Помощь студентам в учебе
Учебно-лабораторный стенд для полунатурного моделирования системы управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ НА РЫНКЕ АНАЛОГИЧНЫХ РЕШЕНИЙ 13
Выводы по главе один 20
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНОГО
СТЕНДА ДЛЯ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СУ ДВИЖЕНИЕМ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ С ГСТ 21
3 РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНОЙ С ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ
3.1 Разработка концепции стенда для полунатурного моделирования системы
управления 25
3.2 Подключение и настройка ПЛК BODAS RC 12-10/30
3.2.1 Назначение, состав, технические характеристики контроллера 29
3.2.2 Электрическая схема подключения ПЛК 36
3.2.3 Настройка соединения среды программирования BODAS-Design 3.0
с контроллером 42
3.3 Реализация взаимодействия ПЛК с математической моделью отброшенной части системы управления
3.3.1 Реализация математической модели отброшенной части системы
в программном пакете Altair Embed 48
3.3.2 Сопряжение ПЛК с отброшенной частью системы управления
с помощью OPC-сервера 55
3.4 Формирование и реализация пакета алгоритмов управления на языках программирования стандарта МЭК 61131-3
3.4.1 Формирование алгоритмов управления движением гусеничной машины
с гидростатической трансмиссией 64
3.4.2 Реализация алгоритмов управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией на языках программирования стандарта МЭК 61131-3 69
3.5 Разработка системы визуализации стенда 71
Выводы по главе три 76
4 МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
4.1 Инструкция по эксплуатации учебно-лабораторного стенда 77
4.2 Разработка комплекса лабораторных работ 82
Выводы по главе четыре 86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 89
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛОКА ПИТАНИЯ COLORSIT 350U-SCH 350W 94
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕРФЕЙСА CANFOX EC2112 95
ПРИЛОЖЕНИЕ B. РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ОТБРОШЕННОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ГМ В ПРОГРАММНОМ ПАКЕТЕ ALTAIR
EMBED 97
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОТБРОШЕННОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ 107
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. БЛОК-СХЕМЫ И ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО КОДА ПЛК 108
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ В СРЕДЕ ALTAIR EMBED 119
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ НА РЫНКЕ АНАЛОГИЧНЫХ РЕШЕНИЙ 13
Выводы по главе один 20
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНОГО
СТЕНДА ДЛЯ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СУ ДВИЖЕНИЕМ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ С ГСТ 21
3 РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНОЙ С ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ
3.1 Разработка концепции стенда для полунатурного моделирования системы
управления 25
3.2 Подключение и настройка ПЛК BODAS RC 12-10/30
3.2.1 Назначение, состав, технические характеристики контроллера 29
3.2.2 Электрическая схема подключения ПЛК 36
3.2.3 Настройка соединения среды программирования BODAS-Design 3.0
с контроллером 42
3.3 Реализация взаимодействия ПЛК с математической моделью отброшенной части системы управления
3.3.1 Реализация математической модели отброшенной части системы
в программном пакете Altair Embed 48
3.3.2 Сопряжение ПЛК с отброшенной частью системы управления
с помощью OPC-сервера 55
3.4 Формирование и реализация пакета алгоритмов управления на языках программирования стандарта МЭК 61131-3
3.4.1 Формирование алгоритмов управления движением гусеничной машины
с гидростатической трансмиссией 64
3.4.2 Реализация алгоритмов управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией на языках программирования стандарта МЭК 61131-3 69
3.5 Разработка системы визуализации стенда 71
Выводы по главе три 76
4 МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
4.1 Инструкция по эксплуатации учебно-лабораторного стенда 77
4.2 Разработка комплекса лабораторных работ 82
Выводы по главе четыре 86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 89
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛОКА ПИТАНИЯ COLORSIT 350U-SCH 350W 94
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕРФЕЙСА CANFOX EC2112 95
ПРИЛОЖЕНИЕ B. РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ОТБРОШЕННОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ГМ В ПРОГРАММНОМ ПАКЕТЕ ALTAIR
EMBED 97
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОТБРОШЕННОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ 107
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. БЛОК-СХЕМЫ И ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО КОДА ПЛК 108
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ В СРЕДЕ ALTAIR EMBED 119
В настоящее время системы управления на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК) широко используются в различных областях: от систем управления движением до систем распределения электроэнергии, от устройств управления параметрами среды до нефтеперегонных комплексов. На этапе эскизного проектирования систем автоматического управления (САУ) детально прорабатываются возможные варианты алгоритмов управления объектом, а эффективность алгоритмов управления можно установить только по результатам тщательных исследований макетного образца системы.
