УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ СРЕДСТВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ НЕПРЕРЫВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
EDUCATIONAL-LABORATORY STAND FOR TRAINING SPECIALISTS IN FIELD OF APPARATUS AND SYSTEMS FOR AUTOMATION OF CONTINUOUS TECHNOLOGICAL PROCESSES

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к техническим средствам обучения, и может быть использовано для начального обучения, повышения квалификации и тренировки операторов систем управления технологическими процессами и для изучения процессов управления непрерывными производствами.
Известен тренажер оператора систем управления технологическими процессами [1].
Недостатками данного устройства являются:
- отсутствие в устройствах динамической модели объекта управления (ОУ) и, как следствие, отсутствие возможности комплексной отработки в учебном процессе технологии управления объектом с оценкой заданных показателей эффективности;
- отсутствие в устройствах средств управления технологическим процессом путем модификации внешних воздействий на динамическую модель ОУ и, как следствие, отсутствие возможности практической отработки в учебном процессе технологии и навыков управления объектом;
- отсутствие в устройствах средств модификации параметров динамической модели ОУ и, как следствие, отсутствие возможности отработки в учебном процессе технологии и навыков управления однотипными объектами, отличающимися параметрами, влияющими на их динамические характеристики;
- отсутствие в устройствах средств наблюдения за поведением динамической модели ОУ при реализации технологического процесса и, как следствие, отсутствие возможности отработки в учебном процессе технологии и навыков оперативного контроля изменений параметров ОУ.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является система для моделирования технологических процессов [2].
Недостатками прототипа являются:
- отсутствие в устройствах динамической модели объекта управления (ОУ) и, как следствие, отсутствие возможности комплексной отработки в учебном процессе технологии управления объектом с оценкой заданных показателей эффективности;
- отсутствие в устройствах средств управления технологическим процессом путем модификации внешних воздействий на динамическую модель ОУ и, как следствие, отсутствие возможности практической отработки в учебном процессе технологии и навыков управления объектом;
- отсутствие в устройствах средств модификации параметров динамической модели ОУ и, как следствие, отсутствие возможности отработки в учебном процессе технологии и навыков управления однотипными объектами, отличающимися параметрами, влияющими на их динамические характеристики;
- отсутствие в устройствах средств наблюдения за поведением динамической модели ОУ при реализации технологического процесса и, как следствие, отсутствие возможности отработки в учебном процессе технологии и навыков оперативного контроля изменений параметров ОУ.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение дидактической эффективности.
Указанная задача решается за счет того, что в учебно-лабораторный стенд для подготовки специалистов в области средств и систем автоматизации непрерывных технологических процессов, содержащий персональный компьютер и управляющий процессор, подключенные к узловой шине, причем управляющий процессор также подключен к полевой шине, присоединенные к полевой шине модули аналоговых входов-выходов, содержащие блок аналоговых входов и блок аналоговых выходов, присоединенные к полевой шине модули дискретных входов-выходов, содержащие блок дискретных входов и блок дискретных выходов, присоединенные к полевой шине модули ввода сигналов температурных датчиков, содержащие модуль первого датчика температуры и модуль второго датчика температуры, присоединенный входами к дискретным выходам блок реле с индикаторами, присоединенный выходами к аналоговым входам блок эталонных источников, модуль имитаторов исполнительных элементов, к входам которого присоединены блок аналоговых выходов, блок дискретных выходов и выходы блока реле с индикаторами, датчик температуры, подключенный к модулю первого датчика температуры, датчик температуры, подключенный к модулю второго датчика температуры, дополнительно введены блок аналоговой динамической модели объекта управления с переключаемыми параметрами, выход которого подан на вход блока аналоговых входов, а к входам подключены блок дискретных выходов, выходы блока реле с индикаторами и выходы модуля имитаторов исполнительных элементов, блок мануального управления параметрами динамической модели объекта управления, выходы которого подключены к входам блока аналоговой динамической модели объекта управления с переключаемыми параметрами, а также к блоку аналоговых входов и блоку дискретных входов, блок мануального управления технологическим процессом, выходы которого подключены к входам модуля имитаторов исполнительных элементов, а также к блоку аналоговых входов и блоку дискретных входов, блок отображения состояния объекта управления с числовыми индикаторами, к входу которого подключены выходы блока аналоговой динамической модели объекта управления с переключаемыми параметрами.
