165

170

180

190

200

135

225

310

-30

-20

-15

-10

-20

-45

-18

-5

120-150

120-150

120-160

120-170

120-180

80-110

130-200

200-280

0,21-0,22

0,21-0,22

0,21-0,22

0,21-0,22

0,21-0,22

0,17

021-0,22

0,21-0,22

*Применяется исключительно для отпуска

Закалочные среды с разной интенсивностью отводят тепло от нагретых под закалку деталей. При выборе закалочной среды учитывают химический состав стали и степень допустимой деформации. Единой универсальной среды для закалки стали не имеется, поэтому пользуются различными средами (табл. 2.2).

При 10% -ом водном растворе едкого натра или поваренной соли скорость охлаждения стали в области трооститных превращений (600-500?С) больше скорости охлаждения в пресной воде в 2 раза.

В области мартенситных превращений (300-200?С) соленная и пресная вода охлаждает одинаково. Это преимущество водных растворов солей используется в практике термической обработки . Чтобы уменьшить коробление при закалке инструмента из стали У10, У12, водные растворы обычно подогревают до 30?С.

2.9.1 Скорость охлаждения стали в зависимости от закалочных сред

В отличие от воды охлаждающая способность масла мало зависит от температуры, а скорость охлаждения в масле во много раз меньше, чем в воде. Поэтому, чтобы снизить напряжения и избежать образования закалочных трещин, для закалки легированных сталей с более низкой темплопроводностью, чем у углеродистых сталей, используют минеральное масло. При отсутствии масла применяют горячую воду (80єС).

Таблица 2.3 Скорость охлаждения стали.

Закалочная среда	Скорость охлаждения, град/с, в интервале температур, єС
	600-500	300-200
Вода: При 20єС(спокойная) 20єС (циркулирующая) 40єС Дистиллированная при 20єС…80єС… 10%-ные водные растворы: поваренной соли едкого натра соды(Nа2СО3) Минеральное масло при 20єС… Эмульсия(смесь масла и воды).. Керосин………………………….	600 350 100 250 30 1100 1200 800 120 70 170	270 700 270 200 200 300 300 270 25 200 50

Основные способы закалки стали - закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая.

Закалка в одном охладителе. Деталь, нагретую до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, где она находится до полного охлаждения. Этот способ используют при закалке несложных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей.

Детали из углеродистых сталей охлаждают в воде, а детали из легированных сталей- в масле этот способ используют и при механизированной закалке , когда детали автоматически поступают из агрегата в закалочную жидкость.

Высокоуглеродистые стали закаливают с подстуживанием, т.е. нагретую деталь перед охлаждением некоторое время выдерживают на воздухе. Это уменьшает внутренние напряжения в деталях и исключает образование трещин.

Закалка в двух средах (или прерывистая закалка).

Деталь сначала охлаждают в быстроохлаждающей среде-воде, а затем переносят её в медленно охлаждающую среду- масло; применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.

Струйчатая закалка. Детали, нагретые до температуры закалки, охлаждают струей воды. Такой способ применяют для закалки внутренних поверхностей, высадочных штампов, матриц и другого инструмента, у которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартенсита. При струйчатой закалке не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде.

Закалка с самоотпуском. Детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, а до определенной стадии, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для сомоотпуска.

Ступенчатая закалка. При этом способе закалки нагретые детали охлаждают сначала до температуры несколько выше точки М_н (в горячем масле или расплавленной соли), затем после короткой выдержки при этой температуре ( до начала промежуточных превращений) охлаждают на воздухе. На второй стадии охлаждения сталь принимает закалку.

Изотермическая закалка. Детали нагревают до заданной температуры и охлаждают в изотермической среде до 220є-350єС, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточно для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. После этого производится охлаждение на воздухе. При изотермической закалке выдержка значительно больше, чем при ступенчатой закалке.

Изотермическая закалка позволяет устранить большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины деталей, которое является основной причиной образования термических напряжений и закалочных трещин. После изотермической закалки детали приобретают высокую или среднюю твердость, высокую вязкость и хорошую сопротивляемость ударным нагрузкам. Изотермическая закалка в ряде случаев исключают операцию отпуска, что сокращает на 35-40% цикл термической обработки.

Изотермической закалке подвергают детали и инструмент, изготовляемые из легированных сталей марок: 6ХС, 9ХС, 65Г, ХВГ и т.д.

Светлая закалка. При этом способе закалки детали нагревают в нейтральной безокислительной атмосфере или в расплавленных нейтральных солях. При светлой закалке нагрев деталей или инструмента осуществляют в жидких солях, не вызывающих окисления металла, с последующим охлаждением их в расплавленных едких щелочах; в нагревательных печах с применением контролируемой защитной газовой амтосферы , позволяющей регулировать взаимодействие печных газов со сталью при нагреве ; в вакуумных (10^-1-10^-4мм рт.ст.) закалочных печах. В результате выполнения любого из этих процессов можно получать детали с чистой светло-серого цвета поверхностью.

2.10 Аппаратные и программные компоненты комплекса

Компания ДЭП (Дизайн, Электроника, Программирование) была образована в 1993 г. Основной профиль работы на тот момент - автоматизация электрофизических установок (ускорители, мощная лазерная техника и др.). Большинство автоматизируемых установок обладали двумя характерными свойствами - большая территориальная протяженность (до нескольких километров) и мощные электромагнитные помехи в широком спектре частот.

Идея разработать распределенную систему управления и сбора данных в противовес традиционной централизованной - показали, что молодой коллектив на правильном пути. Принципы распределенной модульной системы оказались эффективными и при решении задач автоматизации в других отраслях и объектах - прежде всего с территориально-рассредоточенными технологическими процессами (ТП). Таким образом, вырабатывалась концепция создания оригинальных, адаптированных к российскому рынку систем, отличительными свойствами которых и по сей день являются: децентрализованная распределенная модульная схема; повышенная помехоустойчивость; дополнительная защита по перегрузкам; расширенный температурный диапазон; разнообразные каналы передачи данных.

