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.