Файл: Программнометодическое обеспечение лабораторного стенда Система автоматического регулирования температуры.pdf

44
-
ОС – операторская станция.
Как было описано выше, в роли нагревательного элемента используется лампа накаливания мощностью 75 ватт для сети переменного тока напряжением 220 вольт. В качестве термометра используется термометр сопротивления ТСП-50.
Диапазон измерений данного чувствительного элемента составляет от минус 200 °С до 650 °С. Сопротивление изменяется от 17.28 Ом до 333.25 Ом. Это сопротивление преобразуется в унифицированный токовый сигнал 0-5 мА с помощью блока усиления сигналов резисторных датчиков БУС-10. На выходе усилителя подключен резистор сопротивлением 1 кОм, падение напряжения на котором пропорционально протекающему току и изменяется от 0 до 5 В. Это напряжение поступает в аналоговый терминальный блок, который также входит в состав контроллера КРОСС 500. Терминальный блок, в свою очередь, связан с модулем ввода/вывода посредством гибких соединений. С модуля ввода/вывода сигнал идет в процессорную часть контроллера, где формируется управляющее воздействие. Управляющее воздействие подает импульсы на исполнительный механизм. Регулятор тока изменяет мощность нагрузки, пропорционально приложенному напряжению от 0 до 5 В, поданного на выводы управления. Информация на операторскую станцию вводится с помощью интерфейсов RS-232, TCP/IP Ethernet.
3.3 Функциональная схема автоматизации процесса
Одним из неотъемлемых документов технологического процесса является функциональная схема автоматизации. Она позволяет отразить основные положения структуры и объема автоматизированной системы.
На рисунке 11 представлена функциональная схема автоматизации системы автоматического регулирования температуры.

45
Рисунок 11 – Функциональная схема автоматизации
TE – термометр сопротивления; ТТ – измерительный преобразователь; NS – пусковая аппаратура; ИМ – исполнительный механизм; GT – датчик положения исполнительного механизма; НЭ – нагревательный элемент; РТ – регулятор тока.
Первичный преобразователь представляет собой термометр сопротивления (позиция 1-1), установленный непосредственно в тепловой камере. Сигнал с термометра сопротивления поступает на измерительный преобразователь
(позиция
1-2), находящийся на щите.
Затем унифицированный токовый сигнал поступает на контроллер для регистрации полученной информации и формирования управляющего воздействия. Для визуализации хода теплового процесса информация о текущей температуре поступает на SCADA-систему, где происходит регистрация и отображение данных в реальном времени.
После того, как контроллер сформировал управляющее воздействие, информация поступает на пусковую аппаратуру (позиция 1-3). Пусковая аппаратура, в зависимости от характера управляющего воздействия, управляет исполнительным механизмом (ИМ), представляющим собой

46 реверсивный электродвигатель. В свою очередь, вал электродвигателя вращаясь воздействует на регулятор тока, который изменяет ток путем изменения сопротивления переменного резистора. За счет изменения тока меняется температура нагревательного элемента.
Первичный преобразователь, находящийся на позиции 2-1, представляет собой датчик положения исполнительного механизма.
Информация о его положении также поступает на контроллер и в SCADA- систему.
3.4 Схема внешних соединений
Схема внешних соединений представлена на рисунке 12. Как видно из рисунка, лабораторный стенд состоит из теплового объекта, модулей ввода/вывода сигналов и терминальных блоков, входящих в состав контроллера. А также клеммно-блочных соединений (КБС), блоков питания
(БП), персонального компьютера (ПК), блока усиления мощности (БУМ).
В состав теплового объекта входят: нагревательный элемент (НЭ), представляющий собой лампу накаливания; термометр сопротивления, обозначенный на схеме как ТЕ; блок усиления сигнала (БУС-10); исполнительный механизм; блоки питания на 24 В и на 6 В. Термометр сопротивления подключен непосредственно к клеммной колодке блока усиления сигналов резистивных датчиков
БУС-10.

