2. Составление модели системы автоматического регулирования (сар)

Структура САР показана ниже (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 ‒ Структурная схема САР

Здесь Р – регулятор (контроллер); ОР – объект регулирования (ТЭН и подложки); ДТ – датчик температуры (чувствительный элемент).

Для системы с ранее рассмотренным объектом задан ПИД-регулятор и параметр качества σ = 0 %; датчик температуры – термопара.

Настроечные параметры регулятора:

; ;

7,65; с; с.

Передаточная функция ПИД-регулятора:

.

Для работы при максимальной температуре 450С используем термопару ТХК9312-00. Его постоянная времени (показатель тепловой инерции) равна 20 с. Коэффициент передачи определим по градуировочной характеристике. При температуре 70С термоЭДС равно 4,728 мВ, при 450С – 35,888 мВ. Коэффициент передачи:

мВ/С.

Передаточная функция термодатчика

.

Коэффициент передачи регулятора К_р = 7,65/0,082 = 93,29.

Структурная схема САР показана на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 ‒ Структурная схема САР после расчетов

3. Анализ систем автоматического регулирования сар

Для анализа построим модель системы с использованием программы VisSim (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 ‒ Модель САР без корректировки

Система с полученными параметрами оказывается неустойчивой, что хорошо видно из переходного процесса (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – График неустойчивого переходного процесса

Неустойчивость вызвана наличием в цепи обратной связи элемента с большой постоянной времени (термопары). Поэтому требуется скорректировать критерий качества σ (перерегулирование). Степень устойчивости системы оценивают с помощью перерегулирования. В промышленных системах обычно допускают перерегулирование σ<20…30%. В нашем случае (по условию) перерегулирование σ=0% (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 – График устойчивого переходного процесса

Система с новым коэффициентом передачи показана на рис. 3.4.

Рисунок 3.4 – Модель САР с корректировкой

Общий коэффициент передачи САР равен 1/k_ос = 1/k_дт = 12,2. Следовательно, для получения θ = 380 С на вход нужно подать сигнал с амплитудой 380/12,2 = 31,15. Рассмотрим параметры переходного процесса (рис.3.5).

Рисунок 3.5 – График с параметрами переходного процесса

Из рисунка видно, что перерегулирование в системе не превышает 0%, однако время регулирования не укладывается в заданное время нагрева (по заданию – 300 с.), потому что постоянная времени подложек значительно превышает ее.

4. Составление электрической принципиальной схемы регулятора

В соответствии с заданием и номером варианта требуется разработать систему управления температурой на основе ОВЕН ПЛК200. На данный момент существует 4 модификации данного ПЛК, поэтому воспользуемся самой последней: ПЛК200-04-CS.

Таблица 4.1 – Общие характеристики ПЛК 200

Параметр	Значение (свойства)
Питание
Напряжение питания	10…48 В (номинальное 24 В)
Потребляемая мощность, не более	10 Вт
Вычислительные ресурсы
Центральный процессор	RISC-процессор Texas Instruments Sitara AM3358, 800 МГц
Объем флеш-памяти (тип памяти)	512 Мбайт (NAND)
Объем оперативной памяти (тип памяти)	256 Мбайт (DDR3)
Объем Retain-памяти (тип памяти)	64 Кбайт (MRAM)
Интерфейсы связи
Ethernet 100 Base-T
Количество портов	2 × Ethernet 10/100 Мбит/c (RJ45)
RS-485
Количество портов	1
USB Device
Количество портов	1 × Micro-USB (RNDIS)
Подключаемые накопители
SD card
Количество разъемов	1
Тип	microSD
Общие сведения
Габаритные размеры	(82 × 124 × 83) ± 1 мм
Масса, не более	0,6 кг
Степень защиты корпуса по ГОСТ 14254-96	IP20

Ознакомиться с функциональной схемой ПЛК200-04-CS можно на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 – Функциональная схема ОВЕН ПЛК200-04-CS

Ток, потребляемый ТЭНом, можно рассчитать, как отношение мощности к питающему напряжению:

(4.1)

Напряжение на ТЭНе регулируется при помощи симистора. Для нашего случая выбираем модель КУ208Г на ток не менее 3 А и напряжение не менее 400 В.

