CC BY
23
УДК 678.74.002.5
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.В.Дядичев
Запропоновано автоматизовану систему керування проце-сом готування багатокомпонентно'1 соекструзшно'г сум\ш\ з в1дход1в пол1мерних матер1ал1в. Розроблено алгоритм функ-щонування системи, засобгв керування комплексом, апаратна i програмна частини м1кропроцесорноЧ системи оперативного керування якiстю готування соекструзiйноï сумiшi.
Предложена автоматизированная система управления процессом приготовления многокомпонентной соэкструзио-нной смеси из отходов полимерных материалов. Разработан алгоритм функционирования системы, средств управления комплексом, аппаратная и программная часть микропроцессорной системы оперативного управления качеством приготовления соэкструзионной смеси.
The automated management system of process of cooking mul-ticomponent соexstrusion of a mixture from waste of polymer stuffs is offered. The operation algorithm of a system both con-trolss a complex and skeleton diagram of a system of operating control by quality cooking соexstrusion of a mixture is designed.
Одним из направлений современного развития экономики Украины является создание новых и интенсификация действующих ресурсосберегающих производств на основе широкого использования передовых технологий, средств и систем автоматизированного управления технологическими процессами.
Проблема. В последнее время все большее значение в мире занимают проблемы загрязнения окружающей среды. И в первую очередь это касается утилизации отходов. Существующие средства и уровень автоматизации комплексов для утилизации отходов полимерных материалов не могут обеспечить необходимую точность подачи материалов смеси, а используемая жесткая установка заданий расхода компонентов смеси без учета их реальных расходов не позволяет достичь требуемого качества смеси из вторичных полимеров [1,2,3]. Общий уровень автоматизированного управления оборудованием на комплексах СНГ уступает уровню аналогичных производств в США, Канаде, Австралии, Швеции, Франции, Финляндии [4,5,6,7].
Такое состояние в уровне автоматизации процесса создания многослойных изделий из использованных полимерных материалов методом соэкструзии определило необходимость в разработке автоматизированной системы управления технологическим процессом приготовления соэкструзионной смеси, базирующейся на новых методах и принципах управления процессом, современных компьютерных средствах управления, учета и дозирования материалов.
Проведенный анализ существующих технологических схем рециклинга пластмасс и соответственно систем управления этими технологическими процессами позво-
ляет сделать вывод о том, что существующие системы управления процессом приготовления смеси не могут обеспечить необходимое качество (однородность) полимерной смеси в силу следующих причин:
- при приготовлении соэкструзионной смеси используются наполненные отходы и вторичный полимер, а они являются трудно дозируемыми материалами. Поэтому использование дозатора вторичных полимеров, наряду с другими дозаторами, в режиме управляемого не обеспечит требуемую эффективность связанного дозирования;
- в существующих схемах не принимается во внимание пространственное размещение средств дозирования компонентов, т.е. при формировании управляющих воздействий не учитываются транспортные запаздывания поступления компонентов в экструдера;
Целью работы является создание современной системы автоматизированного управления процессом приготовления соэкструзионной смеси из вторичных полимеров на основе моделирования процесса и с учетом транспортного запаздывания поступления компонентов смеси в экстру-дера с обеспечением изготовления нового изделия необходимого качества.
Анализ технологической схемы комплекса по переработке отходов полимерных материалов позволяет определить следующие функции системы контроля и управления процессом приготовления смеси: контроль расхода компонентов полимерной смеси (наполненные отходы, вторичный полимер, первичный полимер, наполнитель); контроль плотности выходного материала дробилки; контроль давления воздуха в магистрали и учет расхода компонентов полимерной смеси; расчет объема приготовленного соэкструзионного материала за смену, сутки, месяц; стабилизация подачи компонентов; корректировка заданий на расходы компонентов с учетом их наполненности; корректировка расхода первичного полимера по реальному значению подачи компонентов смеси; подача компонентов в заданном соотношении к вяжущему.
Система автоматизированного управления процессом приготовления многокомпонентной соэкструзионной смеси аппаратно может быть реализована либо на базе универсальной ПЭВМ и специального набора устройств связи с объектом (У СО), либо на основе специализированной микропроцессорной системы управления с использованием однокристального микроконтроллера. Нами был выбран последний вариант, поскольку система управления со встроенным современным микроконтроллером, как по сложности технической реализации, так и с экономической точки зрения является гораздо более эффективной для решения подобных задач [8,9]. Интегрированные в микроконтроллер периферийные устройства позволяют
реализовать все необходимые функции управления и связи с объектами с использованием минимального количества дополнительных аппаратных модулей, получить относительно простую, технологичную в производстве конструкцию с низким энергопотреблением и всеми необходимыми возможностями.
