XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка и изготовление автоматизированной системы управления автоматической водо-газонепроницаемой дверью
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На современном этапе развития судостроения на первый план выходят безопасность и удобство эксплуатации судна и судового оборудования. Водо-газонепроницаемые двери (Рис. 1) применяются на судах, кораблях, небольших плавсредствах, в защитных сооружениях. Они надежно герметизируют дверные проемы, сдерживая напор воды, предупреждая возможность проникновения огня и газа в помещение. На судах они являются одним из средств борьбы за живучесть.
Для открывания обычной механической водо-газонепроницаемой двери необходимо отжать (нажать) большой рычаг задвижек двери, который приводит в действие одновременно 6 задвижек и только потом можно ее открыть или закрыть. С учетом веса двери, который может достигать 500 кг в зависимости от размера при открывании (закрывании) двери необходимо приложить значительные физические усилия. Особенно это сложно при эксплуатации в арктических условиях при низких температурах, доходящих до -60 градусов. Автоматизация доступа должна позволить сотруднику открыть дверь быстрее, удобнее и с меньшими физическими усилиями, путем нажатия на кнопку открытия или закрытия двери.
Данный проект может найти свое использование в условиях эксплуатации: судов, особенно в арктических условиях, как в наружном контуре, так и в водонепроницаемых переборках; в водолазных отсеках, когда дверями пользуются водолазы в снаряжении; в защитных сооружениях гражданской обороны; на военных объектах.
Рис. 1. Судовая дверь
Преимущества автоматической двери
Удобство использования двери в сложных условиях: эксплуатация в арктических условиях; применение в водолазных отсеках, когда дверями пользуются водолазы в снаряжении.
Возможность дистанционного открытия и закрытия дверей с удаленного поста управления.
Возможность автоматического закрытия дверей в водонепроницаемых переборках при появлении воды в отсеке или срабатывания пожарной сигнализации при возникновении возгорания.
Цель работы
Разработать и создать функционирующий макет системы управления автоматической тяжелой водо-газонепроницаемой дверью на основе промышленного логического контроллера Modicon.
Задачи
Ознакомиться с устройством и принципами функционирования оборудования, используемого при автоматизации работы двери.
Разработать структурную схему автоматизированной системы управления автоматической сдвижной дверью.
Разработать принципиальную электрическую схему автоматизированной системы управления.
Изготовить действующий макет системы управления дверью.
Разработать программное обеспечение, обеспечивающее весь необходимый функционал автоматизированной системы управления автоматической сдвижной дверью.
Произвести отладку работы всей системы.
Основы теории автоматики
Методами достижения поставленной цели являются базовые методы теории автоматики.
Множество задач управления в современном мире связано с техническими системами – автомобилями, кораблями, самолетами, станками. Например, нужно поддерживать заданный курс корабля, высоту самолета, частоту вращения двигателя, температуру в холодильнике или в печи. Если эти задачи решаются без участия человека, говорят об автоматическом управлении.
1.1 Системы управления
Из чего состоит система управления?
В задачах управления всегда есть два объекта – управляемый и управляющий. Управляемый объект обычно называют объектом управления или просто объектом, а управляющий объект – регулятором. Например, при управлении частотой вращения объект управления – это двигатель (электромотор, турбина); в задаче стабилизации курса корабля – корабль, погруженный в воду; в задаче поддержания уровня громкости – динамик.
Во многих современных системах регуляторы – это микропроцессорные устройства, компьютеры. Они успешно управляют самолетами и космическими кораблями без участия человека. Современный автомобиль буквально «напичкан» управляющей электроникой, вплоть до бортовых компьютеров.
Обычно регулятор действует на объект управления не прямо, а через исполнительные механизмы (приводы), которые могут усиливать и преобразовывать сигнал управления, например, электрический сигнал может «превращаться» в перемещение клапана, регулирующего расход топлива, или в поворот руля на некоторый угол.
Чтобы регулятор мог «видеть», что фактически происходит с объектом, нужны датчики.
С помощью датчиков чаще всего измеряются те характеристики объекта, которыми нужно управлять. Кроме того, качество управления можно улучшить, если получать дополнительную информацию – измерять внутренние свойства объекта.
1.2 Структура системы управления
В типичную систему управления входят объект, регулятор, привод и датчики. Однако, набор этих элементов – еще не система. Для превращения в систему нужны каналы связи, через них идет обмен информацией между элементами. Для передачи информации могут использоваться электрический ток, воздух (пневматические системы), жидкость (гидравлические системы), компьютерные сети.
