Разработка системы автоматизированного управления дозатором технологических растворов (стр. 4 из 13)
В качестве привода был выбран шаговый двигатель (ШД) FL86STH65–2808A, который производит НПФ «Электропривод» [18]. Данный ШД имеет следующие характеристики:
– ток/фаза – 2,8 А;
– сопротивление/фаза – 1,4 Ом;
– индуктивность/фаза – 3,9 мГн;
– крутящий момент – 34 кг·см;
– длинна – 65 мм;
– момент инерции ротора – 1000 г·см2;
– вес – 1,7 кг.
Электрическая схема ШД представлена на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 – Электрическая схема ШД FL86STH65-2808A
Шаговые двигатели этой серии имеют основной угловой шаг 1,8°, частоту приемистости до 2000 Гц и скорость вращения вала до 1500 об/мин. Так же к двигателям этой серии идет устройство управления.
В качестве устройства управления был выбран программируемый блок управления ШД SMSD-3.0 [18]. Он предназначен для управления работой четырехфазных, либо двухфазных ШД с током фазы 3 A. Блок объединяет в себе управляющий микропроцессор и высококачественный драйвер ШД. Управление осуществляется по заданной программе, в ручном режиме или в режиме драйвера.
Блок SMSDможет работать в режиме целого шага или осуществлять дробление на 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32, блок может задавать направление, скорость, ускорение движения, а также работать по сложным алгоритмам, записываемым в энергонезависимую память. Блок работает автономно, от компьютера (LPTили COM-порт) или от внешнего задающего контроллера. Блок имеет возможность получать сигналы от внешних устройств и датчиков, а также подавать сигналы внешним устройствам. Блок имеет радиатор и не требует дополнительного охлаждения. Этот блок имеет одну особенность – он уменьшает входную частоту в 10 раз. Основные характеристики блока SMSD-3.0:
–максимальный выходной ток – 3 А;
– напряжение питания – 18-40 В;
– диапазон частот отработки шагов – от 1 до 10000 Гц;
– точность установки скорости – не ниже 0,2%;
– обмен с ПК – RS232.
В качестве привода, который будет двигать поршень дозирующего устройства, выбран электромеханизм МП-100М с ходом штока 80 ± 1,5 мм. Нагрузка на шток: номинальная – 980 Н (100 кгс), максимальная – 1470 Н (150 кгс).
Так как рассмотренные частотные генераторы не позволяют работать в частотах от 200 Гц до 25000 Гц с возможностью подстройки частоты в 1 Гц, то генерация частоты будет производиться от программного генератора. Генератор написан в программном пакете MPLABIDEv8.10, на языке ассемблер.
Данный генератор генерирует частоту в зависимости от полученного кода, код задается с контроллера, код – это значение от 1 до 65535 (32 бита). Частота поступает на блок управления ШД, он делит ее на 10 и полученную частоту отправляет на ШД. В зависимости от поданного кода мы меняем скорость вращения двигателя и, следовательно, меняем расход технологического раствора.
Управляющий модуль построен на базе – контроллер универсальный (КУ) «Каскад».
5.1 Контроллер универсальный «КАСКАД»
КУ «Каскад» является собственной разработкой ФГУП ГХК ОКБ КИПиА.[19]
КУ «Каскад» – промышленный программируемый контроллер, предназначен для работы в системах автоматизированного управления производственными технологическими процессами.
КУ «Каскад» имеет открытую модульную архитектуру построения. Это позволяет наращивать и конфигурировать контроллер для решения конкретных задач. Для связи и обмена данными КУ «Каскад» с персональным компьютером используется стандартный протокол связи MODBUS.
5.1.2 Состав и технические характеристики
КУ «Каскад» объединяет в своем составе следующие модули (рисунок 5.2):
– микропроцессорный модуль;
– базовый модуль;
– модуль преобразования напряжения;
– модули ввода-вывода.
Рисунок 5.2 – Состав КУ «Каскад»
Технические характеристики модулей входящих в состав КУ «Каскад» приведены в приложении Д.
5.1.3 Устройство и работа КУ «Каскад»
Модульный принцип построения позволяет осуществлять наращивание и конфигурирование контроллера «Каскад» для решения конкретной задачи.
Контроллер «Каскад» включает в себя:
– базовый блок, в состав которого входят базовый модуль, и устанавливаемые в плату базового модуля микропроцессорный модуль, модуль преобразования напряжения, и один из модулей ввода-вывода;
– блок расширения, в состав которого входят базовый модуль, и устанавливаемые в плату базового модуля три модуля ввода-вывода.
Для базового блока и блока расширения используются одинаковые корпуса.
Основу контроллера составляет базовый блок, в котором установлен микропроцессорный модуль. Этот блок обеспечивает реализацию программ управления, обмен данными между блоками. К одному базовому блоку допускается подключать до четырех блоков расширения.
