Главная страница
Навигация по странице:

  • Курсовая работа

  • 1 Описание проекта Задание

  • Аппаратные и программные компоненты

  • Выполнение проекта

  • Разработка пользовательского интерфейса

  • Результат контролируемой системы

  • Список использованной литературы

  • Курсовая_Алманова_ДА. Курсовая работа По дисциплине Программные средства микропроцессорных контроллеров управления в задачах автоматизации


    Скачать 1.4 Mb.
    НазваниеКурсовая работа По дисциплине Программные средства микропроцессорных контроллеров управления в задачах автоматизации
    Дата13.05.2021
    Размер1.4 Mb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаКурсовая_Алманова_ДА.docx
    ТипКурсовая
    #204283

    Подборка по базе: Курсовая работа на тему.pptx, Контрольная работа.docx, контрольная работа 3.pdf, Лабораторная работа № 2.docx, Контрольная работа №1.pdf, Методические указания_Контрольная работа_ЭМММ.docx, Лабораторная работа. Исследование шума и мероприятия защиты от ш, Практическая работа №1.docx, Письменная работа (19).docx, Контрольная работа 2.docx

    Некоммерческое акционерное общество

    «АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

    имени Гумарбека Даукеева
    Кафедра «Автоматизация и управление»

    Курсовая работа
    По дисциплине Программные средства микропроцессорных контроллеров управления в задачах автоматизации .
    Образовательная программа 7M07105 – Автоматизация и управление .

    Выполнилa Алманова Д.А. . Группа МАУн-19-1

    (Ф.И.О.)
    Приняла проф. Копесбаева А. А. .

    (ученая степень, звание, Ф.И.О.)
    __________ ________________ «_____»________________2020 г.

    (оценка) (подпись)

    Содержание

    Введение ….………………………………………………………………...

    3

    1

    Описание проекта ..…..……………………...………………..…………

    4




    1.1 Задание…………….………………………………………………….

    4




    1.2 Аппаратные и программные компоненты………………………….

    4

    2

    Выполнение проекта……………………………………………….…….

    6

    3

    Разработка пользовательского интерфейса...…………….…………….

    13

    4

    Результат контролируемой системы……………………………………

    14

    Заключение …………………………………………………………………

    16

    Список использованной литературы……………………………..……….

    17



    Введение

    Целью выполнения курсовой работы является получение и закрепление новых знаний в области проектирования объектов автоматизации, а также разработка ПО SCADA-системы, ориентированного на практическое приложение в производстве.

    Управление системами регулирования температуры представляет собой серьезную проблему для контроллера, даже когда он имеет дело с инертными управляемыми системами. На примере проекта «шоколадная водяная баня» это приложение демонстрирует реализацию управления на основе контроллера для регулирования температуры шоколада. Чтобы получить хорошие свойства продукта (например, блеск, консистенцию и вкус), в процессе необходимо разогреть и снова охладить шоколад в несколько этапов.

    1 Описание проекта

      1. Задание

    «Шоколадная водяная баня» состоит из емкости с водой, в которую через клапаны можно подавать теплую и холодную воду. Затем температура воды передается стальному контейнеру и шоколадной массе, которую нужно растопить/охладить.

    На рисунке 1 представлен обзор управляемой системы и ее исполнительных механизмов и измерительных элементов.



    Рисунок 1 – «Шоколадная водяная баня»

    Для решения задачи управления, водяная баня с тремя технологическими метками должна моделироваться и контролироваться как можно лучше. Это приложение состоит из системы управления только с одним контроллером в отношении ввода в эксплуатацию рабочей нагрузки, поведения управления и поведения возмущений в контуре управления.

      1. Аппаратные и программные компоненты

    Приложение было создано со следующими аппаратными компонентами указанными в таблице 1.

    Таблица 1 – Аппаратные компоненты

    Компонент

    Кол-во

    Артикл

    Описание

    CPU 1516-3 PN/DP

    1

    6ES7516-3AN01-0AB0

    ЦПУ с рабочей памятью 1 МБ для программы и 5 МБ для данных, 1-ый интерфейс: PROFINET IRT с 2х-портовым коммутатором, 2-ой интерфейс: PROFINET RT, 3-ий интерфейс: PROFIBUS, производительность 10 нс на битовую операцию

    PM 70W 120/230VAC

    1

    6EP1332-4BA00

    Стабилизированный блок питания Siemens 6EP1332-4BA00, вход 120/230VAC, выход 24VDC/3.0A

    PG M4

    1

    6ES7716-.....-0...

