РАЗРАБОТКА АВТОМАТИКИ УПРАВЛЕНИЯ И МОНИТОРИНГА СИСТЕМ ПЛАЗМОТРОНА

ВВЕДЕНИЕ

Микропроцессорные технологии дают возможность автоматизировать любые процессы – от бытовых до промышленных. Функциональные возможности и совершенствование элементной базы микропроцессорных устройств постоянно развиваются. В этой связи растет интерес к применению систем управления и мониторинга, реализуемых на микроконтроллерах. Такие автоматические системы отличаются быстродействием, многофункциональностью, отсутствием ошибок вследствие «человеческого фактора», гибкостью и возможностью модернизации. В опасных для здоровья и жизни человека отраслях производства внедрение автоматизированных систем управления повышает безопасность и надежность работы [1].

На сегодня, развитие промышленности во многом зависит от электротехнологий. К их числу относятся плазменные технологии, применяемые в энергетической, металлургической, химической, машиностроительной и др. областях производства. Источники высокотемпературных потоков в данных электротехнологиях – электродуговые нагреватели (плазмотроны), являющиеся часто наиболее ответственными узлами технологических установок. Переход автоматики плазмотрона с аналоговой на цифровую комплектацию повысит износостойкость электродов, точность измерений, плавность управления, помехоустойчивость, скорость срабатываний исполнительных органов, помехозащищенность и уменьшить габариты установки. Ряд таких характеристик важен для эффективного и устойчивого ведения длительного (4-8 часов и более) технологического процесса (растопки котлов ТЭС) [2].

Целью работы является разработка системы автоматики для высокоэффективного, ресурсосберегающего процесса работы плазмотрона. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить недостатки работы аналоговой системы;
• исследовать работу автоматики на цифровой базе;
• провести сравнительный анализ различных способов реализации программного управления и мониторинга процессов.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В данной работе предлагается разработанная система автоматизации и мониторинга работы плазменной системы на основе цифровых устройств и микроконтроллера.

Рассмотрим принципиальную схему автоматики плазмотрона, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема питания и автоматики плазменной системы

Лабораторный прототип автоматики плазматрона (2) в качестве агента применяет газ, угольную пыль и др. Агент поджигается дугой, которая поддерживается компрессором (5) системы газообеспечения. Система охлаждения регулирует температуру установки в заданном диапазоне за счет циркуляции жидкости сетевым насосом (11) из емкости (6). На пульте управления (1) осуществляется сбор и учет данных с датчиков температуры (9), расхода рабочего газа (8) и жидкости (10). Датчики установлены в питающих трубах систем охлаждения и газообеспечения. Также пульт управления позволяет управлять реле (14) и запорной арматурой (7). Благодаря беспрерывному мониторингу входных данных с измерительных приборов - осуществляется регулирование длины и интенсивности горения факела, уменьшение эрозии катода путем применения автоматического управления электрическими показателями. Контроль за электрическими показателями источника питания (4) дуги плазмотрона осуществляется вольтметром (12) и амперметром (13). Источник питания подключается к сети через развязывающий трансформатор (3), исключающий попадание в сеть высокочастотных сигналов (гармонических составляющих). Питание систем автоматики производится от сетевого напряжения.

АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ

Для перевода системы автоматики на цифровую базу используется платформа Arduino на базе микроконтроллера ATmega1280.

Мониторинг работы плазматрона осуществляется с помощью сенсорного дисплея марки Nextion со встроенным 32-разрядным процессором и видеокартой.

Контроль и учет показателей всех систем реализуется на:

- цифровых датчиках-расходомеров скорости потока рабочего газа и охлаждающей жидкости, работающих на эффекте Холла;

- цифровых герметичных датчиках температуры рабочего газа и охлаждающей жидкости в питающих трубах;

- понижающих трансформаторах тока и напряжения.

В качестве исполнительных органов используется:

- запорная арматура с электроприводом для регулирования потоков рабочего газа и жидкости;

- полупроводниковые и механические реле и тиристоры для коммутации электрических сетей;

- световая сигнализация для визуального предупреждения о критическом изменении показателей систем.

Характеристики указанных устройств и датчиков в полной мере соответствуют поставленным задачам. Цифровая аппаратная часть дает более точный и помехоустойчивый сигнал, чем их аналоговые прототипы, а также в меньшей степени страдает от разных факторов – температуры окружающей среды, напряжения питания, старения компонентов и т.д.

ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ

Разработана программа автоматического управления и мониторинга работы систем плазмотрона в среде разработки Arduino IDE [3] с использованием языка программирования Processing. Данный язык является адаптацией С/С++ и ориентирован на создание устройств прикладного характера.

Визуализация и touch-управление реализованы в среде разработки Nextion Editor. Преимущество Nextion Editor заключается в наличии библиотеки с набором готовых компонентов, загружаемых в память дисплея марки Nextion, возможности интуитивного программирования.

В программной части можно выделить основные модули:

1. определение контактов подключения входных и выходных данных к микроконтроллеру и подключение библиотек для использования цифровых устройств;
2. определение начальных условий и инициализация параметров подключаемых устройств;
3. обработка входных и формирование управляющих сигналов.

