Автоматизированная система информационной поддержки наладочных работ электропривода в TrendWorX32

Содержание

• Введение

1 Характеристика объекта

2 Характеристика проблем

3 Выбор системы прототипа

4 Постановка задачи

4.1 Объект информатизации

4.2 Ограничения

4.3 Критерий

4.4 База данных

4.5 Классификатор характеристик

4.6 Пакет программ для анализа

5 Типовые задачи

5.1 Многовариантное типирование интеллекта с профориентацией

5.2 Методы многокритериального выбора вариантов

Заключение

Введение

С повышением требований к точности изготовления изделий и их качеству при все более сложном процессе их обработки. Вместе с тем растет объем производства, что выдвигает требование повышения производительности машин за счет увеличения как их мощности, так и скорости обработки изделий. К ужесточению требований к электроприводу, на который возлагается задача осуществления сложных перемещений рабочих органов механизма. В процессе реализации этих перемещений возникает необходимость разгона, торможения, реверса электропривода, поддержания постоянства регулируемой величины (координаты), изменения ее по определенному закону и т. д.

Системы управления электроприводами могут быть подразделены на системы с разомкнутой и замкнутой цепью воздействий. В системе с разомкнутой цепью воздействий (разомкнутая система) отсутствует обратная связь, вследствие чего при возникновении отклонения выходной переменной от предписанного ей значения вызванного тем или иным возмущающим воздействием, сигнал управления на входе системы остается неизменным. Примером может служить двигатель, питающийся от преобразователя и приводящий в движение механизм, который включает в себя исполнительный орган и кинематическую связь. На преобразователь, двигатель и механизм действуют возмущения в виде изменений напряжения питающей сети, изменений момента нагрузки и т. п. Эти возмущения приводят к отклонению выходной координаты от предписанного ей значения, причем значение этого отклонения в статике и характер его в динамике при данном возмущении определяются параметрами преобразователя, двигателя и механизма.

В решении основной задачи для наладчиков лаборатории автоматизированного электропривода (ЛАЭП) находящейся в СибГИУ на кафедре АИЭМ где производится наладка и разработка электроприводов.

Было принято решение с целью уменьшения, а в идеальном случае -- исключения ошибки приточном количественном определении параметров объекта позволяет значительно уменьшить время требуемое на наладку, повысить качество переходных процессов, тем самым преследует цель создание автоматизированной системы поддержки наладочных работ электропривода включающее при правильном выборе передаточных функций.

1 Характеристика объекта

Автоматизированный электропривод представляет собой комплекс электрических машин, аппаратов и систем управления, в котором электродвигатели конструктивно связаны с исполнительным механизмом.

«Всякая развитая совокупность машин состоит из трех существенно различных частей: машины-двигателя, передаточного механизма, наконец, машины-орудия или рабочей машины».[1]

Электроприводом называется машинное устройство, осуществляющее преобразование электрической энергии в механическую и обеспечивающее электрическое управление, преобразованное в механическую энергию.

Электропривод состоит из двух частей: 1) силовой части, включающей электродвигатель, и устройство для передачи механической энергии рабочему органу; 2) системы управления, содержащей командные органы, устройства для формирования свойств электропривода и защитные средства.

Основная функция электропривода - приводить в движения рабочий механизм - сохраняется за ним и в настоящее время. Однако современный автоматизированный электропривод, обладающий системой автоматизированного управления, выполняет более широкие функции, обеспечивая рациональное ведение технологического процесса. При автоматическом управление достигается высокая производительность и улучшается качество выпускаемой продукции[2].

В настоящее время разработаны и используются промышленностью электроприводы постоянного тока, они получили достаточно широкое применение в различных отраслях хозяйственной деятельности. Основными потребителями регулируемых электроприводов постоянного тока средней и большой мощности являются металлургическая, горнорудная, бумагодельная, резиновая, машиностроительная промышленность и др. Являясь неотъемлемой частью практически большинства технологических агрегатов, во многих случаях они определяют эффективность технологического процесса, потребления электрической энергии и условия труда обслуживающего персонала.