Сегодня компания ДЭП объединяет группу отечественных предприятий, включающих разработчиков, производителей, проектировщиков, а также подразделения монтажно-наладочного характера. С 1999 г. основным многофункциональным изделием компании является программно-технический комплекс ДЕКОНТ. Комплекс в полной мере отвечает современным тенденциям применения распределенных систем сбора управления и позволяет создавать разнообразные системы телемеханики, АСУТП и энергоучета.

Главная цель компании - широкотиражный выпуск надежных программно-технических средств универсального применения по приемлемым для российского покупателя ценам. Основные усилия компании сосредоточены по 4 направлениям

Основу компании составляют группы по разработке программного и аппаратного обеспечения. Большинство специалистов - выпускники МИФИ и МФТИ, поддерживающие высокий уровень оригинальных технических решений. Изделия компании ДЭП не уступают по характеристикам аналогичным изделиям ведущих мировых фирм.

При разработке любого изделия параллельно с ним обязательно проектируются соответствующие автоматизированные стендовые средства, призванные в максимальной степени устранить «человеческий фактор» на этапах последующего монтажа и наладки изделий.

Собственное производство широкотиражных изделий сосредоточено на первой (комплектация) и последней (тестирование и наладка) производственных операциях - все остальные материалоемкие и человекоемкие стадии размещаются на производственных мощностях проверенных ДЭП-партнеров.

Именно такая техническая политика, базирующаяся на “трех китах” (оригинальные технические решения, максимальное использование кооперации с отечественными и зарубежными партнерами, автоматизированное тестирование и наладка), позволяет обеспечивать высокую надежность изделий, максимально снизить издержки собственного производства, а следовательно - предложить заказчикам современные технические средства по оптимальной цене.

Изначально первые «ДЭП-средства» задумывались как инструмент для собственных внедрений. Однако, принципы открытости программно-технические решений, заложенных в продукцию, на практике зарекомендовали ее как удобный и понятный инструмент успешно применяемый проектировщиками, системными интеграторами и конечными потребителями. В настоящий момент примерно более двух третей валового объема выпускаемой продукции закупается системными интеграторами и конечными потребителями .Часть проектов внедряется «под ключ» собственными силами компании.

Специалисты фирмы в любой момент готовы оказать оперативную и доброжелательную техническую поддержку пользователю. Компания практикует бесплатные черновые технико-коммерческие предложения, т.е. составление предварительной схемы автоматизации объекта и ориентировочную калькуляцию ее стоимости.

В 2000 г. фирма ДЭП открыла собственный учебный центр, на базе которого проводит первые курсы повышения квалификации для специалистов, пожелавших научиться работать с ПТК “ДЕКОНТ”.

На сегодняшний день компания ДЭП занимает прочные позиции на российском рынке промышленной автоматизации.

ДЕКОНТ это программно-технический комплекс (ПТК), состоящий из набора унифицированных аппаратных и программных модулей, позволяющий, как в конструкторе, собирать практически любые системы автоматизации.

Скомпоновав несколько модулей, можно получить, например, блок управления кондиционером. Добавлением еще одного элемента создается автоматический регулятор насосной станции, теплопункта. Комбинация с другим модулем превратит предыдущий блок локальной автоматики в контрольный пункт (КП) телемеханики, готовый передавать наверх телеметрию и принимать команды диспетчерского управления (не теряя при этом функций автономного регулирования) по практически любому каналу связи - радио, выделенным или коммутируемым линиям связи, аппаратуре уплотнения данных. Комплекс с успехом применяется как база для создания современных автоматизированных систем в таких отраслях как: теплоснабжение, водоснабжение, электроснабжение, нефте- и газоснабжение, на предприятиях машиностроительной, металлургической, химической, горнодобывающей промышленности и связи, в жилом фонде и других объектах городского хозяйства (гостиницы, вокзалы, аэропорты).

ДЕКОНТ - открытая система. Пользователь способен добавить свои собственные программные элементы для уникальных алгоритмов обработки, управления или интерфейса с другими системами.

ДЕКОНТ прежде всего применяется там, где требуется собирать технологическую информацию со множества территориально-распределенных объектов, где надо управлять удаленными объектами, где необходим учет производства или потребления энергоресурсов. Понятие “множество территориально-распределенных объектов” применительно к ДЕКОНТ имеет чрезвычайно широкое значение. Это может быть технологическое помещение, в котором нужно “обвязать” датчики и исполнительные устройства в единую систему. Это может быть отдельное здание или группа зданий, в которых требуется контролировать и управлять инженерным оборудованием, обеспечить энергоучет.

Благодаря практически неограниченной информационной емкости комплекса и простоте его наращивания решение компании ДЭП остается простым и эффективным для любого объекта. Малые размеры и распределенная модульная архитектура комплекса позволяют сделать это с минимальными затратами на сигнальные и управляющие кабели.

Возможности предлагаемого комплекса позволяют создавать как простейшие системы, включающие в себя консольный компьютер с группой распределенных контроллеров, объединенных локальной технологической сетью, так и сложные иерархические системы, объекты которых распределены по территории в сотни квадратных километров и объединяемые разнообразными каналами связи - локальной технологической сетью, телефонной связью и радиоканалом.

Продуманные технические решения, многократно апробированные российской действительностью, обеспечивают наилучший показатель соотношения функциональной мощности к стоимости. Сотни реально действующих проектов, базирующихся на оборудовании компании ДЭП, заслуженно пользуются репутацией надежных, простых в применении и гибких в использовании систем.

Комплекс зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под №-18835-99 и рекомендован к применению в РФ. Дополнительно, ПТК ДЕКОНТ имеет также экспертное заключение ВНИИЭ для РАО ЕЭС России, рекомендующее применение комплекса в энергетике.