    Программатор Field PG M4 является оптимальной платформой для решения широкого круга задач автоматизации на базе компонентов производства Siemens.

    QAE3075.040

    2

    BPZ:QAE3075.040

    Погружной датчик температуры 40 см, DC 4...20 мA, прямое погружение

    OM1/E

    1

    OM1/E

    Контактный датчик температуры для плоской поверхности с преобразователем выходного сигнала (активный) предназначен для измерения температуры плоских поверхностей.

    MXF461.32-12

    2

    BPZ:MXF461.32-12

    2-ходовой клапан с магнитным приводом, фланцевое соединение, PN16, DN32, kvs 12, AC / DC 24 В, DC 0/2 ... 10 В / 4 ... 20 мА


    В таблице 2 перечислены программные компоненты.

    Таблица 1 – Программные компоненты

    Компонент

    Кол-во

    Артикл

    Описание

    SIMATIC STEP 7 Professional V16

    1

    6ES7822-1AA05-0YA5

    SIMATIC STEP 7 Prof. V15, ПО разработки в TIA Portal; плавающая лицензия; ПО и документация на DVD; лицензионный ключ на USB-накопителе; класс A; 6 языков: нем., англ., франц., исп., ит., кит.; работа под ОС Windows 7 (64 бита), Windows 10 (64 бита), Windows Server 2012 R2 (64 бита); Windows Server 2016 (64 бита); для настройки SIMATIC S7-1200/1500, SIMATIC S7-300/400/WinAC, панелей SIMATIC Basic

    WinCC Runtime Advanced 128 V16

    1

    6AV2104-0BA05-0AA0

    SIMATIC WinCC Runtime Advanced PT128 V15, исполняемое ПО в TIA Portal для системы HMI на 128 внешних переменных; одиночная лицензия; ПО и документация на DVD; лицензионный ключ на USB-накопителе; класс A; 6 языков: нем., англ., франц., исп., ит., кит.; работа под ОС Windows 7 (32 бит, 64 бит), Windows 8.1/10 (64 бита)




    1. Выполнение проекта


    «Шоколадно-водяная баня» реализована путем последовательного соединения трех симуляционных функциональных блоках изображенных на рисунке 2.



    Рисунок 2 – Блок-диаграмма

    Циклически (каждые 10 мс) вызываемый OB30 вызывает функциональный блок PID_Temp для управления, а также блоки для моделирования процесса «шоколадно-водяная баня». Структурная схема, представленная на рисунке 3, показывает обратную связь измеренного значения «шоколад» на вход регулятора PID_Temp. Контроллеры соединены между собой в виде каскада.



    Рисунок 3 – Структурная схема

    При трехконтурном каскадном управлении значения температуры воды, стального контейнера и шоколада подсистемы возвращаются на каждый контроллер.

    Отдельные элементы имеют следующие характеристики:

    – вода: различное поведение PT1 для нагрева и охлаждения;

    – сталь: апериодическая система PT2 (отсутствие перерегулирования для ступенчатой характеристики);

    – шоколад: одиночная система PT1.

    В процессе создания проекта произведена конфигурация оборудования. На шине установлена CPU 1516-3 PN/DP. Для добавления HMI панели произведено соединение с ЦПУ для обмена информацией (рисунок 4).



    Рисунок 4 – Оборудования и сети

    Далее была составлена таблица переменных для каждого средства автоматизации с присвоением названия и типов (рисунок 5).



    Рисунок 5 – Таблица переменных

    Для конфигурации контроллера в проект добавлен OB30 «циклического прерывания» и выбран интервал между вызовами 10 000 мкс. В организационном блоке OB30 для исполнения циклических прерываний и программ помещаем PID_Temp. Далее произведена настройка PID_Temp, с установлением задания SetPoint (желаемая температура шоколада), входной величины Input (значение с датчика, измеряющий температуру шоколада).

    Контроллер PID_Temp_1 является ведущим для PID_Temp_2. В параметрах ввода/вывода PID_Temp_2 (рисунок 6) выбрана для входа из раскрывающегося меню значение «Вход», чтобы активировать взаимосвязанное значение процесса.



