Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Информационно-измерительные системы

Диссертационная работа:

Гурьев Василий Александрович. Информационная измерительно-управляющая система весодозирования с моделированием приготовления смесей и мониторингом перемещений рабочих органов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.16 Самара, 2005 151 с. РГБ ОД, 61:06-5/965

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Список сокращений 4

Введение 7

Глава 1, Общие принципы построения весодозирующих установок и ИИУС

весодозирования 16

  1. Обзор весодозирующей области 16

  2. Информационная измерительно-управляющая система ВДУ-аналога .... 23

  3. Основные типы датчиков ВДУ 25

  4. Задачи диссертационной работы 35

Выводы по первой главе 39

Глава 2. Разработка операционных моделей формирования измерительной

и управляющей информации весодозирования 40

  1. Современная базовая ВДУ 40

  2. Информационная измерительно-управляющая система базовой ВДУ .... 52

  3. Фреймовая модель информационных каналов базовой ВДУ 56

  4. Графовая объектно-ориентированная модель ИИУС ВДУ 79

Выводы по второй главе 96

Глава 3. Разработка параметрических моделей индуктивных датчиков

перемещений 97

  1. Поэтапный метод улучшения датчиков 97

  2. Модели индуктивных датчиков, выстраиваемых по уровням снижения

температурного влияния 100

3.3. Погрешности индуктивных датчиков модельного ряда ПО

Выводы по третьей главе : 114

to Глава 4. Практическое построение и применение ИИУС весодозирующих

установок 115

  1. Групповые преобразователи перемещений для ВДУ 115

  2. Детализация модельных блоков 121

  3. Практическое применение. Технические характеристики ИИУС 132

Выводы по четвертой главе 137

Заключение 139

*. Библиографический список 141

Приложение. Документы, подтверждающие внедрение 150

*

Список сокращений

АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

БД - база данных

БМВВ - блок модулей ввода-вывода

БПС - базовая параметрическая структура

БСО - блок сопряжения с оборудованием

БУВХ - блок устройств выборки-хранения

ВБ - вибратор бункера

ВДУ - весодозиругощая установка

ГС - готовая смесь

ГООМ - графовая объектно-ориентированная модель

ГТ - грузовой транспорт

ДИ - дозируемый ингредиент

Дк - дозировщик

Др - дозатор

ДрЗІ - i-ый дроссельный элемент

ДС - двигатель смесителя

Дч - диспетчер

ЗБ - затвор бункера

ЗД - затвор дозатора

ЗС - затвор смесителя

ИА - измерительная аппаратура

ИД - индуктивный датчик

ИИС - информационно-измерительная система

ИИУС - информационная измерительно-управляющая система

ИМ - исполнительный механизм

ИТП - источник технологических параметров

ИУ - измерительное устройство

Kj - і-ая команда управления

КИИ - канал измерительной информации

KKB - контактный концевой выключатель

КПУ - компьютеризированный пульт управления

КУВ - канал управления выборкой

КУИ ' - ' канал управляющей информации

МВВ - модуль ввода-вывода

МИЛ - модернизированная измерительная аппаратура

МК - микроконтроллерное устройство

МПОС - модели приготовления образца смеси

Мт - моторист

НБ - накопительный бункер

НПВ - наибольший предел взвешиваний

ОЗУ - оперативно-запоминающее устройство

ОМ - операции мониторинга

Oil - объект наблюдения

Оп - оператор (человеческий фактор)

ОПС - обобщенный приём совершенствования

ПИ - преобразователь интерфейсов

ПК - персональный компьютер

ПНТ - преобразователь напряжепие-ток

ПО - программное обеспечение

ПСС - параметрическая структурная схема

ПС - перемешиваемая смесь

ПУ - пульт управления

ПЭ - подвижный элемент

РО - рабочий орган

СБ - считывающий блок

СД - схема деления

См - смеситель

СОИ - система отображения информации

СхВ - схема вычитания

ТП - технологический процесс

Тр - трансформатор

TTH - товарно-транспортная накладная

УВХ - устройство выборки-хранения

ФИИ - формирование измерительной информации

ФП - функция преобразования

ФУИ - формирование управляющей информации

ХИ - хранимый ингредиент

Шр - шибер переключения смесителей

ЭБКИ - электронный блок координатной информации

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ЭИУ - электроизмерительное устройство