2 Характеристика проблем

Наладка современного автоматизируемого электропривода требует глубокого знакомства с условиями работы производственного механизма. Высокая производительность и высокое качество выпускаемой продукции могут быть пучены лишь при надлежащем сочетании статических и динамических характеристик привода и рабочей машины. Кинематика и даже конструкция рабочей машины в значительной мере определяются типом применяемого привода. Одновременно имеет место и обратное влияние рабочей машины на привод. В зависимости от конструктивных особенностей исполнительного механизма привод претерпевает значительные изменения. В связи с этим налаживать электропривод надо совместно с условием характеристик рабочей машины.

Таким образом, наладка и регулировка современной высокопроизводительной рабочей машины может быть обеспечена только совместными усилиями наладчиков и технологов.

Наладка электропривода может вестись лишь на основе тщательно разработанного технического задания, в котором должны быть учтены все особенности производственного процесса и условия работы исполнительного механизма. В техническом задании должны найтись отражающие вопросы, касающиеся характера статического момента, необходимых пределов регулирований скорости, плавности регулирования, требуемого комплекса механических характеристик, условий пуска и торможения, числа включений в час и др.

В основном наладка предопределяется требованиями, касающимися условий регулирования скорости,-- диапазоном, плавностью, длительностью работы на пониженных скоростях и т. п. В настоящее время в промышленности внедряется ряд систем регулируемых приводов переменного тока. Однако большинство этих систем может использоваться лишь в том случае, если длительность работы на пониженных скоростях в общем балансе времени невелика. При необходимости иметь широкий диапазон изменения скорости и возможность длительной работы на пониженной скорости, как правило, пока еще приходится прибегать к приводам постоянного тока.

При этом, особое внимание должно быть уделено возможности получения всего комплекса механических характеристик, необходимых для осуществления заданных режимов работы исполнительного механизма. Если привод предназначен для работы в динамическом режиме с частыми пусками и остановками, то предварительно также должны быть сопоставлены условия протекания переходных процессов при различных системах привода.

Как правило, приводы, в которых автоматически регулируется какой-либо параметр, снабжаются одной из систем непрерывного управления.

Работа электрифицированного агрегата часто сопровождается изменением скорости движения его органов, что вызывается рядом причин для наладки и регулировки: колебаниями механической нагрузки вследствие изменения режима работы, включением и выключением пусковых и тормозных сопротивлений электродвигателя, непостоянством напряжения питающей сети. Особенно большие изменения скорости имеются при пуске и торможения электропривода. Поскольку эти режимы не рабочие, то за их счет удлиняется цикл работы и, следовательно, снижается производительность рабочего агрегата. Совершенно необходимо уметь определять длительность этих переходных процессов и принимать меры к их сокращению.

Практическое значение переходных режимов нагрузочных диаграмм электроприводов: как правило, электропривод того или иного исполнения, механизма не работает длительно с неизменной скоростью, а тем более с неизменной нагрузкой. В большинстве случаев режим работы электродвигателя является переменным -- непрерывно изменяется нагрузка, периодически осуществляются пуски и остановки, а иногда в соответствии с требованиями технологии, регулировка скорости.

Работа электропривода характеризуется нагрузочными диаграммами, которые представляют собой зависимости вращающего момента двигателя, мощности, тока, скорости, пройденного пути от времени:

М, Р, I, n, б = f(t).

Построение нагрузочных диаграмм необходимо, прежде всего, для наладки двигателя. Как будет показано ниже, учитывать необходимую мощность двигателя по величине статической нагрузки не представляется возможным[1].

Весьма существенное значение имеет работа маховых масс и динамические свойства тиристорного электропривода. В динамике тиристорного преобразователя характеризуется двумя его основными особенностями как элемент системы управления:

1) поскольку в системе импульсно - фазового управления аналоговый входной сигнал дискретно преобразуется в сдвиг управляющихся импульсов, преобразователь управляется не непрерывно а дискретно;

2) преобразователь представляет собой полу управляемое устройство тиристор открывается только тогда, когда ток через него станет равным нулю.

