Лабораторно-практические работы по курсу Управляющие ЭВМ и комплексы (Лабораторно-практические работы по курсу "Управляющие ЭВМ и комплексы")

Лабораторно-практические работыпо курсу «Управляющие ЭВМ и комплексы»АРМ на основе SCADA-системыПерсональныйкомпьютерRS-232СтендEthernetСеть Ethernet / InternetСистемы программирования и отладки(КОНГРАФ, КОНСОЛЬ)RS-485 - Локальная сеть контроллеровКонтроллерMС8КонтроллерMС5ДЧДЧИМОперативноеуправлениеОбъектИМРелейный модульMR8ДЧуправленияИМАвтоматическоеуправлениеВвод-выводданныхФункциональная схема автоматизированного рабочего места на основе стенда КОНТАР:1ЛПР-1. Разработка и исследование задающего устройства,генерирующего ступенчатые функцииРазработать проект в виде комплексного функционального блока (КФБ), реализующего задающее устройство, которое генерирует ступенчатые функции (генератор прямоугольных импульсов).Функциональная схема генератора и временные диаграммы его работы приведены на рис.

1, на котором входы-выходы компонентов генератора обозначены:Q – пуск/останов; Т – период колебаний [сек]; K – коэффициент заполнения (Т1/Т);«ZX» – преобразование булевой переменной Z в аналоговую X.Необходимо включить разработанный КФБ в библиотеку КОНГРАФа в раздел “Блоки пользователя”.

В дальнейшем этот КФБ использовать в качестве задающего устройства в других проектах. Провести его исследование в процессе моделирования/симуляции.Параметры генератора: период следования импульсов Т=160 с; длительность импульса определяется коэффициентом К (пусть К=50 %); положительная амплитуда A1=50; отрицательная амплитуда A2= -30.QKTа1ZX23Х1= А1–А2X2Y4A2X2TY1,0∙ X1ZбXTА1T1,01T1ttttTА2T1T1T1Рис. 1.

Функциональная схема и временные диаграммы задающего устройства,генерирующего ступенчатые функции: а) функциональная схема; 1 - генерирование единичныхимпульсов; 2 - преобразование «ZX»; 3 – умножение; 4 – вычитание; б) временные диаграммы.2ЛПР-2. Разработка и исследование задающего устройства,генерирующего линейно нарастающие функцииРазработать проект (программу) задающего устройства, генерирующего линейно нарастающие функции (генератор пилообразных импульсов). Осуществить его исследование.

Функциональная схема генератора и временная диаграмма его работы приведены на рис. 2.На рисунке входы-выходы компонентов генератора обозначены: STOP – пуск/стоп;RESET – сброс; Х – вход интегратора; INIT – начальное значение; TI - постоянная времени интегратора; XUP – пороговое значение; ZD – время задержки.Параметры генератора: входной сигнал Х=0,1; начальное значение интегратора INIT=0; постоянная времени интегратора TI=5 с.; пороговое значение XUP=1; время задержки ZD=3 с.ЗадержкаSTOPRESETX12Y3Y1YПорогY2INITTIXUPtZDбаРис. 2.

Функциональная схема и временные диаграммы задающего устройства,генерирующего линейно нарастающие функции: а – функциональная схема; 1- интегратор;2 - компаратор; 3 - задержка;б – временная диаграмма.3ЛПР-3. Разработка и исследование динамического звена второго порядкаВ инструментальной программной системе КОНГРАФ отсутствуют динамические звенья второго порядка. Поэтому необходимо разработать проект, позволяющий осуществить моделирование иреализацию в виде комплексного функционального блока (КФБ) колебательное звено. Данный КФБвключить в библиотеку КОНГРАФа в раздел “Блоки пользователя”.

Структурная схема колебательного звена приведена на рис. 3.Дифференциальное уравнение колебательного звена имеет вид:d 2 x (t )dx(t )T2 2 T  x (t )  k  g (t ) .2dtdtПараметры звена обозначены: Т – постоянная времени, k – коэффициент передачи; - коэффициент демпфирования.Разрешив это уравнение относительно старшей производной, получим:2d x(t )2 dx (t ) 1k  2  x (t )  2  g (t ) .2dtTdtTTk12В других обозначениях оно примет вид:x  g  2  x  2  x  .TTTX ( s)kПередаточная функция этого звена имеет вид: W ( s )  2 2.G (s ) T  s  2 T  s  1Исследовать данное звено.gk /Txx1/ T22xxx 2 / TРис.

