Система управления силовым оборудованием климатических камер

Cистема управления силовым оборудованием климатических камер

Анна Долгова, Максим Ананских, Альфред Моренков

В статье описывается система управления климатическими камерами, применяемыми для испытаний материалов и промышленных изделий, созданная на базе недорогих серийно выпускаемых компонентов. Рассматриваются возможности инструментальных программных пакетов, использованных в данной разработке.

ВВЕДЕНИЕ

Широко известно, какие жёсткие требования предъявляются к материалам, применяющимся в современном производстве. От качества их изготовления зачастую зависит надёжность работы самых различных механизмов и, как следствие, здоровье и жизнь людей, экологическая обстановка, окупаемость вложенных средств. Важным этапом на пути к изготовлению материалов, обладающих необходимыми свойствами, является проведение в процессе разработки и производства испытаний образцов в жёстких условиях эксплуатации, позволяющих установить соответствие материала требованиям и выявить технологические недостатки.
Одним из наиболее значимых видов подобных испытаний является термоциклирование, позволяющее выявить нарушения в технологии производства материалов, а также прогнозировать их стойкость к температурным и климатическим воздействиям. Как известно, процесс изменения температуры материала происходит неравномерно. Большую роль здесь играет теплопроводность материала, неоднородность его структуры или химического состава. Возникающий при этом градиент температуры вызывает механические напряжения в образце, вследствие чего возможно возникновение микротрещин, фазовых переходов и других структурных изменений, по которым можно судить о характеристиках материала и его качестве.

Общий вид климатической камеры

Методика испытаний на термоциклирование достаточно проста. Испытуемый образец помещается в закрытый объём, температура в котором меняется по заданной программе в течение нескольких циклов (рис. 1). Как правило, один цикл включает в себя нагрев до определённой температуры с заданной скоростью, по окончании которого температура удерживается постоянной в течение некоторого времени. Далее следует участок охлаждения с заданной скоростью до определённой температуры, при которой материал снова выдерживается заданное время. В случае климатических испытаний к изменениям температуры добавляются и изменения влажности воздуха в объёме.
Для проведения подобных испытаний используются климатические камеры, включающие в себя, как правило, систему охлаждения, нагреватели и систему управления. Такие камеры находят своё применение как для проведения научно-исследовательских работ, так и для испытания промышленных изделий.
Естественно, для обеспечения точности задаваемой программы испытаний и повторяемости их результатов качество такого аппаратно-программного комплекса должно быть на достаточно высоком уровне. Необходимо обеспечить надёжность и бесперебойность его работы, строгое соблюдение параметров испытаний, точную регистрацию результатов измерений и воспроизведение данных, а также возможность интеграции с другими автоматизированными системами предприятия. Эти задачи предстояло решить инженерам фирмы «Антрел» при разработке и внедрении типовой системы автоматизации комплекса климатических испытаний, разработанной по заказу одного из научно-исследовательских ин-
ститутов г. Москвы.

Рис. 1. Типичный вид программы испытаний

Фирма «Антрел» работает в области автоматизации технологических процессов и научно-исследовательских работ более 10 лет, и за эти годы был накоплен богатый опыт создания и модернизации самых разнообразных систем. На этот раз специалистам предстояло иметь дело с автоматизацией управления климатическими камерами фирмы Feutron, произведенными в ГДР. Комплекс камер успешно проработал в институте более 15 лет и продолжает работать до сих пор, но устаревшая система контроля и управления камерами не обеспечивала необходимую точность соблюдения условий испытаний, не говоря уже о возможностях обработки полученных данных.
Было принято решение разработать систему управления «с нуля», заменив устаревшие платы аппаратной логики надёжным оборудованием, которое отвечало бы современным требованиям к измерительной и испытательной технике, но в то же время полностью сохранило бы прежнюю функциональность и особенности работы с механизмами управления. Функции формирования аварийных сигналов, сигналов защиты и управления исполнительными механизмами, выполнявшиеся ранее на аппаратном уровне, решено было реализовать программно.

