Система автоматического регулирования температуры в пекарной печи

Аннотация: В данной статье рассматривается процесс контроля и регулирования температуры в пекарных камерах печи, а также автоматизация розжига и контроля безопасности и использование программируемого контроллера. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) являются постоянно функционирующими устройствами, обеспечивающими цифровую обработку данных в реальном масштабе времени. ПЛК объединяют в своем составе устройства ввода/вывода (I/O) и блок центрального процессора (CPU).

Ключевые слова: автоматизация, контроллер, ПЛК, печь, регулирование, температура/

Практический курс по ПЛК Овен и разработке АСУ ТП в Codesys:  http://electrik.info/codesys.php

Программируемый контроллер (ПЛК) - это устройство, предназначенное для автоматизации наиболее часто встречающихся в промышленности комбинаторных и последовательных процессов, поэтому он представляет интерес практически для любого случая автоматизации.

На рисунке 1 показаны основные компоненты ПЛК, который контролирует состояние объектов управления (группы объектов) путем считывания сигналов датчиков, подключенных к его выходам. ПЛК выполняет программу пользователя, хранимую в CPU, и формирует воздействие на объект управления посылкой сигналов управления на выходы, к которым подключаются исполнительные устройства.

Рисунок 1 - Основные компоненты ПЛК

Программируемые логические контроллеры семейства SIMATIC S7-200 являются идеальным средством для построения высокоэффективных систем автоматического управления при минимальных затратах на приобретение оборудования и разработку системы. Контроллеры способны работать в реальном масштабе времени и могут быть использованы как для построения узлов локальной автоматики, так и систем распределенного ввода-вывода с организацией обмена данными по PPI или MPI интерфейсу, сети PROFD3US-DP или AS-интерфейсу.

Семейство SIMATIC S7-200 объединяет в своем составе:

• 4 типа центральных процессоров, отличающихся объемами памяти, количеством встроенных входов-выходов, набором встроенных функций, возможностями расширения системы.
• Широкий спектр модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов.
• Два коммуникационных модуля, обеспечивающие возможность подключения к AS-интерфейсу и сети PROFIBUS-DP (только ведомое устройство).

Все контроллеры, модули ввода-вывода и коммуникационные модули выпускаются в износоустойчивых пластиковых корпусах. Монтаж всех модулей может выполняться на стандартную 35мм профильную шину или на плоскую поверхность. Соединения между модулями выполняются плоскими кабелями.

Все центральные процессоры снабжены встроенным блоком питания напряжением 24В постоянного тока для питания входных и выходных цепей контроллеров. В зависимости от модификации выходной ток блока питания может составлять 180, 280 или 400мА. Если мощности этих блоков питания недостаточно, то совместно с контроллерами S7-200 могут быть использованы внешние источники питания семейства SITOP power.

Тип центрального процессора

Для нашей системы используется центральный процессор CPU 222. Данный центральный процессор, предназначен для построения относительно простых систем автоматического управления, работающих автономно или в составе распределенных систем автоматического управления. Оснащен 8 встроенными дискретными входами и 6 дискретными выходами. Позволяет производить подключение до 2 модулей расширения ввода-вывода.

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-200 предназначены для построения систем автоматического управления и регулирования, как отдельных машин, так и отдельных частей производственного процесса.

Контроллеры находят применение для управления:

1. прессами;
2. смесителями пластификатора и цемента;
3. насосными и вентиляторами;
4. деревообрабатывающим оборудованием;
5. воротами и дверями;
6. гидравлическими подъемниками;
7. конвейерами;
8. оборудованием пищевой промышленности;
9. лабораторным оборудованием;
10. обменом данными через модем;
11. электротехническим оборудованием и аппаратурой.

На их основе могут создаваться эффективные управляющие устройства, отличающиеся относительно невысокой стоимостью SIMATIC S7-200 позволяют решать широкий спектр задач управления. От замены простых релейно-контактных схем до построения автономных систем управления или создания интеллектуальных устройств систем распределенного ввода-вывода. Программируемые контроллеры S7-200 находят применение там, где основным требованием к системе управления является ее низкая стоимость.

Технические данные CPU 222:

1) Встроенный блок питания =24В/180мА для питания датчиков и преобразователей.

2) 2 исполнения, отличающихся напряжением питания и типами выходов.

3) 8 встроенных дискретных входов и 6 дискретных выходов.

4) 1 коммуникационный порт (RS 485), который может использоваться: 

5) Возможность подключения до 2 модулей расширения ЕМ (из состава серии S7-22x) для ввода-вывода дискретных или аналоговых сигналов.

