования.
Математическое описание процессов в асинхронном двигателе
Математическое описание АД должно отражать особенностиэксплуатационных режимов работы нагрузочного моментного ЭП в составеиспытательного стенда. Кроме того, в дальнейшем данная имитационная модельрассматривается как объект оптимального управления, на основании котороговыполняется структурно-параметрический синтез системы векторного управления АД.
При составлении уравнений электрического равновесия вобмотках АД возьмём за основу систему уравнений для трёхфазной электрическоймашины и ряд допущений, общепринятых в теории электрических машин переменноготока:
параметры обмоток всех фаз имеют одинаковые значения,т.е. имеет место симметричный режим работы;
магнитное поле электрической машины имеет синусоидальноераспределение вдоль воздушного зазора;
принимаем напряжения на выходе ПЧ синусоидальной формы,заведомо не учитывая взаимного влияния между АД и ПЧ по силовому каналу;
не учитываются потери в стали, вызываемые протеканиемвихревых токов в магнитопроводе двигателя и его перемагничением;
насыщение магнитной цепи АД не учитывается благодаряналожению ограничений на статорные токи;
эффект вытеснения токов в проводниках ротора пренебрежимомал ввиду того, что частота токов ротора при питании от ПЧ ограничена рабочимучастком механической характеристики.
На основании второго закона Кирхгофа и с учётомвышеприведённых допущений, уравнения для ЭДС в обмотках статора и ротора АДможно представить в следующем виде:
/>(2.1)
для цепей статора и
/>(2.2)
для цепей ротора.
В представленных системах уравнений приняты следующиеобозначения:
/>=/>=/>=/>– активные сопротивления фазстатора;
/>=/>=/>=/>– активные сопротивления фазротора;
/>, />, />, />, />, /> – мгновенные фазные напряжениястатора и ротора;
/>, />, />, />, />, /> – мгновенные фазные токи вобмотках статора и ротора;
/>, />, />, />, />, /> – потокосцепления обмоток статораи ротора.
Для связи между потокосцеплениями и токами в обмоткахвоспользуемся законом Ампера, тогда:
/>(2.3)
для статора
/>(2.4)
для ротора.
Уравнения потокосцеплений показывают зависимость от токовв каждой обмотке через взаимоиндукцию. В уравнениях (2.3 и 2.4) коэффициенты />, />, />, />, />, /> являютсясобственными индуктивностями соответствующих обмоток, все остальные –индуктивности между соответствующими обмотками.
Не забывая о том, что системы уравнений (2.1 – 2.4)связывают исключительно скалярные величины, выражение для электромагнитного моментапредставим в следующем виде [60]:
/>,(2.5)
где />это число пар полюсоврассматриваемого АД.
На основании второго закона Ньютона представим уравнениедля движения и равновесия моментов на валу АД:
/>,(2.6)
где />– момент инерции на валу АД, /> – угловаячастота вращения ротора, />– момент развиваемый АД и />– моментприложенный к валу двигателя со стороны нагрузки.
Изначально АД является трёхфазной электрической машиной снеявнополюсным ротором. Анализируя режимы работы АД в составе нагрузочногомоментного ЭП и совокупность принятых выше допущений можно предположитьправомерность использования для математического описания эквивалентнойдвухфазной модели.
На пути упрощения математического описания АД оказалсяподходящим метод пространственного вектора, позволяющий существенно упростить исократить вышеприведённую систему уравнений; метод позволяет связать уравнения(2.1 – 2.6) в единую систему с векторными переменными состояния. Суть методасостоит в том, что мгновенные значения симметричных трёхфазных переменныхсостояния (напряжение, токи, потокосцепления) можно математически преобразоватьтак, чтобы они были представлены одним пространственным вектором.
Представим систему уравнений с векторными переменнымисостояния для случая с произвольной ориентацией системы координат [21, 36]:
/>(2.7)
Здесь />, />, />, />, /> и /> - двухэлементные векторынапряжений, токов и потокосцеплений, представленные в произвольно ориентированнойортогональной (двухфазной) системе координат в виде составляющих покоординатным осям. Переменная /> служит для задания произвольнойчастоты вращения координатной системы. Вспомогательная матричная константа jслужит для «переворота» компонентов векторных переменных и позволяет упроститьформу записи системы уравнений.
Раскрывая содержание пространственных векторов, получаемследующее:
/>,/>,/>,/>,
/>, />, />.(2.8)
Система координат с принудительной ориентацией по векторупотокосцепления ротора
При решении задач разработки систем управления для АДнеобходимо рассматривать его имитационную модель с позиций объекта оптимальногоуправления. В теории систем управления асинхронными электроприводами примоделировании АД нашел место уникальный принцип ориентации системы координат повектору потокосцепления ротора. В данном случае имитационная модель АДприобретает определенное сходство со структурной схемой машины постоянноготока, где возможно раздельное управление магнитным состоянием и моментом навалу двигателя.
Математически условие ориентации применительно выражаетсяследующим образом:
/>;/>;/>.
Уравнения, описывающие АД в системе координат спринудительной ориентацией по вектору потокосцепления ротора.
