Модуль вывода аналоговых сигналов АО-31А
Модуль вывода аналоговых сигналов АО-31А [11] предназначен для работы в составе распределенных систем управления и имеет четыре 12-ти разрядных цифроаналоговых канала преобразования. Каждый канал имеет потенциальный (0…10В) и токовый (0…20мА) выходы, причем последние содержат схему контроля выдаваемого на исполнительный механизм объекта тока.
Модуль вывода аналоговых сигналов АО-31А является восстанавливаемым и ремонтопригодным изделием, предназначенным для круглосуточной непрерывной эксплуатации с возможностью многократного включения и выключения электропитания в течение суток.
Рабочие условия эксплуатации:
- температура окружающего воздуха от минус 25° С до плюс 60° С (без конденсации влаги);
- относительная влажность воздуха до 85% при температуре плюс 25° С;
- атмосферное давление от 84 до 107 кПа.
В зависимости от значения основной погрешности преобразования, приведенной к диапазону выходного сигнала, модуль выпускается в двух модификациях, представленных в таблице 3.6.
| Обозначение | Наименование | Основная приведенная к диапазону измерений погрешность преобразования, % |
| AО-31A | АЛГВ.426435.015 | |
| AО-31A-01 | АЛГВ.426435.015-01 |
Таблица 3.6 – Модификации модуля вывода аналоговых сигналов AО-31A
Основные технические характеристики модуля вывода аналоговых сигналов AО-31A приведены в таблице 3.7.
| Наименование параметра | Значение параметра |
| Количество каналов вывода Диапазон выходного тока, мА | 4 0..20 |
| Диапазон выходного напряжения, В Время преобразования мкс, не более | 0..10 10 |
| Разрядность аналого-цифрового преобразования, бит Основная погрешность преобразования, приведенная к диапазону измерений, %, не более | 12 ±0,15; ±0,1 в зависимости от модификации |
| Дополнительная температурная погрешность, %/° С | ±0,007 |
| Схема ограничения выходного тока | Имеется |
| Схема контроля выходного тока | Имеется |
| Масса модуля, кг, не блоее | 0,3 |
| Габаритные размеры модуля, мм | 170х130х30 |
| Интерфейс | RS-485 |
| Количество каналов интерфейса | 2 |
| Протокол | Modbus |
| Напряжение питания модуля | 18…36 В |
| Гальваническая развязка между изолированными частями модуля, В, не менее | 1000 |
Таблица 3.7 – Основные технические характеристики модуля вывода аналоговых сигналов AО-31A
Модуль ввода дискретных сигналов DI-32A
Модуль ввода дискретных сигналов DI-32A АЛГВ.426434.141 [12] предназначен для работы в составе распределенных систем управления и имеет две изолированные группы по 8 каналов в каждой. Обе группы имеют отдельный источник питания 24В. Датчики могут подключаться ко входам модуля, используя любую полярность – как по схеме «общий плюс», так и по схеме «общий минус». Каждый вход модуля имеет простую защиту от перегрузки (мощные помехи, разряды, статика, случайное попадание постороннего напряжения) и контроль линии связи с датчиком на обрыв. Пороги срабатывания и величина гистерезиса задаются программно.
Модуль DI-32A является восстанавливаемым и ремонтно-пригодным изделием, предназначенным для круглосуточной непрерывной эксплуатации с возможностью многократного включения и выключения электропитания в течение суток.
Рабочие условия эксплуатации:
- температура окружающего воздуха от минус 25° С до плюс 60° С (без конденсации влаги);
- относительная влажность воздуха до 85% при температуре плюс 25° С;
- атмосферное давление от 84 до 107 кПа.
Внешний вид модуля ввода дискретных сигналов DI-32А со стороны планки показан на рисунке 3.8.
Основные технические характеристики модуля DI-32A приведены в таблице 3.8.
| Наименование параметра | Значение параметра |
| Количество групп каналов ввода Количество каналов ввода в группе | 2 8 |
| Ток короткого замыкания входа, мА | 6±0,5 |
| Ток контроля линии на обрыв, мА | 1±0,2 |
| Напряжение питания входов | 24В±5% |
| Постоянная времени входного фильтра, мс | 50 |
| Полярность подключения датчиков | Задается перемычками |
| Габаритные размеры модуля, мм | 140х120х30 |
| Масса модуля, кг, не более | 0,2 |
| Интерфейс | RS-485 |
| Количество каналов интерфейса | 2 |
| Протокол | Modbus |
| Напряжение питания модуля | 18…36В |
| Гальваническая изоляция внешнего источника питания от системной части, объектной части и интерфейсной части, В | 1000 |
Таблица 3.8 – Основные технические характеристики модуля DI-32A
На рис. 3.9 показан пример подключения внешних датчиков к модулю DI-32A.