Комплекс ДЕКОНТ позволяет создавать:

системы диспетчеризации и телемеханики;

системы локальной автоматики и регулирования;

системы архивирования технологической информации и регистрации событий;

системы технического и коммерческого учета энергоресурсов;

комбинированные системы.

Исходя из критерия «функциональные возможности/стоимость» ДЕКОНТ является одним из наиболее привлекательных отечественных комплексов. На протяжении последних нескольких лет компания ДЭП вышла на уровень продаж, превышающий 5 тысяч микропроцессорных ДЕКОНТ-изделий в год. Эффективность использования комплекса по праву оценили как в Москве, так и во многих регионах России.

Микропроцессорные изделия комплекса изначально проектировались для длительной и надежной работы в непредсказуемых условиях российской действительности.

Минимизация размеров печатных плат, SMD-монтаж, повсеместный отказ от промежуточных соединений и подстроечных элементов, специальные мероприятия по отбору наиболее надежных компонентов, автоматизированное тестирование и термопрогон выпускаемых изделий позволяют достичь времени наработки на отказ одного устройства не менее 100000 часов. Все без исключения аппаратные компоненты комплекса имеют гарантийный срок 3 года.

Высокая надежность комплекса также обеспечивается применением комплектующих от мировых лидеров производства электронных компонентов, таких как: ANALOG DEVICES, ZILOG, SIMENS, NATIONAL SEMICONDUCTOR, MICROCHIP, AMD и др.

Все основные аппаратные компоненты комплекса предназначены для круглосуточного непрерывного режима работы в температурном диапазоне -40…70 C. Это позволяет устанавливать наше оборудование на промышленных объектах без дополнительного подогрева или охлаждения.

Все изделия проходят испытания на работоспособность при -43 C и термоиспытания при +70 C в течение 72 часов.

Основу каждого из модулей ввода-вывода составляет однокристальная микроЭВМ индустриального исполнения и высокой степени интеграции. Поэтому входные сигналы преобразуются, кодируются и в дальнейшем транспортируются в защищенном цифровом виде.

Модули не содержат подстроечных элементов - необходимая коррекция преобразователей осуществляется программно.

Технология обработки дискретных входных сигналов позволяет обрабатывать широкий спектр типов и уровней, а также определять такие неисправности сигнальных линий как обрыв, короткое замыкание, нестабильное состояние.

Для повышения надежности, точности измерений и защиты оборудования от электромагнитных помех используются специальные конструктивные решения:

каждый модуль размещается в отдельном металлическом корпусе;

печатные платы покрываются защитным лаком;

питание модуля может осуществляться в широком диапазоне:

9…30 В

каждый модуль имеет гальваническую изоляцию от источника питания и локальной сети, входные цепи внешних сигналов также имеют групповую или индивидуальную гальваническую изоляцию.

Дополнительно все внешние цепи имеют специальную защиту и выдерживают высокие значения парафазных (продольных) и синфазных (поперечных) импульсных воздействий, как по амплитуде, так и по скорости нарастания.

Отдельно следует отметить, что поставляемые в составе комплекса импульсные блоки питания имеют мягкий пуск, низкое тепловыделение и широкий диапазон входного напряжения:

100…270 В переменного тока;

100…350 В постоянного тока.

Для эффективной работы по выделенным и коммутируемым линиям соответствующие модули комплекса имеют защиту от перенапряжения, дополнительные фильтры, электронную регулировку уровней передачи и приема.

Перечисленные выше конструктивные, схемотехнические и иные решения обеспечивают четкий запуск программ, гарантированную доставку данных при любых неожиданностях и позволяют уверенно использовать наш комплекс в самых жестких условиях.

Эффективный монтаж, независимая наладка

При создании комплекса был учтен опыт применения оборудования в отечественных условиях. Комплекс обладает всеми необходимыми свойствами для удобства монтажа, наладки и дальнейшей эксплуатации.

Каждый модуль ввода-вывода имеет удобные съемные клеммники промышленного исполнения - конструктив сознательно выбран так, чтобы внешние (объектовые) цепи подключались непосредственно к модулю - без дополнительных промежуточных клеммников, разъемов и т.д. Сечение подключаемого провода - до 2,5 мм². Разъемы, применяемые в клеммниках, имеют позолоченные контакты. При замене модулей отсоединять объектовые и иные кабели от клеммника не требуется.

Все модули имеют одинаковый унифицированный размер. Каждый модуль представляет собой конструктивно и функционально законченное изделие, имеющее собственный встроенный источник питания, интерфейс RS-485. Поэтому отдельные модули ввода-вывода можно размещать как в общем шкафу, так и распределять по территории объекта (до 1км) ближе к датчикам - “по месту”.

Встроенное программное обеспечение (ПО) модуля ввода-вывода обеспечивает удобный доступ к обрабатываемой информации непосредственно на месте установки. Для этого в каждом модуле предусмотрено отдельное гнездо для подключения универсального минипульта (размером с пачку сигарет). С помощью одного такого «тестера» можно автономно настроить любой модуль комплекса, проверить подключение внешних цепей, параметров настройки, значений технологических переменных.

Таким образом, функциональные и конструктивные особенности описываемого комплекса гарантируют быструю проверку и настройку каналов ввода-вывода еще на этапе электротехнического монтажа. При этом существенно уменьшается время пусконаладочных работ, сокращается общий срок ввода системы в эксплуатацию.

Современное ПО верхнего уровня

Предлагаемое, в составе комплекса, специализированное ПО для ПЭВМ обеспечивает необходимые функции по загрузке, диагностике, конфигурации системы, а также весь необходимый прикладной сервис:

представление текущих данных в виде разрабатываемых технологических схем;

выдача оперативных команд управления;

формирование отчетов, графиков;

ведение службы единого времени;

ведение архивов на удаленных объектах и их автоматическое вычитывание на верхний уровень;

разработка и коррекция прикладных алгоритмов.