    Рисунок 6 – Параметры ввода/вывода

    В дереве проекта в папке «Технологические объекты» открываем конфигурацию по инструкции «PID_Temp_1» (рисунок 7).



    Рисунок 7 – Конфигурация PID_Temp

    Далее перейдя на вкладку «Основные настройки» и ввели следующие настройки указанные в рисунке 8.

    Во вкладке «Параметры процесса» отрегулированы пределы для значения процесса в соответствии с заданием, в примере проекта 140 °C было выбрано для верхнего предела и -10 °C для нижнего предела (рисунок 9).

    Во вкладке «Настройки вывода» были выполнены следующие настройки: выходное значение устанавливается на нижний предел 1 и верхний предел +130 (рисунок 10).



    Рисунок 8 – Основные настройки PID_Temp



    Рисунок 9 – Параметры процесса



    Рисунок 10 – Настройки вывода

    При подключении контроллера PID_Temp в качестве каскада рекомендуется использовать чистую структуру PI в качестве контроллера (рисунок 11).



    Рисунок 11 – Закон регулирования

    Управляемая система имеет два входа «INV_COOL» и «INV_HEAT». Одно значение мощности охлаждения или нагрева, влияющее на управляемую систему, может отображаться через оба входа (с положительными значениями). В приложении реальные выходы OutputHeat и OutputCool контроллера PID_Temp связаны с входами управляемой системы. Оба входа моделируют регулируемые клапаны реального процесса. С помощью настроек, сделанных в примере приложения, можно управлять процессом в диапазоне от 1 °C до +130 °C.

    Аналогичным образом настроены остальные функциональные блоки PID_Temp_2 и PID_Temp_3. Проект был загружен в ЦПУ. Затем проведен процесс ввода в эксплуатацию трехконтурного управления PID_Temp. Открыв страницу ввода в эксплуатацию контроллера, переходим на ЦПУ онлайн. Чтобы было удобно следить за процессом настройки, начаты измерения (рисунок 12).



    Рисунок 12 – Закон регулирования

    Задано значение «23,0 °C» в качестве температуры окружающей среды с помощью ручного ввода, как показано на рисунке 13.



    Рисунок 13 – Значение температуры окружающей среды

    Создано требование для выполнения первого ввода в эксплуатацию. Активировано «Subst.Setpoint» и передано установленное значение в блок, который находится на достаточном расстоянии от входного значения. В этом примере фиктивная рабочая точка «80.0».

    В маске выбран режим настройки «Предварительная настройка нагрева» и проведена настройка (рисунок 14). После выполнения «Предварительной настройки нагрева» выбрана «Предварительная настройка охлаждения» в качестве следующего шага. В систему отправляется импульс охлаждения (рисунок 15). После этого выбран режим настройки «Точная настройка нагрева» и начата точную настройку. «Точная настройка нагрева» пытается вызвать колебания управляемой системы.



    Рисунок 14 – Предварительная настройка нагрева



    Рисунок 15 – Точная настройка нагрева

    После выполнения «Точной настройки нагрева» выберан в раскрывающемся меню параметр «Точная настройка охлаждения». Для запуска «Точной настройки охлаждения» требуется «Смещение настройки» в фиктивной рабочей точке примера приложения (80,0 °C). Для смещения настройки выбрано значение больше, чем теплотворная способность в рабочей точке. Дождавшись стабилизации системы, была запущена «Тонкая настройка охлаждения». «Точная настройка охлаждения» пытается вызвать колебания управляемой системы (рисунок 16).



    Рисунок 16 – Точная настройка нагрева

    После вышеперечисленных настроек проведено отключение «Subst.Setpoint». Завершен процесс ввода в эксплуатацию контроллера, загрузив автоматически обнаруженные параметры PID в проект (рисунок 17). Аналогичным образом настроены остальные функциональные блоки PID_Temp_2 и PID_Temp_3.



    Рисунок 17 – Загрузка ПИД параметров

    Индивидуальные управляемые системы имеют разные постоянные времени, но идентичные коэффициенты усиления. Были выбраны следующие коэффициенты усиления и постоянного времени указанные в таблице 3. Пример не претендует на детальное отображение действительности. Данные предназначены для программирования и ввода в эксплуатацию блоков контроллера PID_Temp.

