Автоматизированная система управления бытового водонагревателя с системой подводящих труб
ВВЕДЕНИЕ
Современные методы управления производственными
процессами на основе компьютерных технологий получили широкое распространение
на большинстве промышленных предприятий разных отраслей промышленности.
Диспетчерское управление и сбор данных - SCADA (от
Supervisory Control And Data Acquisition) - являются в настоящее время
основными методами автоматизированного управления сложными динамическими
системами и процессами в жизненно важных и критичных с точки зрения
безопасности и надежности областях. На принципах диспетчерского управления
строятся крупные автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на
транспорте, в военной и космической промышленности, в различных государственных
структурах и частных компаниях.
Традиционная концепция создания систем управления
производственными процессами предусматривает весьма ограниченную формализацию
этапов проектирования АСУ ТП (например, анализа свойств целей и синтеза
критериев управления), относя эти действия к творческим актам, успех выполнения
которых почти полностью определяется профессиональными и личностными качествами
управленческого персонала.
Однако практика эксплуатации сложных производственных
систем показывает, что ограниченная формализация основополагающих этапов
проектирования АСУ ТП может привести к невозможности достижения поставленных
целей, к получению результатов, отличных от ожидаемых, а также к несоответствию
между изменившимися условиями и целями и оставшимися неизменными моделями,
методами, алгоритмами и критериями, используемыми для поиска рационального
(оптимального) управления в изменившихся условиях.
От качественного сопровождения программного
обеспечения (ПО) для автоматизации ТП во многом зависит не только
производительность и безаварийность работы технологических агрегатов, но и
жизненный цикл спроектированной и сданной в промышленную эксплуатацию АСУ ТП.
В настоящее время в практике проектирования АСУ ТП
появились так называемые «коробочные» решения в области проектирования АСУ ТП
нижнего (уровня контроллеров) и верхнего уровня (уровень SCADA-систем), а также
уровня предприятия (уровня АСУП - MES- и ERP-систем). Однако применение
SCADA-систем (особенно для разработчиков проектов) - это огромный набор
технологий.
В настоящей работе рассматривается интегрированная
среда разработки Trace Mode версии 6.0.
1
Разработка математической модели бытового водонагревателя с системой
подводящих труб
1.1 Постановка задачи
управление автоматическое производственный
водонагреватель
Разработать и исследовать математическую модель
функционирования устройства бытового водонагревателя с системой подводящих
труб.
На рисунке 1.1 представлена схема устройства бытового
водонагревателя с системой подводящих труб
Рисунок 1.1 - Схема устройства бытового водонагревателя
с системой подводящих труб
Исходные данные: G1=2.3, G2=3.1 - интенсивность
потоков воды. G1 - интенсивность потока, входящего в емкость №1 (нагреватель),
и входящего в емкость №2, данному потоку соответствует температура воды - Q1=0. G2 - интенсивность потока воды,
выходящей из емкости №1 (вода после нагревания), и входящей в емкость №2,
данному потоку соответствует температура Q2=50.
Масса воды нагревательной емкости М1=3кг. Масса воды
во второй емкости М2=5кг.
Интенсивность потока воды G3 - общий поток, воды, в
результате смешивания двух потоков разной температуры (основная определяемая
величина).
=G1+G2.
Мощность нагревателя P=5000Вт.
Св - удельная теплоемкость воды.
Математическую модель будем создавать
в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений. В качестве выходной
величины рассматривать температуру Q3. Q2 принимаем равным 50, теплоемкостью
емкостей пренебрегаем. Потеря температуры воды на участке перехода от емкости №1
к емкости №2 не учитывается.
Необходимо реализовать возможность задания оператором
желаемого значения итоговой температуры. Данное условие будет реализовано, за
счет возможности регулирования интенсивности потоков G1 и G2, и температуры Q1.
Емкости считать герметичными (закрытыми), что позволит
избежать переполнения емкостей.
1.2 Математическая модель
Для составления дифференциальной модели, воспользуемся
следующими уравнениями термодинамики:
первый закон термодинамики;
уравнение теплоотдачи;
уравнение теплопередачи.
Если система обменивается теплом с окружающими телами
и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние
системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление,
объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими
параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что
процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.
Первый закон термодинамики является обобщением закона
сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он
формулируется следующим образом:
Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной
термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q,
переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами,
ΔU = Q - А.
Обычно жидкие и газообразные теплоносители нагреваются
или охлаждаются при соприкосновении с поверхностями твердых тел. Процесс
теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется
теплоотдачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота, -
поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.
Процесс передачи энергии от одного тела другому без
совершения работы называют теплообменом или теплопередачей. При теплообмене не
происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть внутренней
энергии горячего тела передается холодному.
Для нагревания тела массой m от температуры t1
до температуры t2 необходимо передать ему количество теплоты:
= cm(t2-t1)=cm∆t.
При остывании тела его конечная температура t2 оказывается
меньше начальной t1, и количество теплоты, отдаваемое телом,
отрицательно.
Коэффициент с называют удельной теплоемкостью.