Таким образом, тиристорный преобразователь проявляет себя как существенно нелинейное звено, полоса пропускания которого ограниченна и характер переходного процесса в котором зависит от значения и знака входного сигнала, а также от момента подачи этого сигнала внутри периода напряжения питания[3]. Нелинейность преобразователя может являться причиной ряда специфических явлений таких, как появления низкочастотных биений при воздействии на преобразователь сигналов с частотой, большей частоты питания, возможность возникновения субгармонических колебании в замкнутых системах при попытках реализовать высокое быстродействие, появление постоянной составляющей электродвижущий силы при воздействии гармонического сигнала высокой частоты и.т.п. Все эти явления нежелательны и в правильно построенной системе тиристорного электропривода должны быть исключены. Поэтому всегда приходится предварительно задаваться мощностью двигателя, производить расчеты переходных процессов, строить нагрузочные диаграммы и лишь на основе последних производить проверку правильности работы двигателя.

Отдельные отрезки нагрузочных диаграмм представляют кривые переходных процессов. Под последними понимают процессы перехода электропривода от одного установившегося состояния к другому, т. е. режимы перехода от покоя к вращению или обратно, от одной скорости к другой, от прямого направления вращения к обратному, от одной нагрузки исполнительного механизма к иной и.т.п. Переходные режимы играют огромную роль в работе электропривода и механизма, и часто их характер предопределяет производственность механизма и качество выпускаемой продукции.

При анализе нагрузочные диаграммы могут быть представлены либо аналитически, либо графически.

Иногда к электроприводу предъявляются особо повышенные требования в отношении точности выполнения операций; может быть необходимым осуществление движения по определенному закону в зависимости от времени или перемещения рабочего органа, точной остановки механизма в заданном месте. Очевидно, что наладка привода в этих случаях может вестись только на основе анализа переходных режимов.

Для электроприводов, работающих большую часть времени в переходных режимах, существенное значение может иметь расход энергии, идущей на ускорение и торможение маховых масс. Очевидно этот непроизводительный расход энергии должен быть сведен к минимуму. Анализ переходных режимов позволяет выявить предельно допустимое с точки зрения нагрева число включений двигателя в час[1].

Из изложенного становится очевидным огромное практическое значение изучения переходных процессов и нагрузочных диаграмм. Анализ их дает возможность детально выявить поведения электропривода, произвести правильный его выбор и расчет, установить оптимальное сочетание механических (рабочих и тормозных) характеристик выявить параметры работы двигателей.

В результате исследования переходных процессов часто выявляется необходимость видоизменения предварительно принятой схемы автоматического управления приводом, а иногда даже пересмотра параметров электрических машин. Вопросы переходных процессов и нагрузочных диаграмм являются основой теории электропривода.

Анализ работы электроприводов с автоматическим регулированием исследование динамики работы привода, снабженного автоматическим регулятором, представляет достаточно сложную задач для наладчика, как с точки зрения физики происходящих явлений, так и особенно в отношении математического анализа.

Все основные требования сводятся к разработке комплексной информационной системы для обработки информации, при этом под обработкой понимается процесс решения вычислительных задач, адекватно отражающих функциональные задачи управления. Именно комплексная обработка информации позволяет повысить эффективность наладочных устройств которое должно информировать состояние работы электроприводов с целью экономии времени наладчика. Тем что наладчик может устранить все возможные недостатки с меньшими временными затратами связанные с поиском и выявлением проблем.

В настоящее время для наладки электропривода нет программных продуктов осуществляющие возможность детально выявить поведения электропривода и выявить параметры работы двигателей.

3 Выбор системы прототипа

Начиная с 1970-х гг., было разработано множество прикладных пакетов моделирования, автоматизирующих прежде всего этап представления математической модели для компьютера. Среди них лидирующее положение для исследования динамических систем занимают пакеты MATLAB и Simulink фирмы Math Work.