Разработанный алгоритм функционирования системы и средств управления позволяют определить архитектуру системы управления (рис.1), которая коммутирует 9 входных сигналов (0-5 мА), 8 входных и 12 выходных позиционных сигналов, 4 импульсных входных сигналов (0-8 кГц) и 14 аналоговых выходных сигналов с гальванической развязкой (0-5 мА). В состав микропроцессорной системы управления входят: однокристальный микроконтроллер, постоянная электрически перепрограммируемая память (EEPROM) нормирующие преобразователи аналогового ввода, модули аналогового вывода, ввода/вывода позиционных сигналов, ввода импульсных сигналов, модули связи с принтером и ЭВМ верхнего уровня, дисплей, клавиатура, стабилизатор напряжения питания. Все основные модули системы, кроме клавиатуры и дисплея, выполнены в виде одноплатной конструкции. Расположенные на плате разъемы позволяют при необходимости легко расширить возможности системы путем добавления дополнительных модулей ввода/вывода. Применение комплектующих элементов ведущих мировых фирм-производителей (Microchip, Analog Devices, Power-
tip, Bopla) обеспечило высокую надежность, компактность и низкое энергопотребление разработанного устройства [8, 9].
Примененный микроконтроллер PIC18C858 производства фирмы Microchip имеет следующие периферийные устройства, используемые системой управления:
- 16-ти канальный 10-ти битный аналого-цифровой преобразователь;
- 4 таймера-счетчика;
- широтно-импульсный модулятор с разрешением 10 бит;
- Синхронный последовательный порт SPI;
- Интерфейс I2C;
- Асинхронный порт USART;
- Сторожевой таймер.
Нормирующие преобразователи обеспечивают подсоединение к интегрированному в микроконтроллер аналого-цифровому преобразователю одного из 9-ти входных сигналов стандартного уровня (0-5 мА). Аналоговые входы системы подключаются к датчикам: расхода наполненных отходов (весы ВЕ4050), вторичного полимера (весы ВЕ4050), первичного полимера (дозаторы ВД4011), наполнителя (ДМ5085), датчику плотности смеси (ДПИ-103). Возможности расширения предусматривают подключение еще до 7-ми дополнительных входов (датчики заполнения бункеров 1-5, расход воздуха при транспортировке соэкструзионной смеси 6, 7).
Рисунок 1 - Структурная схема системы оперативного управления качеством приготовления соэкструзионной
смеси
132 ISSN 1607-3274 "Радюелектрошка. 1нформатика. Управлшня" № 1, 2003
Модули аналогового выхода предназначены для преобразования восьмиразрядного, десятиразрядного или двенадцатиразрядного двоичного кода в аналоговый сигнал (0-5 мА) по четырнадцати каналам. Функционально каждый канал выполнен на специализированном интегральном цифро-аналоговом преобразователе ТС1322 производства фирмы Microchip и операционном усилителе, обеспечивающем преобразование выходного напряжения ЦАП в токовый сигнал. Управление преобразователями осуществляется по стандартному 2-х проводному интерфейсу I2C, что позволило максимально минимизировать требуемые линии связи для большого количества модулей. В качестве общего для всех аналого-цифровых преобразователей используется прецизионный высокостабильный источник опорного напряжения AD780 фирмы Analog Devices, имеющий очень малый температурный дрейф. Алгоритм управления модулями ЦАП и схемотехническое решение позволяют легко настроить каждый канал на преобразование с необходимой разрешающей способностью (8, 10 или12 бит).
Модуль ввода/вывода позиционных сигналов предназначен для ввода/вывода восьмиразрядной дискретной информации. В схеме ввода позиционных сигналов для обеспечения гальванической развязки между схемой и датчиками используются оптроны АОТ1Ю. Для гальванической развязки схемы вывода позиционных сигналов и исполнительных механизмов применены твердотельные электронные реле D2425 производства фирмы Crydom. Эти реле имеют очень малый ток управления, позволяющий подключать их непосредственно к выходам микроконтроллера без дополнительных согласующих выходных ключей. Отсутствие дребезга контактов, присущего обычным механическим реле, обеспечивает высокую надежность и помехоустойчивость системы, а большой максимальный коммутируемый ток (до 25 А) позволяет управлять мощной нагрузкой.