Программирование контроллеров осуществляется в современной интегрированной среде разработки алгоритмов, обеспечивающей пользователям интуитивно понятный инструментарий, базирующийся на методах функциональных блоков FDB - в соответствии с международным стандартом МЭК (IEC)-1131/3.

Для пользовательских приложений верхнего уровня обеспечивается доступ в единую базу данных (БД) системы по интерфейсу OPC-сервера. Это позволяет использовать распространенные программные продукты, поддерживающие данный открытый промышленный стандарт.

Комплекс ДЕКОНТ является проектно-компонуемым изделием, которое позволяет не только комбинировать модули в соответствии с требованиями к создаваемой системе, но и легко наращивать информационную и вычислительную мощность при дальнейшем сопровождении.

Устройства, создаваемые на базе комплекса, являются масштабируемыми, т.е. позволяют автоматизировать объекты от самых малых до самых больших.

Производительность

Управляющие модули комплекса обладают мощностью, достаточной для решения большинства задач контроля и управления. При малых размерах каждый управляющий модуль имеет процессор с тактовой частотой 30 МГц, энергонезависимую память 512 Кб, флэш-память 512 Кб, простую и удобную систему программирования.

Отличные коммуникационные возможности

Поддерживаемые комплексом разнообразные интерфейсы обеспечивают сопряжение с широким спектром периферийных интеллектуальных приборов: модемов, вычислителей, теплосчетчиков, регистраторов, кондиционеров и т.п.

Каждый контроллер комплекса может поддерживать до шести каналов обмена информацией.

Модули и контроллеры комплекса легко комплексируются. Если пользователю не хватило каналов на модуле ввода-вывода или интерфейсов на контроллере, имеется возможность дополнить систему недостающим устройством. При конфигурировании системы будет создана единая БД на несколько контроллеров.

Заложенная в каждом модуле возможность объединения в локальные сети на базе RS-485, а также встроенный в каждом контроллере развитой сетевой сервис обеспечивают прозрачные клиент-серверные соединения и ведение единой распределенной БД.

Устройства комплекса объединяются в единую сеть независимо от физической природы каналов связи, их пропускной способности и топологической структуры. В одной системе могут использоваться локальные технологические сети, проводные физические линии, телефонные сети, ВЧ-связь, радиоканал и т.п.

Удобное сопровождение

Функции встроенной в каждый модуль автономной диагностики и сервиса обеспечивают непрерывный анализ исправности модулей в процессе эксплуатации комплекса, автономную индикацию состояния каналов ввода-вывода.

Встроенное в модули диагностическое ПО обеспечивает также удаленное считывание верхним уровнем параметров диагностики.

Комплекс обеспечивает удаленную загрузку пользовательского и модернизацию системного ПО.

Обслуживание любой системы, созданной на базе комплекса, необременительно даже для малоквалифицированного персонала. Хорошо структурированная, “прозрачная” модульная архитектура комплекса делает удобной сопровождение системы, гарантирует быструю локализацию неисправностей.

Общеизвестный критерий - стоимость передачи одного сигнала с объекта. Используя комплекс - ДЕКОНТ Вы получаете один из самых дешевых отечественных комплексов. Стоимость типовой системы в пересчете на один канал может составлять менее 5 долл. США.

Выводы

Рассмотренные отличительные особенности комплекса отражают современную общемировую тенденцию по переносу периферийных модулей непосредственно к технологическому процессу (ТП).

Имеющиеся вычислительные мощности, задействованные в модулях ввода-вывода для обработки информации на месте возникновения сигнала, позволяют оптимизировать пропускную способность каналов связи и добиться технико-экономических показателей, недоступных при иных способах построения систем.

Возможность совмещения в одном комплексе функций АСУТП, учета, телемеханического контроля и управления позволяет существенно снизить суммарные затраты потребителя при монтаже и в процессе эксплуатации большинства систем, создаваемых на базе ПТК ДЕКОНТ.

Распределенная мультипроцессорная архитектура комплекса ДЕКОНТ обеспечивает высокую живучесть и надежность системы, упрощает ее обслуживание.

Хорошо разработанная и тщательно продуманная номенклатура программных и аппаратных модулей, многократно апробированная российской действительностью, позволяет создавать практически любые системы автоматизации.

Состав комплекса

Модули ввода-вывода.

Программируемый контроллер Decont-182.

Сменные интерфейсные платы.

Малогабаритный пульт оператора (Минипульт).

Стационарный пульт оператора (Пульт).

ПО для контроллеров.

ПО верхнего уровня.

Рассматриваемые ниже различные варианты объединения модулей ввода-вывода и программируемых контроллеров, дополненных интерфейсными платами, в единую информационную и управляющую сеть порождают колоссальное множество возможных распределенных систем контроля и управления, отличающихся топологически и по функциональному назначению.

Для взаимодействия системы с обслуживающим персоналом может использоваться стационарный пульт оператора, ПЭВМ или группа компьютеров.

Номенклатура вспомогательного оборудования включает:

специализированные платы для интеллектуальных датчиков;

защитные шкафы и коробки;

блоки питания;

сетевые адаптеры, разветвители.

Модули ввода-вывода

Модули ввода-вывода - это микропроцессорные устройства связи с объектом, осуществляющие первичную обработку входных непрерывных и дискретных сигналов и выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы. Каждый модуль имеет выход в технологическую сеть на основе интерфейса RS-485. Иными словами, в каждое устройство ПТК ДЕКОНТ заложена возможность подключения к локальной промышленной сети типа BITBUS. Результат обработки сигналов преобразуется модулем в защищенный цифровой вид для дальнейшей передачи в сеть. Из сети модуль получает команды на выдачу управляющих воздействий. Вычислительные мощности модуля обеспечивают ряд дополнительных функций: выработка сигналов о выходе значения за допустимые пределы, синхронизация времени для ведения единого времени системы, взаимодействие с контроллером, минипультом и т.п.

