Аппаратно-программный комплекс ХОРК. Метео-ЭФ для испытательного климатического стенда

Аппаратно-программный комплекс ХОРК.Метео-ЭФ для испытательного климатического стенда

Алексей Бурханов

В статье приводится описание типового построения испытательного климатического оборудования, рассматриваются особенности климатических камер для моделирования воздействия повышенной температуры рабочей среды и повышенной относительной влажности. Описывается климатическое оборудование на базе контроллеров линейки FASTWEL I/O, предназначенное для проведения испытаний бытовых холодильных приборов на соответствие стандартам энергоэффективности.

ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ КЛИМАТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Испытательное климатическое оборудование (ИКО) применяется для моделирования агрессивных факторов среды и определения воздействия этих факторов на образцы материалов и изделий в самых различных направлениях производства. Как правило, в нашей стране основными заказчиками испытательного климатического оборудования являются предприятия обороннопромышленного комплекса, в то время как в Европе такое оборудование используется на всех общепромышленных предприятиях.
По моделирующим факторам ИКО делится на оборудование для испытаний на воздействие повышенных и пониженных рабочих температур среды, относительной влажности, пониженного и повышенного атмосферного давления, на статическое и динамическое воздействие песка и пыли, на воздействие морского (соляного) тумана, выпадающих осадков (дождя), конденсируемых осадков (инея, росы) и солнечного излучения.

Типовой единицей такого оборудования является климатическая камера. Различают климатические камеры цельнокорпусные и сборные. Конструктивно камеры состоят из испытательного объёма, аппаратного модуля и системы управления. Испытательные стенды включают в себя специализированные климатические камеры и представляют собой совокупность аппаратных и программных средств для проведения профильных испытаний (рис. 1).

ИСПЫТАНИЯ НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ

Проект «А-класс – норма жизни» инициирован проектом Минобрнауки России/ПРООН (Программы развития ООН) – ГЭФ (Глобального экологического фонда) «Стандарты и маркировка для продвижения энергоэффективности».
Программа предполагает оснащение ряда крупных региональных центров стандартизации и метрологии оборудованием для проведения испытаний на энергоэффективность бытовых холодильных приборов по ГОСТ IEC 62552-2013.

По техническому заданию требовалось разработать и изготовить информационно-измерительную систему, состоящую из испытательной климатической камеры, рабочего места оператора, средств измерений и специального ПО.

ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ КАМЕРА

Для моделирования климатических условий при испытаниях изготовлена климатическая камера тепла и влажности, позволяющая реализовать внутри неё температурные режимы +10...+43°С при относительной влажности 40...95% с испытательным объёмом, пригодным для размещения трёх платформ с холодильниками в соответствии ГОСТ IEC 62552-2013 (рис. 2).
Основными исполнительными механизмами в камере являются высокотемпературная холодильная машина, пароувлажнитель, блок электронагревательных устройств и вентиляторы.
Холодильная машина имеет в своём составе компрессор и набор соленоидных клапанов для управления холодопроизводительностью.

В качестве пароувлажнителя установлен модульный пароувлажнитель с цифровым программным управлением и подключением по сети RS-485.
Нагревательное устройство представляет собой малоинерционный нихромовый нагреватель.
Вентиляторы климатической камеры оснащены приводами с частотным управлением.
В качестве измерительного преобразователя установлен цифровой датчик температуры и относительной влажности, имеющий высокую точность.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Система управления спроектирована непосредственно для установки на климатическую камеру в составе информационно-измерительной системы (рис. 3). Для обеспечения высокой точности поддержания параметров режима – температуры и относительной влажности – в испытательном объёме в качестве приборов управления были использованы приборы из линейки FASTWEL I/O.
В качестве контроллера была использована модель CMP713 – контроллер узла сети Modbus TCP с установленной подсистемой CODESYS. Также установлен типовой набор модулей для ввода-вывода дискретных сигналов +24 В (рис. 4).

Для ввода универсальных сигналов 4...20 мА от преобразователя температуры и влажности используется четырёхканальный модуль аналогового ввода сигналов постоянного тока 4...20 мА AIM723.
Для ввода сигналов термосопротивлений установлен модуль аналогового ввода сигналов термометров сопротивления AIM725. Оба модуля у производителя представлены в двух версиях, отличающихся точностью измерений (по сути – разрядностью и быстродействием АЦП). Для обеспечения связи контроллера с приборами по сети RS-485 установлен интерфейсный модуль NIM745.
Отличительной особенностью приборов из линейки FASTWEL I/O является наличие внутреннего интерфейса – скоростной шины FBUS.

Структурная схема системы управления представлена на рис. 5.
Для реализации человеко-машинного интерфейса использована цветная сенсорная панель оператора Weintek MT8100iE. Сопряжение с контроллером осуществляется по протоколу Modbus TCP через неуправляемый 5-портовый коммутатор MOXA EDS-205. Организация сети представлена на рис. 6.
Панель управления выполнена модульной на кронштейне. На ней установлены переключатель вкл./выкл., панель оператора, интерфейсные разъёмы для подключения к сети Ethernet и USB. Интерфейс Ethernet используется для подключения системы управления климатической камеры к настольному ПК из состава автоматизированного рабочего места оператора.
Порт USB предназначен для подключения USB флэш-диска для экспорта значений результатов испытаний.