Также введены блок отображения состояния объекта управления со световым индикатором температуры, к входу которого подключен выход блока аналоговой динамической модели объекта управления с переключаемыми параметрами или блок аналоговых выходов, блок отображения состояния объекта управления с тактильным индикатором температуры, содержащий установленный на панели радиатор, к которому присоединены нагревательный элемент, охлаждающий элемент, а также с применением элементов крепления датчик температуры, выход которого подключен к модулю первого датчика температуры, а входы нагревательного элемента и охлаждающего элемента подключены к выходам блока аналоговых выходов.
Введение блока аналоговой динамической модели объекта управления с переключаемыми параметрами позволяет изучать методы и технологические приемы анализа поведения объектов управления, а также обучать операторов технологических установок с применением входящих в состав стенда технических средств контроля и управления.
Введение блока мануального управления параметрами динамической модели объекта управления позволяет изменять влияющие на поведение объекта управления параметры и, как следствие, обучать применению экспериментальных методов идентификации параметров объектов управления, обучать операторов технологических установок в условиях изменений параметров объектов управления.
Введение блока мануального управления технологическим процессом позволяет обучать операторов технологических установок действиям без применения средств автоматизации, в нештатных ситуациях, а также при отработке новых регламентов управления.
Введение блока отображения состояния объекта управления с числовыми индикаторами позволяет обучать операторов технологических установок действиям без применения средств автоматизации, в нештатных ситуациях, а также при отработке новых регламентов управления.
Введение блока отображения состояния объекта управления со световым индикатором температуры позволяет оперативно, по яркости индикатора, качественно оценивать состояние объекта управления, выявлять нарушения хода технологического процесса при работе без применения средств автоматизации управления.
Введение блока аотображения состояния объекта управления с тактильным индикатором температуры позволяет изучать технические решения: натурных каналов измерения температуры объектов и температуры воздуха окружающей среды, следящих систем, формируемых на основе средств автоматизации управления, а также обеспечить наглядность управляемого процесса, повысить мотивацию обучаемых.
Приведенная совокупность признаков, характеризующих заявленный объект, обуславливает достижение технического результата, обеспечивающего решение задачи изобретения.
Анализ уровня техники показывает, что не известен стенд, которому присущи признаки, идентичные всем признакам данного изобретения.
Это говорит о новизне предложенного технического решения.
Предложенное техническое решение применимо, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, так как может быть изготовлено в условиях серийного и единичного производства с применением выпускаемых серийно комплектующих и, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
На фиг.1 изображена структурная схема стенда, на фиг.2 - вариант схемотехнической реализации аналоговой динамической модели объекта управления с переключаемыми параметрами, на фиг.3 - вариант схемотехнической реализации тактильного индикатора температуры объекта управления, на фиг.4 - диаграмма процесса термической обработки железобетонных изделий в реальном (t, час) и масштабированном (t, с) времени.
Учебно-лабораторный стенд содержит (фиг.1):
- персональный компьютер 1 и управляющий процессор 2, подключенные к узловой шине 3, причем управляющий процессор также подключен к полевой шине 4;
- присоединенные к полевой шине 4 модули аналоговых входов-выходов 5, содержащие блок аналоговых входов 6 (аналого-цифровой преобразователь с входным коммутатором) и блок аналоговых выходов 7 (цифроаналоговый преобразователь с выходным коммутатором);
- присоединенные к полевой шине модули дискретных входов-выходов 8, содержащие блок дискретных входов 9 и блок дискретных выходов 10;
- присоединенные к полевой шине модули ввода сигналов температурных датчиков 11, содержащие модуль первого датчика температуры 12 и модуль второго датчика температуры 13;
- присоединенный входами к дискретным выходам 10 блок реле с индикаторами 14;
- присоединенный выходами к аналоговым входам 6 блок эталонных источников 15;
- модуль имитаторов исполнительных элементов 16, ко входам которого присоединены: блок аналоговых выходов 7, блок дискретных выходов 10 и выходы блока реле с индикаторами 14;
- датчик температуры 17, подключенный к модулю первого датчика температуры 12;
- датчик температуры 18, подключенный к модулю второго датчика температуры 13.
