CC BY
49
УДК 681.5+621.039
АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ, АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СТЕНДА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
АЖ Анодин, В.В. Бодрое, А.А. Носенко
Стенды на циклическую долговечность позволяют проводить гидравлические испытания баллонов высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве на транспортных средствах и в быту.
В испытаниях баллон нагружают внутренним гидравлическим давлением б диапазоне 0,1-1,3 рабочего давления с частотой не более 10 циклов в минуту. Баллон должен выдерживать без разрушения не менее ЮООхГ циклов (Т - расчетный срок службы в годах).
При разработке систем управления для подобных сложных технических объектов необходимо решить несколько взаимозависимых задач: разработать алгоритм управления, выбрать аппаратную базу его реализации и воплотить разработанный алгоритм в программе с созданием удобного пользовательского интерфейса на пульте управления оператора.
1. Алгоритм управления стендом
Стенд для гидравлических испытаний баллонов на циклическую долговечность включает насосную установку с гидропанелями, пульт управления, заправочный агрегат и другое вспомогательное оборудование.
Система управления испытательного стенда обеспечивает изменение давления в баллоне по требуемому закону. Поток рабочей жидкости в стенде создается агрегатом, состоящим из ради-ально-поршневого нерегулируемого насоса с рабочим объемом д - 32 см3, номинальным давлением нагнетания рИОМ = 50 МПа, номинальной подачей £?н = 44,1 л/мин, и электропривода.
Всасывающий канал насоса соединен с гидробаком насосной установки. К напорному каналу насоса присоединены входной канал обратного клапана, напорный канал предохранительного клапана и датчик давления, посредством которого осуществляется контроль за характером изменения давления в напорном канале. Подлежащий испытанию баллон подсоединяется к выходному каналу обратного клапана.
Для автоматического контроля за характером изменения давления в испытываемом баллоне и осуществления обратной связи по давлению к выходному каналу обратного клапана присоединен датчик давления.
Предохранительный клапан, обратные клапаны и точки контроля давления установлены на общей гидравлической плите и образуют в совокупности напорную гидропанель.
Пропорциональный предохранительный клапан служит для регулирования характера изменения давления в баллоне в процессе его испытаний в соответствии с заданным законом изменения давления.
Таким образом, рассматриваемый стенд гидравлических испытаний баллонов является объектом с дроссельным автоматическим управлением и нерегулируемым источником энергии в виде насосной установки. Работу стенда в циклическом режиме обеспечивает алгоритм работы системы управления, представленный на рис. 1.
Выполним описание работы расчетных блоков, заданных в блок-схеме алгоритма управления.
Линеаризованную статическую характеристику предохранительного клапана с пропорциональным электрическим управлением (без учета гистерезиса) представим в виде [1]
P = Po+kuU + kQ(Q-Q0), при Q>Q0, (1)
где р - значение избыточного давления на входе клапана; U - величина управляющего электрического сигнала на входе электронного блока управления клапана; Q - текущее значение расхода рабочей жидкости через клапан; р0 - избыточное давление на входе клапана при нулевом управляющем электрическом сигнале и расходе рабочей жидкости через клапан, равном Q0; ku kQ - коэффициенты пропорциональности (линеаризации).
Для пропорционального предохранительного клапана со встроенной электроникой типа DBEE6-1X/315YG24K31M входной управляющий электрический сигнал изменяется в пределах от 0 до 10 В. При этом в соответствии с характеристиками клапана, приведенными в каталоге фирмы Rexroth Bosch Group (RE 29 158/11.02), при Q = Qo = 5,0 л/мин давление р на входе клапана составляет р0 = 0,8 МПа при U= 0 В и/? = 31,5 МПа при U= 10 В.
При фиксированной величине управляющего сигнала при изменении расхода через клапан в пределах от 5 до 30 л/мин давление на входе клапана изменяется на 0,375 МПа, а коэффициенты линеаризации принимают значения ки =
= 3,07 МПа/В и kg = 0,015 МПа/(л/мин).
Вышеприведенные величины подлежат уточнению после определения статических характеристик работы конкретного клапана DBEE6-1X/315YG24K31M, приобретенного для комплектации насосной установки стенда, при каждой замене клапана. В процессе эксплуатации стенда расход рабочей жидкости через пропорциональный клапан изменяется в широких пределах в за-
Алгоритмическое, аппаратное и программное обеспечение системы управления стенда...
висимости от вместимости испытываемого баллона, выбранного закона изменения давления и его параметров, а также от этапа цикла изменения давления. Измерение расхода рабочей жидкости через клапан конструкцией стенда не предусмотрено, поэтому в первом приближении расход полагается постоянным, равным половине подачи насоса [2]: £> = = 22,05 л/мин, и характеризуется
соотношением
р = р*0+к1Ги, (2)
где р*0 =р0 +кд(<2и /2-£>0).
Для обеспечения перед клапаном давления р (2) текущее значение и электрического сигнала, подаваемого на вход электронного блока управления клапана, должно составлять
и = (р- Ро)/ки. (3)
В процессе работы стенда в силу большого числа случайных факторов, влияющих на фактическое значение давления р на входе клапана, величину и управляющего электрического сигнала целесообразно изменять не только с учетом требуемого закона изменения давления р, но и с учетом расхождения между текущими заданным р3!>Д и фактическим рф значениями давления на входе клапана
и = (Рзад-р1)/ки +кос(рзт -Рф) +
I
"^инт ]"( Рзад Рф№ (4)
о
где кос ~ коэффициент обратной связи по погрешности поддержания заданного давлению; ^ - коэффициент усиления интегратора; / - время (отсчитываемое с момента начала испытания баллона).