3. Структурная схема колебательного звена4ЛПР-4. Полунатурное моделирование замкнутого контураавтоматического управленияРазработать проект, позволяющий реализовать полунатурную модель САР и провести исследования (рис. 4):1.Функциональная схема САР приведена на рис. 4,а.а) в контроллере реализовать задающее устройство (см. ЛПР-1)в виде комплексного функционального блока (КФБ) и регулятор ПИД АНЛГ Р;б) объект управления представить программной моделью на базе функциональных блоков(ФБ) библиотеки КОНГРАФ.2.Функциональная схема САР приведена на рис. 4,б.а) в контроллере реализовать задающее устройство в виде функционального блока ЗДН АН ирегулятор ПИ АНЛГ АН, позволяющий реализовать алгоритм автоматической настройки параметроврегулятора;б) объект управления представить программной моделью на базе функциональных блоков(ФБ) библиотеки КОНГРАФ.КонтроллерРегулятор ПИД АНЛГ РМодель объекта управленияyminymaxЗадающееустройствоg(t)Законрегулирования(ПИД)(t)а)Комплексныйфункциональныйблок1y(t)Kx(t) seT s1Фильтрx(t)КонтроллерМодель объекта управленияg(t)б)РегуляторПИ АНЛГ АНЗДН АН1y(t)K sx(t)eT s1x(t)Рис.

4. Функциональные схемы полунатурного моделирования5ЛПР-5. Разработка и исследование релейной САР температурыРазработать проект в среде КОНГРАФ, реализующий релейную САР температуры (рис. 5);использовать двухпозиционный регулятор.Нагрев объекта должен быть включен (подача 220 В), если текущая температура ниже задания, и отключен, если превышает задание. Исследовать влияние гистерезиса компаратора на частотусрабатываний исполнительного механизма (ввести в характеристику регулятора гистерезис).В контроллере МС8 необходимо осуществить преобразование измеренного сопротивлениядатчика температуры в значение температуры, а также сравнение уставки с фактическим значениемрегулируемой величины; в релейном модуле MR8 необходимо осуществить задание значения дискретного сигнала (0, 1) и обеспечить включение/выключение 220 В.Регуляторg(t)f(t)(t)Объект управленияy(t)x(t)а)yх- значение гистерезисаx(t)xустymaxб)в)yminхпtхy(t)y = ymax, если х  (хп - х) - нагреватель включенy = ymin, если х  хп - нагреватель выключенЗадание(уставка)г)tРегулирующееСравнивающееустройствоЗаконрегулирования(релейный)Рассогласование/ошибкаУправление 0-220 ВМС8Датчик температуры(термистор ТМ1-10к)МR8Задание (уставка)д)AI.2Преобразованиеизмеренногосопротивлениядатчикав значениетемпературыСравнениеуставкис фактическимзначениемрегулируемойвеличиныРегулируемая величина(температура)ЛампавоздействиеDO.1DI.1ИнтерфейсRS-485Заданиезначениядискретногосигнала (0, 1)на включениепитания220 ВЛампаHL5ТермисторТМ1 (10к-2)DO.1Управление0-220 ВРис.

5. Релейная (двухпозиционная) САР температуры: а) общая функциональная схема;б) статическая характеристика; в) переходный процесс; г) функциональная схема;д) аппаратная конфигурация.( - аппаратные входы-выходы;  - виртуальные входы-выходы.6ЛПР-6. Разработка и исследование алгоритма управления исполнительным механизмомРазработать проект, позволяющий управлять исполнительным механизмом (ИМ) Belimo:а) формировать задающее воздействие, необходимое для поворота заслонки на заданный угол;б) отображать фактическое значение угла поворота на графике.На рис.