Удельная теплоемкость - это количество теплоты, которое получает или отдает 1кг
вещества при изменении его температуры на 1К.
Рассмотрим термодинамические процессы, протекающие в
нашей системе модели бытового водонагревателя с системой подводящих труб, и
запишем уравнения, описывающие термодинамические процессы в каждом узле системы,
представленной на рисунке 1.1.
) Процесс нагревания воды до необходимой температуры
Q2 в первой емкости:
P∆t=Cв*M1*Q2+M1*Cв*(Q1-Q2) (1.3)
Считаем, что необходимая нам Q2=50. В таком случае, моделирование
данного уравнения не требуется, т к температура выходящего потока является
константой. Предположим, что электрический нагреватель оснащен датчиком,
настроенным непосредственно на необходимую нам температуру (по достижению её,
нагреватель отключается).
) Процесс смешивания двух жидкостей, для получения
необходимой температуры:
Q3=∫((Q1*G2+G1*(Q2-Q3)-Q3)/M2)(1.4)
1.3 Анализ математической модели
Необходимо проанализировать полученную математическую
модель, с целью выявления:
установившегося значения итоговой температуры;
времени регулирования;
перерегулирования;
установившейся ошибки.
В пакете Simulink среды разработки Matlab построим
схему модели бытового водонагревателя с системой подводящих труб, используя
функциональные блоки. Зададим константы и установим связи между блоками в
соответствие с математической моделью. . Воспользуемся функциональным блоком
Scope для отслеживания переходного процесса и выявления установившегося
значения температуры.
Реализованная схема представлена на рисунке 1.2
Рисунок 1.2 - Схема программы в пакете Simulink
Переходный процесс, показывающий зависимость
температуры от времени представлен на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 - Переходный процесс температуры
Получим установившееся значение температуры равное
47,6517 ºC, установившееся за время t=16с.
На графике, так же, изображена прямая, обозначающая
нижний предел пятипроцентной трубки регулирования. Её величина рассчитана как
95% от установившегося значения температуры и равна 48ºС. Также указан и верхний предел
трубки регулирования 45ºС. Указаны и температуры входных потоков.
Добавим к нашей программе ПИД-регулятор для управления
напряжением на вентиляторе. Изменяя интенсивность потока G2. Получим температуру
50ºС. Время регулирования равно 30с.
Новая схема программы представлена на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 - Схема программы с ПИД-регулятором
В блоке Signal Constraint зададим параметры,
необходимые для расчета коэффициентов ПИД-регулятора. Результаты расчета
представлены на рисунке 1.5, переходный процесс с ПИД-регулятором - на рисунке
1.6.
Рисунок 1.5 - Полученные коэффициенты ПИД-регулятора
Рисунок 1.6 -Переходный процесс с ПИД-регулятором
2 Интегрированная среда разработки
Trace Mode 6
.1 Общие сведения
TRACE MODE® 6 /1,4,5,7/ состоит из инструментальной
системы (интегрированной среды разработки) и из набора исполнительных модулей.
Инструментальная система включает полный набор средств
разработки АСУТП, а именно средства создания:
операторского интерфейса (SCADA/HMI);
распределенных систем управления (РСУ);
промышленной базы данных реального времени;
- программ для промышленных контроллеров (SOFTLOGIC),
а также средства управления бизнес-процессами производства (АСУП):
- систем управления основными фондами и техническим
обслуживанием оборудования (EAM);
систем управления персоналом (HRM);
систем управления производством (MES).
Вместе TRACE MODE® и T-FACTORY™ дают решения для комплексного
управления в реальном времени технологическими процессами и производственным
бизнесом, образуя интегрированную платформу для управления производством.
2.2 Инструментальная среда Trace Mode
Технология интегрированной разработки АСУ ТП объединяет
программирование как операторского интерфейса, так и промышленных контроллеров.
Инструментальная система состоит из следующих
редакторов:
- редактор базы каналов;
редактор представления данных (РПД);
редактор шаблонов.
Редактор базы каналов необходим для разработки
структуры проекта, а также включает математические основы обработки данных и
управления (распределенная база реального времени):
- описываются конфигурации всех рабочих станций, УСО,
контроллеров;
настраиваются информационные потоки между ними;
описываются входные, выходные сигналы, их связь с
устройствами сбора данных и управления;
настраиваются законы первичной обработки данных,
технологические границы;
осуществляется настройка архивирования и сетевого
обмена и т.д.
Редактор представления данных предназначен для
разработки графической составляющей проекта:
- создание статических рисунков технологического
процесса;
динамические формы отображения и управления
накладываются на статику.
Редактор шаблонов используется для разработки шаблонов
документов. Кроме того, в интегрированную среду разработки TRACE MODE® 6
встроены:
- редактор программ;
построитель связей с СУБД;
редактор паспортов оборудования (EAM);
редактор персонала (HRM);
редактор материальных ресурсов (MES).
3
Разработка автоматизированной системы управления в Trace Mode
.1 Разработка программы управления
системой
В Trace Mode создаем новый проект, в компоненте
Программа#1 которого создам все необходимые переменные. Все используемые
переменные, а так же их значения и размерности. Всем переменным задается тип
IN/OUT.