Для достижения поставленной задачи в структуру стенда введены:
- блок аналоговой динамической модели объекта управления с переключаемыми параметрами 19, выход которого подан на вход блока аналоговых входов 6, а к входам блока 19 подключены: блок дискретных выходов 10, выходы блока реле с индикаторами 14 и выходы модуля имитаторов исполнительных элементов 16;
- блок мануального (ручного, неавтоматизированного) управления параметрами динамической модели объекта управления 20, выходы которого подключены к входам блока 19, а также к блоку аналоговых входов 6 и блоку дискретных входов 9;
- блок мануального управления технологическим процессом 21, выходы которого подключены к входам модуля имитаторов исполнительных элементов 16, а также к блоку аналоговых входов 6 и блоку дискретных входов 9;
- блок отображения состояния объекта управления с числовыми индикаторами 22, к входу которого подключены выходы блока 19;
- блок отображения состояния объекта управления со световым индикатором температуры 23, к входу которого подключен выход блока 19 или блок аналоговых выходов 7;
- блок отображения состояния объекта управления с тактильным индикатором температуры 24, содержащий: установленный на панели радиатор 25, присоединенные к радиатору нагревательный элемент 26 и охлаждающий элемент 27, а также присоединенный к радиатору с применением элементов крепления 28 датчик температуры 17;
- входы нагревательного элемента 26 и охлаждающего элемента 27 подключены к выходам блока аналоговых выходов 7.
Блок аналоговой динамической модели объекта управления с переключаемыми параметрами 19 (фиг.1, 2) (вариант - инерционное звено первого порядка) состоит из блока управления аналоговой моделью 29, операционного усилителя 30 с конденсатором 31 в цепи обратной связи, резистором 32 во входной цепи и резисторами 33 в цепи обратной связи, переключаемыми с применением контактов 34 реле 36. Выход 35 блока 19 подключен к входам блоков 6, 22 и 23.
Реле 36 подключены через контакты 37 реле, входящих в состав блока реле с индикаторами 14. Блок 14 обеспечивает программный выбор источника управляющего сигнала - блок мануального управления параметрами динамической модели объекта управления 20 или блок дискретных выходов 10. Величины сопротивлений резисторов 33 могут быть равными (изменения параметров за счет сочетания подключаемых резисторов) или различными.
Контакты 34 реле 36 управляются сигналами, поступающими на входы 38, подключенные к выходам блока мануального управления параметрами динамической модели объекта управления 20, или сигналами, поступающими на входы 39, подключенные к блок дискретных выходов 10.
К входу блока 19 подключен через контакт 41 реле, входящего в состав блока реле с индикаторами 14, переменный резистор 40 модуля имитаторов исполнительных элементов 16. Питание на вывод 42 резистора 40 поступает с блока эталонных источников 15. При программном переключении контакта 41 на вход блока 19 поступает через вывод 43 аналоговый сигнал с блока аналоговых входов 6. Перемещение движка переменного резистора 40 (тяга 44) производится с пульта мануального управления технологическим процессом - блок 21.
В состав блока 29 могут быть введены дополнительные элементы, изменяющие параметры модели: набор резисторов 32 и (или) конденсаторов 31, переключаемых с применением реле, включенных аналогично реле 36.
Блок отображения состояния объекта управления с тактильным индикатором температуры 24 состоит из радиатора 25, нагревательного элемента 26 и охлаждающего элемента 27, а также датчика температуры радиатора 17 и датчика температуры воздуха окружающей среды 18 (не показан).
Вариант реализации тактильного индикатора температуры (фиг.3) содержит:
- в нагревательном элементе 26: операционный усилитель 45 с входным резистором 46 и перегреваемым резистором обратной связи 47, к которому присоединен радиатор 25, на входную клемму 48 подается сигнал управления с блока аналоговых выходов 7;
- в охлаждающем элементе 27: операционный усилитель 49 с входным резистором 50 и резистором обратной связи 51, к которому присоединен вентилятор 52; на входную клемму 53 подается сигнал управления с блока аналоговых выходов 7;
- в датчике температуры 17: операционный усилитель 54 с входным резистором 55 и терморезистором (термистором) обратной связи 56, присоединенным к радиатору 25; на входную клемму 57 подается стабилизированное напряжение питания или эталонное напряжение с блока 15, сигнал с выходной клеммы 58 подается на блок аналоговых входов 6.