6 приведены схема расположения ИМ относительно трубопровода, его статическаяхарактеристика и общий вид ИМ.Основные характеристики привода:- плавная регулировка для заслонок площадью до 0,8 м2 (диаметр 25 см);- напряжение питания 24 В; - крутящий момент 4 Нм;- управляющий сигнал (Y) – напряжение постоянного тока 0…10 В;- напряжение обратной связи – напряжение постоянного тока (U) 2…10 В для различных угловдатчика;- угол поворота – максимум 950 (настройка 20…100 % потенциометром);- время поворота 80 - 110 с.абвУгол поворотаU [%]Заслонка10050BelimoY [В]0210ТрубопроводРис.

6. Исполнительный механизм Belimo: а) схема расположения относительно трубопровода;б) статическая характеристика; в) общий вид7ЛПР-7. Разработка и исследование алгоритма программно-логического управленияРазработать проект, реализующий алгоритм программно-логического управления в системе,включающей контроллер МС8 и релейный модуль MR8.Общая схема полунатурного моделирования распределенной системы приведена рис. 7.В контроллере МС8 реализовать замкнутый контур управления (из ЛПР-4, рис. 4,а), при этомв МС8 реализовать также схему управления исполнительным механизмом Belimo и следующую логику:а) красная индикаторная лампа должна загораться одновременно с лампой накаливания;б) синяя – когда лампа накаливания и красная индикаторная выключены.Включение лампы накаливания осуществлять при превышении регулируемой величиной xзаданного значения x0 (например, x0 = 30%), а выключение - при значении выходной величины,меньшем x0.

Релейный модуль использовать для формирования сигнала, коммутирующего напряжение 220 В.ЗадающееустройствоРегулятор(t)ЗаданиеПИД-законрегулированияy(t)Модель объекта управленияK 0  seT0 s  1HL5Лампанакаливанияx(t)HL1КраснаяиндикаторнаялампаЛогика управления лампами и исполнительным механизмом BelimoПри x(t) x0включить HL5 и HL1, но выключить HL2 и подать уставку g1 на Belimo.При x(t) x0 выключить HL5 и HL1, но включить HL2 и подать уставку g2 на Belimo.x0 = 30%g1 = 40о (%)g2 = 8о (%)Схема отображения угла поворота исполнительного механизма Belimo.Отобразить угол поворота Belimoв виде графика.Рис.

7.HL2Синяя (зеленая)индикаторнаялампаИсполнительныймеханизмBelimoОбщая схема полунатурного моделирования распределенной системы8ЛПР-8. Разработка и исследование виртуального пульта управления операторана основе SCADA-пакета TraceModeРазработать виртуальный пульт (человеко-машинный интерфейс) для оператора автоматизированной системы, позволяющий осуществлять оперативное управление (контроль и воздействие)контурами автоматического регулирования.Работа содержит две части:1. Разработка модели (программы на языке Техно FBD) контура автоматического регулирования (рис.

8). Для реализации контура можно использовать следующие FBD-блоки: Раздел Регулирование (Звено PID; Модель объекта OBJ), Раздел Управление (Циклический импульс IMP), РазделАрифметические (Умножение X*Y, Вычитание X-Y).Задающееустройствоg(t)u(t)(t)ПИД-регуляторKT  s 1x(t)e sРис. 8. Контур автоматического регулирования2. Собственно разработка виртуального пульта.Виртуальный пульт должен представлять собой мнемосхему (или несколько мнемосхем),включающую статические и динамические графические элементы (формы отображения), которыеобеспечат:а) отображение сигналов g(t), (t), u(t) и x(t) в цифровой форме (динамический текст), в формеграфиков (тренды) и других формах отображения;б) отображение значений параметров регулятора и объекта управления (ОУ) в различныхформах отображения;в) осуществление оперативного управления параметрами закона регулирования и ОУ.В качестве примера на рис.

8а и 8б приведены варианты виртуальных пультов:а) общий вид главного окна виртуального пульта управления для аналогичной задачи;б) общий вид главного окна виртуального пульта управления оператора автоматизированнойсистемы управления некоторым технологическим процессом.9Рис. 8,а. Виртуальный пульт управления контурами автоматического регулирования.Рис. 8,б. Виртуальный пульт оператора автоматизированной системы управлениятехнологическим процессом.10.