122808 (Автоматическая система управления процессом испытаний электропривода лифтов)

Курсовой проект

по дисциплине

«Комплексная автоматизация технологических процессов»

Автоматическая система управления процессом испытаний электропривода лифтов

2009

План

Введение 4

1 Описание технологического процесса, как объекта управления 8

1.1 Описание технологического процесса и технологического оборудования 8

1.2 Технологические схемы процесса и оборудования 9

1.3 Классификация и перечень технологических переменных, анализ видов связи между технологическими переменными 12

1.4 Классификация и перечень измеряемых переменных состояния, определение требуемой точности управления технологическим процессом. Определение условий работы измерительных устройств. 15

1.5 Классификация и перечень управляющих воздействий, определение требуемой точности управления ТП. 20

1.6 Определение основных требований к ведению технологического процесса, формирование критерия качества и цели управления 21

2. Разработка и выбор элементов АСУ ТП 23

2.1 Разработка общих алгоритмов функционирования АСУ ТП. Блок – схемы алгоритма и их описание 23

2.2 Функциональная структура системы управления ТП. Описание функциональных блоков системы 24

2.3. Определение уровней управления ТП и архитектуры верхнего уровня АСУ. 26

2.4. Блок схемы аппаратных средств уровней системы. Выбор аппаратных средств на всех уровнях управления. Вариант принципиальной схемы соединения между аппаратными блоками системы. 28

2.5. Выбор общего и специального программного обеспечения на всех уровнях АСУ ТП 28

2.6. Принципы обмена информацией между уровнями системы. Выбор интерфейсных устройств и протоколов обмена. 29

3. Математическое моделирование системы управления технологическим процессом. 31

3.1 Выбор среды моделирования и разработка математической модели технологического процесса и технологического оборудования с исполнительными электроприводами. 31

3.2 Структурный и параметрический синтез регуляторов системы управления технологическим процессом 40

3.3 Разработка алгоритмов работы регуляторов системы управления технологическим оборудованием. 52

3.4 Компьютерное моделирование алгоритмов управления. Графическое представление результатов моделирования. 53

Заключение 59

Список литературы 61

Введение

В настоящее время системы электропривода (ЭП) прочно занимают лидирующее место среди приводных устройств и обеспечивают бесперебойную и надёжную работу механизмов во многих областях техники и жизнедеятельности человека. Функциональные возможности и эксплуатационные параметры современных ЭП во многом определяются характеристиками применяемых систем управления. В качестве приводного двигателя в последнее время наибольшее распространение находит асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Современный асинхронный ЭП реализован на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют организовать регулирование выходных координат ЭП в широком диапазоне, с высоким быстродействием и большой точностью.

В настоящее время развитие систем асинхронного ЭП с микропроцессорным управлением позволяет путём создания новых программных алгоритмов синтезировать ЭП с широки набором эксплуатационных характеристик, что в свою очередь позволяет удовлетворить требования, накладываемые со стороны самых разных технологических объектов.

Электропривод подъемно-транспортных механизмов (ПТМ) в общем случае представляет собой сложный мехатронный модуль, объединяющий в своём составе систему управления, силовой преобразователь, асинхронный безредукторный двигатель с короткозамкнутым ротором. В качестве силового преобразователя может использоваться преобразователь частоты (ПЧ) или тиристорный регулятор напряжения (ТРН). Система управления обеспечивает требуемые режимы эксплуатации подъемно-транспортных механизмов, адекватную реакцию ЭП на изменение внешних условий, поддержку защитных функций и коммуникаций с другими устройствами.

Системы ПТМ широко применяются в технологических процессах при перевозке людей и транспортировке грузов. Сбой и нарушение работы ПТМ может привести к гибели людей и тяжёлым экономическим последствиям. В случае превышения допустимого момента, не будут выполняться требования для перевозки людей, может быть нанесен вред здоровью. Если ПТМ не развивают требуемого момента, возможна ситуация застревания кабины лифта или подъёмной клети между требуемыми точками останова, что также рассматривается как аварийная ситуация. При серийном производстве систем ПТМ на этапе экспериментальной проверки показателей функционирования возникает задача проведения сложных нагрузочных испытаний. В данном режиме выполняется проверка ПТМ на соответствие требованиям по ограничению и формированию выходного момента. При этом испытательное нагрузочное устройство должно имитировать диаграмму эксплуатационных усилий, прикладываемых со стороны элементов ПТМ различных типов.

Для создания нагрузочного усилия самым простым решением является применение механического тормозного устройства в виде барабана и колодок. К основным недостаткам следует отнести сложность стабилизации тормозного момента, шум, повышенную вибрацию и т.д. Кроме того, при использовании нагрузочного испытательного оборудования данной конструкции точность результатов испытаний во многом определяется навыками и опытом оператора, который вручную управляет тормозным механизмом. Нагрузочное усилие можно получить применением генераторов и двигателей постоянного тока с различными типами силовых преобразователей и систем управления.

Известно такое изобретение, как СТАНЦИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Дата начала отсчета срока действия патента: 10.03.2006

Патентообладатель:

ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения МПС России (ДВГУПС) (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тяговых электродвигателях электроподвижного состава. Технический результат заключается в повышении энергетических показателей за счет повышения значения коэффициента мощности путем улучшения формы сетевого тока и приближения его фазы к сетевому напряжению при существенном снижении энергопотребления.

