СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И ОПОВЕЩЕНИЯ ДЛЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Полезная модель относится к вычислительной, информационно-измерительной технике, в частности к автоматизированным системам управления технологическими процессами для контроля состояния технологического процесса и предотвращения аварийных ситуаций путем привлечения дополнительного внимания эксплуатационного и обслуживающего персонала.
В настоящее время большое распространение получили системы автоматизированного управления технологическими процессами, однако не все из них позволяют отслеживать изменения в ходе технологического процесса и проводить оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала в случае внезапных отказов оборудования, который может привести к аварии при дальнейшей эксплуатации этого оборудования. Поэтому актуальной задачей является создание системы, способной предупреждать аварийные ситуации на основе текущей информации о состоянии технологического процесса.
Известна система оповещения для принятия решений в автоматизированных системах управления технологическими процессами (см. патент RU №74226 U1, G06F 15/00, опубл. 20.06.2008), содержащая рабочую станцию, модуль цикла сканирования переменных, блок сравнения, речевой извещатель, блок поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме, радиотелефон. Система позволяет оповещать эксплуатационный и обслуживающий персонал для оценки ситуации в автоматизированных системах управления технологическими процессами, за счет рабочей станции, речевого извещателя и радиотелефона и контролировать ход технологического процесса за счет отображения отклонений на устройствах визуализации рабочей станции.
Недостатком системы является то, что отклонения в ходе технологического процесса используются только для отслеживания момента аварии и оповещение происходит только в аварийной ситуации, таким образом, не обеспечивается предотвращение аварии.
Наиболее близким техническим решением является система оповещения для принятия решений в автоматизированных системах управления технологическими процессами (см. патент RU №107599 U1, G05B 15/00, опубл. 20.08.2011), содержащая рабочую станцию, модуль цикла сканирования переменных, блок сравнения, речевой извещатель, блок поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме, радиотелефон, датчик термоЭДС, RC-фильтр и многоканальный аналого-цифровой преобразователь. Система позволяет в предаварийной ситуации предотвратить аварию с помощью вывода текстового сообщения на экран визуализации с синхронным воспроизведением речевого сообщения, которые обеспечивают привлечение дополнительного внимания эксплуатационного и обслуживающего персонала, а при возникновении аварийной ситуации -автоматический останов технологического процесса.
Недостатком системы является то, что используемый датчик термоЭДС позволяет контролировать наступление только внезапных отказов в ходе технологического процесса и не имеет возможности контролировать наличие постепенных отказов, связанных, с износом элементов технологической системы.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу снижения вероятности возникновения аварийных ситуаций в технологической системе за счет дополнительного контроля состояния режущего инструмента технологической системы.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в расширении функциональных возможностей путем получения дополнительной информации о ходе технологического процесса за счет контроля износа режущего инструмента в технологической системе.
Указанный технический результат достигается тем, что система контроля и оповещения для принятия решений в автоматизированных системах управления технологическими процессами, содержащая рабочую станцию, модуль цикла сканирования переменных, блок сравнения, речевой извещатель, блок поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме, датчик термоЭДС, выполненный в виде естественной термопары инструмент-деталь, RC-фильтр и многоканальный аналого-цифровой преобразователь, причем выход датчика термоЭДС соединен с входом RC-фильтра, выход RC-фильтра соединен с одним входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя двунаправленным последовательным интерфейсом RS-232 соединен с первым входом рабочей станции, первый выход рабочей станции соединен с входом модуля цикла сканирования переменных, второй выход рабочей станции соединен с первым входом блока сравнения, а выход модуля цикла сканирования переменных соединен со вторым входом блока сравнения, причем первый выход блока сравнения соединен с блоком поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме, второй выход блока сравнения соединен с речевым извещателем, а выход блока поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме двунаправленным последовательным интерфейсом соединен с вторым входом рабочей станции, дополнительно снабжена бесконтактным датчиком крутящего момента, состоящим из трансформатора, выпрямителя-стабилизатора, тензомоста, преобразователя напряжения в частоту, конденсатора, блока линеаризации, причем обмотка трансформатора соединена с входом выпрямителя-стабилизатора, выходы которого соединены с диагональю питания тензомоста, диагональ измерения тензомоста соединена с входом преобразователя напряжения в частоту, выход которого через конденсатор соединен с входом блока линеаризации, состоящим из параллельно соединенных диодного детектора и усилителя, преобразователь напряжения в частоту и усилитель электрически соединены между собой и заземлены, причем выход модуля линеаризации соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя.