Далее переходим непосредственно к программированию
созданной нами математической модели на языке функциональных блоков FBD.
Создаются все необходимые блоки и устанавливаются связи между ними согласно
математической модели.
В свойствах программы создаем переменные, которые в
дальнейшем будут использованы для организации интерфейса оператора. Данные
представлены на рисунке -3.1.
Рисунок 3.1 - Аргументы переменных в среде Trace Mode
Создаем каналы для всех используемых в программе
переменных. В созданных каналах задаем значения переменных на старте.
Схема программы в среде Trace Mode представлена на
рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 - Схема программы в среде Trace Mode
3.2 Разработка интерфейса оператора
В компоненте проекта Экран#1 строим изображение модели
жидкостного охлаждения процессора согласно схеме, представленной на рисунке
1.1. Так же на интерфейсе оператора устанавливаем индикаторы для следующих
переменных:
температура входная Q1;
температура итоговая Q3;
интенсивность потока G1;
интенсивность потока G2.
Индикаторы Q1, G1, G2 позволяют оператору управлять
желаемой выходной температурой. Управление осуществляется программно с помощью
ПИД-регулятора.
Добавляем на Экран#1 объекты типа текст, позволяющие
наблюдать изменения данных.
Чтобы запустить программу, необходимо сохранить
созданный проект, а затем запустить профайлер.
Интерфейс оператора представлен на рисунке 3.3.
В результате реализации системы в среде Trace Mode
нами были получены следующие данные (рисунок -3.4):
установившееся значение итоговой температуры 47,6517ºС;
интенсивности потоков G1=2,3, G2=3,1;
одна из входных температур Q1=0;
время регулирования секунд 16с.
Рисунок 3.3 - Интерфейс оператора в среде Trace Mode
Рисунок - 3.4 результат реализации системы в среде
Trace Mode.
4. Тестирование программы при
изменении регулируемых параметров
Зададим регулируемую температуру Q1=13,3641ºС. На рисунке 4.1 представлен
результат работы программы. Видим, что происходит программное управление
входной температурой, с целью приблизить итоговую температуру к заданной
пользователем желаемой температуре. В результате реализации системы в среде
Trace Mode нами были получены следующие данные (рисунок - 4.1):
установившееся значение итоговой температуры 65,5853ºС;
интенсивности потоков G1=2,3, G2=3,1;
одна из входных температур Q1=13,3641ºС.
Рисунок 4.1 - Результат работы программы, при задании
температуре входного потока
Аналогично изменим значение интенсивности входного потока G2=0.6
Результат представлен на рисунке - 4.2. данные полученные в ходе реализации:
-установившееся значение итоговой температуры 52,2258ºС;
интенсивности потоков G1=2,3, G2=0,6;
одна из входных температур Q1=13,3641ºС.
Аналогично изменим значение интенсивности входного
потока G2=0.6
Результат представлен на рисунке - 4.3. данные полученные в ходе
реализации:
-установившееся значение итоговой температуры 65,2886ºС;
интенсивности потоков G1=2,3, G2=2,3333;
одна из входных температур Q1=17,0507ºС.
Рисунок 4.3 - Результат работы программы, при задании
температуре входного потока и интенсивности входных потоков
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения данного курсового проекта я
приобрела навыки работы в среде разработки Trace Mode и пакете Simulink среды
разработки Matlab.
Мной были проанализированы термодинамические процессы,
протекающие в данной системе, а затем составлена математическая модель системы,
которая в дальнейшем была реализована в Matlab, для определения оптимальных
коэффициентов ПИД-регулятора, с целью организации регулирования в системе.
Затем модель была реализована в среде разработки Trace
Mode. В процессе моделирования системы в Trace Mode мной была создана программа
на языке FBD, а так же пользовательский интерфейс для работы с ней и анализа
полученных в ходе её работы результатов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Анзимиров Л. В. 2005-2006:
Развитие технологий TRACE MODE. //Материалы XII Международной конференции
«Управление производством в системе TRACE MODE». - М.: «AdAstra Research
Group», Ltd, 2007.
2. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут
Е. Явления переноса. 1974 год. 688 стр.
3. А.П. Баскаков, редактор.
Теплотехника. Учебник.2-у изд. перераб. 1991 год. 224 стр.
4. Глухов Ф. В. Новые технологии
разработки операторского интерфейса в SCADA TRACE MODE 6. //Материалы XI
Международной конференции «Управление производством в системе TRACE MODE». -
М.: «AdAstra Research Group», Ltd, 2007.
5. Деменков Н. П. SCADA-системы
как инструмент проектирования АСУ ТП: Учеб. пособие. - М.: «МГТУ им. Н. Э.
Баумана», 2004. - 328 с.: ил.
6. Исаченко В.П., Сукомел А.С.
Теплопередача. 3-е изд. доп. перераб.1975 год. 673 стр.
7. Петров Д. Ю. Применение TRACE
MODE в учебном процессе. //Материалы XIII Международной конференции «Управление
производством в системе TRACE MODE» - М.: «AdAstra Research Group», Ltd., 2007.