Зміст та методичні вказівки до другого розділу

Технічні засоби систем автоматизації. До основних технічних засобів сучасних систем автоматизації відносяться програмовані логічні контролери (ПЛК), промислові комп’ютери, пульти і термінали, інформаційні мережі та їх компоненти. ПЛК як елементи мікропроцесорної техніки знайшли широке застосування як для вирішення комутаційних задач, так і для розв’язання задач керування, обробки та порівняння сигналів. Вони є базовими складовими при будуванні систем автоматичного керування (САК) різного ступеня складності.

Прикладами виробників ПЛК, які призначені для побудови систем автоматизації та керування є компанії Omron та Schneider Electric. Вони виробляють високопродуктивні, швидкодіючі та надійні в експлуатації модульні ПЛК, для програмування яких використовуються пакети автоматизації, наприклад, CX-Programmer, що містить засоби настроювання, програмування, запуску, спостереження та обслуговування [1, 4].

На рисунку 2.2 показано блок-схему ПЛК з модулями дискретних вводів/виводів, інтегрованих до блоку центрального процесора. Модулі вводу/виводу, які можуть бути інтегровані до єдиного з центральним процесорним пристроєм корпусу або виготовленні у вигляді окремих модулів, що монтують до стійки разом з іншими блоками контролера, яка облаштована електричними роз’ємами.

ПЛК може складатися з: модулів центрального процесора (CPU); аналогових виходів; аналогових входів; комунікацій; дискретних виходів; дискретних входів; керування осями; лічильників; спеціальних модулів та блоків пам’яті. При встановленні до стійки модулів ПЛК відбувається одночасно їх електричне з’єднування.

Рис. 2.2. Блок-схема з’єднання ПЛК

Центральний процесор (ЦП) зчитує з модуля інформацію про стан контактів зовнішніх пристроїв, виконує програму користувача, яку записано до його внутрішнього пристрою пам’яті і посилює відповідні команди керування зовнішніми пристроями через модуль виводу.

Блок-схема з’єднання ПЛК з елементами наведена на рисунку 2.3.

Рис. 2.3. Блок-схема ПЛК з елементами

Таким чином, до основних особливостей ПЛК відносяться наступні.

1. Програмовані контролери спрощують монтаж проводів при виконанні стандартних схем релейного керування. Центральний модуль ПЛК – це мікропроцесорна система, здатна виконувати функції реле керування таймерів, лічильників та механічних барабанних контролерів, які при кожному повороті своєї осі на певний кут перемикають певні електричні кола.

2. Вводи/виводи ПЛК складаються з вхідних та вихідних модулів, які зв’язують за допомогою інтерфейсу зовнішні пристрої з контролером. Вхідні модулі зчитують зовнішні сигнали, перетворюють вхідний сигнал до потрібного рівня напруги, ізолюють ПЛК від коливань вхідної напруги та струму і посилають сигнал для індикації отриманого сигналу світлодіодом. Модуль інтерфейсу виводу діє як перемикач між джерелом живлення користувача та зовнішнім керованим пристроєм.

3. Пристрій програмування дозволяє користувачу вводити, редагувати та контролювати програми. Протягом кожного перегляду програми контролер досліджує стани пристроїв вводу даних, виконує програму користувача і змінює стан виводів відповідно до стану пристроїв вводу. ПЛК працюють з двійковими числами, представленими у різних формах.

4. Для трансляції релейної логіки керування у контакти символічної логіки ПЛК використовують три базисних символи, які відповідають командам EXAMINE ON (перевірити на умову «ввімкнено»), EXAMINE OFF (перевірити на умову «вимкнено») та OUTPUT ENERGIZE (збудити вивід).

5. Ступені логічної драбини складаються з набору вхідних умов у вигляді командних контактів і команд виводу наприкінці ступеня, які надаються символом котушки. Зовнішні команди використовуються для отримання сигналів керування зовнішніми пристроями, а внутрішні – для керування всередині логічної драбини.

