•  

    Новостная рассылка

    Подпишитесь и получайте самые свежие новости.
    Подписаться на новостную рассылку
    • Главная
    • >
    • Новости
    • >
    • Статья "Разработка и реализация на базе ПЛК комплексных стратегий управления"

    Статья "Разработка и реализация на базе ПЛК комплексных стратегий управления"

    07 июня 2012 года
    П. Кодати, Т. Эрккинен, А. Туревский, MathWorks

    Что лучше: настроить контур управления на реальном объекте или имитаторе или провести предварительное моделирование? Ответ на этот вопрос зависит от многих обстоятельств: от опыта и навыков инженера, от сложности объекта регулирования, от сложности алгоритмов управления и т.д. Истина скорее всего посередине: необходимо предварительное моделирование с последующей доводкой системы управления на технологическом объекте.

    Статья опубликована в журнале "Электронные компоненты" №3 2012 в рамках совместного проекта медиагруппы «Электроника» и Департамента MathWorks компании Softline.

    Программируемые логические контроллеры (ПЛК, PLC) используются для решения различных задач управления, от сравнительно простых систем автоматического управления с одним входом и одним выходом до систем с несколькими связанными контурами и сложными алгоритмами управления. В случае простых задач управления, например, в системах c пропорционально-интегрально-дифференциальным регулированием (ПИД) инженеры могут ввести ПИД-регулятор и настроить усиление при работающей машине. В более сложных системах управления программирование и проверка логики управления на ПЛК требуют значительно больших усилий. Конструкторы должны определить значения всех параметров схемы
    управления и убедиться, что все составляющие алгоритма управления будут взаимодействовать так, как запланировано. Настройка сложной схемы управления на аппаратном прототипе или на реальном технологическом процессе не только отнимает много времени, но и характеризуется высокой степенью риска повреждения оборудования.
    Альтернативным решением является использование моделирования, что позволяет создавать и проверять сложные стратегии управления на моделях. Затем такую же модель можно использовать для автоматического создания структурированного текста, соответствующего международному стандарту МЭК 61131 и предназначенного для программирования ПЛК при развертывании. В этой статье такой подход показан на примере использования в системе управления сталепрокатным станом.

    Задачи системы управления сталепрокатным станом

    На сталепрокатном стане из плоской стальной заготовки изготавливают лист заданной толщины. Обычно прокатный стан состоит из нескольких каскадов, на каждом из которых валки сдавливают проходящий через них стальной лист (см. рис. 1). Между каскадами валков с помощью каскада механизма подачи поддерживается натяжение листа, предотвращается образование разрывов и провисаний. Для исполнения модели многокаскадного процесса нужно сначала смоделировать один каскад прокатных валков и систему управления ими. Более общую конфигурацию можно проанализировать, соединив несколько таких более простых установок.




    Рис. 1. Схема технологического процесса прокатки стали


    Система управления рассматриваемым простым прокатным станом должна удовлетворять следующие требования:
    –– поддержание толщины производимого стального листа на выходе последнего валка на уровне 8 мм ±0,1 мм;
    –– поддержание требуемой производительности на выходе последнего валка на уровне 1 м/с ±0,1 м/с;
    –– поддержание давления на материал на уровне 1,75 Н/м2·105 по прошествии 100 с для каждого валка;
    –– обнаружение неисправностей датчиков и приводов и последующее приведение их в норму либо безопасная остановка.

    Создание модели объекта

    Моделирование начинается с создания модели Simulink® прокатного стана, которая будет использоваться для разработки и испытания рассматриваемого контроллера. Процесс моделируется в два этапа. Сначала создаются модели отдельных каскадов валков, затем — находящийся между ними каскад подачи. В каскадах валков для создания сдавливающего усилия валков на стальную ленту применяется гидропривод. Прикладываемый к валкам крутящий момент, который создается электроприводом,
    позволяет контролировать скорость прокатки. Используя SimMechanics™, Simscape™ и SimHydraulics®, можно моделировать, соответственно, механические, электрические и гидравлические элементы без необходимости выведения специальных уравнений. Для моделирования каскада подачи используется библиотека SimMechanics; отображается каскад подачи и стальная лента до и после объединения трех узлов в местах стыка. Затем модели каскадов валков и подачи объединяются в одной системной модели Simulink (см. рис. 2).

    Конструирование и проверка регуляторов

    На следующем этапе для конструирования регуляторов используется модель объекта. На рисунке 3 показана многоконтурная архитектура типичной системы управления технологическим процессом многокаскадного прокатного стана. Система управления состоит из следующих регуляторов:
    –– AGR — управление открыванием гидравлического клапана, создающего сдавливающее усилие валков для регулировки толщины стальной ленты;
    –– ASR — управление напряжением двигателя постоянного тока, который создает требуемый крутящий момент
    валков и за счет этого обеспечивает контроль скорости стальной ленты;
    –– LHC — задание опорного значения частоты вращения валков для непрямого достижения требуемого натяжения материала (когда натяжение больше требуемого значения, увеличивается уставка скорости, что способствует поступлению дополнительного материала и снижению натяжения. Если натяжение ниже требуемого значения, провисания избегают снижением скорости прохождения стального листа);
    –– CRCC — регулировка тока двигателя валика подачи для позиционирования валика, поддерживающего натяжение материала.



    Рис. 2. Модель Simulink с каскадом валков и каскадом подачи. Theta = угол подачи



    Рис. 3. Многоконтурная архитектура системы управления (тета = угол валика подачи; сигма = натяжение пластины; омега = скорость пластины)

    Все контуры обратной связи связаны между собой. Например, гидропривод, управляемый регулятором AGR,
    влияет не только на толщину стального листа, но и на его скорость. Оба регулятора LHC и ASR предназначены для
    поддержания требуемого натяжения и нужной скорости листа.

    Сначала проектируются регуляторы, управляющие работой одного валка. С помощью Simulink Control Design™
    линеаризуется нелинейная модель. Затем выполняется настройка устройства управления с помощью инструментов конструирования ПИД в Simulink Control Design, заключающаяся в подсчете коэффициента усиления данного
    устройства управления. Устройство настройки (см. рис. 4) автоматически подсчитывает коэффициенты усиления ПИД по требуемому времени реакции. С помощью Simulink Design Optimization™ выполняется точная настройка коэффициентов усиления устройства управления, чтобы система устойчиво работала при наличии нелинейностей. Работа конструкции в целом проверяется путем запуска нелинейного моделирования. Модель объекта используется для решения двух задач: во-первых, линеаризованная модель объекта, созданная с помощью Simulink Control Design, используется для настройки регуляторов,
    и, во-вторых, полная нелинейная модель применяется для проверки работы системы управления путем исполнения
    модели с замкнутыми контурами обратной связи.