Первая версия пакета MATLAB была разработана уже более 20 лет тому назад. Развитие и совершенствование этого пакета происходило одновременно с развитием средств вычислительной техники. Название пакета MATLAB происходит от словосочетания Matrix Laboratory, он ориентирован в первую очередь на обработку массивов данных (матриц и векторов). Именно поэтому, несмотря на достаточно высокую скорость смены поколений вычислительной техники, MATLAB успевал впитывать все наиболее ценное от каждого из этих поколений.

В результате к настоящему времени MATLAB представляет собой богатейшую библиотеку функций, единственной проблемой работы с которыми заключается в умении быстро отыскать те из них, которые нужны для решения поставленной задачи.

Для облегчения работы с пакетом специалистам различных областей науки и техники вся библиотека функций разбита на разделы. Те из них, которые носят общий характер, входят в состав ядра MATLAB. Те же функции, которые являются специфическими для конкретной области, включены в состав пакетов расширения (Toolboxes, Blocksets).

В настоящее время появилась новая, существенно расширенная, версия R2006a, Simulink-6. Этой версии ниже уделено основное внимание. Однако необходимо отметить, что библиотеки старых версий с их интерфейсом сохранены.

Пакет Simulink является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым пользователь на экране из библиотек стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний, требующихся при работе на компьютере и естественно, знаний той предметной области, в которой он работает[5].

Simulink является достаточно самостоятельным инструментом MATLAB и при работе с ним совсем не требуется знать сам MATLAB и остальные его приложения. С другой стороны, доступ к функциям MATLAB и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. Часть входящих в состав пакетов имеет инструменты, встраиваемые в Simulink (например, LTT-Viewer приложения Control System Toolbox -- пакета для разработки систем управления). Имеются также дополнительные библиотеки блоков для разных областей применения (например, Sim Power System -- моделирование электротехнических устройств, Digital Signal Processing Blockset -- набор блоков для разработки цифровых устройств и т. д.).

При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.

При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящей в системе.

Развитие и совершенствование среды MATLAB - Simulink происходит достаточно быстро. С момента выхода MATLAB 6.0 для моделирования полупроводниковых систем, прошло около пяти лет. За это время разработано семь новых версий пакета, причем начиная с версии MATLAB 7.0 существенной переработки подвергся пакет расширения Sim Power System. Именно этот пакет расширения является основным при модельном исследовании и проектировании электромеханических систем.

Данная монография представляет собой учебник по моделированию электромеханических систем в среде MATLAB-Simulink и содержит всю необходимую информацию по всем разделам последней версии среды (R 2006 а), которые необходимы для изучения.

Целью разработки пакета является изучение физических основ функционирования отдельных элементов электромеханических системы и проектирования этих систем в среде MATLAB-Simulink.

Эта цель достигается последовательным изложением следующих вопросов:

1 Модельным исследованием общих задач анализа и синтеза динамики электромеханических систем в среде Matlab-Simulink.

2 Модельным исследованием устройств силовой электроники в пакете Sim Power System.

3 Модельным проектированием электромеханических систем постоянного тока.

4 Модельным проектированием асинхронных электромеханических систем.

5 Модельным проектированием синхронных электромеханических систем.

Рассмотрим пример установки - (прямого пуска асинхронного двигателя) с помощью пакета MATLAB и Simulink фирмы Math Work основано на замене исходного объекта объектом обладающим аналогичным поведением.

Пример

Виртуальная модель для исследования прямого пуска АКЗ на холостом ходу с последующим приложением номинального момента показана на рисунке 1- (файл AKZ_Virt).

Модель содержит трехфазную асинхронную машину (Asynchronous Machine SI Units), запитанную. от трехфазного источника (Three-Phase Source), блок для измерения скорости и момента машины (Machines Measurement Demux), блок момента нагрузки (Step) и блоки измерения (Scope, To Workspace).

