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

91
На рисунке 68 представлен окончательный вид мнемосхемы объекта
«Тепловая камера».
Рисунок 68 – Мнемосхема объекта «Тепловая камера»
После оформления мнемосхемы, приступим к сопряжению переменных контроллера с переменными динамизации.
В таблице 21 представлены переменные контроллера и переменные динамизации (переменные, применяемые в визуализации), которые необходимо сопоставить друг с другом в соответствии с функциями, которые они выполняют.
Таблица 21 – Сопряжение переменных контроллера и переменных динамизации
Переменные контроллера
Переменные динамизации
Dogrmax
Температура больше
Dogrmin
Температура меньше
Xzdn
Задание
Xin
График_Параметр1
Xzdn
График_Параметр2
Kp
Kp

92
Продолжение таблицы 21 – Сопряжение переменных контроллера и переменных динамизации
Переменные контроллера
Переменные динамизации
Ti
Ti
Td
D
Difmax_sounding
По скорости
Dostov_temp
По температуре
Xin
Температура
Polojenie_IM
Положение ИМ
Сопряжение переменных производится посредством OPC-сервера.
Для того, чтобы значение переменной контроллера визуализировалось на мнемосхеме, необходимо удерживая левую кнопку мыши перетащить нужную переменную из списка переменных контроллера в дерево объекта
«Тепловая камера» и присвоить соответствующему объекту из дерева. На рисунке 66 представлен процесс сопряжения переменных контроллера и переменных динамизации.
Рисунок 69 – Сопряжение переменных контроллера с переменными динамизации

93
Из рисунка 69 видно, что сопряженные переменные выделены розовым цветом.
На тренд нам необходимо вывести значение текущей температуры и значение заданной температуры. Произвести это можно также щелкнув левой кнопкой мыши на переменную контроллера, а затем удерживая её перетащить на тренд, предварительно открыв его в дереве объекта «Тепловая камера» (рисунок 70).
Рисунок 70 – Переменные на тренде

94 методических указаний. В данной лабораторной работе используется контроллер КРОСС 500, объект управления и операторская станция в виде
ПК.
Методические указания по выполнению лабораторной работы содержат:
1. Цель работы.
2. Описание SCADA-системы MasterSCADA.
3. Примеры работы в редакторах представления данных, базы каналов и редакторе шаблонов.
4. Пример создания и загрузки программы визуализации процесса управления процессом.
5. Задание.
6. Содержание отчета и контрольные вопросы.
Структурная схема лабораторного комплекса представлена на рисунке
71.
Рисунок 71 – Структурная схема лабораторного стенда «Система автоматического регулирования температуры»

95
При выполнении данной лабораторной работы студенту необходимо через операторскую станцию управлять технологическим процессом. Для этого необходимо в SCADA-системе MasterSCADA создать программу визуализации управления технологическим процессом регулирования температуры. При управлении, кроме отображения информации, предусмотрен переход с ручного режима на автоматический, создание световой сигнализации при превышении и понижении температуры по отношению к заданным порогам. А также изменение параметров регулятора и уставки САР.
После проделанной работы студент оформляет отчет, отвечает на контрольные вопросы и делает выводы.
Отчет должен содержать:
1. Цель работы.
2. Структурную схему лабораторного стенда.
3. Задание на выполнение лабораторной работы.
4. Информацию о настройке OPC.
5. Дерево системы.
6. Дерево объекта.
7. Стартовую мнемосхему.
8. Экранные формы, созданные в процессе выполнения лабораторной работы.
9. Ответы на контрольные вопросы.
10. Выводы по работе.
Заданием на лабораторную работу предусмотрено:
1. Настройка OPC сервер;
2. Запуск программу и проверка работоспособности демонстрационной программы;
3. Разработка программы визуализации и управления тепловым объектом. Программа должна содержать следующие элементы:

96
- тренд изменения температуры;
- график изменения температуры и порогов сигнализации;
- команды для настройки параметров регулятора;
- команду изменения уставки регулятора;
- мнемонические индикаторы для отображения предупредительной сигнализации по превышению или понижению температуры в тепловой камере.
Контрольные вопросы:
1. Назначение SCADA-систем.
2. Перечислите наиболее распространённые на зарубежном и отечественном рынках SCADA-системы.
3. Перечислитеотличительные особенности пакета MasterScada .
4. Для чего используется ОРС-сервер?
5. В чем состоит отличие графика от тренда?