47
Рисунок 12 – Схема внешних соединений лабораторного стенда

48
Подключение к контроллеру осуществляется посредством разъема
XT6.
В состав котроллера КРОСС 500 входят следующие компоненты:
- блок центрального процессора (БЦП);
- модуль ввода аналоговых сигналов Т1-АI;
- терминальный блок, осуществляющий соединение Т1-АI с БЦП;
- модуль ввода/вывода дискретных сигналов T1-DIO;
- терминальный блок для подключения T1-DIO к БЦП;
- блок питания DRA60-24 для питания БЦП и T1-DIO.
Управление процессом осуществляется при помощи операторской станции, представляющей собой персональный компьютер
(ПК), подключенной к контроллеру.
В схеме также присутствуют реле, контакты которых используются в цепях управления реверсивного электродвигателя. Питание на катушки реле подается от блока питания БП-1, который питается от сети переменного тока напряжением 220 В. На рисунке 13 приведена схема управления двигателем
РД-09.
Рисунок 13 – Схема управления двигателем РД-09

49
4 Описание SCADA-системы MasterSCADA
4.1 Основные характеристики SCADA-системы MasterSCADA
Для разработки, обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки,
отображения и архивирования информации обо всех параметрах управляемого технологического объекта, применяется специальный программный пакет, называемый SCADA (Supervisory Control
And Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор данных). SCADA- система может использоваться во всех отраслях промышленности, в которых необходимо обеспечивать управление технологическими процессами посредством автоматизированных рабочих мест и осуществлять операторский контроль в реальном времени.
Современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента, представленные на рисунке 14.
Оператор
Диспетчерский пункт
Удалённый терминал
Коммуникационная система
Объект управления
Рисунок 14 – Структурные компоненты SCADA-системы
Почти все программные пакеты со SCADA-системами имеют одинаковый перечень функциональных возможностей:
- разработка автоматизированных систем без необходимости программирования;
- сбор первичной информации о состоянии полевых устройств.
- обработка полученной информации;
- регистрация аварийных сигналов и их архивирования;

50
- хранение всей истории протекания технологического процесса с дальнейшей обработкой всей информации;
- визуализация процессов управляемого объекта с использованием мнемосхем, графиков, средств регулирования, сигнализации и т.п.
MasterSCADA
– это новый инструмент разработки автоматизированных систем, средства и методы которого обеспечивают значительное снижение трудозатрат и повышение надежности проектируемой системы. MasterSCADA – это полнофункциональный пакет программ с расширяемой функциональностью. Пакет построен на клиент- серверной архитектуре с возможностью функционирования, как в локальных сетях, так и в Интернете.
Реализация приема и передачи данных и технических сообщений осуществляется на базе стандарта OPC (Open Platform Communication), встроенного в ядро пакета.
Программный пакет MasterSCADA имеет ряд преимуществ:
1. единая среда разработки и проектирования АСУТП;
2. раздельное конфигурирование структуры АСУТП и логической структуры объекта;
3. открытость и следование стандартам;
4. интуитивная легкость освоения:
- удобство инструментария;
- удобство методики разработки;
- мощная трехмерная графика и мультимедиа;
- неограниченная гибкость вычислительных возможностей.
5. объектный подход.
4.2 Функциональные возможности MasterSCADA
Интерфейс пользователя MasterSCADA представляет собой довольно простую структуру, единый внешний вид. Программа состоит из палитры

51 компонентов библиотеки, окна для редактирования документов и древовидного проекта. На рисунке 15 представлено окно проекта.
Рисунок 15 – Окно проекта
В области 1, выделенной красным цветом, представлено дерево системы. Оно содержит элементы конфигурации такие, как компьютеры,
ОРС серверы, и т. д. Область 2, выделенная синим цветом имеет дерево объектов, которое включает в себя объекты, переменные, группы переменных, функциональные компоненты. В области 3, выделенной зеленым цветом содержится перечень страниц свойств всех компонентов для настройки необходимых компонентов. Палитра компонентов представлена в области 4, выделенной коричневым цветом. Она позволяет брать библиотечные компоненты и функциональные блоки.
Размеры дерева системы, дерева объектов и палитры можно изменять, и они могут располагаться в любом месте экрана. Страницы свойств занимают все оставшееся пространство.
Средства программного пакета позволяют:
- вести обработку данных;
- составлять сценарии наступления событий;

52
- создавать схемы и мнемосхемы, тренды;
- выдавать сообщения и составлять рапорты;
- вести архивирование;
- обмениваться данными по сети;
- ограничивать права доступа и вести контроль действий оператора;
- отлаживать созданные программы;
- повышать надежность работы.
4.3 Настройка OPC-сервера и его предназначение
OPC-сервер предназначен для связи и обмена данными между технологической программой пользователя контроллера КРОСС-500 и
SCADA-системой, посредством интерфейса, который определяется спецификацией OPC Data Access 2.0.
Настройка OPC осуществляется посредством изменения файла crossopc.ini, который расположен в каталоге установки OPC – сервера. Это текстовый файл в стиле стандартных ini-файлов Windows, расположенный в директории C:\Program files\ КРОСС\ OPC\ CROSSOPC.
На рисунке 16 представлен пример конфигурационного файла OPC – сервера.
Рисунок 16 – Пример конфигурационного файла OPC – сервера

53
4.4 Создание программ визуализации
Программа визуализации в пакете MasterSCADA функционирует за счет переменных, объявленных в среде программирования ISaGRAF. Связь визуализации с технологической программой, написанной в ISaGRAF, обеспечивается OPC-сервером. Таким образом, при создании программы визуализации необходимо произвести настройку OPC-сервера, а затем запустить его [4].