Эк - экономист

Э1Т1 - эмулятор технологического процесса

SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition

Введение к работе:

Актуальность темы. К настоящему времени на предприятиях различных отраслей промышленности, таких, как железобетонные, комбикормовые заводы, хлебозаводы, большое распространение получает автоматизированное весодозирование. Одни из важнейших целей автоматизации - обеспечить наилучшее качество производимой продукции, уменьшить количество аварий на производстве, а зачастую - предвидеть и не допустить их, ужесточить контроль за расходом производимой продукции и расходными материалами, снять с рабочего персонала трудоёмкие, а иногда и опасные физические нагрузки, ускорить процесс производства. Весодозиругощая установка (ВДУ) представляет собой сложную многоуровневую человеко-машинную систему, обеспечивающую управление технологическим процессом (ТП) приготовления смесей, измерение весовых данных и положений ее рабочих органов (РО).

Современные предприятия, уже производившие автоматизацию в прошлом, стремятся модернизировать ее уровень. Модернизация существующего уровня автоматизации обычно заключается в обеспечении оператора (человеческий фактор) наиболее достоверной информацией от объекта наблюдения, понижении числа потенциальных аварий и удешевлении производства. Перед такими предприятиями встает ряд задач, среди которых важное место занимают моделирование технологических установок и технологического процесса в целом, подбор датчиковой аппаратуры, алгоритмизация ТП и создание (подбор) соответствующего программного обеспечения, задача сокращения сроков консервации предприятия на время автоматизации. Подход к автоматизации производства должен быть основан на модульности (блочности) выполняемых работ. Это оставляет возможность для быстрой, качественной, наиболее дешевой и не идущей в разрез с потенциально возможными работами в будущем по модернизации существующего уровня автоматизации.

Принципы построения и характеристики автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) рассматривались многочисленными исследователями-специалистами, в частности, Бочковым А.П., Гасюком Д.П., Филостиным А.Е., Рыбаковым Ф.И., Корытиным A.M., Кьюсиаком

Э., Яковлевым В.Б, Щеныиковым Ю.Ф., Ворониным Ю.М., Петровым В.Я., Олссоном Г., ПианиД. [1-7].

В данной работе наше внимание сфокусировано на промышленные предприятия, использующие в технологическом процессе весодозируюшие установки и испытывающие потребности во внедрение автоматизированного оборудования. В свою очередь современные системы весового (массового) дозирования испытывают существенные потребности оснащения их цифровыми и аналого-цифровыми средствами управления технологическими процессами. Объединение таких средств представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему, перспективным видом, которой является SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) [8-12]. Существенным достоинством SCADA-систем является высокая степень универсальности, что позволяет применять одну и ту же систему данного типа в рамках разных ТП. Одну из основных ролей в SCADA-системах играет программное обеспечение. Главными недостатками SCADA являются высокая стоимость, а также неполная загрузка возможностей системы.

Первую стадию развития ВДУ представлял её механизированный, слабо автоматизированный тип, связанный, в частности, с применением рычажного технологического оборудования [13-16]. Затем произошла смена поколения весодозиругощих установок, и ведущую роль в процессе работы ВДУ стала играть её информационная часть - информационная измерительно-управляющая система (ИИУС). Она включает в себя средства формирования измерительной и управляющей информации, то есть она состоит из аппаратно-программной ИИС (канала формирования измерительной информации, датчиковой аппаратуры) и канала формирования управляющей информации (на программной основе).

Недостаточность автоматизации в сфере предприятий, использующих ВДУ, заключается, во-первых, в отсутствии включения автоматизированной модели приготовления образца смеси (МПОС) в общую модель ТП, которая, в свою очередь, не обеспечивает оперативности в организации мониторинга и выдачи управляющих воздействий в ВДУ-аналогах (из-за наличия естественной инертности персонала), в отсутствии формализации общей модели, достаточной для построения на её базе программного ядра ВДУ. При этом отсутствует также

автоматическая связь между получением результатов ряда измерительных действий с вызовом определенных команд управления (например, по факту набора требуемого веса). Под МПОС понимается совокупность взаимосвязей между значениями масс ингредиентов и временных интервалов, в течение которых производятся технологические операции, приготовляемой смеси в заданных внешних условиях.

