Программная реализация вычислительного блока струйной системы измерения температуры потока газа
Аннотация
Дата поступления статьи: 21.03.2014В стать рассмотрена программная реализация вычислительного блока пневмоавтоматической системы измерения. Программа реализована на языках стандарта МЭК: CFC и ST. Алгоритм написан с учетом возможности будущего использования в системах, отличающихся от описанный в статье. Разработанный алгоритм позволяет измерять температуру непосредственно с использованием вычислительных мощностей ПЛК и получать результат в конечным виде, без каких-либо преобразований со стороны оператора.
Ключевые слова: пневмоавтоматика, температура, поток воздуха, алгоритм измерения температуры, измерение температуры,, кодесис, CFC, ST
05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
Контроль температуры одна из важнейших составляющих современных автоматизированных систем управления технологическими процессами предприятия. В большинстве случаев измерения проводятся с помощью электрических датчиков. Однако для некоторых технологических процессов применение таких датчиков нецелесообразно. Подробнее о подобных процессах сказано в статьях [1, 2].
В таких случаях можно использовать пневмоавтоматические системы измерения температуры [3, 4]. Схема такой системы рассмотрена в статье [5].
В ней выходные электрические сигналы от всех измерителей параметров поступают на вход ПЭВМ, в котором осуществляется обработка поступивших сигналов. Программа реализует вычисления, используя математическую модель струйной системы измерения температуры [6].
Для реализации программы могут быть использованы вычислительные мощности программируемых логических контроллеров (ПЛК). Это позволит использовать стандартизированные языки программирования, одобренные международной электротехнической комиссией (МЭК) [7], в данной реализации алгоритма были использованы графический язык непрерывных функциональных схем (CFC), а также структурированный текст (ST) [8]. В дальнейшем алгоритм станет частью пользовательской библиотеки, описанной в статье [9].
На рис. 1 представлен внешний вид разработанного алгоритма в виде функционального блока и реализован в программном комплексе Codesys.
Рис. 1. – Блок измерения температуры.
Данный алгоритм имеет одиннадцать входных переменных, и одну выходную. Восемь входных переменных – это геометрические размеры газодинамического преобразователя и струйного генератора. Входы fs, P и deltaP измеряются в текущий момент времени.
На рис. 2 представлена внутренняя структура блока TEMPEUS, реализованного на языке CFC.
Рис. 2. – Внутренняя реализация алгоритма измерения температуры.
TEMPEUS.
Данный алгоритм включает в себя четыре функциональные блока:
- CONST – блок настройки констант.
- STB – блок настройки геометрических размеров.
- FRAS – блок вычисления комплекса F.
- TEMPRAS – блок расчёта и преобразования температуры в удобный для оператора.
CONST
В данном блоке задаётся значение трёх констант: π, R, ν, где R – число Рейльнольдса, принятое в блоке равным 287; ν – вязкость среды, в данном случае используется воздух, и по умолчанию это значение установлено 18,25.
STB
Блок настройки геометрических размеров служит для задания геометрических размер газодинамического преобразователя и струйного генератора. В этом блоке проходит вычисление коэффициентов k0 – k3.
Ниже представлен листинг реализации функционального блока STB на языке ST.
Заголовок и объявление переменных:
FUNCTION_BLOCK STB
VAR_INPUT
PI,Re,L,D,Lg,H,B,Bu,Dsv,Lsv:REAL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
k0, k1, K2, k3: REAL;
END_VAR
Тело функции:
k0:=10, 67*L;
k1:=2*Lg*SQRT(2*pi*SQR(x:=H,n:=3)*b*bu*Lsv)/dsv;
k2:=PI*SQR(x:=dsv,n:=2);
k3:=7, 64/PI*Re*SQR(x: =D,n:=4);
FRAS
После вычисления коэффициентов k0 – k3 следует вычислить объемные силы (на единицу массы) F1 и F2. Для этого и предназначен функциональный блок FRAS.
Ниже приводится реализация этих вычислений на языке ST.