Отладку алгоритмов обработки информационных сигналов и алгоритмов управления в различных эксплуатационных условиях можно проводить в реальных условиях эксплуатации системы. Однако не всегда есть возможность проведения натурных испытаний, например, система управления находится на стадии проектирования; проведение натурных испытаний по настройке и отладке алгоритма работы устройства управления дорого или небезопасно. Замена натурных испытаний математическим моделированием системы тоже не всегда уместна, так как часто алгоритмы управления сложны, громоздки и при математическом моделировании исследователь прибегает к их упрощению. В таких случаях для отладки алгоритмов управления целесообразна организация полунатурного моделирования системы управления, при котором часть системы, в том числе само устройство управления, реализуется в виде реальной аппаратуры, например, ПЛК, а остальная часть системы (включая объект управления), называемая отброшенной частью системы управления, представляется математической моделью. Благодаря добавлению реальной аппаратуры в контур моделирования сложных процессов, можно добиться уменьшения априорной неопределенности при исследовании процессов, для которых нет полного и адекватного математического описания.
Одним из определяющих факторов качества устройств управления подвижными объектами является квалификация и опыт специалистов, занимающихся проектированием данных устройств. Помимо знаний компоновки машины, теории автоматического управления движением, важным аспектом квалификации работника являются навыки программирования ПЛК, знание архитектуры и особенностей работы контроллеров. По этой причине, совершенствование содержания обучения, средств и методов подготовки высококвалифицированных конкурентоспособных кадров, вооруженных современными знаниями и практическими навыками, является одной из актуальных задач для высших учебных заведений и учебных центров повышения квалификации на промышленных предприятиях. На многих предприятиях, разрабатывающих системы автоматического управления подвижными объектами, два навыка, о которых говорилось выше (навык проектирования алгоритмов управления и возможность его отладки, навык программирования ПЛК), одинаково важны. Поэтому руководство предприятия «ДСТ- Урал», требовательно относящееся к уровню производственной культуры своих сотрудников, считает что для повышения конкурентоспособности предприятия, производящего бульдозеры, трубоукладчики и кабелеукладчики на базе гусеничного трактора ТМ 10, оснащенные автоматическими и автоматизированными системами управления на базе микропроцессорных управляющих устройств (программируемых логических контроллеров BODAS RC 12-10/30 производства Bosch Rexroth) оба этих навыка должны быть сформированы у каждого сотрудника конструкторского отдела.
Поэтому для предприятия «ДСТ-Урал» актуальна разработка учебно-лабораторного стенда для полунатурного моделирования системы управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией. На этом стенде обучающийся сможет изучить техническую базу программируемых логических контроллеров, особенности программирования и настройки ПЛК, принцип работы ПЛК в составе системы управления, а также сможет получить практические навыки работы с современными средствами управления, автоматизации и программным обеспечением. Также пользователь стенда для полунатурного моделирования сможет проводить испытания и отладку проектируемых алгоритмов управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией.