97
6 Настройка регулятора
Для определения параметров настройки регулятора системы автоматического регулирования температуры необходимо составить операторно-структурную схему.
Структурная схема рассматриваемого объекта состоит из следующих элементов:
-
ПИД-регулятор
(пропорционально-интегрально- дифференцирующий регулятор);
- исполнительное устройство, представляющее собой двигатель постоянного тока;
- объект управления (тепловая камера);
- датчик температуры.
На рисунке 72 представлена обобщенная структурная схема рассматриваемого технологического процесса.
Рисунок 72 – Обобщенная структурная схема системы автоматического регулирования
Для построения характеристики переходного процесса необходимо найти передаточные функции каждого звена из структурной схемы.
Ниже представлена стандартная передаточная функция ПИД- регулятора (3).

98
????
пид
(????) = ???? +
1
????
????
????
+ ????
д
???? , (3) где ????
- пропорциональная составляющая;
1
????
????
????
- интегральная составляющая;
????
д
???? - дифференциальная составляющая.
Для того, чтобы составить передаточную функцию, описывающую работу исполнительного устройства преобразуем его звено (рисунок 73).
Рисунок 73 – Преобразование звена исполнительного устройства
Составим передаточную функцию исполнительного устройства (4).
????
ИУ
(????) =
1
????
????
????
∗ ????
????
, (4) где
????
????
– постоянная времени интегрирования
(определяется экспериментально), с;
????
????
– коэффициент передачи регулятора тока.
Произвольно выберем значение постоянной времени интегрирования, равной 195 с.
????
ИУ
(????) =
1
????
????
????
∗ ????
????
=
1 195????
∗ ????
????
,

99 где
????
????
– постоянная времени интегрирования
(определяется экспериментально), с;
????
????
- коэффициент передачи регулятора тока.
Значение
????
????
легко определить из следующего выражения (5).
????
????
=
????????
????????
, (5) где ????
????
- коэффициент передачи регулятора тока;
???????? - приращение по току, мА;
???????? - приращение угла поворота двигателя.
Экспериментально в ходе снятия кривой разгона было определено приращение по току. Оно равно 220 мА – 180 мА = 40 мА. Приращение угла поворота двигателя равно 180
°
Отсюда
????
????
=
????????
????????
=
40 180
= 0,222
????????
????
°
, где ????
????
- коэффициент передачи регулятора тока;
???????? - приращение по току, мА;
???????? - приращение угла поворота двигателя.
Далее приступаем к описанию передаточной функции объекта управления. Она имеет следующий вид (6):
????
ОУ
(????) =
????
ОУ
∗ ????
−????????
????
ОУ
???? + 1
, (6)
где ????
ОУ
(????) - передаточная функция объекта управления;
????
ОУ
- коэффициент пропорциональности объекта;
????
ОУ
- время переходного процесса до установившегося значения температуры, с;
???? – промежуток времени в самом начале переходного процесса, в течение которого температура не изменяется, с.