При запуске модели осуществляется прямой пуск АКЗ, по истечению некоторого времени прикладывается момент нагрузки. Результаты моделирования машины тип двигателя 20HP , мощность -15 kw, напряжение 400V, частота 50Hz 1460 RPM, представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 Модель асинхронного короткозамкнутого двигателя составлена из библиотеки пакета Sim Power System

Рисунок 2- модель с блоками: To File и Form File динамическая характеристика машины 20HP

Из результатов моделирования видно, что при прямом пуске на холостом ходу и при приложении нагрузки наблюдаются значительные колебания момента и скорости.

Виртуальная установка для исследованиея механических, электромагнитных и энергетических характеристик асинхронной машины во всем диапазоне изменения скольжения.

Сложность построения модели для проведения исследования заключается в том, механическая характеристика асинхронных машин имеет только одну устойчивую область работы в диапазоне изменения скольжения.

Остальные области механических характеристик являются областями неустойчивой работы.

Задача построения модели с последующим исследованием механических, электромагнитных и энергетических характеристик АМ во всем диапазоне изменения скольжения может быть решена при использовании подхода, описанного ниже.

Этот подход базируется на формировании нагрузочного момента в точности совпадающего с моментом исследуемого АКЗ и одновременным управлением скоростью двигателя. Модель такой виртуальной установки показана на риснке 3 - (файл AKZ_stat).

Рисунок 3 - Модель виртуальной установки для снятия статических характеристик асинхронной машины

Модель содержит две электрические машины одну асинхронную машину (АМ) со своим источником питания (ASC). Вторую машину постоянного тока (DCM) с источником питания обмотки возбуждения (DCS) и регулируемым источником в якорной цепи (CVS). Электромагнитный момент асинхронной машины является нагрузкой на валу машины постоянного тока, а электромагнитный момент машины постоянного тока служит нагрузкой на валу асинхронной машины.

При таком построении моменты обеих машин будут всегда (в установившемся режиме) равны и противоположны по знаку. Для задания скорости вращения исследуемой асинхронной машины машина постоянного тока управляется от регулятора, на вход которого поступает сигнал задания и сигнал обратной связи - скорость асинхронной машины. Блок (Measurement) является библиотечным блоком для измерения переменных состояния асинхронной машины.

Блок (Output) служит для передачи в рабочее пространство переменных для вычисления механических, электромагнитных и энергетических характеристик асинхронной машины. Модель этого блока представлена на рис.6.14. Здесь вычисляется скольжение, амплитуда тока статора и коэффициент мощности. Блок (To Workspace) служит для передачи данных в рабочее пространство Matlab.

Программа для расчета статических характеристик представлена в файле (AKZ_ Char), а сами характеристики показаны на рисунке 4.

Каждый из перечисленных разделов содержит теоретическую часть, подкрепленную практическими моделями. При этом пользователю рекомендуется самому реализовать модель согласно описанию. В том, что это описание далеко не всегда даст исчерпывающие ответы на массу вопросов, возникающих при разработке модели.

Пакет программ MATLAB-Simulink может быть полезен для следующих категорий пользователей: инженерам-проектировщикам электромеханических систем и желающим повысить уровень компьютерной грамотности.

Рисунок 4 - статические характеристики асинхронной машины

4 Постановка задачи

В настоящее время существует большое количество разнообразных информационно-измерительных систем, а также множество прикладных пакетов моделирования для математического анализа как например. Среди них лидирующее положение для исследования динамических систем занимают пакеты MATLAB и Simulink . Большинство из этих систем невозможно использовать в совокупности аналитического и измерительного инструмента для наладки электропривода.

Целью разработки является создание автоматизированной системы информационной поддержки наладочных работ электропривода, для повышения эффективности самого процесса наладки электропривода постоянного и переменного тока. Эта задача актуальна по следующим причинам:

-объекты управления электроприводами становятся более сложными; это выражается в том, что возрастает число задач, решаемых в процессе управления; одновременно с ростом числа задач сокращается допустимое время принятия решения и повышаются требования к надежности;

-наладка электропривода проводится достаточно долго в условиях неопределенности, т.е. при отсутствии в полном объеме информации, необходимой для правильного выбора технических решений.