6) Входы прерываний, обеспечивающие исключительно быструю реакцию на внешние события.

7) 4 скоростных счетчика (30 кГц) с параметрируемыми входами разрешения работы и сброса, 2 независимых входа для подключения инкрементальных датчиков позиционирования с двумя последовательностями импульсов, сдвинутых на 90° (20 кГц).

8) Имитатор входных сигналов (опциональный), позволяющий имитировать переключателями входные сигналы контроллера и производить отладку программы.

9) 1 потенциометр, подключенный к АЦП контроллера, позволяющий производить установку цифровых параметров. Например, уставок счетчиков или таймеров.

10) 2 импульсных выхода (до 20 кГц), используемых для решения задач позиционирования, частотного управления двигателями, а также управления шаговыми двигателями. Подключение двигателей должно производиться через соответствующие усилители.

11) Съемный опциональный модуль часов реального времени, используемый для управления процессами во времени, снабжения сообщений временными отметками и т.д.

12) Съемный опциональный модуль EEPROM-памяти, используемый для быстрого программирования контроллера (установкой запрограммированного модуля памяти) и архивирования данных.

13) Съемный опциональный модуль батареи, позволяющий сохранять данные (состояния флагов, таймеров и счетчиков) при перерывах в питании в течение 200 дней. Без этого модуля данные в памяти контроллера могут сохраняться только в течение 5 дней. Для сохранения программы модуль батареи не нужен. 14) Исчерпывающий набор инструкций; большое количество:

• Базовых операций: логические инструкции, инструкции адресации результата, сохранения, управления таймерами и счетчиками, загрузки, передачи, сравнения, сдвиговых операций, формирования дополнений, вызова подпрограмм (с передачей локальных переменных).
• Интегрированных коммуникационных функций: чтения (NETR) и записи (NETW) информации в сеть, поддержки свободно программируемого порта (Transmit ХМТ, Receive RCV).
• Функций расширенного набора команд: инструкции управления широтно-импульсной модуляцией, генераторами импульсов, выполнением арифметических функций и операций с плавающей запятой, работой ПИД регуляторов, функциями переходов и циклов, преобразования кодов и другие.

15) Счетчики: удобный набор функций в сочетании с встроенными скоростными счетчиками существенно расширяют возможный спектр областей применения контроллера.

16) Обработка прерываний:

• Использование входов аппаратных прерываний, фиксирующих появление импульсных сигналов (по нарастающему или спадающему фронту) и позволяющих существенно снизить время реакции контроллера на поступающие запросы.
• Временные прерывания, периодичность повторения которых может задаваться с шагом в 1 мс в диапазоне от 1 до 255 мс.
• Прерывания от счетчиков: могут формироваться в моменты достижения заданного значения или изменения направления счета.
• Коммуникационные прерывания: обеспечивают повышение эффективности связи с периферийным оборудованием, например, с принтером или сканнером штрих-кодов.

17) Непосредственный опрос входов и управление выходами: опрос входов и управление состоянием выходов может выполняться независимо от цикла выполнения программы. Это позволяет снизить время реакции на прерывание и время формирования соответствующих выходных сигналов.

18) Парольная защита: трехуровневая парольная защита доступа к программе пользователя. Концепция парольной защиты базируется на использовании следующих вариантов доступа к программе:

• Полный доступ: программа может быть изменена по Вашему желанию.
• Только чтение: изменение программы запрещено, допускается выполнять ее тестирование, изменять настройки параметров, копировать программу. 
• Полная защита: программа не может быть прочитана, не может быть скопирована, не может быть изменена. Допускается изменение параметров настройки.

19) Функции тестирования и диагностики: готовая программа может быть выполнена заданное количество циклов (до 124), результаты выполнения могут быть проанализированы; допускается изменение состояний флагов, счетчиков и таймеров.

20) Принудительная установка значений входных и выходных сигналов во время диагностирования и отладки: в целях отладки циклы выполнения программы могут происходить при заданных значениях входных и выходных сигналов.

Модификации контроллера Simatic S7-200 CPU222 приведены в таблице 1 (модификации отличаются типом выходов).

Исполнительными устройствами в проектируемой системе являются электромагнитные вентили, поэтому используем модификацию 6ES7211- 0ВА21-0ХВ0 с релейными выходами.

Выбор элементов для построения системы человеко-машинного интерфейса

Для построения систем человеко-машинного интерфейса программируемых контроллеров S7-200 воспользуемся текстовым дисплеем TD 200.