Известно такое изобретение, как УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЬНОГО ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

Дата начала отсчета срока действия патента: 29.10.2008

Патентообладатель:

ФРАМАТОМ АНП ГмбХ (DE)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контрольного испытания электрического привода и/или приданного приводу механического устройства, которое является, в частности, арматурой или исполнительным органом. Техническим результатом является обеспечение автономности работы от центрального блока измерения при контрольных испытаниях и относительно малой мощности энергоснабжения.

Известно такое изобретение, как УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЬНОГО ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

Заявка: 94019968/28, 12.10.2005

Патентообладатель(и):

Сименс АГ (DE)

Изобретение относится к устройству для контрольного испытания электрического привода, предпочтительно, привода арматуры, содержащему измерительный и анализирующий блок, съемный блок распределительного устройства, через который проведены электрические линии питания привода и на котором расположены отводы для измерительного и анализирующего блока.

На фоне известных недостатков коллекторных машин постоянного тока с интересом рассматривается идея об использовании в качестве испытательного нагрузочного устройства асинхронного ЭП на базе ПЧ с векторным управлением.

Целью данной работы является разработка системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда для проверки ПТМ с возможностью имитации нагрузочных усилий со стороны элементов ПТМ различных типов.

Для достижения поставленной задачи необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать особенности режимов работы подъемно-транспортных механизмов и выделить требования к нагрузочному моментному ЭП испытательного стенда.

2. Разработать математическое описание и динамические имитационные модели компонентов нагрузочного асинхронного ЭП и элементов подъемно-транспортных механизмов.

3. Разработать методику определения структуры и параметров для системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда.

4. Реализовать микропроцессорное управление нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда и провести экспериментальное исследование его работоспособности.

Перечисленные в данной работе задачи будут решаться методами теории электрических машин, теории автоматического управления, численного моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных условиях.

1 Описание технологического процесса, как объекта управления

1.1 Описание технологического процесса и технологического оборудования

Испытательный стенд предназначен для проведения испытаний электроприводов подъемно-транспортных механизмов различных типов.

Стенд позволяет задавать и регулировать тормозные режимы, а также измерять следующие технические характеристики испытываемых устройств:

нагрузочный момент

скорость вращения

время разгона и торможения

величину и частоту формируемых напряжений, токов

В состав типового испытательного стенда входят стенд нагрузочный, шкаф управления, автоматизированное рабочее место.

Автоматизированное рабочее место позволяет управлять процессом испытаний как в ручном, так и в автоматическом режиме, визуализировать задаваемые команды управления и информационные сигналы с исследуемых изделий, осциллографировать временные зависимости измеряемых параметров и проводить их исследование.

Типовой нагрузочный стенд состоит из рамы, нагрузочного устройства, датчиков крутящего момента, датчика положения и гидравлического или механического тормоза.

В качестве нагрузочного устройства при испытаниях приводов и двигателей используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Типовой шкаф управления состоит из цепей коммутации трехфазного напряжения, преобразователя напряжения сети в напряжение требуемой частоты и амплитуды, цепей фильтрации напряжения, интерфейсных модулей связи с персональным компьютером, высоковольтного генератора импульсных высоковольтных помех, а также необходимых органов управления и индикации. Шкаф управления дополнительно может быть укомплектован автоматизированным рабочим местом на базе персонального компьютера с необходимым программным обеспечением.

1.2 Технологические схемы процесса и оборудования

Высокие достижения в области микропроцессорной техники, успехи в разработке управляющих алгоритмов и развитие силовой преобразовательной базы с учётом общеизвестных преимуществ АД обуславливают применение в составе нагрузочного ЭП двигателя именно данной конструкции.

На рисунке 1 представлено устройство испытательного стенда для проведения нагрузочных испытаний ЭП.

Рисунок 1 – Устройство испытательного стенда для нагрузочных испытаний

Испытательный нагрузочный стенд состоит из следующих компонентов:

1 – АД нагрузочного моментного ЭП,

2 – место для установки испытуемого ЭП,

3 – измерительное плечо,

4 – тензометрический датчик момента,

5 – редуктор,

6 – инкрементный датчик скорости.

Моментное усилие, развиваемое на валу АД 1, передаётся к редуктору 5 и далее поступает к выходу испытуемого ЭП 2. Необходимость введения редуктора 5 обусловлена стремлением согласовать между собой моменты и частоты вращения выходного вала ЭП 2 и двигателя нагрузочного ЭП 1. Контроль за величиной момента на выходном валу ЭП 2 выполняется с помощью тензометрического датчика момента 4, установленного между корпусом редуктора 5 и основанием ЭП 2. При увеличении момента сопротивления со стороны нагрузочного ЭП основание ЭП 2 стремится повернуться относительно корпуса редуктора 5. С помощью измерительного плеча 3 датчик 4 регистрирует крутящий момент, развиваемый на выходном валу ЭП 2. Одновременно с измерением момента, происходит считывание информации о текущем угловом перемещении выходного вала ЭП 2. Для данных целей используется импульсный оптический датчик положения. Для измерения скорости вращения вала АД нагрузочного моментного ЭП 1 используется инкрементный оптический датчик 6.

Элементы механической передачи нагрузочного электропривода

Для согласования моментов и скоростей вращения между АД нагрузочного ЭП и выходным валом испытуемого ЭП применяется стандартный шестеренчатый редуктор, цилиндрическая зубчатая и ременная передачи. Кинематическая схема нагрузочного ЭП представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Кинематическая схема элементов передач нагрузочного моментного ЭП

На кинематической схеме элементов передач нагрузочного ЭП приняты следующие обозначения:

1 – АД нагрузочного моментного ЭП,

2 – зубчатый ремень,