Рис. 2. Мнемосхема камеры

Предстояло автоматизировать климатические камеры, имеющие различные технические характеристики, управляющие устройства и, как следствие, различную структуру сигналов и алгоритмы регулирования. Так, рабочий объём камер составлял от 400 до 630 дм3, а диапазон задаваемых температур от –75 до 100°С или от –50 до 100°С. При этом камеры большего объёма были оборудованы двумя электронагревателями общей мощностью до 7,6 кВт, а камеры с меньшим объёмом — одним нагревателем на 4 кВт, управляемым с помощью симистора. Для достижения более низких температур на части камер применялась двухступенчатая система охлаждения, а на других для более плавного регулирования в плюсовом диапазоне температур применялся дополнительный контур. Кроме того, некоторые из камер были оборудованы системой поддержания влажности в диапазоне от 10 до 100%, в состав которой входили осушитель и увлажнитель воздуха. Каждая камера оборудована одним или двумя вентиляторами, с помощью которых поддерживалась равномерность температуры воздуха в рабочем объёме. Количество сигналов составляет до 5 входных аналоговых, до 16 входных дискретных сигналов от датчиков и кнопок управления, до 16 выходных дискретных сигналов на исполнительные механизмы и до 16 — на устройства индикации на одну камеру. Мнемосхема камеры приведена на рис. 2.
Таким образом, система должна была отвечать следующим требованиям.

1. Наличие алгоритмов регулирования, обеспечивающих необходимую точность установки значений параметров камер, составляющую для температуры ±0,2°С, для влажности ±2%, а также строгое выдерживание временных интервалов режимов и заданной скорости изменения параметра.
2. Обеспечение длительной устойчивой работы камер в автономном режиме, необходимой при проведении продолжительных испытаний.
3. Обеспечение возможности функционирования и задания рабочих параметров для каждой из камер в автономном режиме, даже в случае отсутствия связи с рабочим местом оператора.
4. Автоматический контроль функционирования управляющих устройств, заключающийся в реализации большого количества логических связей между сигналами, являющимися различными блокировками, которые ранее выполнялись старыми платами логики для предотвращения повреждения механизмов.
5. Контроль технологических данных и их сохранение в базе данных одного из стандартных форматов, что обеспечивает оперативный доступ к архивным данным из различных систем.
6. Дружественный операторский интерфейс, предоставляющий персоналу широкие возможности настройки программ испытаний, удобный доступ к текущей и архивной информации.
7. Возможность дальнейшего расширения и усовершенствования системы, которая при необходимости может быть реализована силами пользователей.

СТРУКТУРА И АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА

Для реализации системы была выбрана двухуровневая распределённая структура комплекса, давно и хорошо зарекомендовавшая себя при автоматизации различных технологических процессов (рис. 3). На рабочем месте оператора был установлен офисный компьютер, в задачи которого входило обеспечение человеко-машинного интерфейса, то есть контроль и архивирование получаемой от контроллеров информации, а также некоторые функции управления, позволяющие выполнять отключение устройств при возникновении аварийных ситуаций. Основные же задачи контроля и регулирования были возложены на контроллеры, каждый из которых осуществлял управление одной климатической камерой. Связь операторского пульта управления с контроллерами осуществлялась через последовательный интерфейс RS-485.
Преимущество такого подхода к построению АСУ ТП заключалось в следующем.
Применение двухуровневой системы позволило централизовать информацию о ходе испытаний и сосредоточить управление на одном рабочем месте оператора. Это дало возможность организовать управление камерами силами одного оператора и обеспечить комфортабельные условия для его работы, в то же время сократив расходы на организацию рабочих мест. На экране компьютера доступна информация о ходе технологического процесса в каждой из климатических камер, и обеспечивается возможность контролировать его как в автоматическом, так и в ручном режиме. В то же время наличие в контроллере полной программы регулирования и защитных механизмов для агрегатов позволяет сохранять работоспособность системы даже в случае выхода из строя компьютера оператора или нарушения связи с ним. При этом сохраняется возможность внести изменения в программу испытаний или перейти в ручной режим управления с помощью локальной консоли. Такое решение обеспечило повышение устойчивости системы и возможность автономной работы. Кроме того, оно дало возможность последовательной модернизации климатических камер, что позволило, во-первых, постоянно иметь работающую камеру для текущих испытаний, в то же время проводя монтажные и пусконаладочные работы с другими камерами, и, во-вторых, вводить камеры в новую систему без существенных модификаций разработанного операторского интерфейса и не прерывая функционирования системы.

