CC BY
221
Раздел V. Автоматизированные системы управления
УДК 681.2. 621.873
В.В. Игнатьев
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЁМНЫМИ КРАНАМИ
Рассмотрена автоматизированная система управления грузоподъемными кранами. Приведено содержательное описание компонентов АСУ и принципов их взаимодействия в виде структурных схем, рассмотрены особенности SCADA-системы, реализующей: визуа-, , -боте крана за выбранный период, состоянии отдельных подсистем за определенный про, .
Представлены фрагменты программной реализации АСУ.
Автоматизированная система управления; микроконтроллер; частотный преобразо-.
V.V. Ignatyev
AUTOMATED SYSTEM CONTROL OF THE LIFT CRANES
The automated control system of cranes. Given a meaningful description of the components of ACS and the principles of their interaction in the form of block diagrams, the features of SCADA system is realized: data visualization, archiving of all the variables, the ability to obtain reports on tap for the selected period, the state of the individual subsystems in a given period of time, the periodicity of the inclusions. The fragments of software implementation are shown.
Automated system control; microcontroller; frequency converter.
Начало применения человеком грузоподъемных механизмов относится к древнейшим временам. Характерной особенностью всего грузоподъёмного оборудования того времени является применение дерева для крупных узлов и деталей, а также ручного привода, что заменяло труд человека лишь от части.
Современные краны, построенные с применением самых передовых техниче-,
из «незаменимых» средством автоматизации различных технологических процес. -менным грузоподъемным краном представлена на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид АСУ
Кабина управления представляет собой автоматизированное место оператора , -альных джойстиков в центральный процессор, а также для наблюдения за основными техническими характеристиками крана и технологическими параметрами процесса при помощи мультимедийно-диагностической и информационной SCADA-cиcтeмы. В качестве SCADA-cиcтeмы используется программное обеспечение Simatic WinCC, обладающее мощной системой обслуживания сообщений и .
Помимо функции визуализации, в SCADA-cиcтeмe реализован различный набор функций, таких как архивирование всех переменных (в т.ч. параметров , , , -), , , -четов о работе крана за выбранный период или о состоянии отдельной подсистемы за определенный промежуток времени (например, тренды нагрузок электроприво-, , . .). Центральный процессорный блок (центральный процессор) представлен на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема центрального процессорного блока
Наиболее часто в качестве программного контроллера используются модульные контроллеры Simatic S7-300/400 в сочетании со станциями распределенного ввода-вывода. Контроллеры имеют модульную структуру [1] и включают в свой состав следующие компоненты:
♦ модуль центрального процессора (CPU выбирается в зависимости от
);
♦ модули бло ков питания, обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/1ШВ;
♦ сигнальные модули, предназначенные для ввода-вывода дискретных и
;
♦ коммуникацио иные процессоры, для подключения к сети PROFIBUS;
♦ функциональные модули, способные самостоятельно решать задачи авто-
;
♦ интерфейс ные модули, обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку стоек расширения.
В кранах более простого исполнения блок центрального процессора заменен релейной схемой управления, а кабина с контроллерами (джойстиками) заменена
. -емником и радиопередатчиком, работающими на определённой частоте.
Блок частотных преобразователей предназначен для плавной регулировки скорости короткозамкнутых электродвигателей подъема, передвижения крана и ..
. -
граммируемому контроллеру аппаратно при помощи процессной шины PROFIBUS и программно путем присвоения адреса соответствующему модулю [2]. Данное подключение предусматривает блокировку работы АСУ при наличии ошибки в любом из частотных приводов (обратная связь между частотным преобразователем и центральным процессором на рис. 1). Фрагмент конфигурации оборудования на базе контроллера Siemens в программной среде Step 7 показан на рис. 3.
Использование частотных преобразователей в сочетании с программируемым контроллером для управления грузоподъемными кранами обладает рядом преимуществ:
♦ повышение точности позиционирования благодаря низкой минимальной скорости;
♦ снижение механических воздействий благодаря плавным пуску и остановке;
♦ возможность использования как номинальной минимальной скорости, так и номинальной предельной скорости;
♦ снижение износа тормозов благо даря электрическому торможению;
♦ повышение произв одительности крана.
♦ возможность программ ирования как раздельно, так и одновременно частотного преобразователя и микроконтроллера в одной среде.
MPI_____________________________________________________________________
PROFIBUS(l)
PROFIBUS
~Т
вщ
т VTIC 300 Station
cpu : 315-2 ! dp ; □ :i DP □
1 2
DP-NORM Frequency converter
□
DP-NORM Frequency converter
□
DP-NORM Frequency converter
□
13 4
Рис. 3. Программное подключение частотного преобразователя к микроконтроллеру
В качестве двигателей используются двухскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, главными достоинствами которых являются: про, , .
Режимы управления двигателем можно представить в виде двух систем: разомкнутой и замкнутой. Современные частотные приводы имеют встроенную мо-( ) , -.
