Автоматическая система управления процессом передвижения пассажирского лифта

 

Рисунок 4 – Функциональная структура управления

 

2.3 Определение  уровней управления ТП и архитектуры  верхнего уровня АСУ

 

Для управления технологическим  процессом передвижения пассажирского  лифта необходимо наличие трёх уровней  управления.

Верхний уровень

В последнее время  наблюдается тенденция к оснащению  зданий сложным инженерным и коммуникационным оборудованием. Появляется необходимость  вести наблюдение за основными системами  жизнеобеспечения здания для предупреждения и быстрого реагирования на неисправности. Данную задачу позволяет решить автоматизированная система контроля, управления и диспетчеризации (АСКУД). Её также можно назвать  как сервер ЖКХ. В частности для  лифтового оборудования АСКУД позволяет:

контролировать положение  кабины лифта в режиме реального  времени

формировать отчеты о  простоях, неисправностях, техническом  обслуживании

контролировать доступ в шахту или машинное помещение

контролировать выход  лифтового оборудования из строя

В диспетчерскую приходит вся информация с лифтов подключённых к системе. Диспетчер по полученным данным может направить бригаду  на ремонт вышедшего из строя оборудования.

На базе обычной SCADA системы  реализован диалог взаимодействия диспетчера и поступающих данных. Также ведётся  журнал событий в течение месяца.

Средний уровень

На среднем уровне происходит реализация локальных управляющих  алгоритмов (управление приводом);

взаимодействие между  технологическими объектами управления;

информационный обмен  с уровнем III.

Для реализации перечисленных  функций применяем универсальный  сервоконтроллер ELESY PCI-Servo 4 производства фирмы «ЭЛЕСИ» Россия.

Контроллер предназначен для измерения непрерывных сигналов, представленных напряжением постоянного  тока и (или) постоянным током, сбора  и обработки информации с первичных  датчиков, формирования сигналов управления по заданным алгоритмам, приема и передачи информации по последовательным каналам связи в системах измерения, контроля и управления объектами.

Основная область применения – системы управления перемещением технологического оборудования в соответствии с заданной программой движения.

Нижний уровень

Нижний уровень АСУ  ТП состоит из преобразователя частоты ESD-TCL фирмы «ЭЛЕСИ», который является специальной разработкой для  управления безредукторным асинхронным  приводом лифтовой лебёдки; источник питания Siemens LOGO для подачи напряжения питания 24В;

датчик положения, определяющий точное местонахождение кабины в  шахте; два механических нормально  замкнутых тормоза; посты вызовов  и приказов; конечные выключатели  «верхний этаж» и «нижний этаж».

На дискретные входы  сервоконтроллера подаются команды  с постов вызовов и приказов, сигналы  о нахождении лифта в верхнем  и нижнем положении в шахте, сигналы  открывания закрывания дверей кабины лифта, сигналы аварий.

 

 

2.4 Блок схемы  аппаратных средств уровней системы.  Выбор аппаратных средств на  всех уровнях управления. Вариант  принципиальной схемы соединения  между аппаратными блоками системы

 

Рисунок 5 - Блок-схема  соединения аппаратных средств уровней  управления АСУ ТП

 

 

2.5 Выбор общего и специального программного обеспечения на всех уровнях АСУ ТП

 

Для сервоконтроллера ELESY PCI-Servo 4 используется следующее программное  обеспечение.

Драйвер под Windows XP/2000/NT.

Утилита для конфигурирования параметров сервоконтроллера с возможностью тестирования периферии.

DLL библиотека с поддержкой  набора функций управления сервоконтроллером.

Примеры программирования сервоконтроллера на Borland Delphi, C++ Builder.

Преобразователь частоты  реализует векторное управление двигателем, программа работы написана в среде Code Composer Studio v3.1.

 

2.6 Принципы обмена  информацией между уровнями системы.  Выбор интерфейсных устройств  и протоколов обмена

 

Обмен информацией между  верхним (АРМ оператора) и средним  уровнем осуществляется посредством  локальной сети PROFIBUS-DP по интерфейсу RS-485.