В настоящее время известны лабораторные стенды для изучения принципов построения, функционирования и программирования системы управления на основе ПЛК, принципа конфигурации и настройки ПЛК, получения навыков работы в среде программирования CoDeSys. К таким стендам относится, например, автоматизированная лабораторная установка для изучения систем контроля и регулирования технологических параметров [59], разработанная в Сибирском государственном индустриальном университете. Лабораторный стенд, состоящий из контроллера ОВЕН ПЛК 150-220-А-М, источника питания ОВЕН БП60Б-Д4-24, панели оператора СП270, датчика температуры ОВЕН ДТС125-50.В2.60, эмулятора печи ОВЕН ЭП10; позволяет обучающимся освоить принципы работы с дискретными и аналоговыми входами и выходами ПЛК на простейших примерах; научиться конфигурировать и программировать панель оператора и разрабатывать программу для управления простым технологическим процессом . Достоинством данного стенда является простота и наглядность получения начальных навыков программирования на основных стандартных языках, определенных МЭК 61131-3.
...
Отладку алгоритмов обработки информационных сигналов и алгоритмов управления в различных эксплуатационных условиях можно проводить в реальных условиях эксплуатации системы. Однако не всегда есть возможность проведения натурных испытаний, например, система управления находится на стадии проектирования; проведение натурных испытаний по настройке и отладке алгоритма работы устройства управления дорого или небезопасно. Замена натурных испытаний математическим моделированием системы тоже не всегда уместна, так как часто алгоритмы управления сложны, громоздки и при математическом моделировании исследователь прибегает к их упрощению. В таких случаях для отладки алгоритмов управления целесообразна организация полунатурного моделирования системы управления, при котором часть системы, в том числе само устройство управления, реализуется в виде реальной аппаратуры, например, ПЛК, а остальная часть системы (включая объект управления), называемая отброшенной частью системы управления, представляется математической моделью. Благодаря добавлению реальной аппаратуры в контур моделирования сложных процессов, можно добиться уменьшения априорной неопределенности при исследовании процессов, для которых нет полного и адекватного математического описания.
Одним из определяющих факторов качества устройств управления подвижными объектами является квалификация и опыт специалистов, занимающихся проектированием данных устройств. Помимо знаний компоновки машины, теории автоматического управления движением, важным аспектом квалификации работника являются навыки программирования ПЛК, знание архитектуры и особенностей работы контроллеров. По этой причине, совершенствование содержания обучения, средств и методов подготовки высококвалифицированных конкурентоспособных кадров, вооруженных современными знаниями и практическими навыками, является одной из актуальных задач для высших учебных заведений и учебных центров повышения квалификации на промышленных предприятиях. На многих предприятиях, разрабатывающих системы автоматического управления подвижными объектами, два навыка, о которых говорилось выше (навык проектирования алгоритмов управления и возможность его отладки, навык программирования ПЛК), одинаково важны. Поэтому руководство предприятия «ДСТ- Урал», требовательно относящееся к уровню производственной культуры своих сотрудников, считает что для повышения конкурентоспособности предприятия, производящего бульдозеры, трубоукладчики и кабелеукладчики на базе гусеничного трактора ТМ 10, оснащенные автоматическими и автоматизированными системами управления на базе микропроцессорных управляющих устройств (программируемых логических контроллеров BODAS RC 12-10/30 производства Bosch Rexroth) оба этих навыка должны быть сформированы у каждого сотрудника конструкторского отдела.
Поэтому для предприятия «ДСТ-Урал» актуальна разработка учебно-лабораторного стенда для полунатурного моделирования системы управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией. На этом стенде обучающийся сможет изучить техническую базу программируемых логических контроллеров, особенности программирования и настройки ПЛК, принцип работы ПЛК в составе системы управления, а также сможет получить практические навыки работы с современными средствами управления, автоматизации и программным обеспечением. Также пользователь стенда для полунатурного моделирования сможет проводить испытания и отладку проектируемых алгоритмов управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией.