Во-вторых, существует необходимость налаживания контроля текущих положений множества рабочих органов (затворов) ВДУ, причём здесь отсутствуют как организация текущего мониторинга положений в общем, так и система критериев выбора соответствующих датчиков перемещений по сочетанию их точности и аппаратурного объёма. Обоснованием такой системы критериев может служить графоаналитический аппарат параметрических структурных схем (ПСС), в разработку которого большой вклад внесли, в частности, М.Ф. Зарипов, А.И. Никонов, И.Ю. Петрова [17-28]. Данный аппарат позволяет использовать его при формировании ряда типовых технических решений с последовательно улучшаемыми метрологическими характеристиками.

При разработке современной весодозирирутощеи установки необходимо производить её моделирование как средство перехода от исходных требований заказчика автоматизируемого промышленного предприятия к стадии разработки программного обеспечения (ПО) ТП. На практике же, применительно к известным ВДУ, наблюдается отсутствие модели совокупного формирования измерительно-управляющей информации и взаимосвязанной с данной моделью программной реализации измерительно-управляющего процесса весодозирования.

К моделированию современных ИИУС ВДУ предъявляются, в частности, следующие требования:

наглядное отражение оперативности измерения технологических параметров (весовых значений ингредиентов и состояний рабочих органов ВДУ) и информационных аспектов управления в такой системе;

возможность свободно изменять в модели процесса весодозирования параметры проектируемых и эксплуатируемых систем, чтобы данная модель была способна описать и визуально представить наблюдаемые состояния системы, определяемые состояниями её рабочих органов, на мнемосхеме.

До настоящего времени общие модели информационных процессов ВДУ не получали формализованного отображения. Вышеизложенные требования делают обязательным создание моделей информационных измерительно-управляющих систем автоматизируемых весодозирующих установок.

Модель действия ИИУС, несмотря на неоднородность различных видов используемой информации (управляющей и измерительной) и связанных с ними предметных понятий весодозирования, должна иметь единую форму и обладать способностью описываться программным языком. Это обеспечивается выбором фреймов в качестве основы моделирования. Аппарат фреймов, рассматриваемый в работах известных ученых, специалистов М. Минского, П. Уинстона, Э.В. Попова, Д.А. Поспелова, Т.А. Гавриловой и других [29-36], позволяет обеспечить совмещение в единой методической структуре разнородной информации, связанной с областями информационно-измерительной техники и весодозирования.

В проводимых исследованиях по разработке и усовершенствованию средств измерения особо важны этапы выявления недостатков и узких мест прототипов, а также сопоставления предлагаемых модельных вариантов. При формировании средств количественного выявления преимуществ измерительных устройств-аналогов в рамках модификации метода поэтапного улучшения измерительных устройств [37-39] предложено связывать использование параметрических схем со стадиями сравнительного анализа технических характеристик.

Тензодатчики силы, используемые непосредственно для оценки веса, уже подразделены на чёткие виды, конструктивно и технологически отработаны [40-50]. В то же время отсутствие чётких критериев подбора датчиков перемещений на основе сравнительных характеристик по совокупности точность-аппаратурный объём несет в себе серьёзные трудности. Проблема текущего (координатного) контроля состояний затворов может быть решена за счет использования в информационно-измерительной системе (ИИС) весодозирующей установки индуктивных датчиков перемещения. Другой задачей, нуждающейся в решении, является учёт зависимостей результатов измерения от колебания температуры и зазоров между подвижными и неподвижными частями датчиков перемещений.

Введение текущего контроля состояний затворов позволяет существенно расширить функциональные возможности измерительного процесса ВДУ,

поскольку, уже используемые в ней концевые (контактные) преобразователи [49, 50] способны фиксировать лишь крайние положения, занимаемые указанными подвижными частями.