 

 

3. Математическое  моделирование системы управления  технологическим процессом

 

3.1 Выбор среды  моделирования и разработка математической  модели технологического процесса  и технологического оборудования  с исполнительными электроприводами

 

Моделирование работы технологического процесса будем проводить в среде MATLAB Simulink, обладающей широкими возможностями  выполнения математического моделирования, создавая модель из простых блоков. Также в среде Simulink содержаться  блоки, которые позволяют визуализировать  процессы моделирования.

Математическое описание процессов в асинхронном двигателе

Математическое описание АД должно отражать особенности эксплуатационных режимов работы нагрузочного моментного ЭП в составе испытательного стенда. Кроме того, в дальнейшем данная имитационная модель рассматривается  как объект оптимального управления, на основании которого выполняется  структурно-параметрический синтез системы векторного управления АД.

При составлении уравнений  электрического равновесия в обмотках АД возьмём за основу систему уравнений  для трёхфазной электрической машины и ряд допущений, общепринятых в  теории электрических машин переменного  тока:

параметры обмоток всех фаз имеют одинаковые значения, т.е. имеет место симметричный режим  работы;

магнитное поле электрической  машины имеет синусоидальное распределение  вдоль воздушного зазора;

принимаем напряжения на выходе ПЧ синусоидальной формы, заведомо не учитывая взаимного влияния между  АД и ПЧ по силовому каналу;

не учитываются потери в стали, вызываемые протеканием  вихревых токов в магнитопроводе двигателя и его перемагничением;

насыщение магнитной  цепи АД не учитывается благодаря  наложению ограничений на статорные  токи;

эффект вытеснения токов  в проводниках ротора пренебрежимо мал ввиду того, что частота  токов ротора при питании от ПЧ ограничена рабочим участком механической характеристики.

На основании второго  закона Кирхгофа и с учётом вышеприведённых  допущений, уравнения для ЭДС  в обмотках статора и ротора АД можно представить в следующем  виде:

 

(2.1)

 

для цепей статора  и

 

(2.2)

 

для цепей ротора.

В представленных системах уравнений приняты следующие  обозначения:

= = = – активные сопротивления фаз статора;

= = = – активные сопротивления фаз ротора;

, , , , , – мгновенные фазные напряжения статора и ротора;

, , , , , – мгновенные фазные токи в обмотках статора и ротора;

, , , , , – потокосцепления обмоток статора и ротора.

Для связи между потокосцеплениями  и токами в обмотках воспользуемся  законом Ампера, тогда:

 

(2.3)

 

для статора

 

(2.4)

 

для ротора.

Уравнения потокосцеплений  показывают зависимость от токов  в каждой обмотке через взаимоиндукцию. В уравнениях (2.3 и 2.4) коэффициенты , , , , , являются собственными индуктивностями соответствующих обмоток, все остальные – индуктивности между соответствующими обмотками.

Не забывая о том, что системы уравнений (2.1 – 2.4) связывают  исключительно скалярные величины, выражение для электромагнитного  момента представим в следующем  виде [60]:

 

,(2.5)

 

где это число пар полюсов рассматриваемого АД.

На основании второго  закона Ньютона представим уравнение  для движения и равновесия моментов на валу АД:

 

,(2.6)

 

где – момент инерции на валу АД, – угловая частота вращения ротора, – момент развиваемый АД и – момент приложенный к валу двигателя со стороны нагрузки.

Изначально АД является трёхфазной электрической машиной  с неявнополюсным ротором. Анализируя режимы работы АД в составе нагрузочного моментного ЭП и совокупность принятых выше допущений можно предположить правомерность использования для  математического описания эквивалентной  двухфазной модели.

На пути упрощения  математического описания АД оказался подходящим метод пространственного  вектора, позволяющий существенно  упростить и сократить вышеприведённую  систему уравнений; метод позволяет  связать уравнения (2.1 – 2.6) в единую систему с векторными переменными  состояния. Суть метода состоит в  том, что мгновенные значения симметричных трёхфазных переменных состояния (напряжение, токи, потокосцепления) можно математически  преобразовать так, чтобы они  были представлены одним пространственным вектором.