Текущее заданное значение рШЛ давления на входе клапана при проведении испытаний в наладочном и автоматическом режимах должно рассчитывается контроллером для каждого цикла по введенной в него программе в соответствии с выбранным законом изменения давления в испытываемом баллоне («равнобедренным трапециидальным» или синусоидальным) по введенным исходных данным на основании выражений (2), (4).
Фактическое значение давления р§ на входе клапана (и соответственно в испытываемом баллоне) фиксируется на основании сигнала, поступающего с датчика давления.
Значения коэффициентов ¿ос и к^ существенно зависят от вместимости испытываемого баллона и выбираются экспериментальным путем исходя из условия обеспечения монотонных переходных процессов по давлению на входе клапана при минимально достижимом расхождении величин Рзад И Рф в каждый момент времени [3].
Под разработанный алгоритм подобрана аппаратная базу и создана программа управления и взаимодействия с оператором.
2. Аппаратная база и программное обеспечение системы управления
Система управления состоит из нижнего уровня (контроллера) и верхнего уровня (ПЭВМ и пульта управления), что позволяет обеспечить удобный интерфейс для оператора и реализовать различные механизмы управления, контроля и оповещения.
Алгоритм управления стендом (рис. 1) предполагает использование 5 аналоговых входных сигналов с датчиков давления, выходной аналоговый сигнал на клапан, а также 14 входных и 9 выходных дискретных сигналов блокировок и вспомогательных сигналов.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма управления стендом
Аппаратурной базой системы управления выбран контроллер Зшайс 87-200 фирмы Siemens, обладающий быстродействием, и имеющий 14 дискретных входов и 10 выходов, что покрывает
Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», выпуск 4
47
A.M. Анодин, B.B. Бодров, А.А. Носенко
требования алгоритма управления. Для работы с аналоговыми сигналами используются модули Бшйс 87-200 ЕМ 232 на 2 выхода и 2 модуля 8ь тайс 87-200 ЕМ 231 на 4 входа каждый.
Верхний уровень системы управления реализован на базе РС-совместимого компьютера промышленного образца производства фирмы Ас1уап-tech и стенда, разработанного в ООО «Учебно-инжиниринговый центр».
Основным назначением программного комплекса является обеспечение формирования управляющего сигнала для гидроаппарата с пропорциональным электрическим управлением из условия изменения давления в полости баллона по заданному закону. Дополнительно обеспечиваются функции ручного, наладочного и автоматического режимов управления, контроль за состоянием датчиков и сигнализаторов, создание удобного интерфейса пользователя, ведение отчетов о ходе проведения испытаний. Программа рассчитана на использование обслуживающим персоналом (наладчиками) и оператором стенда.
Программа управления, реализуемая контроллером 87-200 выполнена в среде разработки 81ер7-М1ск^ш. Представленный алгоритм (рис. 1) выполняется контроллером за 10 мс, а при переходе в режим работы по эталонному закону время дискретизации снижается до 8 мс.
Сигналы с аналоговых датчиков, аварийные и предупредительные сигналы, формируемые контроллером и передаваемые на ПК, являются кодовыми. Кодовые сигналы на верхнем уровне преобразуются в физические величины и сообщения.
Для контроля и автоматизированного управления параметрами стенда разработан интерфейс оператора для ПЭВМ, состоящий из 4-х панелей управления и панели настройки.
Панель управления, представленная на рис. 2, предназначена для ввода оператором параметров испытаний, контроля и управления стендом.
1111 .'ЛИ
' • I *
!' І і
ламаЫ^лааааЗ
«¡^аммиияв4
Рис. 2. Панель управления
Панель датчиков, представленная на рис. 3, предназначена для визуального контроля оператором основных параметров стенда. Контроль изменения во времени параметров стенда производится с помощью программного осциллографа (рис. 4).
. ҐДатч*
¿ГЪахт-лЮйтШ ■
~ Датчжм»*ж»ДО?
!: Г гьтеицдачир Дпсодтныйвцяма
П Ягэгелвиие^яеМравгштамУА« ; Г йвдвіт*:««їтря(*:жтояїдг . ~ Яфееяен*«м*а'ен**,.: • •
•“ <iW««
■ IP
Я
■.»г- : ' ....j
Рис. 4. Окно программного осциллографа
Программа имеет широкий диапазон настройки и большое число изменяемых параметров.
Стенд гидравлических испытаний баллонов высокого давления прошел сертификацию, заказчик получит лицензию на технологический процесс выпуска баллонов, что позволит ему выйти на новые рынки сбыта и повысить свою прибыль.
Заключение
Последовательное осуществление анализа регулируемого объекта, разработка алгоритма работы систем управления и её аппаратно-программная реализация, позволило создать качественную систему управления для сложного технического объекта - стенда гидравлических испытаний баллонов и провести сертификацию системы.
Литература
].Гойдо М.Е. Теория и проектирование гидроприводов: Учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998. -255 с.
2. Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов, 2-е изд. перераб. - М: Машиностроение, 1982. — 423 с.
3. Бодров В.В., Багаутдинов P.M., Гойдо М.Е. ОБ Улучшении динамических характеристик электрогидравлического следящего привода// Приводная техника. - 2004. - №2. - С. 58-61.