При этом вследствие неполного контакта концевых выключателей, используемых до сих пор в большинстве измерительных средств весодозирующих установок в качестве датчиков положения РО исполнительных механизмов (ИМ), дозировщик зачастую получает недостоверную информацию, из-за чего возможны аварии, потеря качества продукции, а также неоправданные затраты расходных материалов. Неполный контакт или ложный контакт концевых выключателей обычно происходят из-за периодического ржавления или загрязненности контактных площадок датчика, их залипання или из-за образования люфта в крепежной части подвижного элемента датчика.

Таким образом, создание ИИУС весодозирования, обеспечивающей значительное повышение быстродействия и качества приготовления смесей, оперативное реагирование на нештатные ситуации, а также разработка операционных моделей формирования её* измерительно-управляющей информации, является весьма актуальным.

Цель работы. Разработка ИИУС весодозирования, обеспечивающей построение и оперативное использование моделей приготовления смесей, проведение мониторинга перемещений рабочих органов и построение модельного ряда используемых при этом датчиков.

Научная новизна:

  1. Предложен способ формирования измерительной информации весодознрующей установки, предусматривающий реализацию операций опроса датчиков перемещения с измерением текущих положений затворов.

  2. Предложен способ формирования управляющей информации весодознрующей установки, который предусматривает моделирование приготовления смесей, выполняемое после ввода заявки на весодозирование и объединяющее использование его весовых и временных параметров.

  1. Выработан способ агрегатированного формирования измерительно-управляющей информации, предусматривающий заполнение операциями мониторинга временных промежутков между выдаваемыми командами управления, а также структурное представление агрегатированиого информационного процесса весодозирующей установки.

  2. Выполнено фреймоструктурное представление предложенных способов формирования измерительной и управляющей информации ИИУС весодозирования.

  3. Предложена графовая объектно-ориентированная модель, которая осуществляет переход от фреймосистем формирования измерительно-управляющей информации к программному ядру весодозирующей установки.

6. На базе метода поэтапного совершенствования измерительных устройств
разработан ряд структурно-параметрических моделей улучшенных индуктивных
датчиков перемещений, обеспечивающий подбор датчиков для ИИУС
весодозирующей установки по соотношению их точности и аппаратурного объёма.

Практическая ценность работы.

Решение изложенных задач позволяет получить:

основу программной разработки ИИУС весодозирующей установки на языке высокого уровня с формированием измерительно-управляющей информации;

расширение функциональных возможностей мониторинга технологического процесса весодозирующей установки, за счёт чего устраняется расхождение (порядка 10% и более) заданных и полученных соотношений масс ингредиентов и чем соответственно повышается качество приготовляемой смеси;

расширение функциональных возможностей управления технологическим процессом весодозирующей установки, за счёт чего достигается существенное (порядка 1 часа) сокращение времени ежедневной подготовки и информационного ввода моделей приготовления требуемых смесей в заводских условиях;

устранение значительных (до 1,5 часов в рабочую неделю) задержек реагирования персонала весодозирующей установки на возникновение аварийных

ситуаций, связанных с неполными срабатываниями затворов, за счет соответствующего устранения неавтоматизированных оценочных операций, производимых персоналом;

возможность обоснованного выбора датчиков перемещений подвижных частей весодозирующих установок.

Реализация результатов работы.

Модельное обеспечение ИИУС весодозирования использовано в разработках научно-производственного предприятия "Тензоприбор", г. Самара. ИИУС с программным ядром на базе среды Delphi 7.1 внедрена в весодозирующую установку бетоносмесителыгого цеха ООО "СВ - Железобетонный завод", г. Самара.

На защиту выносятся:

  1. способ формирования измерительной информации весодозирования со встроенными операциями мониторинга, предусматривающими проведение измерений веса ингредиентов смеси и текущих положений рабочих органов.

  2. способ формирования управляющей информации весодозирования со встроенными командами конфигурирования, оперативного управления весодозирующей установкой, моделью приготовляемой смеси, а также структурно-операционная модель информационного процесса в целом.

  3. фреймосистемы, модельно представляющие предложенные способы формирования измерительно-управляющей информации весодозирования, а также агрегатированная структура информационного процесса весодозирующей установки.

