Введение
Главная задача промышленности в динамичном, пропорциональном развитии общественного производства и повышении его эффективности, ускорении роста производительности труда, улучшении качества продукции. Быстрый рост существующих и появление новых отраслей промышленности вызывает, в свою очередь, необходимость дальнейшего развития системы высшего и среднего специального образования, повышения качества подготовки молодых специалистов для всех отраслей промышленного производства. Таким образом, задача подготовки высококвалифицированных кадров, вооруженных современными знаниями, практическими навыками, является одной из важнейших задач на данном этапе. Поэтому сейчас, как никогда остро, ощущается необходимость приложения максимальных усилий для совершенствования содержания обучения, средств и методов подготовки специалистов. Одним из направлений, по которому должно идти это совершенствование, является развитие и укрепление материально-технической базы учебного заведения. Сюда относятся, в первую очередь, широкое внедрение технических средств обучения, оснащение лабораторий и кабинетов новейшим оборудованием и приборами, модернизация лабораторных стендов и макетов, с учетом последних достижений науки и техники на современной компонентной базе [3].
В целях повышения качества обучения, необходимо разрабатывать и внедрять в учебный процесс современные лабораторные стенды.
Ни один учебник, ни одна компьютерная программа все же не в состоянии заменить работу в лаборатории. Именно лабораторные стенды дают учащимся возможность проверить теорию практикой, отточить свои профессиональные навыки и приобрести необходимое мастерство. Современные лабораторные стенды придают процессу обучения особый смысл и интерес, позволяют реально ощутить атмосферу научного эксперимента и поиска.
Постановка задачи
Разработать лабораторную установку и реализовать на ней автоматизированную систему управления тепловым объектом, на базе операторской панели Siemens C7-635 с целью повышения качества образования. Установка должна представлять из себя тепловой объект с возможностью выбора режима управления (аналоговый, дискретный, ШИМ) и способа управления (подача возмущающего воздействия на ТЭН, вентилятор или насос); предоставлять возможность формирования программ автоматического управления и их загрузки из базы данных; формировать визуализацию всех способов и режимов управления тепловым объектом. Структурная схема лабораторного стенда изображена на (Рис.1).
Рис.1. Структурная схема лабораторного стенда
Описание операторской панели Siemens C7-635
Для обучения студентов работе с современными контроллерами, в лаборатории ВПИ разработан новый учебный стенд на базе операторской панели Siemens C7-635.
Блоки SIMATIC C7-635 предназначены для построения систем управления, в которых необходима скоростная обработка информации и развитые функции человеко-машинного интерфейса. Блок оснащен набором встроенных входов и выходов, а также встроенным интерфейсом ведущего/ведомого устройства PROFIBUS-DP [4].
Операционная система контроллера оснащена дополнительным набором технологических функций [4]:
скоростного счета;
измерения частоты;
позиционирования по одной оси;
ПИД-регулирования
Блок C7-635 оснащен центральным процессором с большим объемом памяти программ и панелью оператора с развитыми функциями человеко-машинного интерфейса.
Описание объекта управления
Операторская панель Siemens C7-635 подключена к объекту управления, представляющему из себя замкнутую систему, в которой вода, нагреваемая ТЭНом (1в), циркулирует при помощи насоса (3в) и охлаждается в радиаторе (2) воздушным потоком, создаваемым вентилятором (4в) (Рис. 1).
Установка состоит из ёмкости (1) общим объёмом 20 литров, в которой установлен ТЭН (1в) мощностью 2 кВт. Контроль температуры в ёмкости осуществляется с помощью термосопротивления (1а). Насос (3в) осуществляет процесс непрерывной циркуляции воды в системе. Радиатор (2) предназначен для внесения возмущающего воздействия на объект управления путём охлаждения проходящей через него воды. Контроль температуры поступающей воды в радиатор (2) и выходящей из него осуществляется датчиками термосопротивления (3а, 5а). Датчик термосопротивления (4a) служит для контроля температуры воздуха выходящего из радиатора (2).
Контроль уровня в ёмкости (1) осуществляется кондуктометрическим датчиком с тремя стержнями (2а), предназначенным для предотвращения выхода из строя нагревательного элемента (ТЭН) (1в). Вентилятор (4в) предназначен для создания воздушного потока, который охлаждает воду в радиаторе (2). Скорость вращения контролируется индуктивным датчиком (6а).
Управление ТЭНом (1в) осуществляется с помощью твёрдотельных реле тремя способами с использованием различных законов регулирования.
1 способ – двухпозиционное регулирование.
2 способ – использование ШИМ регулирования.
3 способ – фазовое регулирование мощностью ТЭНа (1в).
Рис.1. Функциональная схема объекта управления
Данная лабораторная установка позволит реализовывать на ней не только различные режимы и комбинации этих режимов управления тепловым объектом, но и различные способы управления тепловым объектом. К таким способам можно отнести: способ регулирования теплоотдачи нагревательного элемента, способ регулирования интенсивности циркуляционного процесса и способ регулирования интенсивности потока воздуха поступающего на радиатор. Реализация управления тепловым объектом различными режимами или способами, даёт возможность оценить эффективность и рациональность каждого способа, и режима. Всё это позволит углубить знания студентов в области управления тепловыми объектами.