В качестве блока управления симисторами выбираем ОВЕН БУСТ2. БУСТ предназначен для управления симисторами или тиристорами, работающими с активной нагрузкой: нагревательными элементами печей, инфракрасными лампами и др. Схема подключения симистора представлена на рис. 4.2.

Таблица 4.2 – Общие характеристики БУСТ2

Наименование	Значение
Питание
Напряжение питания, В	220
Частота, Гц	50
Потребляемая мощность, ВА, не более	12
Входы
Входы управления/входное сопротивление	0...1 В/47кОм; 0...10 В/47кОм; 0...20 мА/50 Ом; 4...20 мА/50 Ом
Выходы
Импульсный ток управления, А, не менее	0,5 либо 1,5, в зависимости от настроек блока
Характеристики регулятора
Метод управления тиристорами или симисторами	фазовый или по числу полупериодов
Число используемых фаз	1...3

Рисунок 4.2 – Схема подключения симистора

Следовательно, для подключения всех устройств к ПЛК200-04-CS потребуется:

Дискретных входов – 4;

Дискретных выходов – 0;

Аналоговых входов – 1;

Аналоговых выходов – 1.

Интерфейс RS-485.

В составе ПЛК200-04-CS имеется:

Дискретных входов – 8;

Дискретных выходов – 8;

Аналоговых входов – 4;

Аналоговых выходов – 0;

Интерфейс RS-485.

Для подключения БУСТа необходимо наличие аналоговых выходов, которые у данного ПЛК отсутствуют. Чтобы их добавить, необходимо подключить модуль аналоговых выходов: МУ110-24.6У.

Таблица 4.3 ‒ Общие характеристики МУ110-24.6У

Напряжение питания	18...29 В постоянного тока (номинальное напряжение 24 В)
Потребляемая мощность, ВА, не более	6
Количество аналоговых выходных элементов	6
Тип аналоговых выходных элементов	ЦАП «параметр – напряжение 0…10 В»
Интерфейс связи с компьютером	RS-485
Протокол связи, используемый для передачи информации	ОВЕН; ModBus-RTU; ModBus-ASCII; DCON

В качестве органов отображения и задания температуры заданы цифровой индикатор и клавиши. Поэтому для отображения информации выберем панель оператора ОВЕН СМИ1.

Таблица 4.4 ‒ Общие характеристики СМИ 1

Количество дискретных входов	6
Тип сигнала, подключаемого к дискретному входу	«сухой» контакт с внутренним сопротивлением не более 100 Ом
Интерфейс	RS-232 и RS-485
Скорость передачи данных	2.4; 4.8; 9.6; 14.4; 19.6; 28.8; 38.4; 57.6; 115.2 кбит/с
Максимальная длина линии связи	1200 м
Протоколы передачи данных	Modbus ASCII/RTU, ОВЕН

Разрабатываемая схема включает следующие элементы:

– ПЛК200-04-CS;

– ТЭН;

– симистор КУ208Г;

– термопара ТХК9312-00;

– БУСТ2;

– модуль МУ110-24.6У;

– панель оператора СМИ1.

Для питания всех элементов, кроме симистора и ТЭНа, потребуется источник питания 24 В. Модель источника БП60Б-Д4-24.

Разработанная схема показана на листе КР.АиУП.10904118.011.000 и на рис. 4.3.

Схема работает следующим образом. С помощью кнопок S1-S4 задается требуемая температура. Сигнал от них поступает в ПЛК200-04-CS А1. После этого ПЛК дает команду включения нагревательного элемента EK1 через модуль МУ110-24.6У А3, ОВЕН БУСТ2 А3 и симистор VS1. По мере нагрева на панели оператора СМИ1-24 А2 отображается текущая температура. Сигнал о значении температуры поступает на ПЛК от термопары BK1. В зависимости от ее величины, ПЛК через БУСТ2 плавно регулирует напряжение на ТЭНе.

Рисунок 4.3 – Принципиальная электрическая схема регулятора