CC BY
96
УДК 622.236.732
УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМАМИ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРИ ПОМОЩИ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА 8СЛБЛ
Г.Н. Клинцов, Е.В. Ларкин
Описывается разработка системы управления тоннелепроходческого комплекса КТПМ-5,6 Получена математическая модель элементов комплекса и общая схема управления проходкой. Представлено программное обеспечение для удалённого управления комплексом.
Ключевые слова: тоннелепроходческий комплекс, копир-резец, ротор, программируемый логический контроллер, алгоритм управления, человеко-машинный интерфейс.
Важнейшим требованием управления сложным тоннелепроходче-ским комплексом является обработка информации в режиме реального времени, что обусловлено необходимостью доставки всех необходимых событий, сообщений и данных на центральный интерфейс оператора. Также существует потребность в возможности удалённого управления комплексом и мониторинга его состояния. Предъявляются особые требования к недопущению ошибок управления, т.к. при прокладке туннелей такие ошибки могут понести за собой большие материальные и даже людские потери [5].
Для обеспечения взаимодействия между оператором и комплексом было решено использовать программное обеспечение, получившее общее название 8СЛОЛ. 8СЛОЛ-система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управление процессом в том объеме, в котором это необходимо.
В данной статье представлена математическая модель комплекса тоннелепроходческого механизированного как объекта управления (рис. 1), приведены алгоритм управления комплекса при помощи ЭВМ (рис. 2), а также описание программного продукта, созданного с помощью программного пакета 8СЛОЛ (рис. 3).
В математической модели комплекса (рис. 1) существуют три канала, обеспечивающие параметры проходки: пропорциональный канал управления положением копир-резца и дискретные каналы продольного движения и вращения ротора, причем каналы продольного движения и вращения обеспечивают задание скорости соответствующих величин.
Угловая скорость ротора оказывает влияние как на канал управления копир-резцом, так и на канал управления продольным перемещением ротора. При этом обратная реакция копир-резца на каналы про-
156
дольного перемещения и вращения незначительна, а обратная реакция канала продольного перемещения на канал вращения имеет место. Перекрестные связи определяются величиной функции Гт = Гт (ам, к,Ут), которая
зависит от механических свойств породы ам, глубины внедрения по-родоразрушающего элемента к и скорости перемещения элемента относительно грунта Ут.
Наличие перекрестных связей между каналами продольного перемещения и вращения ротора может привести к неустойчивым режимам функционирования комплекса.
Передаточная функция канала управления продольным положением резца имеет высокий (третий) порядок, что повышает требования к системе управления этим каналом. Частота вращения ротора является возмущающим воздействием на два других канала, причем между каналами перемещения и вращения существует перекрестная обратная связь, которая может привести к неустойчивым режимам функционирования комплекса в целом.
Рис. 1. Структурная схема управления комплексом по основным каналам
На основе анализа полученной схемы управления, а также технического задания были выбраны необходимые сигналы для управления системами механизированного тоннелепроходческого комплекса. На их основе был создан алгоритм управления.
Алгоритм управления тоннелепроходческим комплексом (рис. 2) в упрощённом виде представляет собой последовательный опрос различных элементов системы и управление ими. Блоки управления маслостанциями и системой вентиляции включает их запуск и остановку. Блок управления копир-резцом содержит в себе выбор двух доступных резцов, тип реза «Кольцо» или «Серп», величины выдвижения и угла реза. Выбор режима работы осуществляется из трёх доступных режимов: «Проходка», «Установка блоков» и «Общий стоп». Управление магистральным и щитовым конвейерами осуществляется при помощи выбора направления подачи, скорости подачи, запуском и остановкой конвейеров. Блок управления элеронами включает в себя выбор левого или правого элерона, их повороты вверх и вниз, а также выдвижение или втягивание выбранного элерона. Блок управления гидроцилиндрами содержит выбор одного из имеющихся гидроцилиндров, его выдвижение или втягивание, остановку, установку в исходное положение. Следует отметить, что при управлении гидроцилиндрами необходим режим «Установка блоков» и элероны должны быть втянуты. Блок управления перемещением и вращением ротора состоит из установки скорости направления вращения ротора, пуска и остановки вращения, направления и скорости подачи, пуска и остановки подачи. При проходке должен быть выбран соответствующий режим и выдвинуты элероны. После опроса всех элементов комплекса данные о его работе выводятся на интерфейс оператора и, если не послан сигнал штатной или аварийной остановки, цикл опроса повторяется. В противном случае происходит остановка комплекса.