Каждый модуль представляет собой функционально законченное устройство, заключенное в металлический защитный корпус. Все модули имеют единый конструктив, интерфейс и питание.

Номенклатура модулей ввода-вывода постоянно развивается. В таблице 1 приведен перечень наиболее часто используемых модулейОтличительные особенности модулей ввода-вывода

При разработке конструктива модулей ввода-вывода были учтены пожелания специализированных монтажных и пуско-наладочных организаций, а также предложения ряда организаций, эксплуатирующих разнообразные средства автоматизации. Усилия прежде всего были направлены на обеспечение следующих факторов:

надежный прямой контакт между сигнальным кабелем с объекта и модулем (без промежуточных соединений), прозрачность монтажной схемы;

возможность быстрой замены модуля, быстрое восстановление системы;

возможность простой оперативной проверки входных и выходных каналов в физических и расчетных значениях.

Каждый модуль ввода-вывода имеет удобные съемные клеммники промышленного исполнения - конструктив сознательно выбран так, чтобы обеспечить прямое подключение большинства используемых в России контрольных и управляющих кабелей непосредственно к модулю (рис. 2).

Защита от помех и принципы обработки сигналов

В модулях ввода-вывода применены схемотехнические решения, обеспечивающие эффективное устранение большинства помех электромагнитного характера. Прежде всего это - полноценная индивидуальная гальваническая изоляция аналоговых сигналов. Принципы построения гальванической развязки рассмотрены на примере модуля типа AIN8-I20 (табл.1). Аналоговая часть модуля гальванически изолирована по постоянному току от цифровой опторазвязками.

Каждый аналоговый канал имеет также собственные независимые цепи питания и, таким образом, является индивидуально гальванически изолированным от остальных. Измеряемый аналог в рассматриваемом модуле преобразуется в цифровой код без участия АЦП. Вместо обработки мгновенных значений с АЦП, неизбежно искаженных помехами, применен метод интегрирующего преобразования измеряемого сигнала в частоту. Такой метод обеспечивает эффективное устранение помех “в зародыше”. Перечисленные схемотехнические решения, усиленные распределенной модульной архитектурой комплекса обеспечивают подавление первопричины помех, а не борьбу с их последствиями.

Каждый модуль ввода-вывода при включении питания проводит циклическую обработку измеряемых каналов. Обработка производится по встроенным алгоритмам и не зависит от других модулей. Например, для измерения аналоговых сигналов широко применяется метод преобразования напряжение-частота с последующим подсчетом накопленных импульсов за период, кратный 20 мсек. Такой метод, помимо эффективной помехозащищенности, обеспечивает широкий динамический диапазон измерения. Иными словами, пользователю предоставляется возможность для каждого канала в отдельности варьировать период измерения в диапазоне 20…320 мсек. При этом разрядность измерения регулируется в диапазоне 9…14 разрядов.

Аналогично, при измерении дискретных сигналов (модуль DIN16-xx) пользователь может выбрать оптимальное (для конкретного сигнала) время обработки дребезга: 1…320 мсек. В случае отсутствия установившегося значения сигнала в течение выбранного времени обработки каналу присваивается значение “нестабильное состояние”. Строго говоря, каждый входной дискретный сигнал в описываемых модулях анализируется с помощью более точного “аналогового подхода”. Логические состояния дискретного сигнала преобразуются встроенным АЦП в их кодовый эквивалент. Пользователь имеет возможность программирования пороговых значений в каждом канале для диагностики состояния объектовых проводов контрольного кабеля: обрыв, короткое замыкание, неопределенное состояние.

Модуль AIN16-I20: универсальные каналы ввода-вывода

Для «малосигнальных объектов» автоматизации или объектов с менее жесткими требованиями по межканальной гальванической развязке несомненный интерес представляет модуль ввода-вывода AIN16-I20. Модуль содержит 16 программно настраиваемых каналов с общим проводом. Каждый канал в отдельности можно настроить на работу в одном из 3-х вариантов:

дискретный ввод 24В;

дискретный вывод (транзисторный ключ) 24 В, 20 мА;

аналоговый ввод (0-20 мА), (4-20 мА), точность 0,1 % от диапазона, защита от перегрузки.

Дальнейшим развитием идеи «малосигнального объекта» может служить интерфейсная плата Z-IN6-I20 Плата имеет 6 универсальных каналов ввода/вывода с общим проводом, аналогичных каналам модуля ввода вывода AIN16-I20.

Интеллектуальные датчики

Компания ДЭП выпускает также специализированные микропроцессорные платы, на базе которых создаются разнообразные интеллектуальные газоаналитические датчики.

Датчики предназначены для измерения и преобразования концентрации измеряемых веществ в воздухе (аммиак, оксид углерода, сероводород, хлор, спирт этиловый, водород и др.). Датчики могут непосредственно включаться в локальную технологическую сеть комплекса ДЕКОНТ как модули ввода/вывода.

Датчики обеспечивают преобразование текущей концентрации в:

выходной сигнал постоянного тока 4-20 мА;

выходной сигнал текущей концентрации по RS-485, совместимый с протоколом комплекса ДЕКОНТ;

цифровое значение выходного сигнала на тестовом дисплее, подключаемого к преобразователю;

срабатывание дискретных выходов, при превышении значения концентрации установленных с дисплея порогов (2 порога, устанавливаемых в процессе эксплуатации).

Сетевой протокол

Нижний уровень протокола обмена между модулями ввода/вывода и контроллерами основан на стандарте HDLC с применением эффективного защитного циклического кода согласно международным рекомендациям ITU-T V.41 (МККТТ-16).

Контроллер Decont-182 играет ключевую роль в построении любой системы на базе комплекса. Он обслуживает взаимодействие с модулями ввода-вывода, ведет алгоритмы, архивы, поддерживает связь с другими контроллерами и консолью. Дополняемый сменными интерфейсными платами, контроллер позволяет организовывать разнообразные каналы связи между удаленными объектами автоматизации и консолью.