Датчики температуры (3а, 5а), стоящие перед радиатором и после него позволяют более точно отслеживать ход процесса охлаждения.
С помощью индуктивного датчика скорости вращения вентилятора (6а) осуществлена обратная связь, для более точного управления тепловым объектом при помощи вентилятора.
Операторская панель Siemens C7-635 со встроенным контроллером позволяет реализовывать основные законы регулирования (П, ПИ, ПИД). В рамках эксперимента возможно рассмотрение других законов регулирования.
Имитатор аналоговых и дискретных сигналов подключенный к контроллеру позволяет, как просто подавать на него дискретные и унифицированные аналоговые сигналы, так и имитировать обрыв в измерительной линии. Применение имитатора сигналов позволяет выполнять лабораторные работы с моделированием различных производственных ситуаций. Это даёт студентам понятие обширных возможностей операторской панели Siemens C7-635, без эксплуатации объекта управления .
Подключенная к контроллеру ЭВМ, позволяет не только визуализировать сам технологический процесс, но и даёт возможность студентам обучаться работе с такими Scada системами, как WinCC.
Основной целью данного стенда, является повышение уровня подготовки студентов, посредством освоения различных режимов управления тепловым объектом. Использованное в работе оборудование даст студентам наиболее широкое представление о современных возможностях автоматизированного управления.
Возможности моделирования объекта управления
Разработанный лабораторный стенд, при помощи данных получаемых с датчиков температуры (1а, 3а, 4а, 5а) (Рис. 1), позволит создать математическую модель объекта управления. Способ получения модели объекта управления, формальный или физический, выбирается непосредственно студентом. При формальном подходе используют модель типа «чёрный ящик», в которой не содержится информация о физических процессах, происходящих в объекте, или его структуре. Синтез формальной модели сводится к выбору одной из небольшого числа моделей, и идентификации её параметров [1].
При физическом подходе модель объекта составляют в виде системы уравнений, описывающих физические процессы в объекте. При этом в качестве параметров модели могут использоваться геометрия объекта, физические параметры материала, фундаментальные физические константы. В физическую модель могут быть добавлены несколько формальных («подстроечных») параметров, которые необходимо определить экспериментально из условия минимизации погрешности моделирования. Достоинством физических моделей является то, что в процессе построения физической модели в неё вносится информация о структуре объекта. Наличие в модели информации о структуре объекта позволяет лучше отфильтровать помехи и возмущения в процессе подгонки модели к экспериментальным данным методом наименьших квадратов (МНК)[1].
В отличие от физической, формальная модель справедлива только для того набора параметров, который был получен в процессе её идентификации. При изменении параметров объекта идентификацию параметров модели нужно выполнять заново [1].
Переходный процесс в системах автоматического регулирования зависит от динамических свойств объекта управления, характера и величины возмущающего воздействия, типа автоматического регулятора или его закона регулирования и числовых значений параметров настройки регулятора. Как правило, влиять на динамические свойства заданного объекта управления и на его возмущающее воздействие не представляется возможным. Поэтому для достижения необходимого качества регулирования нужно соответствующим образом выбрать тип регулятора, закон регулирования и значения параметров настройки регулятора [2].
Каждый конкретный технологический процесс имеет свои особенности, в соответствии с которыми к качеству регулирования предъявляются необходимые требования. В одних случаях оптимальным может служить процесс, обеспечивающий минимальное значение динамической ошибки регулирования, в других – минимальное значение времени регулирования и т.д. [2].
Рассчитав математическую модель объекта управления, выбрав оптимальный регулятор и закон регулирования, а так же значения параметров настройки регулятора, студент при помощи разработанной лабораторной установки апробирует свои расчёты на реальном объекте управления. В зависимости от полученных результатов делается вывод о оптимальности произведённых расчётов, на основании которого принимается решение о произведении перерасчёта.
Заключение
Таким образом, для учебного процесса в ВПИ филиал ВолгГТУ, была разработана лабораторная установка, которая позволяет реализовать достаточное количество лабораторных работ по изучению и освоению различных режимов управления технологическим процессом. Практические возможности применения данного лабораторного стенда в учебном процессе, довольно обширны.
Литература:
1. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. / В.В. Денисенко; ред. Ю.Н. Чернышев. – М. : Горячая линия-Телеком, 2009. – 608 с.;
2. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в химической промышленности. / Л.М. Полоцкий, Г.И. Лапшенков; ред. проф. Н.И. Гельперина. – М. : «Химия», 1973. – 320с.; 3. Беспалов А.В., Харитонов Н.И. Системы управления химико-технологическими процессами. Гриф МО РФ./ А.В. Беспалов, Н.И. Харитонов; - М : «Академкнига», 2007. – 690с.;