Микропроцессорная система может работать автономно без подключения к ней ЭВМ верхнего уровня. Для этого в ней имеется встроенный ЖКИ дисплей для отображения информации и клавиатура, содержащая 22 клавиши. В качестве ЖКИ дисплея применен функционально законченный модуль РС2004В производства фирмы Powertip. Это знакосинтезирующий ЖКИ модуль, позволяющий отображать цифро-буквенную информацию и специальные графические символы в 4-х строках по 20 символов в каждой. Встроенный контроллер HD44780 обеспечивает все функции, необходимые для работы модуля и управляется от микроконтроллера с помощью стандартного набора команд. Интегрированная в модуль светодиодная подсветка гарантирует высокую контрастность информации на дисплее даже в условиях плохой освещенности цеха. На дисплей выводится информационная и служебная информация, размерность индицируемых величин (кг, кг/час, сек, м3, кг/м куб.), а также результаты самодиагностики системы. Клавиатура устройства позволяет, как непосредственно управлять работой системы, так и вводить необходимые константы и параметры в диалоговом режиме с помощью разработанного интерфейса оператора. Операционная система допускает вывод на дисплей смысловой информации на
трех языках - украинском, русском и английском. Выбор нужного языка, а также настройка диалогового меню осуществляется оператором с клавиатуры.
Постоянная электрически перепрограммируемая память (EEPROM) предназначена для долговременного хранения системных констант, индивидуальных коэффициентов преобразования аналоговых модулей ввода/вывода, параметров настройки и конфигурации, а также пользовательских констант и рецептов смесей. Часть параметров вводятся в EEPROM при общей настройке комплекса, в составе которого используется система управления, и защищена от случайного изменения паролем. Пользовательские же параметры (форма отображения данных на дисплее, язык вывода смысловой информации, размерности физических величин и т.д.) могут быть изменены оператором для обеспечения максимального удобства работы с устройством. Аппаратно EEPROM реализована на микросхеме 24LC16B производства фирмы Microchip, имеющую объем 2к х 8 бит. Операции чтения/записи из/ в EEPROM осуществляются микроконтроллером по стандартному 2-х проводному интерфейсу I2C.
Необходимые для работы системы временные интервалы с высокой точностью формируются интегрированными в микроконтроллер таймерами. Входная частота стабилизирована кварцевым резонатором, необходимые индивидуальные корректирующие коэффициенты записываются в EEPROM при тестировании и настройке.
Модуль связи с ЭВМ верхнего уровня и принтером представляет собой два идентичных конвертора логических уровней в стандарт интерфейса RS-232C. Аппаратно он выполнен на двух микросхемах ADM202 фирмы Analog Devices. Внутренняя структура этой микросхемы позволяет получить напряжения ±12 В, необходимые для интерфейса RS-232C, из напряжения питания +5 В. Протокол приема/передачи данных по интерфейсу реализуется модулем асинхронного порта ввода/вывода USART, который интегрирован в микроконтроллер.
Аппаратная часть микропроцессорной системы управления собрана в универсальном 19-ти дюймовом конструктиве модели "Internorm 19", производимого фирмой BOPLA. Данный конструктив полностью соответствует международным стандартам, габаритный типовой размер и универсальная конструкция легко позволяют встраивать сконструированную в нем систему управления в стандартные промышленные стойки и шкафы. Кроме того, имеющиеся откидывающиеся ножки дают возможность использовать устройство и в автономном настольном варианте. На передней панели системы расположены 22 мембранные клавиши и ЖКИ дисплей. Клавиатура передней панели содержит специальные обозначения и обеспечивает 2-х уровневое взаимодействие пользователя с системой. Лицевая панель конструктива закрыта откидывающейся крышкой из прозрачного материала, обеспечивающей защиту устройства от воздействий пыли и имеющей замок для санкционированного доступа к клавиатуре.
Внутренняя часть конструктива "Internorm 19" разделена перегородкой на два отсека. В первом отсеке располагается сетевой фильтр, сетевой трансформатор и блок стабилизатора напряжения питания. Отсек блока питания
экранирован от остальной части прибора металлическим кожухом, соединенным с клеммой заземления. Во втором отсеке в направляющих размещена основная плата микропроцессорной системы. ЖКИ дисплей оснащен плоским шлейфом ИС-16 с разъемом ШС-16 и подключен к разъему ГОСС-16, расположенному на плате. С помощью такого же разъема подключена и клавиатура. На плате также расположен разъем, к которому может быть подключен дополнительный модуль расширения каналов аналогового ввода. Плата установлена таким образом, что расположенные в ее торце разъемы доступны для подключения к ним ответных частей с внешней части устройства. К разъемам ОВ-9М могут быть подключены принтер и ЭВМ верхнего уровня, к разъемам ГОСС-30 подключаются дискретные входные сигналы. Позиционные выходные сигналы и сигналы аналогового ввода/вывода подключены к промышленным разъемам У.35.