Данный алгоритм был реализован с помощью интегрированной в систему управления тоннелепроходческого комплекса КТПМ-5,6 системы SCADA.
При реализации системы управления комплекса был использован программируемый логический контроллер Modicon M340, а также модули входа BMX DDI6402K, модули выхода BMX DDО6402K и модули аналоговых сигналов BMX AMI 0410. Контроллеры семейства Modicon используют протокол обмена данными Modbus, поэтому для связи промышленного контроллера с системой MasterSCADA воспользуемся программой Mas-terOPC.
Главной целью стандарта ОРС явилось обеспечение возможности совместной работы средств автоматизации, функционирующих на разных
аппаратных платформах, в разных промышленных сетях и производимых разными фирмами. Благодаря появлению стандартизации интерфейса стало возможным подключение любого физического устройства к любой 8СЛБЛ, если они оба соответствовали стандарту ОРС.
Начало
Е
Ввод данных по системе с _датчиков и кнопок управления
Рис. 2. Алгоритм управления комплексом при помощи ЭВМ
МоёЪш сервер состоит из узла называемого «Последовательный порт», включающего в себя устройство Моёюоп М340, имеющее входы и выходы в виде 16-битных слов со своим адресом. Устройство имеет 12 входов, первые 5 из которых являются закодированными дискретными сигналами, а остальные 7 - аналоговыми. Также имеются 3 выходных сигнала, которые являются закодированными дискретными сигналами выхода. С помощью данного сервера Мав1ег8СЛБЛ сможет связываться с ПЛК
159
Modicon M340 для обмена информацией.
Заключительным этапом разработан программный продукт в системе MasterSCADA. Он состоит из двух функциональных частей: дерева Системы и дерева Объектов, которые обеспечивают реализацию взаимодействия входных и выходных сигналов комплекса.
В дереве Системы настраиваются элементы проекта, которые отвечают за распределение выполняемой задачи между имеющимися компонентами. Реализована возможность производить распределенное управление технологическим процессом и обмен данными с аппаратными средствами (с помощью ОРС серверов). В данном проекте дерево системы (рис. 3, а) состоит из компьютера оператора, который содержит Modbus OPC сервер. В данном сервере находится «Последовательный порт», полностью соответствующий структуре узла сервера MasterOPC.
B-Ssl Система
Е-щ" Объект B-cJ КТПМ-5,6
[±]-|—jj Сигналы идикации В-|~Ц Режим работы
Управление вращением ротора 0 |=|| Управление Копир-резцом И РИ Управление перемещением ротора
Управление вентиляцией g-j-^j Управление конвейерами 0^31 Управление Щитовыми гидроцилиндрами
Управление Элеронами l+j-p^j Управление маслостзнцняыи Ö Рзбота со словами
Ш-:ЬХ Упаковка 16значений слово_1 Упаковка 16 значений слово_2 Ё-5КХ Упаковка 16 значений слово_3 El-:hx Упаковка 16 значений слово_4 Упаковка 16 значений слово_5 Распаковка аналогового 16 слово_15 Распаковка аналогового 16 слово_16 Распаковка аналогового 16 слово_17
а б
Рис. 3. Дерево Системы MasterSCADA (а)
и дерево Объектов MasterSCADA (б) управления КТПМ-5,6
Дерево Объектов предназначено для размещения в нем Объектов, которые отвечают за порядок вычислений, выбор компьютера, содержат Функциональные блоки, Переменные и их Группы, управляют доступом к внешним данным. В дереве Объектов для данного проекта находятся 2 объекта: «КТПМ-5,6» и «Работа со словами».