Эти причины вызывают необходимость применения проектирования современной информационной системы в следующих областях: Первая область -- применение вычислительной техники для выполнения численных расчетов, которые требует слишком больших затрат времени или вообще не реализуются вручную. Развитие этой области способствовало интенсификации методов численного решения сложных математических задач. Характерной особенностью данной области применения вычислительной техники является наличие сложных алгоритмов обработки, которые используются в простых по структуре данным, объем которых сравнительно невелик.

Вторая область, которая непосредственно относится к использованию средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах. Информационная система представляет собой программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий выполнение следующих функций:

1. надежное хранение информации в памяти компьютера;

2. выполнение специфических для данного приложения преобразований информации и вычислений;

3. предоставление пользователям удобного и легко осваиваемого интерфейса. Однако в информационных системах совокупность взаимосвязанных информационных объектов фактически отражает модель объектов реальных событий. А потребность пользователей в информации, адекватно отражающей состояние реальных объектов, требует сравнительно быстрой реакции системы на их запросы. И в этом случае требуется наличие устройств хранения данных.

Процесс проектирования должен иметь иерархическую структуру. Этот принцип определяет последовательность анализа объекта при проектировании. В соответствии с ним анализ должен начинаться с выхода системы, рассматриваемой как единое целое. Затем система разбивается на небольшое число достаточно крупных подсистем, исследуется вклад каждой из них в результирующий выход системы. Иерархия проста и естественна в отображении взаимосвязи между классами объектов.

Основной метод проектирования сложной системы - метод декомпозиции. Иерархическая структура процесса проектирования и широкое использование метода декомпозиции объясняются особенностями процесса принятия решений ходе создания информационно-советующей системы и в ходе ее эксплуатации.

Качество принятого решения в общем случае зависит от информированности об объекте управления и временного ресурса, т.е. от многообразия просмотренных способов воздействии на процесс и оттого, насколько тщательно и полно проведен анализ хода процесса до некоторого момента времени. С другой стороны, закономерности управляемого процесса обычно таковы, что высокое качество управления может быть достигнуто лишь при достаточно малой задержке во времени управляющего воздействия. Таким образом, основное противоречие в требованиях к организации процесса принятия решения - противоречие между объемом работы по получению и переработке информации и отводимым на эту работу временем.

Одни из путей разрешения этого противоречия - использование иерархической структуры процесса принятия решения. Проблема или задача, подлежащая решению, разбивается на ряд задач (проводится декомпозиция задачи), каждая из которых по объему и сложности такова, что может быть решена за приемлемое время и содержит координирующие условия, обеспечивающие объединение решений частных задач. Управляемый процесс при этом, как правило, может быть разбит на ряд соответствующих взаимосвязанных подпроцессов.

Координирующие условия вырабатываются в результате декомпозиции исходной задачи, которая может осуществляться за меньшее время и при более ограниченном объеме информации, чем полное решение исходной задачи. Постановка частных задач и объединение их решений в решение полной задачи осуществляются на более высоком уровне соподчиненных решающих систем, чем решение частных задач, и представляют собой также процесс принятия решений. Указанное расслоение на два или большее число подчиненных один другому уровней может иметь место не только в результате дефицита времени или сложности задачи принятия решения.

Требования в эксплуатации системы, которые предназначены для решения задач, необходимых человеку при управлении сложными процессами или объектами; эти вычислительные системы не связаны с контурами управления, они вырабатывают информацию для уточнения (коррекции) сигналов управления, которая выдается наладчику через системы отображения принятия решений. Известны несколько режимов работы которые оказывают существенное влияние на формирования требований к их надежности:

Важными являются также вопросы эксплуатации. По этому необходимо иметь четкие представления о работе. Известны несколько режимов работы, которое оказывают существенное влияние на формирование требований и их надежностей:

1 Разовый режим - за период жизни используется для основной работы один раз;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9