В настоящее время известны лабораторные стенды для изучения принципов построения, функционирования и программирования системы управления на основе ПЛК, принципа конфигурации и настройки ПЛК, получения навыков работы в среде программирования CoDeSys. К таким стендам относится, например, автоматизированная лабораторная установка для изучения систем контроля и регулирования технологических параметров [59], разработанная в Сибирском государственном индустриальном университете. Лабораторный стенд, состоящий из контроллера ОВЕН ПЛК 150-220-А-М, источника питания ОВЕН БП60Б-Д4-24, панели оператора СП270, датчика температуры ОВЕН ДТС125-50.В2.60, эмулятора печи ОВЕН ЭП10; позволяет обучающимся освоить принципы работы с дискретными и аналоговыми входами и выходами ПЛК на простейших примерах; научиться конфигурировать и программировать панель оператора и разрабатывать программу для управления простым технологическим процессом . Достоинством данного стенда является простота и наглядность получения начальных навыков программирования на основных стандартных языках, определенных МЭК 61131-3.
...
1. Анализ известных на рынке технических решений показал, что основными
недостатками представленных на рынке учебно-лабораторных стендов для обучения программированию ПЛК и стендов для отработки алгоритмов управления являются:
а) высокая стоимость (свыше 430 тыс. руб.) при избыточном функционале;
б) закрытая архитектура и связанная с этим сложность масштабирования
стенда;
в) скрытое от пользователя устройство и реализация стендового оборудования, что затрудняет процесс обучения;
г) необходимость после покупки стенда замены модели реализованного на
стенде объекта управления на математическую модель гусеничной машины с гидростатической трансмиссией, а контроллера стенда – на ПЛК
BODAS RC 12-10/30, что эквивалентно разработке нового стенда.
2. Структура разработанного стенда для полунатурного моделирования системы управления движением гусеничной машиной с гидростатической трансмиссией включает: реальную аппаратуру (контроллер BODAS RC 12-10/30), математическую модель объекта управления (транспортной платформы с ДВС, ГСТ, выполненной по бортовой схеме, и гусеничным движителем), реализованную в программном пакете Altair Embed, устройство сопряжения (интерфейсный преобразователь CANfox EC2112).
3. В соответствии с электрической схемой контроллера произведено подключение контроллера к блоку питания COLORSIT 350U-SCH, контроллера к персональному компьютеру с помощью интерфейса CAN-USB CANfox EC2112 для реализации функции программирования и отладки программного обеспечения стенда. Выполнена настройка соединений среды программирования BODAS-design 3.0 с контроллером.
4. Реализована математическая модель системы управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией (промышленный гусеничный
трактор класса тяги 15 т. производства ОАО «Завод дорожно-строительной техники «Урал», г. Челябинск) совместно с имитатором внешних воздействий и задающим устройством в пакете Altair Embed 2019.
5. Осуществлены конфигурирование и настройка OPC-сервера для установления взаимосвязи между реальным устройством управления и виртуальной математической моделью. 6. Сформирован и реализован на ПЛК на 4-х языках программирования стандарта МЭК 61131-3 комплекс следующих алгоритмов управления: алгоритм управления движением гусеничной машины, алгоритм включения тормоза на забегающем борту при угрозе возникновения заноса и алгоритм включения тормоза на отстающем борту при перегрузке гидрообъемного механизма по давлению.
7. Разработана и реализована в графической среде Altair Embed система визуализации стенда, включающая в себя мнемосхему панели оператора с демонстрацией основных параметров движения гусеничной машины, панель настройки алгоритмов управления движением гусеничной машины, панель настройки параметров
грунта и панель выбора траектории движения гусеничной машины. Разработанный
стенд соответствует всем требованиям технического задания в части функциональных возможностей, требованиям к безопасности эксплуатации.
8. Разработана инструкция по эксплуатации учебно-лабораторного стенда, включающая в себя сведения о назначении, технические данные, общее описание и состав
стенда, а также описание возможных сбоев и способов их устранения.