6. Незалежно від конкретної моделі ПЛК існують загальні режими їх роботи: CLEAR MEMORY (очищення пам’яті), PROGRAM (програмування), TEST (перевірка) та RUN (виконання). ПЛК-таймери забезпечують виконання тих самих функцій, що й механічні та електронні реле часу.

Промислові комп’ютери забезпечують рішення функціональних задач системи і задач керування. Широке використання отримали промислові комп’ютери SIMATIC PC компанії SIEMENS.

Інформаційні мережі призначені для передачі даних на усіх рівнях автоматизації виробництва куди входять: комплекс мережевих компонентів, програмні та апаратні засоби для побудови, конфігурації і експлуатації. Велика частина інформаційних мереж (інтегрованих систем) створюється на основі Ethernet, який має ряд переваг: необмежені комунікаційні можливості, швидкий обмін даними між різними ієрархічними рівнями керування, просту інтеграцію у глобальні мережі, швидкість передачі даних досягає 100 Мбіт/с, висока надійність та економічність тощо.

Пульти та термінали є засобами оперативного керування, моніторингу і діагностування, які містять апаратуру керування, контролю, захисту та сигналізації. Програмовані термінали, наприклад серії ТЕ Omron, використовуються як панелі оператора для контролю і керування технологічним обладнанням та процесом у цілому у режимі реального часу. Пристрої дозволяють відображати інформацію як у графічному, так і символьному вигляді, при цьому забезпечують якісний візуальний контроль за керованим процесом.

Вибір засобів автоматизації та датчиків. Якість автоматизованих систем керування (АСК) промисловими механізмами і технологічними комплексами залежить від типу обраного ПЛК. Функції системи керування (СК), що програмно реалізуються, визначають характеристики ПЛК та мікропроцесорних пристроїв. До основних характеристик ПЛК відносяться: розрядність процесора, швидкодія, об’єм пристроїв пам’яті, особливості системи команд тощо. Крім того, при виборі ПЛК важливе значення має номенклатура периферійних пристроїв (таймерів, інтерфейсів, портів вводу-виводу, АЦП, модулів різного призначення), параметри живлячої напруги, умови нормальної роботи, споживана потужність, наявність засобів для програмування тощо [1].

Практично усі ПЛК мають рівні функціональні можливості, тобто близькі технічні, експлуатаційні та економічні характеристики. Тому вибір ПЛК здійснюється за обраним критерієм оцінки, який задовольняє вимогам конкретної задачі. Розрізняють три групи критеріїв оцінки: технічні, експлуатаційні та критерії оцінки споживчих властивостей.

Вибір ПЛК здійснюється у наступній послідовності:

1) визначається відповідність технічних характеристик ПЛК технічним вимогам;

2) визначається відповідність експлуатаційних характеристик ПЛК експлуатаційним вимогам;

3) оцінка споживчих властивостей ПЛК (економічні показними, надійність, продуктивність тощо);

4) ранжирування обраних ПЛК відповідно розрахованих вагових коефіцієнтів характеристик ПЛК, які складаються у таблицю експерт-коефіцієнтів.

Остаточний вибір ПЛК виконується шляхом порівняльного аналізу показників цієї таблиці. Окремі фірми мають форми таблиці, де вказуються основні параметри ПЛК: об’єкт керування, призначення контролера, характеристики входу-виходу, кількість і тип комунікаційних портів, умові розміщення, комплект програмного забезпечення, напруга живлення тощо.

Об’єктивність та точність оцінки стану як АЕП та ЕМС у цілому, так і технологічного процесу визначаються вимірювальною інформацією, яка отримується за допомогою датчиків, що використовуються у системах. Вибір типу датчиків є дуже важливою технічною задачею, рішення якої визначається вимогами до них. При виборі датчиків враховуються наступні показники: призначення та умови експлуатації, точність і лінійність характеристик, чутливість та роздільна здатність, інерційність та швидкодія, клас захисту та вплив зовнішніх факторів, динамічні властивості і статична стійкість, надійність та масогабаритні розміри, потужність, що споживається датчиком, та інші техніко-економічні показники.