Отличием заявленной модели является ее конструктивное исполнение, при котором она снабжена бесконтактным датчиком крутящего момента, позволяющим получить дополнительную информацию о ходе технологического процесса, а именно об износе режущего инструмента в технологической системе. Бесконтактный датчик крутящего момента состоит из ротора с размещенными на нем тензомостом, преобразователем напряжения в частоту, выпрямителем-стабилизатором, который позволяет получить пульсирующее напряжение одной полярности и уменьшает колебания напряжения на нагрузке, вращающейся обмотки трансформатора, вращающейся пластины конденсатора и статора с неподвижной пластиной конденсатора, блоком линеаризации, подключенным через конденсатор к преобразователю напряжения в частоту, что позволяет повысить линейность выпрямления сигнала до необходимого уровня, неподвижной обмоткой трансформатора, причем конденсатор выполнен переменной емкости, неподвижная пластина конденсатора подключена к входу блока линеаризации, а выход блока линеаризации соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя.
Т.о. бесконтактный датчик крутящего момента позволяет получить дополнительную информацию о ходе технологического процесса, а именно о степени износа режущего инструмента технологической системы.
В процессе резания материалов происходит изнашивание режущих кромок инструмента, что приводит к увеличению силы резания и как следствие, к увеличению крутящего момента на шпинделе станка. Датчик крутящего момента позволят контролировать изменение износа режущих кромок в соответствии с общим уравнением
0
α
β
M=AFR,
0
где М - измеряемый крутящий момент, развиваемый на шпинделе станка, F - мгновенная скорость подачи режущего инструмента относительно заготовки, A, α и β - коэффициенты, характеризующие влияние комбинации материалов режущего инструмента и заготовки на механическую обработку, определяемые эмпирически на основании анализа механической обработки с определенными сочетаниями материалов инструмента и заготовки, R-коэффициент, свидетельствующий об износе режущего инструмента.
Датчик применим при сложных условиях окружающей среды, таких как СОТС, стружка, высокие температуры и вибрации. Бесконтактный перенос энергии и данных по принципу ротор/статор не требует применения батарей, что позволяет производить подачу питания без помех, что повышает надежность и информативность системы.
Сущность предложенной модели поясняется схемами.
На фиг.1 представлена структурная схема системы оповещения для принятия решений в автоматизированных системах управления технологическими процессами. На фиг.2 представлена схема бесконтактного датчика крутящего момента. На фиг.3 представлена схема блока линеаризации.
Система контроля и оповещения для принятия решений в автоматизированных системах управления технологическими процессами состоит из (фиг.1) датчика термоЭДС 1, датчика крутящего момента 2 RC-фильтра 3, аналого-цифрового преобразователя 4, рабочей станции 5, модуля цикла сканирования переменных 6, блока сравнения 7, блока поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме 8, речевого извещателя 9. Датчик термоЭДС выполнен в виде естественной термопары инструмент-деталь. Датчик крутящего момента 2 (фиг.2) содержит ротор 10 с размещенными на нем тензомостом 11, преобразователем 12 напряжения в частоту, выпрямителем-стабилизатором 13, вращающейся обмоткой 14 трансформатора 15, вращающейся пластиной 16 конденсатора 17 и статор 18 с неподвижной пластиной 19 конденсатора 17, блоком линеаризации 20, конденсатором 17, неподвижной обмоткой 21 трансформатора 15. Блок линеаризации 20 (фиг.3) состоит из диодного детектора 22 и усилителя 23. Выход датчика термоЭДС 1 (фиг.1) соединен с входом RC-фильтра 3. RC-фильтр 3 выполнен в виде электрической схемы с одним входом, на который поступает сигнал термоЭДС, содержащий постоянную и переменную составляющую, от датчика термоЭДС 1 и одним выходом, на котором формируется постоянное значение сигнала термоЭДС. Выход RC-фильтра 3 соединен с одним входом аналого-цифрового преобразователя 4. На своем выходе бесконтактный датчик крутящего момента 2 формирует сигнал, который содержит оперативную информацию о ходе технологического процесса. Выход бесконтактного датчика крутящего момента 2 (фиг.2) соединен с другим входом аналого-цифрового