Панель (не показана) с радиатором 25 установлена или на лицевой панели блока 24, или на корпусе сверху, или в любом другом месте, которое определяется конструктивными и эргономическими требованиями.
Пример работы стенда
Для обеспечения работы стенда в персональный компьютер 1 (фиг.1) загружается специальное программное обеспечение (СПО) - виртуальный пульт диспетчерского управления (ВПУ). В управляющий процессор 2 загружается СПО реального времени, конфигурируемое с учетом наличия в системе переработки информации периферийных модулей: 6, 7, 9, 10, 12, 13, подключенных к шине 4. Периферийные модули обеспечивают обмен информацией процессора 2 и АРМа на персональном компьютере 1 с блоками: 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 26, 27.
При отработке технологии мануального управления объектом, с применением ВПУ, через процессор 2, модуль 10 и блок 14 на блоки 16 и 19 передается команда, по которой управление параметрами динамической модели 19 и имитаторами исполнительных элементов 16 передается блокам мануального управления 20 и 21.
Далее, с применением блока 20 устанавливаются заданные параметры динамической модели (блок 19), а с применением блока 21 реализуется управление технологическим процессом.
Контроль выходных параметров динамической модели обеспечивается с применением блока отображения состояния объекта управления с числовыми индикаторами 22, в состав которого входят цифровые или стрелочные вольтметры.
При отработке технологии автоматизированного управления объектом, с применением ВПУ, через процессор 2, модуль 10 и блок 14 на блоки 16 и 19 передается команда, по которой управление параметрами динамической модели (блок 19) и имитаторами исполнительных элементов 16 передается блокам 7 и 10, управляемым через процессор 2 с ВПУ персонального компьютера 1.
Далее, с применением ВПУ, через процессор 2, блоки 7 и 10 устанавливаются заданные параметры модели (блок 19), а также реализуется управление технологическим процессом через модуль имитаторов исполнительных элементов 16.
Контроль выходных параметров динамической модели обеспечивается с применением ВПУ, причем измерительная информация с модели поступает через периферийный модуль 6.
Для регистрации процессов обучения информация с блоков 20 и 21 принимается модулями 6 и 9, заносится в память персонального компьютера 1.
Применительно к варианту схемотехнического решения блока 19 (фиг.2): переключение режимов управления параметрами модели и технологическим процессом «мануальный - автоматизированный» обеспечивается контактами 37 и 41 реле блока 14.
Величина изменяемого параметра модели задается состоянием набора реле 36, управляемых с блока 20 или с ВПУ. Величина стимулирующего воздействия на блок 19 задается положением движка потенциометра 40 (мануальное управление) или сигналом с блока 7 (автоматизированное управление).
Работа оператора стенда (вариант применительно к реализации температурного процесса «нагрев изделия - выдержка - охлаждение») состоит:
- в режиме мануального управления с применением блока 21 - отработка эталонной диаграммы технологического процесса (фиг.4), с допустимым качеством (ограничение отклонений величины выходного параметра модели от эталонной кривой);
- в режиме автоматизированного управления с применением ВПУ - ввод набора регламентирующих параметров технологического процесса, контроль процесса с применением ВПУ, переход в режим мануального управления при имитации нештатных ситуаций;
- в режимах мануального и автоматизированного управления - определение динамических характеристик объекта управления.
При ознакомлении со стендом, изучении технических средств натурного технологического комплекса, подготовке к работе в режимах мануального и автоматизированного управления применяются блоки отображения состояния объекта управления со световым индикатором температуры 23 и отображения состояния объекта управления с тактильным индикатором температуры (блок 24). В последнем случае изменение состояния объекта управления может определяться по изменению температуры радиатора 25 периодическими прикосновениями во время прохождения масштабированного цикла (~240 с на фиг.4).
Источники информации
1. Патент № RU 2012065 С1, кл. G09B 21/18, опубл. 30.04.1994.
2. Патент № RU 2256208, C2, кл. G05B 15/00, опубл. 10.07.2005 (заявка № RU 2003116878, кл. G05B 15/00, 05.06.2003) (прототип).