Представим систему  уравнений с векторными переменными  состояния для случая с произвольной ориентацией системы координат [21, 36]:

 

(2.7)

 

Здесь , , , , и - двухэлементные векторы напряжений, токов и потокосцеплений, представленные в произвольно ориентированной ортогональной (двухфазной) системе координат в виде составляющих по координатным осям. Переменная служит для задания произвольной частоты вращения координатной системы. Вспомогательная матричная константа j служит для «переворота» компонентов векторных переменных и позволяет упростить форму записи системы уравнений.

Раскрывая содержание пространственных векторов, получаем следующее:

 

, , , ,

,  , .(2.8)

 

Система координат с  принудительной ориентацией по вектору  потокосцепления ротора

При решении задач  разработки систем управления для АД необходимо рассматривать его имитационную модель с позиций объекта оптимального управления. В теории систем управления асинхронными электроприводами при  моделировании АД нашел место  уникальный принцип ориентации системы  координат по вектору потокосцепления  ротора. В данном случае имитационная модель АД приобретает определенное сходство со структурной схемой машины постоянного тока, где возможно раздельное управление магнитным состоянием и  моментом на валу двигателя.

Математически условие  ориентации применительно выражается следующим образом:

 

; ; .

 

Уравнения, описывающие  АД в системе координат с принудительной ориентацией по вектору потокосцепления  ротора.

 

 

В системе  представляет собой скольжение системы координат, а соответственно скорость её вращения. Данные параметры определяются в соответствии со следующими выражениями:

 

; .

 

В системе уравнений  переменные с индексами «x» и  «y» соответствуют компонентам  пространственного вектора в  координатной системе с ориентацией  по вектору потокосцеплений ротора . С помощью правил создания и преобразования структурных схем, принятых в теории автоматического управления , представим систему уравнений в виде структурной схемы. На рис. представлена структурная схема, имитационной модели АД в системе координат с ориентацией по вектору потокосцепления ротора .

 

Рисунок 6 - Структурная  схема имитационной модели АД в системе  координат с ориентацией по вектору  потокосцепления ротора

 

Модель АД, представленная на рис. удобна для реализации и расчёта  в любом из прикладных программных  продуктов, поддерживающих объектно-структурное  моделирование систем (Simulink-Matlab, Windora и т.д.). Для исследования и проверки адекватности созданной модели АД удобно выполнить её реализацию в среде Simulink-Matlab. В данной системе симметричные трёхфазные напряжения, представленные в относительных единицах подвергаются преобразованию Кларка и поступают  в виде компонентов пространственного  вектора напряжений и на входы координатного преобразователя Парка-Горева. Формулы для координатного преобразования Парка-Горева, позволяющего реализовать переход от стационарной системы координат к вращающейся представлены ниже:

 

 

Здесь , - составляющие пространственного вектора напряжения статора , представленные в стационарной системе координат;

, - составляющие вектора напряжения статора , представленные во вращающейся системе координат;

- угол поворота вращающейся координатной  системы (угол ориентации). Параметр  связан с угловой скоростью вращения координатной системы благодаря следующему выражению:

 

.

 

Графически преобразование Парка-Горева иллюстрируется на рис.

 

Рис. График преобразований Парка-Горева для связи между вращающейся и стационарной системой координат

 

Координатный преобразователь  Парка-Горева сориентирован совместно  с системой координат разработанной  имитационной модели АД. Благодаря  этому на входы модели по напряжению и поступают компоненты пространственного вектора напряжения, представленного во вращающейся системе координат.

 

3.2 Структура  и параметрический синтез регуляторов  системы управления ТП

 

Синтез регуляторов  производился из стандартной методики настройки контуров на модульный  или симметричный оптимум. Далее  приведём лишь передаточные функции  регуляторов и краткое описание контуров.

Контур тока.

Настройка контура тока проводилась на модульный оптимум  с помощью ПИ-регулятора.

Передаточная функция  ПИ-регулятора тока

 

.

 

Коэффициент усиления регулятора тока:

,

 

где

 

 

коэффициент ОС по току.

- коэффициент оптимизации.

Постоянная времени  регулятора тока:

Настройка контура близка к настройке на модульный оптимум (МО) системы 2-го порядка. Контур является астатической системой 1-го порядка  по управлению.

Контур потокосцепления.

При оптимизации контура  потокосцепления внутренний оптимизированный замкнутый контур тока представлен  усеченной передаточной функцией 1-го порядка.