/>
В системе /> представляет собой скольжениесистемы координат, а /> соответственно скорость еёвращения. Данные параметры определяются в соответствии со следующимивыражениями:
/>;/>.
В системе уравнений переменные с индексами «x» и «y»соответствуют компонентам пространственного вектора в координатной системе сориентацией по вектору потокосцеплений ротора />. С помощью правил создания ипреобразования структурных схем, принятых в теории автоматического управления,представим систему уравнений в виде структурной схемы. На рис. представленаструктурная схема, имитационной модели АД в системе координат с ориентацией повектору потокосцепления ротора />.
/>
Рисунок 6 — Структурная схема имитационной модели АД всистеме координат с ориентацией по вектору потокосцепления ротора />
Модель АД, представленная на рис. удобна для реализации ирасчёта в любом из прикладных программных продуктов, поддерживающихобъектно-структурное моделирование систем (Simulink-Matlab, Windora и т.д.).Для исследования и проверки адекватности созданной модели АД удобно выполнитьеё реализацию в среде Simulink-Matlab. В данной системе симметричные трёхфазныенапряжения, представленные в относительных единицах подвергаются преобразованиюКларка и поступают в виде компонентов пространственного вектора напряжений /> и /> на входыкоординатного преобразователя Парка-Горева. Формулы для координатногопреобразования Парка-Горева, позволяющего реализовать переход от стационарнойсистемы координат к вращающейся представлены ниже:
/>
Здесь />, /> - составляющие пространственноговектора напряжения статора />, представленные в стационарнойсистеме координат;
/>, /> - составляющие вектора напряжениястатора />,представленные во вращающейся системе координат;
/> - угол поворота вращающейсякоординатной системы (угол ориентации). Параметр /> связан с угловой скоростьювращения координатной системы /> благодаря следующему выражению:
/>.
Графически преобразование Парка-Горева иллюстрируется нарис.
/>
Рис. График преобразований Парка-Горева для связи между вращающейсяи стационарной системой координат
Координатный преобразователь Парка-Горева сориентировансовместно с системой координат разработанной имитационной модели АД. Благодаряэтому на входы модели по напряжению /> и /> поступают компонентыпространственного вектора напряжения, представленного во вращающейся системекоординат.
3.2 Структура и параметрическийсинтез регуляторов системы управления ТП
Синтез регуляторов производился из стандартной методикинастройки контуров на модульный или симметричный оптимум. Далее приведём лишьпередаточные функции регуляторов и краткое описание контуров.
Контур тока.
Настройка контура тока проводилась на модульный оптимум спомощью ПИ-регулятора.
Передаточная функция ПИ-регулятора тока
/>.
Коэффициент усиления регулятора тока:
/>,
где
/>
коэффициент ОС по току.
/> - коэффициент оптимизации.
Постоянная времени регулятора тока:
/>
Настройка контура близка к настройке на модульный оптимум(МО) системы 2-го порядка. Контур является астатической системой 1-го порядкапо управлению.
Контур потокосцепления.
При оптимизации контура потокосцепления внутреннийоптимизированный замкнутый контур тока представлен усеченной передаточнойфункцией 1-го порядка.
Передаточная функция ПИ-регулятора потокосцепления
/>
Коэффициент усиления и постоянная времени регуляторапотокосцепления определяются по выражениям
/>
где
/> />
/> - коэффициент оптимизации.
Настройка контура близка к настройке на модульный оптимумсистемы второго порядка. Контур является астатической системой регулированияпервого порядка по управлению и обеспечивает нулевую установившуюся ошибку />.
Контур скорости.
При оптимизации контура скорости внутреннийоптимизированный замкнутый контур тока представлен усеченной передаточнойфункцией 1-го порядка.
Передаточная функция ПИ-регулятора:
/>
Коэффициент усиления и постоянная времени регулятора скоростиопределяются по выражениям:
/>
Оптимизированный контур при отработке ступенчатыхуправляющих воздействий обеспечивает высокое быстродействие приперерегулировании в общем случае более 43%. Настройка контура без фильтров навходе близка к настройке на СО.
Для ограничения перерегулирования на уровне около 8,1 %на входе контура скорости включены два одинаковых фильтра.
Нелинейная система.
Дальнейшее моделирование проводилось с учётом основныхнелинейностей – насыщение регуляторов, ограниченное напряжение преобразователя.
К нелинейной системе для регулирования скоростипредъявляются следующие требования:
Постоянная скорость вращения равная />, что соответствуетлинейному движению кабины со скоростью />.
Ограничение ускарения. Ускорение должно быть />.
Чтобы выполнить выдвинутые требования необходим задатчикинтенсивности, с помощью которого установим время разгона до рабочей скорости.
/>
Рисунок 0.6 — Имитационная модель S-образного задатчикаинтенсивности в среде Simulink
Пусть время разгона будет 2,4 с.
/>
Рисунок 8 — – Переходная характеристика S-образногозадатчика интенсивности.
Имитационная модель РЭП в среде Simulink представлена нарисунке 9. Переходные характеристики полученные при моделировании представленына рисунке 10.