В сучасних АЕП та СА використовуються як аналогові, так і цифрові датчики, що виробляються такими компаніями, як SIEMENS, Schneider Electric, Omron та ін. До найбільш точних, надійних та перешкодозахищених відносяться цифрові датчики – абсолютні та інкрементальні енкодери, а також оптоелектричні датчики (наприклад, револьвери – в якості датчиків кута повороту і частоти обертання). Напруга живлення датчиків у межах 10…30 В.

Програмні засоби систем автоматизації. Усі засоби автоматизації мають програмне забезпечення, за допомогою якого здійснюється побудова системи команд і функцій керування, моніторингу, параметризації та ін., тобто настроювання і програмування різних елементів систем автоматизації [1].

Наприклад, широкий набір програмних продуктів серії СХ фірми Omron забезпечує одночасний доступ до різних програмованих логічних пристроїв та мережам через CX-Server. Ці програмні засоби виконують функції драйвера Windows для обміну даними між системами ПЛК Omron та Microsoft Office, програмування усіх типів ПЛК, тестування програм, настроювання параметрів модулів динамічного керування позиціонування та комунікаційних модулів, а також компіляцію програм та аналіз їх текстів.

За допомогою програмного середовища здійснюється розробка екранів терміналів для відображення інформації контролю за ходом технологічного процесу. Програмовані термінали та інформаційні панелі забезпечують ввід та наочне надання оперативної інформації про стан процесу керування та технологічного процесу. Мовою складання програм промислових терміналів є набір графічних елементів індикації, текстових повідомлень, цифрових дисплеїв, екранів для графічних залежностей та інших елементів керування. Загальний контроль і керування технологічним процесом, збір та зберігання, статистичну обробку і документування виконуються за допомогою промислових або персональних комп’ютерів.

Комп’ютерні засоби автоматизації, у тому числі ПЛК, працюють по жорстких програмах, закладених у них при виготовленні. Їх програмування для конкретних застосувань полягає у записі необхідної для керування інформації: кодів режимів, слів, що керують, біт дозволу або заборони, параметрів, меж виміру даних тощо. До особливостей програм відносяться: наявність розвиненого математичного апарату обробки бітової інформації з датчиків; реалізація законів та алгоритмів автоматичного керування, які мають добру швидкодію і високу надійність. Інтелектуальні модулі являють собою сопроцесори, які працюють за деяким незалежним алгоритмом і виконують функції вводу-виводу інформації, її переробку, передачу або зберігання та ін.

Автоматичне керування реалізується за двома способами: керування за часом (керування у функції часу) та керування за станом об’єкта керування. Алгоритм керування у часі складається із двох частин: алгоритму формування послідовності інтервалів часу керування (таймерів) та алгоритму керування виконавчими пристроями на даному інтервалі часу.

При керуванні за станом необхідно мати інформацію про стан об’єкта керування (хід технологічного процесу), що потребує використання різних датчиків. Розрізняють два способи такого керування:

1) послідовність дій жорстко визначена, а інформація датчиків дозволяє контролювати кінець дії або перехід об’єкта у новий стан, при цьому кожна нова дія починається після закінчення минулої;

2) вибір нової дії (стану об’єкта) визначається поточними значеннями параметрів об’єкта, при цьому кожна нова дія починається за виконанням необхідних для цього умов.

Таке керування здійснюється за допомогою алгоритмів жорсткого послідовного та гнучкого керування за станом об’єкта керування.

Багатодвигунні електроприводи агрегатів безперервної обробки смуги. Такі агрегати призначені для термічної, хімічної та механічної обробки холодно- та гарячекатаної сталевої смуги. Основне обладнання агрегатів складається з різних за функціональним призначенням механізмів, які пов’язані між собою загальним технологічним процесом. Кожен з механізмів є складною електромеханічною системою зі своїм електроприводом, що працює у тривалому режимі [5].