    Таблица 3 – Программные компоненты




    GAIN

    TM_LAG1 или TM_LAG_Heat

    TM_LAG_Cool

    TM_LAG2

    Вода

    1

    1,0

    0,75

    -

    Сталь

    1

    15,0

    -

    5,0

    Шоколад

    1

    125,0

    -

    -

    Для трехконтурного управления три контроллера PID_Temp соединены между собой. Каждый контроллер получает различную измеряемую величину для мониторинга от моделируемого процесса. Контроллеры PID_Temp подключаются по схеме ведущий-ведомый, что дает преимущества при вводе в эксплуатацию. При каскадном подключении контроллеров D-доля в контроллерах сильно влияет на выходы. Даже шум фактического значения может из-за каскадного подключения контроллеров вызвать сильное превышение контроля. Такое поведение нежелательно на реальном предприятии, поскольку оно сильно изнашивает существующее оборудование (например, клапаны).

    В таблице 4 представлен обзор подключения контроллеров.

    Таблица 4 – Обзор подключения контроллеров

    Функциональный блок

    Обратная связь

    Ведомый для

    Ведущий для

    Контрольное значение взаимосвязано с

    PID_Temp_1

    Тшоколада

    -

    PID_Temp_2

    PID_Temp_2

    PID_Temp_2

    Тстали

    PID_Temp_1

    PID_Temp_3

    PID_Temp_3

    PID_Temp_3

    Тводы

    PID_Temp_2

    -

    клапан теплой и холодной воды

    1. Разработка пользовательского интерфейса

    Разработка программного обеспечения для проектируемой системы заключается в инженерном программировании, т.е. создании мнемосхем процесса управления ТП и мониторинга, с привязкой получаемыми от контроллера сигналами.

    На разрабатываемой мнемосхеме возможны следующие действия:

    1) ввод желаемого значения температуры шоколада;

    2) ввод возмущения;

    3) осуществление мониторинга значений температур воды, стального контейнера и шоколада.

    Обработка данных и процесс управления температурой реализован на контроллере S7-1500. Создание мнемосхемы АСУ насосной станцией производится при помощи SCADA-системы SIMATIC WinCC Runtime Advanced.

    «Окно управления» интерфейса (рисунок 18) включает в себя следующий набор функций:

    – структурная схема проекта;

    – ввод значения задания и возмущения;

    – график переходных процессов основных технологических параметров;

    – условные обозначения трендов.



    Рисунок 18 – Окно управления

    1. Результат контролируемой системы

    Сценарий показывает поведение контролируемой системы, когда задано значение уставки и возмущающая переменная воздействует на моделируемый «водный» процесс. Значение уставки по умолчанию - 23,0 °C (рисунок 19), изменена на 60,0 °C (рисунок 20). Для каскадного управления возмущение уже исправлено внутренним контуром управления и поэтому практически не влияет на температуру шоколада (рисунок 21).



    Рисунок 19 – Результат контролируемой системы при уставке по умолчанию



    Рисунок 20 – Результат контролируемой системы при уставке 60,0 °C



    Рисунок 21 – Результат контролируемой системы при возмущении 40,0 °C


    Заключение

    В данной курсовой работе, была выбрана «Шоколадная водяная баня», как объект управления и произведен выбор регуляторов температуры, для которого экспериментально определены оптимальные настройки.

    Итогом выполнения курсовой работы является получение и закрепление новых знаний в области проектирования промышленных объектов автоматизации, а также разработка ПО SCADA-системы, ориентированное, как практическое приложение в производстве.

    Список использованной литературы
    1. Ротач В.Я. Теория автоматического управления. – М.: Энергия, 2004.

    2. Автоматизация посредством STEP 7 с использованием STL и SCL. Бергер Р. – учебник компании Siemens на компакт диске.

    3. Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / Под ред. Проф. В.П. Дьяконова.-М.:СОЛОН-Пресс, 2014

    4. https://support.industry.siemens.com/cs/products?mfn=ps&lc=ru-RU – Сайт поддержки продукции

    5. Юрген Мюллер. Регулирование на основе SIMATIC. Перевод с немецкого со издание 1, 2016 г.

    7. Каталог программируемых логических контроллеров корпорации Siemens, 2011 г., 48 стр.

    8. Практическое руководство по системам управления SIMATIC S7 и SIMATIC PCS7 / Мюллер, Пфайффер, Визер - Publicis Publishing, Эрланген



    Алматы 2020


    написать администратору сайта