Модуль вывода дискретных сигналов DO-31A
Модуль вывода дискретных сигналов DO-31A [12] предназначен для работы в составе распределенных систем управления и имеет две изолированные группы по 8 каналов в каждой. Нагрузка к выходам каналов модуля и внешнему источнику питания подключается по схеме «общий минус».
Модуль DО-31A является восстанавливаемым и ремонтно-пригодным изделием, предназначенным для круглосуточной непрерывной эксплуатации с возможностью многократного включения и выключения электропитания в течение суток.
Рабочие условия эксплуатации:
- температура окружающего воздуха от минус 25° С до плюс 60° С (без конденсации влаги);
- относительная влажность воздуха до 85% при температуре плюс 25° С;
- атмосферное давление от 84 до 107 кПа.
Внешний вид модуля вывода дискретных сигналов DO-31А со стороны планки показан на рис. 3.10.
В зависимости от рабочей температуры модуль DO-31A выпускается в двух модификациях, которые указаны в таблице 3.9.
В таблице 3.10 приведены основные технические характеристики модуля дискретного вывода DO-31A.
| Обозначение | Шифр | Рабочая температура модуля |
| АЛГВ.426436.040 | DO-31A | от минус 25 до плюс 60 °С |
| АЛГВ.426436.040-01 | DO-31A-01 | от 0 до плюс 60 °С |
Таблица 3.9 – Модификации модуля дискретного вывода DO-31A
| Наименование параметра | Значение параметра |
| Количество групп каналов вывода Количество каналов вывода в группе | 2 8 |
| Ток нагрузки, не менее, А | 0,5 |
| Максимальный выходной ток на одну группу, А | 2 |
| Ток срабатывания защиты, не более, А | 0,6±0,05 |
| Напряжение питания выходов | 18..36 В |
| Габаритные размеры модуля, мм | 140х120х30 |
| Масса модуля, кг, не более | 0,2 |
| Интерфейс | RS-485 |
| Количество каналов интерфейса | 2 |
| Протокол | Modbus |
| Напряжение питания модуля | 18…36В |
| Максимальная скорость передачи данных по интерфейсным каналам, бит/с | 921600 |
| Гальваническая изоляция внешнего источника питания от системной части, объектной части и интерфейсной части, В | 1000 |
Таблица 3.10 – Основные технические характеристики модуля дискретного вывода DO-31A
Модуль интерфейсный CI-31A
Модуль интерфейсный CI-31A [13] предназначен для расширения функциональных возможностей контроллеров автоматизации технологических процессов, построенных на базе модулей серии DCS-2000 каркасного исполнения в части информационного обмена с интеллектуальными датчиками и исполнительными устройствами.
Модуль CI-31A обеспечивает информационный обмен по десяти каналам интерфейса RS-485. Два из десяти каналов являются системными, по ним модуль обменивается информацией с модулем центрального процессорного устройства. Восемь каналов предназначены для подключения периферийных интеллектуальных устройств.
Модуль CI-31A является восстанавливаемым и ремонтно-пригодным изделием, предназначенным для круглосуточной непрерывной эксплуатации с возможностью многократного включения и выключения электропитания в течение суток.
Рабочие условия эксплуатации:
- температура окружающего воздуха от минус 25° С до плюс 60° С (без конденсации влаги);
- относительная влажность воздуха до 85% при температуре плюс 25° С;
- атмосферное давление от 84 до 107 кПа.
Внешний вид интерфейсного модуля CI-31A со стороны планки показан на рисунке 3.11.
В таблице 3.11 приведены основные технические характеристики интерфейсного модуля CI-31A.
| Наименование параметра | Значение параметра |
| Тип интерфейсов | RS-485 |
| Количество интерфейсных каналов RS-485 | 10 |
| Максимальная скорость передачи данных | 921,6 Кбит/с |
| Протокол обмена | Modbus RTU |
| Наличие индикации информационного обмена по интерфейсным каналам RS-485 | Есть |
| Габаритные размеры, мм | 140х120х40 |
| Напряжение питания, В | От 18 до 36 |
| Ток потребления, мА | Не более 190 |
| Гальваническая изоляция между внешним системным источником питания и питанием модуля, В, не менее | 1000 |
| Масса модуля, кг, не более | 0,4 |
Таблица 3.11 – Основные технические характеристики интерфейсного модуля CI-31A
Модуль HART-мультиплексора CI-32A
Модуль HART-мультиплексора CI-32A [13] предназначен для расширения функциональных возможностей контроллеров автоматизации технологических процессов, построенных на базе модулей серии DCS-2000 каркасного исполнения в части информационного обмена с интеллектуальными датчиками, поддерживающими HART-протокол.