ВЫВОДЫ
Разработана система автоматизированного управления процессом приготовления соэкструзионной смеси, обеспечивающая реализацию предложенной математической модели процесса и метода управления экструзионным оборудованием, созданы аппаратные и программные средства микропроцессорной системы интегрированного производства рециклинга полимеров. Система обеспечивает: управление технологическим процессом в реальном масштабе времени, возможность восстановления после сбоя, возможность автономной отладки и модификации
математического обеспечения, диагностику работоспособности комплекса. Испытания и опыт эксплуатации системы подтвердили правильность теоретических выводов и эффективность предложенного метода управления, возможность повышения качества соэкструзии с помощью АСУ ТП приготовления смеси, построенной на основе теоретических и практических исследований. Полностью разработана аппаратная часть системы и полная конструкторская документация на опытные образцы, а сама система рекомендована к внедрению на комплексах по переработке вторичных полимерных материалов.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Асеев A.A., Баранов В.П., Левенталь В.Ф. Гибридные микросборки для аналого-цифрового преобразователя сигналов тензорезисторных датчиков // Приборы и системы управления, - 1985. - №5. - С.24-25.
2. Видинеев И. Д. Автоматическое непрерывное дозирование сыпучих материалов. - М.: Энергия, 1974. - 118с.
3. Завгородний С.М. Оборудование для переработки пластмасс.- М.: Машиностроение, 1976.- 315 с.
4. Вильгельм Клеер, Система ARA (опыт Австрии)// Упаковка, №6. 2001. - С. 32-34.
5. Смиронов М.Г., Осетинский Л.Г., Многослойные пленки (возможности и преимущества) // Упаковка, №4,2002 - С. 14-15.
6. Франс Люкс, Упаковка и экология, Перев. с англ., М.: изд-во МГУП ), 1999.- 220 с.
7. Переработка отходов пластмасс, Е.А. Малишкова, И.И. Потапов. -М.: Авис Оригинал, 1997.-159с.
8. Дядичев В.В. Переработка отходов полимерных материалов методом соэкструзии. - Луганск: изд-во ВНУ им. В.Даля, 2003.-220с.
9. Кагур И.И., Струтинский В.М., Новые возможности ЭВФ.// Упаковка, №3. - 2001 - С. 24-26.
УДК 678.74.002.5
РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ ПО УПРАВЛЕНИЮ
Е.Л.Еремин, Л.В.Ильина
В классе самонастраивающихся систем с явной эталонной моделью рассматривается решение задачи синтеза цифровых алгоритмов настройки для объекта с запаздыванием по управлению. Использование критерия гиперустойчивости и метода непрерывных моделей позволяет обеспечить желаемое качество управления в условиях априорной неопределенности, обеспечивая достижение поставленных целей адаптации.
In the class of self-adapting systems with obvious reference model the solution of the task of synthesis of digital algorithms of set-up for object with delay on control is considered. Usage of a hyperstability criterion and method of continuous models allows to supply desirable quality of control in conditions of prior uncertainty, providing reaching of object in views of adapting.
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире в силу широкого применения микропроцессорной техники важную роль играет задача управления непрерывными объектами с помощью дискрет-
ных управляющих устройств. Кроме того, актуальной является задача регулирования в условиях априорной неопределенности объектами, содержащими запаздывание в канале управления. Наличие запаздывания отрицательно сказывается на работоспособности системы управления. Существуют различные подходы к решению данной проблемы [1, 2], одним из методов является компенсация запаздывания с помощью различных дополнительных устройств. В данной работе исследуется проблема компенсации в системе запаздывания по управлению с использованием адаптивного прогнозирующего устройства. Помимо основного регулятора в систему вводится вспомогательный контур, выполняющий функцию прогноза. Для построения контура дискретной настройки коэффициентов регулятора используется метод непрерывных моделей [3, 4]. Решение задачи синтеза в настоящей работе достигается в рамках критерия гиперустойчивости [5, 6].
134
ISSN 1607-3274 "Радюелектрошка. 1нформатика. Управл1ння" № 1, 2003