Объект «КТПМ-5,6» состоит из нескольких групп. В этих группах находятся SCADA переменные, отвечающие за индикацию различных состояний системы. Определённые переменные также можно изменять во
Компьютер Оператора ВТ-3)РС InSAT Modtius ОРС Server DA ЁЬЩ Последовательный парт Й-Д Modicon М340
В MX DDK402K Входы f'-^j С л о в а _1 И« Слово_2 i--Ö| Слово r-^j Слово_4 Слово_5 % Ы^т5! Слово_б UÄ Слово_7 ■j Слово_8
рШ Слово_9 Слово_10 !! . & Слово_11 Слово_12 ЙЩ BMXDD06402К Выходы Слово_15 Слово_1б Слово_17 Слово_18 Слово_19 Слово_20
время работы системы для осуществления управления тоннелепроходче-ским комплексом. Для устранения непредвиденных аварийных ситуаций в программный продукт также были введены макросы, предотвращающие нажатие нескольких кнопок управления одного исполнительного устройства, запрета выбора нескольких гидроцилиндров одновременно, и макросы, производящие аварийную остановку комплекса.
Объект «Работа со словами» состоит из функциональных блоков вычислений двух видов: упаковки 16 дискретных значений в аналоговый сигнал и распаковки аналогового сигнала на 16 дискретных значений. В данном объекте происходят кодирование сигналов от оператора и пересылка полученного кода в ПЛК через Modbus-сервер, а также приём кодированного сигнала от ПЛК и его расшифровка с последующей передачей полученных сигналов в соответствующие переменные SCADA.
Таким образом, применение системы SCADA при управлении механизированным тоннелепроходческим комплексом КТПМ 5,6 позволило добиться адекватного отображения процессов проходки в реальном времени и реализовать удалённое управление комплексом, что является немаловажным преимуществом при прокладывании туннелей.
Список литературы
1. Бесекерский В. А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. М.: Наука, 1987. 318 с.
2. Мартынов М.В., Переслегин Н.Г. Автоматизированный электропривод в горной промышленности. М.: Недра, 1969. 413 с.
3. Перетолчин В. А. Гидромеханика: конспект лекций. Ч. 2,3. Гидропривод горных машин. Иркутск: ИрГТУ, 1997. 188 с.
4. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов: учебник для вузов. М.: Недра, 1982. 350 с.
5. Сырицын Т. А. Эксплуатация и надежность гидро- и пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1990. 248 с
Клинцов Григорий Николаевич, студент, argon-eldar@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ларкин Евгений Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, elarkin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE DEVELOPMENT OF THE CONTROL SYSTEM OF TUNNEL EXCA VA TION COMPLEX USING SCADA SOFTWARE
G.N. Klintsov, E.V. Larkin
In this thesis the research of control system of tunnel excavation complex CTEM -5,6 is described. The mathematical descriptions of the elements of the complex and the general control diagram are obtained. The software products for remote control of tunnel excavation complex are presented.
Key words: tunnel excavation complex, copy-cutter, rotor, programmable logic controller, SCADA systems, control algorithm, human machine interface.
Klintsov Grigoriy Nikolaevich, student, argon-eldaramail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Larkin Eugene Vasilyevich, doctor of technical science, professor, head of chair, elarkina mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 519.31
СТОХАСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЗОВ СИСТЕМ
В.В. Котов, Н.А. Котова, М.Л. Савин
Предложен алгоритм моделирования процесса отказов/восстановлений в сложных системах, основанный на математическом аппарате сетей Петри-Маркова и методе статистических испытаний имитационной модели. Получены выражения для оценки времени наработки на отказ по имитационной модели системы.
Ключевые слова: отказ, сложная система, имитационная модель, сеть Петри-Маркова, стохастическая матрица, матрица плотностей распределения, матрица логических условий, время наработки на отказ.
Сети Петри-Маркова (СПМ) широко используются для моделирования стохастических процессов в системах, в связи с чем применяются так- же и для описания отказов/восстановлений [1, 2, 3]. СПМ допускают последовательные упрощения и получение итоговой математической зависимости [4, 5, 6, 7], представляющей в контексте теории надежности аналитическое выражение для плотности распределения времени наработки до отказа системы, включающей ряд взаимодействующих элементов [8]. Для полученного аналитического выражения может быть найдено математическое ожидание, которое является численным показателем надежности.
Подобный подход применим лишь для моделей систем с простой структурой, так как решение задачи аналитическими методами представляет собой трудоемкий процесс. В случаях сложных систем [9] аппарат