Модуль CI-32A обеспечивает информационный обмен по десяти последовательным каналам. Два из десяти каналов являются системными, по ним модуль обменивается информацией с модулем центрального процессорного устройства в стандарте RS-485. Восемь HART-каналов предназначены для подключения интеллектуальных датчиков.
Модуль CI-32A является восстанавливаемым и ремонтно-пригодным изделием, предназначенным для круглосуточной непрерывной эксплуатации с возможностью многократного включения и выключения электропитания в течение суток.
Рабочие условия эксплуатации:
- температура окружающего воздуха от минус 25° С до плюс 60° С (без конденсации влаги);
- относительная влажность воздуха до 85% при температуре плюс 25° С;
- атмосферное давление от 84 до 107 кПа.
Внешний вид интерфейсного модуля CI-32A со стороны планки показан на рисунке 3.12.
В таблице 3.12 приведены основные технические характеристики интерфейсного модуля CI-32A.
| Наименование параметра | Значение параметра |
| Тип интерфейсов | RS-485, HART |
| Количество интерфейсных каналов RS-485 | 2 |
| Максимальная скорость передачи данных | 921,6 Кбит/с |
| Протокол обмена | Modbus RTU |
| Количество интерфейсных каналов HART | 8 |
| Скорость передачи данных | 1200 бит/с |
| Протокол обмена | HART |
| Наличие индикации информационного обмена по интерфейсным каналам HART | Есть |
| Габаритные размеры, мм | 140х120х40 |
| Напряжение питания, В | От 18 до 36 |
| Ток потребления, мА | Не более 190 |
| Гальваническая изоляция между внешним системным источником питания и питанием модуля, В, не менее | 1000 |
| Масса модуля, кг, не более | 0,4 |
Таблица 3.12 – Основные технические характеристики интерфейсного модуля CI-32A
На рис. 3.13 приведен пример подключения датчиков и исполнительных устройств к модулю CI-32A.
3.3 Блок-схема комплекса технических средств системы автоматизации
На рис. 3.14 показана блок-схема компьютерно-технических средств (КТС) системы автоматизации.
К объекту автоматизации подключены измерительные преобразователи, которые передают измеренную информацию модулям аналогового (AI-31A) и дискретного ввода (DI-32A). Исполнительные механизмы воздействуют на объект управления, получая управляющие сигналы от модулей аналогового (AO-31A) или дискретного (DO-31A) вывода.
Модули ввода и вывода подключены через шину RS485 к процессорному модулю CPU-31A.
Процессорный модуль CPU-31A в свою очередь подключается к персональному компьютеру на котором установлено программное обеспечение для диспетчерского управления и сбора данных (SCADA).
4. Описание математической модели объекта управления
4.1 Общие сведения
Амплитудно-фазовые характеристики промышленных объектов позволяют аппроксимировать их дробно-рациональными передаточными функциями с введением в случае необходимости звена запаздывания.
Для объектов с самовыравниванием
для объектов без самовыравнивания
где практически принимаем n=1¸3; t – время запаздывания; Ti – постоянная времени объекта. Сушильный барабан является статическим объектом с самовыравниванием. Поэтому будем использовать аппроксимацию вида
с порядком 1-2.
Идентификацию можно проводить как методом активного эксперимента, так и при помощи пассивного статистического наблюдения за параметрами объекта.
В первом случае при подаче ступенчатого воздействия на один из входов объекта, наблюдаем за изменением выходного сигнала, остальные входные сигналы пытаемся стабилизировать (что не всегда получается, а зачастую и попросту невозможно). По данным, взятым с получившейся кривой разгона, вычисляем передаточные функции. Применение данного метода может привести к занижению расчетного времени запаздывания и завышению постоянной времени, что создает более благоприятное впечатление о динамических свойствах объекта с точки зрения достижимой точности регулирования, чем это имеет место на самом деле. Этот метод требует меньших затрат рабочего времени (наладчика и оператора), но нарушает технологические режимы (сбивая процесс с установившейся точки равновесия) и может потенциально создать аварийные ситуации. Через 1,5-2 месяца настроенная САУ требует повторной проверки, так как могут измениться динамические свойства объекта (ремонт, постепенный износ оборудования) и так далее.