54
5 Разработка программно-методического обеспечения
5.1
Программа
импульсного
ПИД-регулятора
в
среде
программирования ISAGRAF
5.1.2 Создание программы
Для автоматического регулирования температуры в тепловом объекте необходимо создать программу, базирующуюся на технологии ПИД- регулирования.
ПИД-регулятор
(пропорционально-интегрально дифференцирующий регулятор) – устройство в контуре управления с обратной связью. ПИД-регулятор применяется в системах автоматического регулирования для создания управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса. Сигнал, формируемый ПИД-регулятором, является суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе – интеграл сигнала рассогласования, третье – производная сигнала рассогласования.
Рассмотрим процесс составления программы в системе ISaGRAF 3.46.
Запуск системы программирования ISaGRAF 3.46 осуществляется щелчком по соответствующей пиктограмме, после чего открывается окно управления проектами, представленное на рисунке 17.
Рисунок 17 – Окно управления проектами

55
Далее открываем вкладку Файл и в выпадающем списке выбираем пункт Новый. Создаваемому проекту необходимо дать имя, затем в выпадающем списке Конфигурация В/В выбираем пункт Ничего (рисунок 18).
Рисунок 18 – Имя проекта
После создания нового проекта необходимо войти в него дважды щелкнув на его имя. В открывшемся окне создаем программу открыв вкладку
Файл и выбрав пункт Новый (рисунок 19).
Рисунок 19 – Окно создания новой программы
В строке Имя пишем название новой программы, в строке
Комментарий – комментарий к программе, в строке Язык выбираем FBD:
Функциональная Блочная Диаграмма. В строке Стиль выбираем Begin:
Основная программа.
Далее заходим в созданную программу и приступаем к её реализации посредством выбора всех необходимых функциональных блоков,

56 находящихся на панели компонентов. На рисунке 20 представлена данная панель.
Рисунок 20 – Панель компонентов
В выпадающем списке на панели инструментов (рисунок 21) представлено меню выбора функциональных блоков, необходимых для составления алгоритма программы.
Рисунок 21 – Меню выбора функциональных блоков
Для составления программы импульсного
ПИД-регулятора, потребуется следующий перечень функциональных блоков:
Аналоговый ввод/вывод (craio). За счет данного функционального блока осуществляется ввод/вывод с модуля, предназначенного для подключения к контроллеру КРОСС. Так как в данной работе осуществляется лишь ввод аналогового сигнала из теплового объекта, то выводы этого функционального блока не используются. На рисунке 22 представлен данный функциональный блок.
Рисунок 22 – Ввод/вывод аналоговых сигналов с контроллера КРОСС

57
Обозначение входов и выходов описаны в таблице 5. Здесь и далее перед номером каждого выхода стоит литера «S».
Таблица 5 - Обозначение входов и выходов блока craio
Номер
Тип
Обозначение
Описание
00
REAL addr
Адрес модуля
01
BOOL phys
Признак необходимости преобразования
02
REAL
AO1
Аналоговый выход
03
REAL
AO2
Аналоговый выход
04
REAL
AO3
Аналоговый выход
05
REAL
AO4
Аналоговый выход
S0
REAL
Err
Код ошибки
S1
REAL
AI1
Аналоговый вход
S2
REAL
AI2
Аналоговый вход
S3
REAL
AI3
Аналоговый вход
S4
REAL
AI4
Аналоговый вход
S5
REAL
AI5
Аналоговый вход
S6
REAL
AI6
Аналоговый вход
S7
REAL
AI7
Аналоговый вход
S8
REAL
AI8
Аналоговый вход
Вычитание (-). Алгоритм используется для вычитания двух переменных (второй от первой) целого и (или) действительного типа.
В таблице 6 приведен перечень входов и выходов функционального блока «Вычитание».
Таблица 6 – Перечень входов и выходов функционального блока
«Вычитание»
Номер
Тип
Обозначение
Описание
00
REAL
In1
Первое значение
01
REAL
In2
Второе значение
S0
REAL
Q
Результат вычитания