Електроприводи механізмів являють собою функціонально пов’язані багатодвигунні приводи. Основними вимогами до таких ЕП є: забезпечення транспортування смуги з заданою швидкістю та підтримуванням потрібного натягу у всіх режимах роботи та ділянках агрегату. Це забезпечує високі якість прокатки та продуктивність агрегату.

До виконання цих вимог один із механізмів агрегату визначається як ведучий, тобто базовий; його швидкість визначає швидкість руху смуги в агрегаті або наданої ділянки. Усі інші механізми є веденими, тягнучими, вони визначають величину натягу смуги, який створюється за рахунок роботи приводних двигунів у різних режимах.

Таким чином, до основних задач ЕП ведучого механізму обробки смуги відносяться: розгін або сповільнення агрегату з заданим темпом і підтримка заданої величини швидкості, що суттєво спливає на продуктивність агрегату. Для вирішення цих задач використовують САК з пропорційно-інтегральним (ПІ) регулятором швидкості привода. Така САК забезпечує високу статичну точність стабілізації швидкості тягнучого агрегату у всіх режимах роботи незалежно від величини навантаження.

Але на практиці для поліпшення динамічних властивостей підвищення точності САК та агрегату у цілому використовуються системи керування з пропорційно-інтегрально-пропорційним (ПІП) регулятором швидкості, передаточна функція якого має наступний вигляд

.

ПІП-регулятор створюється шляхом шунтування резистором кола елементів R-C або тільки ємності С у зворотному зв’язку операційного підсилювача ПІ-регулятора. Стандартний ПІП-регулятор може бути перепрограмований у ПІП-регулятор за рахунок охоплення ПІ-регулятора жорстким зворотнім зв’язком (ЖЗЗ). Її введення перетворює передаточну функцію такого регулятора

у передаточну функцію ПІП-регулятора

,

де – коефіцієнт перетворення кола ЖЗЗ; та – постійні часу, що визначаються як

; ,

де і – відповідно частота зрізу розімкненого контура швидкості і коефіцієнт, який враховує зниження просідання швидкості.

Підтримка постійної величини заданого натягу смуги у всіх режимах роботи тягнучого механізму здійснюється шляхом автоматичного регулювання струму якоря приводного ДПС або активної складової струму статора АД. З урахуванням пружних властивостей смуги структурна схема дводвигунного електропривода постійного струму тягнучого механізму має вигляд двоконтурної системи підпорядкованого регулювання швидкості з внутрішнім контуром струму якоря і зовнішнім контуром натягу смуги, пов’язані колом внутрішнього зв’язку з проти ЕРС двигуна.

Використовуючи метод структурних перетворювань та оптимізуючи на модульний оптимум контура регулювання струму якоря та контура натягу смуги, отримують перетворену структурну схему ЕП тягнучого механізму. За своїми динамічними властивостями кожен з цих контурів еквівалентний коливальній ланці другого порядку. Ланка, яка описує об’єкт регулювання натягу, володіє низьким коефіцієнтом демпфірування, що залежить від швидкості смуги. Коефіцієнт перетворення і постійна часу залежать від параметрів електропривода. Динамічні властивості ЕП та тягнучого механізму у цілому визначаються співвідношенням постійних часу контурів.

У випадку, коли ділянка або агрегат обробки смуги складається із двох механізмів, агрегат є взаємозв’язаною системою з дводвигунним електроприводом. Кожен із електроприводів виконується за системою ТП-Д, побудованою за принципами підпорядкованого регулювання. Для такого дводвигунного ЕП отримується його передаточна функція тягнучого механізму відносно збурюючої дії, за якою здійснюється аналіз динамічних властивостей механізму з урахуванням пружності сталевої смуги шляхом моделювання.

Аналіз систем керування ЕП механізмів свідчить, що вплив ведучого механізму приводить до демпфірування коливань натягу, які виникають у системі пружна смуга-двигун тягнучого механізму, отже, до підвищення якості регулювання натягу. При цьому при невеликій довжині смуги на ділянці натягу необхідно знижувати швидкодію контура регулювання швидкості.