9. Разработано методическое обеспечение для комплекса из 6-ти лабораторных
работ: «Подключение ПЛК Bosch Rexroth BODAS RC12-10/30 к программному
обеспечению BODAS-Design 3.0», «Сопряжение ПЛК с программной средой Altair
Embed с помощью OPC-сервера», «Разработка алгоритма управления движением
гусеничной машины с гидростатической трансмиссией», «Реализация алгоритмов
управления движением гусеничной машины на языках стандарта МЭК 61131-3»,
«Настройка параметров ПИД-регулятора в системе управления движением гусеничной машины», «Разработка алгоритмов раздельного включения тормозов на забегающем и отстающем бортах».
недостатками представленных на рынке учебно-лабораторных стендов для обучения программированию ПЛК и стендов для отработки алгоритмов управления являются:
а) высокая стоимость (свыше 430 тыс. руб.) при избыточном функционале;
б) закрытая архитектура и связанная с этим сложность масштабирования
стенда;
в) скрытое от пользователя устройство и реализация стендового оборудования, что затрудняет процесс обучения;
г) необходимость после покупки стенда замены модели реализованного на
стенде объекта управления на математическую модель гусеничной машины с гидростатической трансмиссией, а контроллера стенда – на ПЛК
BODAS RC 12-10/30, что эквивалентно разработке нового стенда.
2. Структура разработанного стенда для полунатурного моделирования системы управления движением гусеничной машиной с гидростатической трансмиссией включает: реальную аппаратуру (контроллер BODAS RC 12-10/30), математическую модель объекта управления (транспортной платформы с ДВС, ГСТ, выполненной по бортовой схеме, и гусеничным движителем), реализованную в программном пакете Altair Embed, устройство сопряжения (интерфейсный преобразователь CANfox EC2112).
3. В соответствии с электрической схемой контроллера произведено подключение контроллера к блоку питания COLORSIT 350U-SCH, контроллера к персональному компьютеру с помощью интерфейса CAN-USB CANfox EC2112 для реализации функции программирования и отладки программного обеспечения стенда. Выполнена настройка соединений среды программирования BODAS-design 3.0 с контроллером.
4. Реализована математическая модель системы управления движением гусеничной машины с гидростатической трансмиссией (промышленный гусеничный
трактор класса тяги 15 т. производства ОАО «Завод дорожно-строительной техники «Урал», г. Челябинск) совместно с имитатором внешних воздействий и задающим устройством в пакете Altair Embed 2019.
5. Осуществлены конфигурирование и настройка OPC-сервера для установления взаимосвязи между реальным устройством управления и виртуальной математической моделью. 6. Сформирован и реализован на ПЛК на 4-х языках программирования стандарта МЭК 61131-3 комплекс следующих алгоритмов управления: алгоритм управления движением гусеничной машины, алгоритм включения тормоза на забегающем борту при угрозе возникновения заноса и алгоритм включения тормоза на отстающем борту при перегрузке гидрообъемного механизма по давлению.
7. Разработана и реализована в графической среде Altair Embed система визуализации стенда, включающая в себя мнемосхему панели оператора с демонстрацией основных параметров движения гусеничной машины, панель настройки алгоритмов управления движением гусеничной машины, панель настройки параметров
грунта и панель выбора траектории движения гусеничной машины. Разработанный
стенд соответствует всем требованиям технического задания в части функциональных возможностей, требованиям к безопасности эксплуатации.
8. Разработана инструкция по эксплуатации учебно-лабораторного стенда, включающая в себя сведения о назначении, технические данные, общее описание и состав
стенда, а также описание возможных сбоев и способов их устранения.
9. Разработано методическое обеспечение для комплекса из 6-ти лабораторных
работ: «Подключение ПЛК Bosch Rexroth BODAS RC12-10/30 к программному
обеспечению BODAS-Design 3.0», «Сопряжение ПЛК с программной средой Altair
Embed с помощью OPC-сервера», «Разработка алгоритма управления движением
гусеничной машины с гидростатической трансмиссией», «Реализация алгоритмов
управления движением гусеничной машины на языках стандарта МЭК 61131-3»,
«Настройка параметров ПИД-регулятора в системе управления движением гусеничной машины», «Разработка алгоритмов раздельного включения тормозов на забегающем и отстающем бортах».