100
Для получения параметров, требуемых для передаточной функции объекта управления, построим кривую разгона теплового объекта по показаниям, которые были получены в ходе эксперимента.
Суть эксперимента заключалась в следующем: включается объект, температура нагревательного элемента начинает расти и через каждые десять секунд показания датчика температуры заносятся в таблицу 22.
Таблица 22 – Показания датчика температуры через каждые десять секунд
Температура,
℃
Время, с
Ток, мА
30 0
220 30 2
220 30 4
220 32 8
220 38 40 220 48 50 220 58 60 220 68 70 220 78 80 220 86 90 220 93 100 220 95 110 220 95 120 220 95 130 220 95 140 220
По этим данным построим график (кривая разгона температуры). На рисунке 74 представлена кривая разгона температуры.
Рисунок 74 – Кривая разгона температуры
0 20 40 60 80 100 0
2 4
8 40 50 60 70 80 90 10 0
11 0
12 0
13 0
14 0
Те
м
п
е
р
ату
р
а,
С
Время, с

101
На графике (рисунок 75) отмечены ????
ОУ
и
????.
Рисунок 75 – Время ????
ОУ
и
???? на кривой разгона
Для нахождения коэффициента пропорциональности объекта воспользуемся следующим соотношением (7).
????
ОУ
=
????(∞)
????(∞)
=
????, ℃
????, ????????
=
95 220
= 0.4318
℃
????????
, (7) где T – температура, ℃;
I – ток, мА.
Через точку перегиба на графике проводим касательную до максимального значения температуры.
Как видно из графика, промежуток времени ???? в самом начале переходного процесса, в течение которого температура не изменяется, равна
8 секунд. Также из графика (рисунок 71)
следует, что все время переходного процесса составляет Т = 98 с. Отсюда постоянная времени ????
ОУ
равна T
ОУ
= T
– τ = 98 – 8 = 90 с.

102
Далее приступаем к математическому описанию датчика температуры.
На операторно-структурной схеме датчик температуры представляет собой инерционное звено. Это звено преобразует выходной сигнал и по обратной связи направляет его на вход ПИД-регулятора для формирования управляющего воздействия. Для того, чтобы найти коэффициент датчика температуры воспользуемся градуировочной таблицей термопары хромель- копель (таблица 23). Определение коэффициента датчика при помощи градуировочной таблицы термопары хромель-копель проводится на другом стенде, где в его составе в качестве датчика температуры используется термопара.
В рассматриваемом объекте применяется термометр сопротивления, однако, для моделирования системы автоматического регулирования допустимо использовать коэффициент термопары, воспользовавшись таблицей 23. Температура объекта изменяется в пределах 100 ℃, поэтому в таблице выбираем значение температуры 100 ℃ и можно выбрать произвольно значение ЭДС для данного датчика. Выбираем 6.95 мВ.
Коэффициент датчика температуры представляет собой отношение
ЭДС к температуре (8):
????
д
=
????
????
=
6.95 100
= 0.0000695 мВ
℃
, (8) где ????
Д
– коэффициент датчика температуры;
E – ЭДС (электродвижущая сила), мВ;
Т – температура, ℃.

103
Таблица 23 – Коэффициенты термопар
Так как звено датчика температуры является инерционным, то его передаточная функция имеет постоянную времени Т. И его передаточная функция может принимать вид (9):
????
тер
(????) =
????
д
???????? + 1
, (9) где ????
тер
(????) – передаточная функция датчика температуры;
????
д
– коэффициент датчика температуры;
Т – температура, ℃.
Для обычных экранированных термопар постоянная времени в стартовых условиях находится в пределах (1,5 ... 4) с. Произвольно выберем постоянную времени, равную 4 с.
Отсюда передаточная функция датчика температуры примет вид:
????
тер
(????) =
0.0695 4???? + 1

104
После того, как мы нашли передаточные функции, операторно- структурная схема примет вид (рисунок 76):
Рисунок 76 – Операторно-структурная схема процесса
Промоделируем полученную систему в пакете Matlab Simulink. На рисунке 77 представлена модель описываемой системы в Simulink.
Рисунок 77 – Модель системы в пакете Matlab Simulink
Далее смотрим показания осциллографа, на предмет устойчивости системы. На рисунке 78 представлен график, с переходной характеристикой процесса. На нем хорошо видно, что процесс не устойчив из-за большого перерегулирования [5].