Рис. 3. Структурная схема комплекса

Наиболее жёсткие требования в такой системе предъявляются к контроллеру, управляющему климатической камерой. Именно он должен обеспечивать бесперебойное функционирование системы и точное выполнение программы испытаний как по командам управления с верхнего уровня, так и работая локально, а также контролировать состояние оборудования, предотвращая его поломку и преждевременный выход из строя. В то же время контроллер должен обладать достаточной вычислительной мощностью для реализации алгоритма управления, иметь развитые возможности для подключения исполнительных устройств и датчиков и, что немаловажно, быть компактным и недорогим. Поэтому для реализации системы был выбран микроконтроллер RTU188-MX фирмы Fastwel, созданный на базе микропроцессора Am188ES 40 МГц и имеющий восемь 12-разрядных каналов АЦП с гальванической изоляцией, 2 последовательных порта, 16 каналов ввода и 16 каналов вывода дискретных сигналов, а также 48 универсальных программируемых каналов типа UNIO-xx-5 c возможностью подключения внешних аналоговых или дискретных модулей гальванической развязки и нормализации серий 70G/73G и 70L/73L фирмы Grayhill.

Фрагмент программы на UltraLogik 

Для проведения качественного измерения температуры в нескольких точках полезного объёма были использованы термометры сопротивления Pt100, нормализация сигналов которых осуществлялась с помощью преобразователей ADAM-3013. Это решение, являясь одним из наиболее экономичных, позволило осуществлять ввод температурных сигналов с гальванической изоляцией до 1000 В, обеспечивая при этом заданную точность измерения. Для управления электромеханическими контакторами и включения клапанов были применены модули изолированного дискретного вывода Grayhill серии 70L, оснащенные встроенными предохранителями, а для ввода сигналов аварийных защит — модули серии 70G. Питание контроллера осуществлялось с помощью источника вторичного питания NLP65-7620E фирмы Artesyn Technologies, хорошо зарекомендовавшего себя во многих разработках.
Рабочее место оператора представляет собой офисный компьютер с процессором Pentium II/1 ГГц и объёмом ОЗУ 256 Мбайт, подключенный к источнику бесперебойного питания Smart-UPS фирмы APC и снабженный изолированной двухпортовой платой интерфейсов RS-422/ 485 PCL-745S-B фирмы Advantech для получения технологических данных от контроллеров. Для организации линии связи RS-485 был применён экранированный кабель Belden 3106A.

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА И РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ

Программное обеспечение нижнего уровня системы было реализовано с помощью системы программирования IBM PC совместимых контроллеров Ultralogik 1.03 фирмы ACE, разработанной в соответствии со стандартом IEC 61131.
Выбор инструмента разработки был обусловлен, во-первых, открытым интерфейсом и разнообразием поддерживаемого оборудования, что позволило разработать программу без написания дополнительных драйверов, во-вторых, возможностью быстро и легко создавать эффективные программы контроля и обработки данных и алгоритмы управления с помощью объектного визуального программирования, в-третьих, наличием ОРС-сервера для протокола PLCNet, служащего для связи со SCADA-системой и поставляемого бесплатно при покупке UltraLogik и GENESIS, и, наконец, в-четвертых, невысокой стоимостью инструментального пакета.
Кроме того, заказчик получил инструмент, не содержащий ограничений на количество проектов, работающих в режиме исполнения, и позволяющий ему в случае необходимости самостоятельно модернизировать и расширять систему, не впадая в зависимость от фирмы-разработчика.
В процессе разработки ПО контроллеров было использовано и такое преимущество UltraLogik, как возможность подключения модулей, написанных на других языках. В программы контроллеров были включены разработанные на языке Си модули, осуществляющие вычисление влажности с помощью психрометрической таблицы, а также выполняющие диалог с пользователем при помощи LCD-дисплея и матричной клавиатуры. Большую помощь при создании ПО нижнего уровня оказали удобные и эффективные средства отладки, которые пакет UltraLogik предоставляет разработчикам.

Рис. 4. Основной экран системы

В результате были разработаны компактные и оптимально работающие программы управления климатическими камерами, обеспечивающие необходимую точность регулирования и позволяющие камерам во время продолжительных испытаний работать автономно при минимальном контроле со стороны персонала. В состав каждой из программ входят модули входного и выходного преобразования сигналов, модуль защит и блокировок, модуль регулирования температуры, модуль выполнения программы испытаний и внешний модуль диалога с пользователем, написанный на языке ассемблера. Кроме того, в программах некоторых из камер отдельный модуль использовался для регулирования влажности.
Модули входного и выходного преобразования осуществляют масштабирование и фильтрацию аналоговых сигналов, а также защиту от дребезга и при необходимости логическую инверсию дискретных сигналов. Еще одной его функцией является формирование сигнала на включение симистора нагревателя в нулевой фазе питающего напряжения, эта функция реализована в виде внешней процедуры — обработчика прерываний на языке Cи. Здесь была использована возможность встроенного порта UNIO подсчитывать количество входных импульсов и генерировать прерывание при событии на входе.
Модуль защит обеспечивает формирование сигналов аварий и управление защитными блокировками. Например, для включения внутреннего контура охлаждения необходимо, чтобы в течение некоторого времени был включён внешний контур. При отключении (например, из-за аварии) внешнего контура охлаждения внутренний контур отключается тоже.