Конструкция

Габаритные и присоединительные размеры контроллера совпадают с размерами модулей ввода-вывода - это облегчает монтаж системы и упрощает её проектирование.

Коммуникационные возможности

Базовый процессор контроллера имеет 4 независимых последовательных порта ввода-вывода, комбинации которых обеспечивают эффективное решение подавляющего количества коммуникационных задач.

Сменные интерфейсы

Основным конструктивным отличием контроллера от модулей ввода-вывода является его “мезонинная” архитектура. На плате контроллера присутствуют разъемы для подключения двух сменных интерфейсных плат. Интерфейсные платы расширяют коммуникационные возможности контроллера (более подробно информация о интерфейсных платах представлена в следующем разделе).

Для установки такой платы достаточно снять верхнюю крышку контроллера, вставить ответную часть разъема, присутствующего на плате, в один из двух имеющихся разъемов на плате контроллера и закрепить интерфейс тремя винтами.

При включении питания интерфейс автоматически идентифицируется, а с помощью минипульта осуществляется его настройка. Один контроллер Decont-182 позволяет подключать до двух любых интерфейсов, которые образуют “2-й этаж” процессорного модуля. Такое решение обеспечивает гибкую реконфигурацию интерфейсных цепей системы пользователя, удобное резервирование каналов связи, простоту наращивания при минимальных затратах.

Помимо сменных интерфейсов на плате контроллера присутствуют обязательные встроенные интерфейсы RS-485 и RS-232.

Основные характеристики

Базовый процессор - ZILOG 80182 (30 МГц).

Вспомогательный процессор - PIC16C73A.

Энергонезависимое ОЗУ -

512 Кбайт.

Флэш-ПЗУ - 512 Кбайт.

Количество портов последовательной связи - 4:

порт “А” - RS-232;

порт “B” - RS-485;

порты “C” и “D” - универсалные.

Часы реального времени (РВ).

Сторожевой таймер.

Супервизор управления питанием.

Потребляемая мощность - 3 Вт.

Диапазон рабочих температур:

-40…70 C.

Потребление в “ждущем” режиме - менее 5 мкА.

Архитектура контроллера

Контроллер Decont-182 является функционально законченным устройством, внутри которого реализованы две шины с различной пропускной способностью.

«Быстрая шина» организует обмен данными между базовым процессором, ОЗУ и флэш-ПЗУ. Компактное расположение перечисленных элементов делает компактной саму шину, что гарантирует эффективную защиту от электромагнитных помех, максимальную скорость обмена.

Вторая шина типа I2C объединяет в единую информационную систему базовый процессор, вспомогательный процессор системы питания, часы РВ, а также EEPROM контроллера и сменных интерфейсных плат “C” и “D”.

Супервизор питания

Особое внимание уделено надежности функционирования контроллера и гарантированной сохранности накопленных данных. Системы, в которых применяются описываемые изделия, обычно являются критическими объектами инфраструктуры, которые должны надежно функционировать на протяжении многих лет. Перегрузки по питанию и температуре, импульсные помехи и пропадание питания, практически всегда усугубляемые невозможностью доступа к микропроцессорному устройству в течение нескольких дней, накладывают «неизгладимый отпечаток» на применяемые архитектурные решения.

Для обеспечения гарантированного запуска и корректного сохранения данных при аварийных ситуациях в описываемом устройстве существует вспомогательный процессор - супервизор системы питания.

Встроенное во вспомогательный процессор АЦП обеспечивает непрерывный контроль за состоянием литиевой батарейки, температуры внутри корпуса контроллера. Именно супервизор стартует первым при подаче питания и, если не обнаруживает внештатных ситуаций, дает команду на запуск базового процессора.

В ходе работы контроллера при обнаружении аварийной ситуации супервизор делает запрос к базовому процессору на начало процедуры сохранения, контролируя при этом время до получения подтверждения от базового процессора. Когда базовый процессор заканчивает операции сохранения данных, он сообщает об этом супервизору. Супервизор останавливает базовый процессор, закрывает доступ к памяти и записывает в EEPROM результат операции.

При отработке любой аварийной ситуации супервизор записывает результат операции в EEPROM, откуда, при очередном старте, эту информацию обязательно считывает базовый процессор и производит необходимые действия для корректного запуска прерванных алгоритмов.

Сменные интерфейсные платы

Сменные интерфейсные платы (интерфейсы) предназначены для недорого расширения или изменения конфигурации коммуникационных возможностей контроллера Decont-182. Интерфейсы - это небольшие по размеру платы (50х85 мм), имеющие унифицированный конструктив для установки на специальные “гнезда” контроллера.

Электрическое подключение интерфейса к контроллеру осуществляется благодаря разъемному соединению. С обратной стороны печатной платы каждого интерфейса находится 40-контакный разъем, который при подключении вставляется в один из двух доступных ответных разъемов, впаянных в печатную плату контроллера.

Благодаря жесткому креплению, золотому покрытию и четырёхточечному контакту, обеспечивается надёжное соединение сменного интерфейса с платой контроллера.

В настоящее время выпускаются интерфейсы:

RS-232;

RS-485. Два гальванически изолированных сегмента;

PL-серия. Два гальванически изолированных сегмента для подключения PL-контроллеров;

модем на выделенную 2-проводную линию;

модем на телефонную линию;

радиомодем для подключения к типовой радиостанции;

шестиканальная универсальная плата ввода-вывода;

модем для передачи данных по силовым линиям 0,4 - 35 КВ.

Минипульт

Системы ДЕКОНТ комплектуются малогабаритными пультами оператора (минипульт), на передней поверхности которого расположен двухстрочный символьный жидкокристаллический дисплей и кнопки управления. Размеры устройства позволяют без труда носить его в кармане.