Второй метод не нарушает технологию процесса и ведется в фоновом режиме. Регистрируя входные и выходные сигналы объекта на ручном управлении, можно рассчитать с использованием ЭВМ передаточные функции, параметры системы автоматического управления (настройки регулятора и компенсатора) и выдать оператору рекомендации по ведению технологического процесса. Однако метод требует громоздких вычислений и полученные параметры не могут быть перенесены на другую аналогичную САУ. Управление процессом сушки апатитового концентрата на АНОФ-2 происходит по каналу расход вторичного воздуха – температура газов на входе сушильного барабана, поэтому рассмотрим переходную характеристику сушильного барабана при ступенчатом изменении расхода вторичного воздуха.
На рис. 4.1 приведена структура модели объекта управления для регулируемого параметра -температура дымовых газов на входе сушильного барабана. Каналом управления является изменение расхода топлива в топку.
4.2. Идентификация объекта управления по каналу «расход вторичного воздуха – температура газов на входе сушильного барабана»
Идентификацию канала проведем методом активного эксперимента. Произведем ступенчатое изменение входной переменной. Реакция объекта на такое изменение входной переменной, называемая кривой разгона (переходной характеристикой), построена по данным таблице 4.1, приведена на рис. 4.1.
Таблица 4.1 – Переходная характеристика объекта управления по каналу «расход вторичного воздуха – температура газов на входе сушильного барабана»
| t, с | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 70 | 90 | 110 |
| h(t) | 0 | 0,05 | 0,2 | 0,35 | 0,5 | 0,67 | 0,87 | 0,96 | 1 |
Проведем аппроксимацию переходной характеристики, передаточной функцией:
Для этого к графику исходной переходной характеристики h(t) в точке перегиба проводится касательная и определяется интервал времени T0, заключенный между точками пересечения этой касательной с осью абсцисс и линией установившегося значения hуст. переходной характеристики.
Получим следующие значения:
Определим значение характеристики в точке перегиба:
где hуст – установившееся значение переходной характеристики.
По номограмме, приведенной на рисунке 4.2, по известному значению b находим следующие данные:
Отсюда зная Т0 получим Tа1 и Tа2:
Tа1 = 64 × 0,56 = 35,84 с.
tпа = 35,84 × 0,58 = 20,79 с.
Tа2 = 35,84 × 0,37 = 13,26 с.
Так как , то при аппроксимации переходной функции следует учесть запаздывание:
Аппроксимирующая характеристика при b < 0,265 будет иметь вид:
Найдем переходную характеристику, соответствующую этой передаточной функции:
Рассчитаем эту переходную характеристику для различных значений t занесенных в таблицу 4.2. и построим график, представленный на рис. 4.4.
| t, с | 0 | 1,5 | 3 | 10 | 30 | 50 | 70 | 90 | 110 | 140 | 160 |
| hа(t) | 0 | 0,003 | 0,008 | 0,07 | 0,37 | 0,67 | 0,77 | 0,87 | 0,92 | 0,97 | 0,98 |
Таблица 4.2 – Расчет переходной характеристики
Ошибку аппроксимации определяем по формуле
Таким образом, на основе вышеизложенного можно записать передаточную функцию объекта управления по каналу «расход вторичного воздуха – температура газов на входе сушильного барабана»
5.Расчет настроек регулятора разработанной САУ температуры газов на входе сушильного барабана
5.1 Алгоритмическая схема САУ температуры
Выполним расчет САУ температуры газов на входе сушильного барабана на основе алгоритмической схемы, приведенной на рис. 5.1.
На рис. 5.1 обозначены: – заданная температура газов, – ошибка регулирования температуры газов, – фактическая температура газов.
Также на рис. 5.1 обозначены:
АРМ – автоматизированное рабочее место;
ФЭ – фильтрующий элемент;
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;
ИМ – исполнительный механизм;
ОУ – объект управления;
ДТ – датчик температуры.
Непрерывные сигналы показаны в функции , а дискретные – в функции .
Данная алгоритмическая схема САУ соответствует реализации замкнутого контура регулирования температуры газов на основе программируемого логического контроллера.