Текстовый дисплей TD 200 является наиболее удобным средством для создания интерфейса оператора с программируемым контроллером SIMATIC S7-200. Дисплей соединяется с контроллером соединительным кабелем, входящим в его комплект поставки, по PPI интерфейсу и не требует использования дополнительного источника питания.

TD 200 может быть использован для решения следующих задач:

• отображение сообщений;
• изменение параметров настройки программы;
• ручной запуск и остановка машин и механизмов. Он обладает следующими достоинствами: Параметры настройки текстового дисплея TD 200 сохраняются в памяти центрального процессора программируемого контроллера S7-200. Необходимые части текстовых сообщений и параметры настройки текстового дисплея формируются инструментальными средствами пакета STEP 7- Micro/WIN.

Модуль расширения. Подключение термоэлектронных датчиков к программируемому контроллеру невозможно осуществить напрямую, так как он обладает только дискретными входами. Для этого необходим модуль ЕМ 231, который предназначен для подключения термопар к центральным процессорам CPU 222/ 224/ 226 и позволяет производить прецизионное измерение сигналов стандартных термопар. Кроме этого модуль способен измерять сигналы напряжения ± 80мВ.

Модуль ЕМ 231 обладает следующими достоинствами:

• удобная обработка сигналов термопар с высокой точностью;
• возможность подключения термопар 7 различных типов;
• возможность измерения сигналов напряжения ±80мВ;
• простое подключение к существующим системам.

Модуль термоэлементов ЕМ 231 имеет те же конструктивные характеристики, что и все другие модули S7-22x:

1) Монтаж на стандартную профильную шину: модуль устанавливается на стандартную 35мм профильную шину DIN справа от центрального процессора CPU 22х и подключается к системе с помощью встроенного плоского кабеля.

2) Монтаж на плоскую поверхность: корпус модуля снабжен монтажными отверстиями, позволяющими производить его монтаж на плоскую поверхность с помощью винтов или шурупов. Этот вариант крепления рекомендуется для установок, подверженных вибрационным воздействиям.

3) Термопары: к одному модулю возможно подключение 4 термопар семи различных типов. Подключение датчиков производится непосредственно к модулю без использования промежуточных усилителей. Ко всем 4 каналам должны подключаться термопары одного и того же типа.

4) Особенности монтажа: для обеспечения наиболее высокой точности измерений и хорошей повторяемости результатов модуль должен монтироваться в местах, подверженных минимальным колебаниям температуры.

5) DIP-переключатели: необходимые настройки модуля, например, выбор типа подключаемых термопар, производятся с помощью встроенных DIP-переключателей.

6) Выбор пределов измерений: сигналы термопар типов J, К, Т, Е, R, S или N; сигналы напряжения ±80мВ.

7) Тестирование на разомкнутых линиях.

8) Компенсация холодного спая: для предотвращения погрешностей, вносимых сопротивлением соединительных линий и контактных соединений между модулем и термопарой; при переходе на диапазон ±80мВ компенсация автоматически отключается.

9) Масштабирование: измерение температуры может выполняться в °С или в °F.

Для подключения исполнительных механизмов (электромагнитных вентилей и катушек зажигания) нам требуется 12 дискретных выходов. В нашем контроллере имеется 6 встроенных дискретных выходов. Для увеличения дискретных выходов используем модуль вывода дискретных сигналов ЕМ222 модификации 6ES7222-1HF20-0XA0 имеющий 8 релейных выходов.

В своей работе при построении математической модели пекарной печи использовались данные, полученные в работе [2, 180-184]. Сложны является вопрос о стабилизации температуры на каждом из участков из-за многосвязанности объектов, его переменных коэффициентов и многочисленных возмущений. В этом случае применена теория аналитического конструирования регуляторов с неполной информацией.

Литература:

1. Михелев Справочник по хлебоперному производству. Оборудование и тепловое хозяйство. – 2-ое издание, перераб. и доп. - М., Пищевая промышленность, 1977 – 368 с.

2. Петухов К. В., Получение математической модели четырехслойного цилиндра при вспучивании керамзита во вращающейся печи // Сборник научных трудов «Современные технологии и управление» по материалам II Международной научно – практической конференции – п. Светлый Яр, 2013, С. 180-184 

Автор:

Петухов К. В. ККГИПИБ (филиал) ФГБОУ ВО «МГУТУ им. К. Г. Разумовского (ПКУ)»