Для підвищення точності величини натягу смуги використовується метод прямого регулювання натягу смуги за допомогою датчиків зворотних зв’язків за натягом. У такому випадку система регулювання являє собою триконтурну систему керування, зовнішнім контуром якої є контур регулювання за натягом.

Електроприводи підвищеної надійності та економічності. Необхідність створення таких ЕП визначається вимогами та умовами технологічного процесу, а також великими матеріальними втратами, до чого приводять відмови обладнання ЕМС. Підвищені вимоги до надійності та економічності мають електроприводи механізмів металургійних цехів, що працюють у важких умовах. Ці ЕП повинні мати високі техніко-економічні показники та забезпечуватись насамперед ефективними системами керування, що зменшують втрати енергії у силових колах та вартість елементів ЕП. Такі приводи мають багатодвигунну структуру, в якій один двигун є ведучий, а інші відомі, тобто маємо резервовану систему приводів [5].

Розглянемо як приклад функціональну схему систему керування чотирьохдвигунним ЕП постійного струму механізму повороту конвертера, наведену на рисунку 2.4.

Приводні ДПС М1-М4 живляться від окремих тиристорних перетворювачів (ТП). Кожний ЕП являє собою триконтурну систему підпорядкованого регулювання, у склад якого входять контури струму якоря, швидкості та вирівнювання навантажування з регуляторами відповідно струму РС і датчиком струму ДА, швидкості РШ і датчик швидкості BR, а також регулятором вирівнювання навантажування (РВН). Загальним елементом для вказаних САР є задавач інтенсивності (ЗІ).

Для вирівнювання струмів навантаження ПЕД використовуються чотири РВН, які вмикаються зі кільцевою схемою, яка при появленні різниці струмів навантаження будь-якої пари ПЕД проводить відповідне коригування завдання на швидкість доти, поки вона не буде однаковою для усіх двигунів.

При виході з ладу одного або двох двигунів системи вона зберігає свої властивості. Якщо з ладу вийшов один двигун, автоматично виводиться з роботи його РВН, при цьому коригування швидкості у сусіднього електропривода не здійснюється, він стає ведучим. Інші працюючі РВН здійснюють коректування навантаження інших двигунів. Якщо вийдуть з ладу два не сусідніх за схемою електропривода, вирівнювання навантаження для інших двох приводів проводиться шляхом відповідного перемикання РВН за допомогою спеціального комутатора.

Таким чином, чотиридвигунні ЕП механізму повороту конвертора забезпечує високу надійність та рівномірність розподілення навантаження між усіма працюючими ПЕД, у тому числі, при виході з ладу одного чи більше двигунів.

Рис. 2.4. Функціональна схема системи керування

чотиридвигунним ЕП механізму повороту конвертера

2.2.2. Контрольні запитання до другого розділу

1. Характеристика основних технічних засобів систем автоматизації.

2. Програмовані логічні контролери, блок-схеми ПЛК з елементами.

3. Особливості програмування і використання ПЛК.

4. Загальні відомості про інформаційні мережі, пульти та термінали керування.

5. Характеристика та вибір елементів систем автоматизації.

6. Особливості вибору ПЛК.

7. Характеристика та особливості вибору датчиків СА.

8. Характеристика програмних засобів систем автоматизації.

9. Способи та алгоритми керування станом об’єктом керування.

10. Призначення та склад агрегату безперервної обробки сталевої смуги.

11. Основні задачі та вимоги до системи керування електроприводами ведучого механізму обробки смуги.

12. Система керування електропривода ведучого механізму обробки смуги з пропорційно-інтегрувально-пропорційним регулятором.

13. Динамічні властивості ПІП-регулятора.

14. Особливості системи керування електропривода тягнучого механізму агрегату обробки смуги за складом та роботою.

15. Принципи побудови триконтурної системи підпорядкованого керування електроприводом тягнучого механізму агрегату обробки смуги.