Заголовок и объявление переменных:
FUNCTION_BLOCK FRAS
VAR_INPUT
k0, k1, k2, fs, v, P, deltaP :REAL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
F:REAL;
END_VAR
VAR
F1, F2:REAL;
END_VAR
Тело функции:
F1:=1-SQRT(v/k2*fs);
F2:=k1*fs/F1+k0*v;
F:=F2/F1;
TEMPRAS
В блоке TEMPRAS проходит конечная стадия вычислений, в результате которых на выходе после преобразования имеем температура в градусах Цельсия.
Вычисление проводятся по формуле:
(1)
которая представляет собой математическую модель системы измерения «струйный ГДП - струйный генератор», которая связывает температуру с частотой, вязкостью, давлением и перепадом[6].
Листинг функционального блока TEMPRAS:
Заголовок и объявление переменных:
FUNCTION_BLOCK TEMPRAS
VAR_INPUT
F,fs, k1,k3,p,deltap:REAL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
T:REAL;
END_VAR
VAR
tempvar1: REAL;
tempvar2: REAL;
END_VAR
Тело функции:
tempvar1:=fs*k1*k3*p*F;
tempvar2:=tempvar1/deltap;
T:=tempvar2-273,15;
Программа рассчитана на технологические процессы, автоматизированные на базе различных ПЛК. В системах управления технологическими процессами ПЛК взаимодействуют с различными компонентами систем человеко-машинного интерфейса (например, операторскими панелями) или рабочими местами операторов на базе ПК, часто промышленных, обычно через промышленную сеть [8, 10].
ПЛК в своём составе не имеют интерфейса для человека, типа клавиатуры и дисплея. Их программирование, диагностика и обслуживание производится подключаемыми для этой цели программаторами — специальным устройством или устройствами на базе более современных технологий — персонального компьютера или ноутбука, со специальными интерфейсами и со специальным программным обеспечением. Рассмотренная в статье программа написана языках стандарта МЭК 61131-3, что делает её универсальной для различных контроллеров [7, 11].
Список литературы:
- Геращенко О. А. Температурные измерения [Текст] / О. А. Геращенко, А. Н. Гордов, А. К. Еремина. – М.: Наукова думка, 1984. – С. 155-158.
- Касимов А. М. Развитие пневматических средств автоматизации [Текст] / Труды конференции «Технические и программные средства систем управления, контроля, измерения» - Москва, 2010. – С. 64.
- Корзин, В.В. Струйные преобразователи температуры повышенной стабильности. [Текст] / В.В. Корзин, Э.И. Чаплыгин, В.А. Горюнов // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Прогрессивные технологии в машиностроении». Вып. 5: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2009. – № 8. – С. 98-100.
- Корзин, В.В. Струйные преобразователи температуры. [Текст] / В.В. Корзин // Научно-технические и экологические проблемы г. Волжского: тез. докл. Межвузовской конференции по региональной научно-технической программе, Волжский, 23-24.11.99 / Изд. ВолгГТУ. – Волгоград, 1999. – С. 8.
- Казакова Л. Г., Корзин В. В., Бурцев А. Г. Пневмоавтоматическая система измерения температуры потока воздуха [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2049 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
- Корзин, В.В. Механико-математическая модель рабочего процесса аэродинамического преобразователя температуры [Текст] / Корзин В.В. // 7-я научно-практическая конф. проф.-преподавательского состава ВПИ (филиала) ВолгГТУ (г. Волжский, 2008 г.) : сб. матер / ВПИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - C. 11-14.
- Karl-Heinz John, Michael Tiegelkamp., IEC 61131-3: Programming Industrial Automation Systems. – Springer, 2001. – 376 p.
- Петров И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования [Текст] / Под ред. проф. В. П. Дьяконова. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 256 c.
- Севастьянов Б.Г., Жолобов И.А. Алгоритм таймера пользовательской библиотеки. «Инженерный вестник Дона», 2013. №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2207 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус.
- Selic, G. Gullekson, P. Ward Real-Time Object-Oriented Modelling. Computer Society. 1994. P. 560.
- Muller P. NC-Controllers and STEP-NC + Status of Standardization ISO14649. //Hanover: EMO 12-19.2001. №9. P.8.