Архив / 2003 / №1(21) / Автоматизация технологических процессов

Цифровое управление вентиляционными системами

На кафедре кибернетики химико-технологических процессов Российского Химико-Технологического Университета имени Д. И. Менделеева создана автоматическая система регулирования (АСР), одной из составных частей которой служит разработанный компанией "ОВЕН" блок управления симисторами и тиристорами (БУСТ). АСР вентиляционных систем, помимо обучения студентов, используется и в научно-исследовательской работе.Рассмотрим работу установки.

Приступая к рассмотрению автомати зированной системы управления венти ляцией и вариантов ее реализации, следу ет подчеркнуть, что в химическом произ водстве подобные установки чаще всего выполняют две разнородные задачи. По мимо вентиляции производственных и складских помещений, АСР используют ся и для управления аэродинамическими режимами в технологических аппаратах, для которого зачастую критична темпера тура подаваемого воздуха, как, например, в случае сушки термолабильных материа лов. Специфика налицо, поэтому рассмо трим три основных метода нагрева возду ха. Условимся, что основным параметром регулирования в системах приточной вен тиляции является температура воздуха на выходе вентилятора.

Нагрев от горячей воды, подаваемой из теплосети

Регулирование осуществляется путем изменения расхода горячей воды. Необ ходимо отметить, что для защиты калори фера от замерзания воды необходимо ус танавливать два термометра сопротивле ния (ТС): один на начальном участке воз духовода, а второй — на трубе с водой, вы ходящей из калорифера. Если температу ра воздуха ниже 3-4 °С, а температура воды после калорифера ниже 20-30 °С, то должны срабатывать позиционные регу ляторы, которые выключают вентилятор, закрывают заслонку на воздуховоде и от крывают клапан на трубопроводе горячей воды. В результате, система защиты осуществляет периодический прогрев калорифера пропусканием горячей воды, — тем самым, предотвращаются возможные аварии, но, к сожалению, дается это ценой пауз в работе вентиляции и воздухо дувок.

Нагрев от пара

Если в качестве теплоносителя ис пользуется не горячая вода, а пар, то в ка лорифере нагревается только часть воздуха. Другая часть воздуха направляется не посредственно во всасывающую магистраль вентилятора. Регулирующее воздействие в этом случае будет осуществляться за счет изменения соотношения расхода основного и байпасируемого потоков воз духа. Система защиты при таком регули ровании должна обеспечивать управление клапаном на магистрали пара и заслонкой основного воздухопровода.

Электронагрев

Принципиально упростить схему управления калорифером и повысить ее на дежность можно в том случае, если в качестве объекта регулирования выступает электрический калорифер. Дополнитель ным достоинством системы с электрическим калорифером является отсутствие не обходимости в устройстве защиты от замерзания. Это обстоятельство, а также пара, обусловили применение данного метода нагрева в лабораторной установке, созданной на кафедре кибернетики РХТУ.

Лабораторная установка

Установка, описываемая в настоящей статье, является элементом лабораторной базы по изучению курса "Теория автома тического управления" (рассчитанного на студентов старших курсов), которая поз воляет облегчить освоение раздела "Мик ропроцессорные системы управления", сделать его более наглядным и понятным.

Устройство лабораторной установки, предназначенной для исследования ре жима непосредственного цифрового уп равления воздуходувкой, показано на рис.1.

Рис. 1. Принципиальная схема лабораторной установки для изучения режима непосредственного цифрового управления воздуходувкой.
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторной установки для изучения режима непосредственного цифрового управления воздуходувкой. В состав воздуходувки входят: 1 — трубчатая печь; 6 — нагревательный элемент (спираль); 8 — диффузор; 9 — нагнетающий воздушный вентилятор; 10 — электропривод вентилятора; 3 — задвижка шиберная. Измерительную часть представляют: 2 — датчик, 4 — контрольный термометр. Управляющую часть образуют: 5 — БУСТ (блок управления тиристорами и симисторами), 7 — БТ (блок тиристоров), соединенный c амперметром и вольтметром (схема подключения показана на рис. 2). Системный блок персонального компьютера (11) представляет вычислительную часть системы.