ОСОБЕННОСТИ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ КЛИМАТИЧЕСКОЙ КАМЕРЫ

В климатической камере требуется непрерывно поддерживать параметры микроклимата – температуру и относительную влажность. Сложность заключается в большой инерционности исполнительных механизмов при охлаждении, нагреве, осушке и увлажнении. Кроме того, температура и относительная влажность являются связанными параметрами. Необходимо, чтобы регуляторы были настроены максимально точно, с учётом инерционности механизмов и запаздывания при измерении мгновенных значений параметров.
Для решения такой задачи контроллер линейки FASTWEL I/O подходит наилучшим образом.

Он обеспечивает высокоскоростной обмен между модулями по внутренней шине FBUS, быстрый опрос измерительных преобразователей и максимально быстрый цикл выполнения программы подсистемой CODESYS. CODESYS снижает быстродействие системы управления, но является эффективным решением, позволяющим максимально быстро реализовать сложный алгоритм управления, используя языки стандарта МЭК 61131-3.

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО ОПЕРАТОРА

В состав информационно-измерительного комплекса входит автоматизированное рабочее место оператора, имеющее в своём составе настольный ПК, принтер, стойку для подключения бытовых холодильных приборов, три прецизионных многоканальных измерителя температуры МИТ-8.10М1 производства ЗАО «ИзТех», три многофункциональных измерителя активной и реактивной мощности A1802RLXQP4G-DW-4 производства ELSTER.
Указанные приборы подключаются к настольному ПК по последовательной шине USB, при этом для сопряжения измерителей мощности используется стандартный конвертер RS-232/USB.
Компоновка рабочего места оператора представлена на рис. 7.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ КОМПЛЕКСА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИСПЫТАНИЙ БЫТОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ПО ГОСТ
IEC 62552-2013

Образцы для испытаний устанавливаются на специальные платформы, размещённые в испытательном объёме. На платформах и боковых перегородках закрепляются датчики температуры согласно методике и программе испытаний.
Далее с панели управления или с настольного ПК задаются параметры режима, и камера запускается на исполнение программы. В настройках программы задаются временные таймеры, реализующие возможность подачи электропитания на образцы при достижении градиентом распределения температуры и относительной влажности требуемых значений в испытательном объёме климатической камеры. Климатическая камера в совокупности с системой управления имеет высокие параметры точности поддержания температуры, относительной влажности и градиента распределения этих параметров в испытательном объёме, согласно ГОСТ IEC 625522013 точность поддержания температуры в контрольной точке составляет
±0,5°С и относительной влажности
±1,0%. Линейный градиент температуры должен быть не хуже ±1,0°С/м, относительной влажности ±2,0%/м.
Интерфейс специального ПО на ПК позволяет задать уставки температуры и влажности, по достижении которых автоматически подаётся напряжение питания на образцы. Для приближения условий испытаний образцов к эталонным питание осуществляется от стабилизированных источников питания.
Одновременно происходит запись показаний двенадцати контрольных датчиков температуры, закреплённых на платформе и боковых стенках.
Запись показаний измерителей мощности осуществляется с привязкой ко времени испытаний. Временныеˆ интервалы записи измерений (дискретность) доступны к изменению в настройках программы.
Таким образом, оператор комплекса получает возможность работать в единой информационно-измерительной системе, позволяющей непрерывно отслеживать и записывать архив испытаний, содержащий значения параметров режима испытаний, контрольных температурных датчиков, параметров питающей сети и потребляемой полной мощности образцов. Также оператору доступны функции работы с архивом – различные выборки, построение графиков и гистограмм в любом табличном редакторе. Настройки специального ПО позволяют расставлять временныˆе метки, настраивать таймеры, а также настраивать уведомления по электронной почте и SMS.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ПО ИЗ СОСТАВА КОМПЛЕКСА

Специальное программное обеспечение для ПК разработано на языке C++ с использованием дополнительных библиотек. Специальное ПО позволяет считывать значения измерителей температуры и измерителей мощности.

Основная экранная форма программы представлена на рис. 8.

ЗЕЛЕНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Оснащение региональных центров стандартизации и метрологии информационно-измерительными комплексами, описанными в настоящей статье, позволяет выполнять проверку образцов бытовых холодильных приборов на соответствие стандартам и классам энергоэффективности.
Специальное ПО из состава аппаратно-программного комплекса ХОРК.Метео-ЭФ позволяет автоматизировать процесс проведения испытаний, систематизировать полученные результаты для последующей обработки и внесения изменений в конструкцию и устройство бытовых холодильных приборов.
Использование бытовых приборов и техники с высокими классами энергоэффективности позволит значительно сократить выбросы углекислого газа и энергопотребление.
ООО «ХОРК» в своей работе в части проектирования, производства и эксплуатации оборудования всегда идёт курсом на повышение эффективности расходуемых ресурсов. Только бережное отношение к ресурсам сегодня поможет сохранить Землю для человека завтрашнего дня.