С помощью такого “тестера” можно быстро и автономно проверить правильность подключения внешних цепей, параметров настройки, значений технологических переменных на любом ДЕКОНТ-устройстве. Минипульт может подключаться к любому модулю ввода-вывода и контроллеру Decont-182. Встроенный в минипульт микропроцессор обеспечивает доступ ко всем сигналам, измеряемым модулями ввода-вывода, и программируемым параметрам в контроллерах.

Стационарный пульт

В номенклатуру ПТК ДЕКОНТ входит также стационарный пульт оператора (пульт), предназначенный для установки на передней поверхности защитных шкафов. Пульт используется для создания разнообразных систем локальной автоматики, АСКУЭ и др. Он позволяет решать задачи интерактивного взаимодействия с обслуживающим персоналом.

Пульт обеспечивает управление по 16 дополнительным каналам светодиодной индикации и обработку сигналов от 8 внешних кнопок управления. Связь с источниками/прием-никами дополнительных каналов осуществляется через боковой разъем типа DB25F.

С внутренней стороны пульта, недоступной в закрытом шкафу, размещены три специализированные кнопки, обеспечивающие управление коммерческой информацией, не реагирующие на манипуляции со стандартной клавиатурой.

Топология систем автоматизации

В настоящее время идеология построения различных автоматизированных систем контроля и управления уверенно развивается в сторону распределенных принципов. Такой подход позволяет наиболее полно реализовать требования, предъявляемые к современным микропроцессорным системам автоматизации.

Предлагаемый комплекс ДЕКОНТ обладает модульной распределенной структурой, когда каждый модуль является функционально законченным устройством. В любой системе на базе комплекса не составляет труда организовать “обвязку” автоматизируемого объекта с распределением модулей ввода/вывода и контроллеров именно по требуемым местам. При этом максимально экономится кабельная продукция, упрощается монтаж, повышается надежность измерений.

Имеющиеся вычислительные мощности комплекса позволяют использовать его и для создания централизованных систем, добиваясь при этом технико-экономических показателей, недоступных при иных способах построения.

Рассматриваемые далее различные варианты объединения в единую информационную и управляющую сеть модулей ввода/вывода, пультов, и программируемых контроллеров с интерфейсными платами порождают множество распределенных систем контроля и управления, отличающихся топологически и по функциональному назначению.

Варианты объединения модулей

Связь компьютера с модулями осуществляется через преобразователь интерфейсов RS-232/-485.

Взаимодействие ПЭВМ с модулями ввода/вывода построено по принципу “Мастер-Слейв”. Модули в сети являются слейвами, они пассивны весь обмен данными инициируется по запросу мастера, которым в рассматриваемом примере является ПЭВМ. Обработка сигналов модулями производится циклически по встроенным алгоритмам. После каждого следующего цикла измерений новое измеренное и обработанное значение аналогового или дискретного сигнала заменяет в памяти модуля предыдущее. По запросу мастера по сети передается всегда последнее обработанное значение. По сети от мастера к модулям ввода/вывода поступают настроечные параметры и команды на выдачу управляющих воздействий.

Наибольший практический интерес, с точки зрения создания различных систем автоматизации, представляет использование в качестве мастера управляющего контроллера DECONT-182, обычно дополняемого различными интерфейсными платами.

Подключение стационарного пульта оператора

Такое устройство комплекса как “пульт” является стандартным модулем ввода/вывода, имеющим встроенный интерфейс RS-485. Пульт подключается в локальную сеть аналогично другим модулям ввода/вывода. Благодаря этому достаточно просто можно создать систему локальной автоматики из комбинации модулей ввода/вывода, контроллера и пульта.

Комплексирование контроллеров

Контроллеры Decont-182 легко комплексируются в единое вычислительное пространство. Благодаря мощным коммуникационным возможностям, а также встроенной программной поддержке распределения по контроллерам единой базы технологических сигналов объекта, можно:

выделять наиболее быстрые технологические параметры в отдельные контуры контроля и управления;

создавать дополнительные гальванически изолированные сегменты для связи с удаленными «подобъектами» на территории одного объекта;

безболезненно наращивать коммуникационные интерфейсы для приема данных с интеллектуальных приборов;

создавать резервные каналы связи.

На контроллер 3 возложены стандартные функции контроля и управления модулями ввода/вывода, подключенные через четыре сегмента RS-485.

Контроллер 1 обеспечивает связь объекта с вышестоящим уровнем по основному и резервному модемному каналу. Вместо одной интерфейсной платы на модемный канал по выделенный линии можно установить радиомодем (если есть частота).

Контроллер 2 через модули ввода/вывода, находящиеся на двух сегментах RS-485, контролирует «быстрые» процессы на объекте.

Через интерфейсную плату RS-232 контроллер может считывать архивы из специализированного регистратора (например, регистратора аварий), обрабатывать их и проанализированную, переработанную и обобщенную информацию передавать в контроллер 1 для дальнейшей трансляции на верхний уровень.

Синхронизация времени

В ряде случаев функции специализированного регистратора событий на объекте может выполнять сам контроллер. В ДЕКОНТ-системе часы РВ присутствуют только в “мастерах” - т.е. в контроллерах Decont-182 или ПЭВМ.

Например, в модуле типа DIN16C-xx при обработке дискретных сигналов по каждому дискретному каналу организуется архивный буфер глубиной на 32 события. Для каждого события с миллисекундной точностью запоминается относительное время, т.е. время возникновения события, отсчитываемое от полученной временной метки.