  4. графовая объектно-ориентированная модель, соответствующая содержимому фреймосистем информационного процесса и содержащая классы реализации функций ИИУС весодозирующей установки.

  5. ряд параметрических моделей индуктивных датчиков перемещений, построенный на основе метода поэтапного улучшения измерительных устройств.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции "Ашировские чтения" (Самара, 2002), международной научной конференции "Информационные, измерительные и управляющие системы" (Самара, 2005), научно-методической конференции "Актуальные проблемы развития университетского технического образования в России" (Самара, 2002), научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Судак, 2003), всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Компьютерные технологии в науке, практике и образовании" (Самара, 2004), всероссийской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 2005" (Москва, 2005), всероссийской научно-практической конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 2005).

Тематика диссертации соответствует основному научному направлению Самарского государственного технического университета "Информационное обеспечение, автоматизация производственных процессов и научных экспериментов".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных трудов, в том числе 3 статьи, 6 материалов научных докладов, а также получено положительное решение Федерального института промышленной собственности по заявке о выдаче патента №2005125242/22 (028358), 2005.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка и приложения. Основное содержание работы изложено на 149 страницах текста, включающих 70 рисунков, 11 таблиц и библиографический список, состоящий из 124 наименований.

В первой главе проведён обзор весодозирующей области на примере ВДУ-аналога, выявлена ЙИУС ВДУ-аналога, проведён обзор датчиковой аппаратуры,

используемой в весодозирующих установках, поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены структуры современной базовой ВДУ и общая операционная схема процесса приготовления смеси на базовой ВДУ. Выделена информационная измерительно-управляющая система базовой ВДУ с рассмотрением её технических характеристик. Построены фреймовые структуры информационных каналов базовой ВДУ. Даны формулировки способов формирования измерительной и управляющей информации ИИУС ВДУ. Произведено графовое объектно-ориентированное моделирование ИИУС базовой ВДУ, являющееся последним этапом моделирования ИИУС перед её программным воплощением.

В третьей главе рассмотрен и применён метод поэтапного улучшения датчиков, на основе которого, построен модельный ряд индуктивных датчиков, выстраиваемых по уровням температурного влияния, состоящий из исходного преобразователя, трёх улучшенных и третьего модифицированного преобразователя. Произведён расчет погрешностей индуктивных датчиков из построенного модельного ряда.

В четвертой главе рассмотрена (со схемным представлением) возможность группового применения преобразователей перемещений из построенного ряда. Рассмотрены особенности модельных блоков, разработанного на основе графовой объектно-ориентированной модели, ядра ВДУ. Рассмотрены рабочие ситуации базовой ВДУ. Приведены технические характеристики ИИУС базовой ВДУ, существенно превосходящие характеристики ВДУ-аиалога.

Подобные работы
Серегин Денис Витальевич
Метод построения информационно-измерительной и управляющей системы рабочего органа тоннельного укладчика
Тетерин Дмитрий Павлович
Информационно-измерительный комплекс испытания и моделирования систем управления газотурбинных двигателей
Михалицын Андрей Владимирович
Моделирование и синтез трехдвигательной системы управления панорамного аэрофотоаппарата
Холостов Константин Михайлович
Методика моделирования информационно-измерительных систем мобильной радиосвязи в городской застройке
Иванов Сергей Александрович
Исследование достоверности результатов метрологического анализа информационно-измерительных систем с использованием имитационного моделирования
Пушкин Андрей Валерьевич
Физическое моделирование информационно-измерительной системы стабилизации целевого оборудования подвижных наземных объектов
Жуликова Наталья Александровна
Моделирование бортовых информационно-измерительных систем с использованием сетей Петри-Маркова
Зенина Елена Геннадьевна
Моделирование преобразований сигналов в оптико-электронных измерительных сканирующих системах
Немцов Александр Дмитриевич
Моделирование информационных процессов в компьютерных системах органов внутренних дел в условиях противодействия угрозам информационной безопасности
Немцов Александр Дмитриевич
Моделирование информационных процессов в компьютерных системах органов внутренних дел в условиях противодействия угрозам информационной безопасности : На примере компьютерной системы ГУВД Воронежской области

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net