мгновенное значение напряжения двигателя от специализированной интегральной схемы и измеренное значение тока двигателя. Магнитный поток двигателя и крутящий момент вала рассчитываются в схеме двигателя на основе заводских данных. В замкнутой системе схему расчёта упрощают дополнительные входные данные, так как имеется сигнал от дифференциального датчика импульсов (encoder). Данное измерение функции собственно двигателя используется в качестве сигнала обратной связи на расчетную схему двигателя и обеспечивает возможность дополнительной проверки управления двигателем.
При программировании АСУ крана используются языки высокого уровня S7GRAPH, S7HiGraph, S7SCL [3], а также дополнительное программное обеспече-
ние, позволяющее встраивать одну среду проектирования в другую, например среду проектирования Borland для языков программирования С и C++ в среду проектирования STEP 7. На кранах, работающих в областях, где главным требованием является выполнение задач управления с повышенной надёжностью и работоспо-, .
Вводится аппаратное и программное резервирование, позволяющее устранять ошибки компонент в центральном процессоре, программные ошибки, обрыв процессорной шины и т.д. Система с программным резервированием включает в себя два центральных процессорных блока, которые связаны через систему шин (MPI, PROFIBUS или Ethernet) и резервированную пользовательскую программу, которая загружается в оба процессора. Фрагмент с конфигурированием резервированной системы в программной среде Step 7 показан на рис. 4.
Рис. 4. Программное резервирование контроллеров и децентрализованной
периферии
Основной принцип работы программного резервирования состоит в том, что , , загружается как в основной контроллер, так и в резервный. В то время как CPU основного контроллера обрабатывает эту часть программы, CPU резервного её пропускает. Благодаря этому предотвращается расхождение между двумя программными частями (например, из-за прерываний, различных времен циклов и т.Д.) [4].
Широкое распространение в краностроении получили нечёткие системы .
используются на портовых кранах, отличающихся повышенной сложностью исполнения, а также программного обеспечения. Эти системы вступают в действие, когда технологические процессы, в которых задействован грузоподъёмный кран, очень сложны или не могут быть описаны математически, поведение процессов непредсказуемо или появляются нелинейности, но доступно экспериментальное исследование действующего процесса[5].
В этом случае система управления строится в виде интегрированной системы и состоит из двух основных компонентов: традиционного формально-логического мышления и нечёткой логики. Система комбинирует аналоговые и дискретные модели посредством применения пары методов, каждый из которых имеет свои полюсы и минусы для решения сложных задач управления. Графическое изображение архитектуры интегрированной гибридной системы управления показано на . 5.
Рис. 5. Интегрированная гибридная АСУ
Посредством классической логики накапливаются необходимые знания, используемые далее для задания базы правил нечётких продукций и формирования управляющего воздействия [6-10].
, -стью детерминированном объекте управления и детерминированной среде, а для систем с неполной информацией и высокой сложностью объекта управления оптимальными являются нечёткие методы управления. При этом интегратор, являющийся связующим звеном между двумя методами, реализован в виде программного регулятора и полностью «отвечает» не только за взаимодействие методов меж, -шения задачи управления. В архитектуре интегрированных гибридных систем модуль-интегратор играет главную роль и в зависимости от текущих условий нахождения решения и поставленной цели, выбирает для функционирования те или иные , .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. SIEMENS. Компоненты комплексных систем автоматизации. Каталог SIMATIC ST70. - 2005.
2. SIEMENS. Конфигурирование аппаратуры и коммуникационных соединений STEP 7. V5.3.
3. Бергер Г. Автоматизация посредством STEP 7 с использованием STL и SCL и программируемых контроллеров SIMATIC S7 300/400.
4. SIEMENS. Программное резервирование для SIMATIC S7-300 и S7-400.
5. Леоненков А.В. Нечёткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. - СПб.: БХВ -Петербург, 2005. - 736 с.
6. Минский М. Вычисления и автоматы. - М.: Мир, 1971.
7. . -
жённых решений. - М.: Мир, 1976. - 165 с.
8. Zadeh L.A. Fuzzy sets // Information and Control. - 1965. - Vol. 8. - P. 338-353.
9. Zadeh L.A. The concept of linguistic variable and its applicator to approximate reasoning. // Information Sciences. - 1975. - Vol. 8. - P. 43-80.
10. Xanmaxaeea КБ., Дамбаева С.В., Аюшеева КН. Введение в теорию нечётких множеств:
. . I. - - : - , 2004. - 63 .
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор АР. Гайдук. Игнатьев Владимир Владимирович
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.
E-mail: vova3286@mail.ru.
347900, г. Таганрог, ул. С.Шило, 265-а/8.
.: +79286083925.
Кафедра систем автоматического управления; соискатель.
Ignatyev Vladimir Vladimirovich
South - Russian State University of Economics and Service.
E-mail: vova3286@mail.ru.
265-a/8, S. Shilo Street, Taganrog, 347900, Russia.
Phone: +79286083925.
The Department of Automatic Control Systems; Competitor.