преобразователя. Аналого-цифровой преобразователь 4 получает постоянный сигнал термоЭДС на один вход и постоянный сигнал с бесконтактного датчика крутящего момента на другой вход и преобразует каждый из них в восьмиразрядный цифровой код с частотой дискретизации не менее 1 кГц. Устройство имеет восемь входов, например АЦП В-480. Выход аналого-цифрового преобразователя 4 двунаправленным последовательным интерфейсом RS-232 стандарта ISO/IEK 2110 соединен с первым входом рабочей станции 5. Рабочая станция 4 выполнена в виде устройства числового программного управления (см. ГОСТ 21021-2000) класса PCNC, например SIEMENS SINUMERIK 840Di, которое содержит устройство визуализации в виде монитора, и программное обеспечение для отображения состояния технологического процесса на мнемосхеме и ввода коррекции технологических режимов. Первый выход рабочей станции 5 соединен с входом модуля цикла сканирования переменных 6. Второй выход рабочей станции 5 соединен с первым входом блока сравнения 7. Модуль цикла сканирования переменных 6 выполнен в виде устройства с одним входом и выходом, предназначенного для опроса соответствующих ячеек в памяти рабочей станции 5 для передачи их в блок сравнения 7, причем выход модуля цикла сканирования переменных 6 соединен со вторым входом блока сравнения 7. Блок сравнения 7 выполнен в виде устройства с двумя входами и двумя выходами, причем первый выход блока сравнения 7 соединен с блоком поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме 8, второй выход блока сравнения 7 соединен с речевым извещателем 9. Блок сравнения 7 предназначен для сравнения значений, получаемых на второй вход устройства от модуля цикла, сканирования переменных 6, со значениями, поступающими на первый вход из соответствующих ячеек рабочей станции 5 и выработки выходного сигнала в случае, соответствующем одному из двух вариантов. В первом случае - возникновение аварийной ситуации - необходимо остановить выполнение технологического процесса, вывести текстовое сообщение первого типа «Внимание! Аварийная ситуация! Останов технологического процесса!» на монитор рабочей станции 5 и воспроизвести его, для чего на первом выходе блока сравнения 7 вырабатывается сигнал для останова и передачи сообщения на монитор рабочей станции 5 с помощью блока поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме 8 и на втором выходе блока сравнения 7 вырабатывается сигнал для передачи голосового сообщения первого типа «Внимание! Аварийная ситуация! Останов технологического процесса!» с помощью речевого извещателя 9, что обеспечивает автоматический останов технологического процесса и привлечение дополнительного внимания эксплуатационного и обслуживающего персонала. Во втором случае - возникновение предаварийной ситуации - вырабатывается сигнал на первом выходе блока сравнения 7 для передачи текстового сообщения второго типа «Внимание! Предаварийная ситуация! Требуется коррекция технологических режимов!» на монитор рабочей станции 5 с помощью блока поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме 8 и на втором выходе блока сравнения 7 вырабатывается сигнал для передачи голосового сообщения второго типа «Внимание! Предаварийная ситуация! Требуется коррекция технологических режимов!» с помощью речевого извещателя 9, что обеспечивает привлечение дополнительного внимания эксплуатационного и обслуживающего персонала. Блок поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме 8 выполнен в виде устройства с одним входом и одним выходом, на котором вырабатывается сигнал для передачи в рабочую станцию 5 информации о прекращении выполнения технологического процесса, выводе одного из двух указанных выше типов сообщений на монитор рабочей станции 5 и отображения состояния технологического процесса на мнемосхеме рабочей станции 5, причем выход блока поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме 8 двунаправленным последовательным интерфейсом RS-232 стандарта ISO/IEK 2110 соединен со вторым входом рабочей станции 5. Речевой извещатель 9 выполнен в виде устройства с одним входом и встроенной памятью для хранения двух типов сообщений. Модуль цикла сканирования переменных 6, блок сравнения 7, блок поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме 8, речевой извещатель 9 выполнены в виде электронных контроллеров, например CAREL Pro compact.