На системной плате ПК установлена карта многоканального аналого цифро вого и цифроаналогового преобразовате лей AR B3201 фирмы Acrosser (Тайвань). Она, как и устройство сопряжения с объектом (12), входит как в измерительную, так и в управляющую части системы.

Использование карты AR B3201 пре следует цель показать возможности локальной цифровой Автоматизированной Системы Регулирования (АСР), позволяющей получать одновременно измерительную информацию от восьми первичных преобразователей и формировать в ответ на текущее состояние объекта регу лирования три управляющих воздействия.

На базе такой лабораторной установки можно отрабатывать различные методики Непосредственного Цифрового Управле ния (НЦУ), включающие сбор и первич ную обработку измерительной информа ции, фильтрацию полученных в процессе измерения цифро вых значений пара метров. Эти параме тры характеризуют состояние объекта управления и при нятие соответствую щих управляющих воздействий на Ис полнительное Уст ройство (ИУ).

Создание единого программно технического комплекса может в значительной мере решить поставленные в данной статье проблемы НЦУ.

Процесс первичной обработки информации и формирования управляющего воздействия возложен на программные средства комплекса, позволяющие регистрировать измерительную информацию в форме либо изменяющегося во времени напряжения постоянного тока, либо в единицах контролируемого параметра, например, в температуре.

Для обеспечения автоматического режима работы комплекса используется программа CHRP, созданная сотрудниками и аспирантами кафедры.

Рис. 2. Схема подключения блока управления тиристорами и симисторами БУСТ и блока тиристоров БТ
Рис. 2. Схема подключения блока управления тиристорами и симисторами БУСТ и блока тиристоров БТ

Для получения качественной информации в программной части комплекса предусмотрен ряд алгоритмов, осуществляющий фильтрацию (сглаживание) и от деление полезной измерительной информации от высокочастотных помех.

При программной реализации фильтра скользящего среднего расчет сглаженного значения функции X1ф(jTo) в очередном j-том цикле производится по формуле

 

где N = Tф/To  - параметр настройки фильтра. Для программной реализации этой методики необходимо в памяти ПК хранить N + 1 значений функции  X1(jTo).

Экспоненциальный фильтр представляет собой апериодическое звено первого порядка с коэффициентом усиления Кф = 1/y и постоянной времени Тф = 1/y, где Кф и y — параметры настройки фильтра. При программной реализации экспоненциального фильтра для вычисления сглаженного значения X1(jTo) на очередном j-том шаге используется следующее рекуррентное соотношение:

 

Для работы программы достаточно хранить величину y фильтрованное значение и предшествующее от X1ф[(j-1)To].

После операции сглаживания ПК ото бражает на экране монитора величины регулируемых параметров и регулирую щих воздействий в числовой и графичес кой форме с фиксацией значения текущего времени.

Рис.3. Графическое изображение переходного процесса
Рис.3. Графическое изображение переходного процесса

В процессе анализа текущей измери тельной информации ПК вычисляет сигнал рассогласования (разность между текущим и заданным значением) и вырабатывает управляющий сигнал, изменяющийся по ПИД закону регулирования. Параметры закона регулирования задаются перед началом работы программы CHRP, — они вводятся в форме коэффициента усиления, времени изодрома и времени дифференцирования, привычных для аналоговых ПИД регуляторов. В ходе работы комплекса на выходе одного из трех ЦАП карты AR B3201 формирует ся управляющее воздействие в виде ана логового сигнала управления, изменяю щегося в диапазоне от 0 до 10 В. Выход ЦАП карты AR B3201 связан с контакта ми №№ 14 и 16 клеммной колодки (Х1) БУСТа (схема соединений показана на рис.2). С контактами №№ 10 и 12 колод ки Х2 соединены управляющие электро ды встречно параллельно включенных тиристоров, образующих блок (управляе мых вентилей) блока тиристоров.

Результатом становится замкнутый контур управления объектом регулирова ния, возникает стабильно и устойчиво работающая система регулирования.

Из графика переходного процесса для электрической печки видно, что время регулирования составляет менее 300 с., а степень затухания Ψ = (A1−A3)/A1 = 0,84, что вполне соответствует заданным критериям качества регулирования (Ψ должна быть от 0,75 до 0,9).

Исследования продолжаются.

Илья Дубровский
кандидат технических наук, доцент РХТУ