Функциональная схема КУ «Каскад» представлена в приложении В. Обмен данными внутри контроллера осуществляется по шине SPI по технологии «главный/подчиненный». Главным является микроконтроллер, установленный на плате микропроцессорного модуля, подчиненные на платах базовых модулей. «Подчиненные» микроконтроллеры обеспечивают передачу управляющих сигналов для модулей дискретных выходов, прием данных от модулей дискретных и аналоговых входов. Инициировать передачу данных может только главное устройство.
На основе выбранных элементов была разработана электрическая принципиальная схема дозирующего устройства, которая представлена в приложении Ж.
6 Программа управления дозатором технологических растворов
На основе алгоритма управления и с учетом выбранной элементной базы была написана программа управления дозатора технологического раствора. Программа написана в программном комплексе CoDeSysv2.3 [22-28]. Тест программы представлен в приложении К, описание применения программного обеспечения (далее по тексту ПО) представлено в приложении Л, руководство системного программиста ПО представлено в приложении М, спецификация ПО в приложении Н. Результаты работы программы, при рабочей частоте, представлены в приложении П, а при разгоне двигателя в приложении Р.
Данная программа должна генерировать код на устройство управления ШД, в зависимости от расхода заданного оператором.
7.1 Технико-экономическое обоснование
Дозирующее устройство технологического раствора предназначено для работы в составе опытно-промышленной установки «Кристаллизатор».
Необходимость снижения радиационной опасности для работающего персонала, уменьшение случаев возникновения проф. болезней у людей участвующих в процессе кристаллизации, привело к потребности в создании автоматизированной системы дозирования технологического раствора, для подачи раствора ГНУ.
Также система автоматизированного управления дозатором технологических растворов позволит решить проблему человеческих ошибок. Уменьшатся затраты на персонал, следовательно повышаются экономические показатели.
Программу, как любое техническое решение необходимо рассматривать с экономической точки зрения экономической целесообразности и пользы. Целью технико-экономического обоснования разработки является количественное и качественное доказательство экономической целесообразности усовершенствования программы, а также определение организационно-экономических условий ее эффективного функционирования.
Эффективность программного модуля определяется его качеством и эффективностью процесса разработки и сопровождения. Качество программного изделия определяется тремя составляющими:
- с точки зрения специалиста–пользователя данного программного продукта;
- с позиции использования ресурсов и их оценки;
- по выполнению требований на программное изделие.
Программное изделие должно быть разработано так, чтобы оно выполняло свои функции без лишних затрат ресурсов (оперативной памяти ЭВМ, машинного времени, пропускной способности каналов передачи данных и др. – на стадии функционирования; время разработки и денежных ресурсов – на стадии использования программного изделия).
Содержание технико-экономического обоснования разработки программы заключается в следующем:
- расчет технико-экономических показателей и выбор базы сравнения;
- определение трудоемкости и стоимости программного обеспечения (ПО);
- расчет цены ПО;
- расчет капитальных и эксплуатационных затрат на разработку;
- определение показателей финансово-экономической эффект.
Исходные данные для расчета экономических показателей приведены в таблице 7.1.
Таблица 7.1 – Исходные данные экономических показателей
| Обозначение | Наименование показателя | Единицы измерения | Значение показателя | |
| СЭВМ | Стоимость ЭВМ | тыс. руб. | 25 | |
| ДМ | Среднее количество дней в месяце | дни | 22 | |
| rн | Норматив рентабельности | – | 0,25 | |
| wд | Коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату разработчика программы | – | 0,20 | |
| wс | Коэффициент, учитывающий начисления органам социального страхования | – | 0,26 | |
| wн | Коэффициент, учитывающий накладные расходы организации | – | 1,35 | |
| qi | Количество i-задач, решаемых потребителем | зад. год | 50 | |
| tМВi | Время решения i-ой задачи разработанной программой | маш. час | 1 | |
| t’МВi | Время решения i-й задачи базовой программой | маш. час | 5 | |
| nп | Количество организаций, которые приобретут данную программу | шт. | 1 | |
| ZЭЛ | Тариф за 1 кВт/час | руб. | 1,85 | |
| eн | Нормативный коэффициент эффективности капиталовложений | – | 0,25 | |
| ТС | Срок службы разработанной программы | год | 5 | |
| НДС | Налог на добавленную стоимость | % | 18 | |
| ТР | Количество рабочих дней в году | дн | 264 | |
| NСМ | Количество смен работы ЭВМ | – | 1 | |
| tСМ | Продолжительность смены | ч | 8 | |
| a | Простои ЭВМ | % | 5 | |
| P | Мощность, потребляемая ЭВМ | кВт | 0,4 | |
| NСР | Среднее количество ремонтов в год | – | 2 | |
| SД | Стоимость деталей, заменяемых при ремонте | руб. | 1000 | |