Система работает следующим образом. В начальный момент времени сигнала термоЭДС регистрируется на эталонных технологических режимах по известному способу (см. патент RU №2312750, B23Q 17/19, 20.12.07), в последующие моменты времени регистрация сигнала термоЭДС происходит непрерывно на текущем технологическом режиме, что позволяет получать оперативную информацию о ходе технологического процесса на выходе датчика термоЭДС 1 (фиг.1). Полученный сигнал термоЭДС поступает на вход RC-фильтра 3, в котором для улучшения качества проходит фильтрацию от переменной составляющей. Постоянная составляющей сигнала термоЭДС поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 4, в котором преобразуется в восьмиразрядный цифровой код с частотой дискретизации не менее 1 кГц. Одновременно на неподвижную катушку 21 трансформатора 15 бесконтактного датчика крутящего момента (фиг.2) подают переменное напряжение. При этом переменное напряжение появляется на вращающейся обмотке 14 трансформатора 15. Это напряжение поступает на вход выпрямителя-стабилизатора 13, на выходе которого появляется постоянное напряжение, которое поступает на вход тензомоста 11. При возникновении на валу крутящего момента на выходе тензомоста 11, размещенного на роторе 10, появляется электрическое напряжение, величина которого пропорциональна величине крутящего момента. Это напряжение поступает на вход преобразователя 12 напряжения в частоту. Преобразователь 12 напряжения в частоту осуществляет преобразование напряжения в частоту, пропорциональную величине крутящего момента. Это напряжение переменной частоты через конденсатор 17 поступает на вход блока линеаризации 20 (фиг.3), где для повышения линейности выпрямления сигнала проходит через диодный детектор 22 и усилитель 23. Сигнал с выхода блока линеаризации 20 поступает на другой вход аналого-цифрового преобразователя 4, в котором преобразуется в восьмиразрядный цифровой код с частотой дискретизации не менее 1 кГц. При помощи интерфейса RS-232 сигнал с выхода аналого-цифрового передается на первый вход рабочей станции 5. В постоянной памяти рабочей станции 5 хранится информация о текущем технологическом режиме и предельно допустимом количестве отказов, не влияющем на нормальное состояние технологического процесса. В памяти рабочей станции 5 также хранится начальное значения сигнала термоЭДС, полученное на эталонных режимах обработки, и предельное значение крутящего момента, а так же текущие значения сигнала термоЭДС и крутящего момента, считанные с периодичностью не менее пяти секунд с помощью модуля цикла сканирования переменных 6. Каждое текущее значение сигнала термоЭДС и крутящего момента передается в блок сравнения 7, который сравнивает его с предыдущим значением. Если текущее значение сигнала термоЭДС по абсолютной величине составляет меньше 2 мВ или превышает начальное значение более чем на 5 мВ, или же значение крутящего момента равно предельно-допустимому, то констатируется факт наличия предаварийной ситуации. В этом случае на вход блока поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме 8 подается сигнал для вывода сообщения второго типа на монитор рабочей станции 5, на вход речевого извещателя 9 подается сигнал сообщения второго типа, что обеспечивает привлечение дополнительного внимания эксплуатационного и обслуживающего персонала, который имеет возможность выполнить коррекцию технологического процесса с помощью рабочей станции 5. В случае если в произвольный момент времени до окончания технологического процесса количество отказов равно или превышает их предельное допустимое количество, или же значение крутящего момента больше предельного, то система констатирует факт наличия аварийной ситуации. В этом случае на вход блока поддержки управления запуском и остановом системы на мнемосхеме 8 подается сигнал для вывода сообщения первого типа на монитор рабочей станции 5 и отображения состояния технологического процесса на мнемосхеме рабочей станции 5, на вход речевого извещателя 9 подается сигнал для передачи сообщения первого типа, что обеспечивает автоматический останов технологического процесса и привлечение дополнительного внимания эксплуатационного и обслуживающего персонала.
Предлагаемая система контроля и оповещения для принятия решений в автоматизированных системах управления технологическими процессами предназначена для предотвращения возникновения аварийных ситуаций при обработке металлов резанием на автоматизированном оборудовании. Система позволяет повысить надежность технологического процесса за счет непрерывного контроля состояния режущего инструмента, введения на основе результатов контроля коррекции в параметры технологического процесса и оповещения эксплуатационного и обслуживающего персонала в предаварийной ситуации, что в совокупности обеспечивает снижение экономических затрат на выполнение технологического процесса.