Следует отметить особенности реализации программного обеспечения для автоматического управления системами плазматрона. Микроконтроллер одновременно получает информацию с нескольких цифровых датчиков при этом одновременно управляет несколькими устройствами, поэтому возникает необходимость отказа от функции delay(миллисекунды). Ее использование приостанавливает активность платформы, что может сказаться на быстродействии системы автоматизации, на точность измерений, вызвать ложные срабатывания или не срабатывания исполнительных устройств. При этом неточности и ошибки возрастают с увеличением параметра функции delay(миллисекунды). В то же время, многие цифровые датчики и методы обработки сигналов требуют временных задержек. Поэтому необходимо использовать функцию millis(), возвращающую количество миллисекунд с начала старта программы без остановки выполнения основной программы.

В результате конструкция типа:

операция;

delay(миллисекунды);

операция;

заменяется на:

if (millis() – задержка > уставка по времени)

{операция;}

Для повышения точности измерений цифровыми датчиками предлагается использовать функцию attachInterrupt(номер прерывания, обработчик прерывания, условие прерывания). Количество входов с прерываниями варьируется от типа микроконтроллера. В качестве обработчика прерываний используется отдельная функция. Условием прерывания является изменение сигнала на входе.

Прерывание в разработанной автоматической системе управления и мониторинга используется для более точного и качественного сбора данных, а также для управления системой со стороны пользователя.

Анализ различных функций обработки сигналов с датчиков расхода рабочего газа и жидкости показал, что функция attachInterrupt() обеспечивает постоянную фиксацию изменения сигнала. В других функциях, например, pulseIn(номер вывода, характер импульса), наблюдается потеря части информации из-за меньшего приоритета в программном коде.

Функция attachInterrupt() используется для реализации связи и беспрерывной передачи данных для мониторинга пользователем, так как прерывания позволяют некоторым важным задачам выполняться в фоновом режиме и по умолчанию включены. Сенсорный дисплей Nextion подключается на цифровые выходы 2 ТХ и 3 RX платформы Arduino:

SoftwareSerial nextion(2,3);

Дисплей выполняет функции пульта управления и мнемосхемы работы установки, являющийся полноценным автоматизированным рабочим местом. Основная функция – отображение параметров всех систем плазматрона на экран, кроме этого был организован и двусторонний обмен информацией Arduino « Nextion, позволивший пользователю вводить ступени регулирования запорной арматуры на сенсорном дисплее в зависимости от уставок по температуре и скорости потоков рабочего газа и жидкости.

Функциональная схема алгоритма работы систем автоматики и мониторинга показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема алгоритма работы систем автоматики и мониторинга

При нажатии на сенсорном дисплее пусковой кнопки SB1 формируется управляющий сигнал, запускающий системы автоматики и мониторинга. Этот сигнал является фронтом для триггера Tr1, выводящий информацию с датчиков температур, расхода рабочего газа, охлаждающей жидкости и измерительных трансформаторов на экран.

На сенсорном дисплее пользователь задает ступени регулирования, которые обозначаются

A >>>,

где A – контролируемая величина;

>>> - ступень регулирования (> - 1-ая ступень, >> - 2-ая, >>> - 3-ья).

Для поворота запорной арматуры S1, необходимо, чтобы на вводах логических элементов DUX1-DUX3 присутствовал управляющий сигнал от SB1 и сигнал от регуляторов по температуре kT1-kT3. Угол поворота редуктора заторной арматуры зависит от ступени регулирования. В перспективе количество ступеней может быть не ограниченно.

Предусмотрены аварийные и защитные отключения.

Технической аварией будет считаться ситуация, когда в отходящих трубах не будут выявлены потоки рабочего газа или охлаждающей жидкости, несмотря на команду повернуть запорную арматуру. Для этого логические элементы DUX4-DUX5 выполняют функции ЗАПРЕТА фиксаторов наличия потоков kG1-kG2, а логический элемент DUX6 проверяет наличия сигнала от регуляторов по углу поворота kD1-kD3.

Аварийным режимом будет считаться критическое повышение или понижение напряжения, а также большие токи, которые выявляются реле по напряжению kV1-kV2 и току kA1. Функциональная схема содержит ключи SG1-SG2, которые отключают защиту по напряжению. Релейные защиты мгновенно действуют на сигнал и с выдержкой времени DT1-DT2 – на отключение питающих цепей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время авторами разработаны системы автоматики и мониторинга работы плазмотрона на цифровых устройствах, выявлен ряд условий для высокоэффективного управления и регулирования процессами, выполняемыми установкой. Были проведены предварительные экспериментальные исследования эффективности автоматики поддержания оптимального режима работы плазматрона. Стоит отметить, что эксперименты имели успешный результат, так как исполнительные органы успешно выполняли поставленные задачи согласно данным с датчиков. Ложных срабатываний, несрабатываний и сбоев вывода данных на дисплей, при различных ситуативных моделях, не наблюдалось.

Список литературы:

1. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. – М.: Машиностроение. Автоматическое управление. Теория. Т. I-4 / Е.А. Федосов, А.А. Красовский, Е.П. Попов и др. 2000. 688 с., ил.
2. Урбах А.Э. Разработка и исследование электродуговых плазмотронов с длительным ресурсом работы для электротехнологий плазменного воспламенения углей, резки и сварки металлов: Авторефер. дис. канд. наук. – Новосибирск, 2003. – С.15–16.
3. Arduino programming notebook / Brian W. Evans, printed in the USA, august 2007, first edition.