Рис. 5. Экран установки параметров программного режима 

В модуле регулирования температуры реализован алгоритм управления по модифицированному ПД-закону, с зоной нерегулирования и позиционным выходом, в то время как влажность регулируется соответствующим модулем по релейному закону.
Модуль выполнения программы испытаний обеспечивает задание до 999 одинаковых циклов, состоящих из 1-10 интервалов, для каждого из которых задается скорость изменения температуры при выходе на интервал и продолжительность интервала, а также влажность и скорость её изменения.
Для создания человеко-машинного интерфейса была использована известная SCADA-система GENESIS32 фирмы Iconics, один из наиболее современных программных продуктов, предназначенных для разработки сложных систем АСУ ТП. Применение гибкого и мощного инструмента позволило в короткие сроки разработать удобный операторский интерфейс, позволяющий наглядно отображать процесс в нескольких камерах в текстовом и графическом виде, задавать различные параметры регулирования (рис. 4).
С помощью несложного сценария, созданного с помощью Visual Basic for Applications, входящего в состав системы, была реализована функция установки программного режима с возможностью загрузки программы испытаний из файла, корректировки её при необходимости и сохранения для последующего использования (рис. 5).
Сохранение таких параметров, как температура, влажность, уставки этих значений, формируемые программно или оператором, а также состояние некоторых критически важных механизмов и вентилей, производится в базе данных Microsoft Access. Для записи в базу данных используется модуль TrendWorX Data Logger, один из набора программных компонентов TrendWorX32, входящего в SCADA-систему GENESIS32. Скорость записи значений в базу, которую обеспечивает TrendWorX Data Logger (около 3000 значений в секунду), оказалась более чем достаточной для сохранения всех необходимых данных, а широкие возможности настройки параметров архивирования позволили управлять сохранением достаточно гибко в зависимости от процесса и не перегружать базу данных ненужными значениями.

Рис. 6. Графическое представление данных

Просмотр текущих и архивных данных в графическом виде (рис. 6) выполняется с помощью ActiveX-компонента TrendViewer. Сервер фоновой буферизации GENESIS32 — Persistent Trending — обеспечивает возможность просмотра данных процесса за последний час, сохраняя их в оперативной памяти компьютера.
Формирование и печать отчетов выполняется в два этапа. Первая группа отчетов формируется с помощью компонента TrendWorX32 Reporting, также входящего в комплект SCADA-системы GENESIS32 и позволяющего настраивать отчеты для различных данных и запускать их формирование периодически или по определенным условиям. Вторая группа отчётов выполняется средствами базы данных Microsoft Access.
Для реализации проекта была использована лицензия GENESIS32, включающая в себя 550 клиентских единиц и 150 точек ввода-вывода. Из этих ресурсов работающая система в режиме максимальной загрузки использует 108 точек ввода-вывода и 230 клиентских единиц, распределенных между приложениями следующим образом:
Таким образом, в резерве осталось достаточное количество ресурсов, предусмотренных для дальнейшего расширения системы автоматизации.
К числу дополнительных преимуществ программного пакета следует отнести и то, что в основе SCADAсистемы GENESIS32 лежит ОРС — открытый стандарт взаимодействия аппаратного и программного обеспечения в промышленной автоматизации. Это позволило легко настроить обмен данными между верхним и нижним уровнем системы, а также обеспечило пользователю свободу выбора в случае необходимости интеграции с другими программными средствами и системами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате разработки была создана система, имеющая множество типовых применений, которая в короткие сроки может быть адаптирована для использования в самых разнообразных отраслях, где необходимы простые и надёжные системы управления климатическими камерами. А первые месяцы эксплуатации комплекса подтвердили, что система автоматизированного контроля и управления силовым оборудованием климатических термокамер обеспечивает точность регулирования и надёжность работы, необходимую для проведения климатических испытаний образцов материалов.