Считывая накопленные архивные буфера из модулей, контроллер на основе полученных значений счетчиков восстанавливает полную картину развития процесса, но уже с привязкой к реальному, астрономическому времени.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЗАКАЛКИ

Основные положения. Оптимальным процессом называют наилучший в определенном смысле процесс, который не только переводит систему из начального состояния в заданное конечное, но и удовлетворяет определенной оценки качества. Так, при необходимости получить высокую производительность, критерием служит быстродействие, при необходимости экономии энергии - минимум потерь энергий. Обычно критерии оценивают процесс в целом, ставя ему в соответствие определенное численное значение. Таким образом, устанавливаются взаимно однозначное соответствие между множеством функций времени (процессов) и множеств чисел (значения критерия). Такое соответствие называют функционалом, функционалы качества представляют собой интегральные оценки (интегральные критерии) вида.

(3.1)

В частности, это может быть одна из интегральных оценок. Критерии быстродействия также можно представлять как интегральный при f_o=l, т.е.

(3.2)

Оценка качеств процессов в форме функционалов позволяет выбирать математическую постановку задачи определения оптимальных управлений. Для объекта, описываемого уравнениями, необходимо определить сигнал управления и е U (U - замкнутая область в пространстве управлений) таким образом, чтобы минимизировать или максимизировать критерий качества.

Обычно рассматривается минимизация критерия, так как задача максимизации приводится к ней простой заменой знака перед выражением критерия. При этом объект должен быть переведен из начального состояния х₀ = x(t₀) в заданное конечное состояние x_f = x(t_f).

На переменные состояния системы х могут быть наложены ограничения в виде системы неравенств.

g(x)<0, (3.3)

где g(x) - векторная функция. Определяющая в пространстве состояний область, допустимую для переменных.В системах управления большую роль играет частота индуктора.

Перед тем как начать моделирование системы, нужно рассмотреть ее факторы которые влияют на технологический процесс закалки изделия.

Процесс закалки делится на четыре позиции:

Нагрев заготовки.

Закалка заготовки.

Отпуск заготовки.

Охлаждение заготовки.

Таким образом, составим математическую модель по четырем позициям.

Составим функциональную схему модели, где основной момент ведется по температуре. Представлено на рисунке 3.1



Рисунок 3.1-Функциональная схема

ЗУ - задающее устройство;

УУ - устройство управления;

ИМ - исполнительный механизм;

ОУ - объект управления;

Д - датчики обратной связи.

Для наглядности модели нужно заменить, функциональную схему на структурную схему, где каждый блок описываются передаточными функциями проведенный на рисунке 3.2

6

Рисунок 3.2 Структурная схема

В данном дипломном проекте представлены экспериментальные переходные характеристики процесса закалки изделия, представляющие собой ступенчатое изменение температуры от времени.

Анализируя и обрабатывая экспериментальные переходные характеристики можно определить вид и характер передаточной функции, то есть получить математические модели закалки изделия.

3.1 Экспериментальная модель закалки изделия

Технологический процесс обжига делится на четыре основные зоны:

I. Зона предварительного нагрева;

II. Зона закалки;

III. Зона отпуска;

IV. Зона охлаждения.

6

Рисунок 3.3-Типовая характеристика процесса закалки изделия.

I. Зона предварительного нагрева

Зона предварительного нагрева делится на два участка:

1. Участок предварительного нагрева изделия

Согласно ТП нужно поднять температуру до 850 ±5^°С.

В общем случае передаточная функция выглядит следующим образом:

W_I = W_з.з.· W_и.з (3.4)

W₁ (p) = e^-фp · К_I / (1 + T_I p) (3.5)

Для графической обработки данных через точку а, которая находится приблизительно на уровне 425⁰С (850 /2) проводим касательную асимптоту рисунке 3.4.

^оС Т _I

850

а б Д t

20

ф t

t _рег

Рисунок 3.4 Апериодического порядка

Участок нагрева изделия

Согласно ТП нужно выдержать 4 минуты при температуре 850 ± 5?С. Участок диаграммы, соответствующий данному режиму, может быть представлен пропорциональным звеном, где выходная величина в любой момент времени пропорциональна входной.

у (t) = Kx (t). (3.6)

Передаточная функция звена:

W_IV (p) = y (p)/x (p) = K_II (3.7)

С

850

K_II

18

0 T_II t

Рисунок 3.5-Типовая переходная характеристика пропорционального звена.

II. Зона закалки изделия

Зона закалки изделия делится на два участка:

1. Участок предварительной закалки изделия

Согласно ТП закалки изделия осуществляется за счет масла.

Темп закалки не должен превышать 200?С. Температуру изделия довести до 250ч5?С.

На данном участке объект управления представлен инерционным звеном.

Дифференциальное уравнение имеет вид:

T· ?x/?t +y = T· ?x/?t (3.8)

Передаточная функция:

W_II (p) = К _III / (T_IIIp + 1) (3.9)

Типовая переходная характеристика представлена на рис.

^оС

850 б_III

250

0 T_III t

Рисунок 3.6 Типовая переходная характеристика реального дифференцирующего звена

2. Участок закалки изделия

Согласно ТП нужно выдержать 4 минуты при температуре 250 ± 5?С. Участок диаграммы, соответствующий данному режиму, может быть представлен пропорциональным звеном, где выходная величина в любой момент времени пропорциональна входной.

у (t) = Kx (t). (3.10)

Передаточная функция звена:

W_IV (p) = y (p)/x (p) = K_IV (3.11)

^оС

250

K_IV

18

0 T_IV t

Рисунок 3.7-Типовая переходная характеристика пропорционального звена

III. Зона отпуска изделия

Зона предварительного нагрева делится на два участка:

1. Участок предварительного нагрева изделия

Согласно ТП нужно поднять температуру до 450 ±5^°С.

В общем случае передаточная функция выглядит следующим образом:

W_V = W_з.з.· W_и.з (3.12)

W_V (p) = e^-фp · К_V / (1 + T_V p) (3.13)

Для графической обработки данных через точку а, которая находится приблизительно на уровне 225⁰С (450 /2) проводим касательную асимптоту рисунке 3.8.

С Т _V

450

а б Д t

200

ф t

t _рег

Рисунок 3.8 Апериодического порядка