Подводя итоги, можно нарисовать структурную схему системы управления так:
Рис.2. Структурная схема системы управления
Например, в системе управления курсом корабля
• объект управления – это сам корабль, находящийся в воде; для управления его курсом используется руль, изменяющий направление потока воды;
• регулятор – цифровая вычислительная машина;
• привод – рулевое устройство, которое усиливает управляющий электрический сигнал и преобразует его в поворот руля;
• датчики – измерительная система, определяющая фактический курс;
• внешние возмущения – это морское волнение и ветер, отклоняющие корабль от заданного курса;
Информация в системе управления как бы «ходит по кругу»: регулятор выдает сигнал управления на привод, который воздействует непосредственно на объект; затем информация об объекте через датчики возвращается обратно к регулятору и все начинается заново. Говорят, что в системе есть обратная связь, то есть регулятор использует информацию о состоянии объекта для выработки управления. Системы с обратной связью называют замкнутыми, поскольку
информация передается по замкнутому контуру.
Аппаратная платформа для выполнения проекта
Программируемый логический контроллер
ПЛК – программируемый логический контроллер, представляют собой микропроцессорное устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, имеющий конечное количество входов и выходов, подключенных к ним датчиков, ключей, исполнительных механизмов к объекту управления, и предназначенный для работы в режимах реального времени.
Рис. 3. Состав и принцип действия ПЛК
Материалы и методики
2.1 Логический контроллер Modicon M221
В качестве исходного оборудования используется промышленная платформа М-221 серии Modicon. Промышленный логический контроллер Modicon M221 имеет высокую производительность и компактный размер. Контроллер требует минимальных требований к установке и может применяться для широкого спектра задач автоматизации.
Контроллер поддерживает машинное программирование с ПО SoMachine Basic с готовыми к использованию приложениями и функциональными блоками.
Рис.4. Промышленный логический контроллер Modicon M221
2.2 Индуктивный датчик
Индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики
В современных станках и высокоточном оборудовании, где важно контролировать положение конструктивных элементов устанавливается индуктивный датчик.
Назначение
Индуктивный датчик предназначен для контроля перемещения рабочего органа без непосредственного контакта с ним. Основной сферой применения для него является станочное оборудование, точные медицинские приборы, системы автоматизации технологических процессов, измерения и контроля формы изделия. Это датчик, который создает электромагнитное поле в области чувствительности.
2.3 Разработка алгоритма работы двери
Автоматическая дверь приводится в движение и задраивается при помощи мотора-редуктора двери и мотора-редуктора задвижек или вручную, после механического отключения привода задвижек.
Открывание задвижек начинается после нажатия кнопки «Открывание».
После полного открывания задвижек привод задвижек отключается и автоматически включается привод двери. Дверь открывается до крайнего открытого положения и привод двери отключается.
Дверь находится в крайнем открытом положении до нажатия кнопки «Закрывание», после чего включается мотор-редуктор двери и закрывает дверь до крайнего закрытого положения, привод двери отключается и включается мотор- редуктор задвижек. После полного задраивания привод задвижек отключается.
При этом, при получении сигнала от пульта пожарной сигнализации, что является командой к закрытию двери, режим открывания с фиксацией не работает и дверь закрывается автоматически.
При возникновении аварийной ситуации в работе мотор-редукторов, или непреднамеренной блокировке двери (попадание посторонних предметов в створ двери), а также после нажатия кнопки «Авария» происходит отключение питания обоих приводов и переход в ждущий режим. Дверь можно открыть вручную. После устранения причины аварии дверь можно закрыть или открыть в обычном режиме по команде с пульта или вручную, после механического отключения приводов задвижек.
2.4 Разработка структурной схемы проекта
Схема структурная – это документ, определяющий основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи
В системе управления автоматической дверью следующие элементы:
• объект управления – судовая дверь; для управления ей используются электродвигатели, открывающие и закрывающие задвижки и саму дверь;
• регулятор – программируемый логический контроллер;
• привод – электродвигатель задвижки и электродвигатель двери;
• органы управления – кнопки управления, подающие сигнал управления на ПЛК;
• датчики – четыре индуктивных датчика, определяющих состояние задвижек и двери;
• внешние возмущения – это внешние факторы, которые могут заблокировать дверь;
По сигналу от органов управления ПЛК выдает сигнал на электропривод, который воздействует непосредственно на задвижку и дверь; затем информация о положении задвижек и двери через датчики возвращается обратно к регулятору (ПЛК) который действует в зависимости от состояния датчиков и все начинается заново. В системе есть обратная связь, то есть регулятор (ПЛК) использует с помощью датчиков информацию о состоянии объекта для выработки сигналов управления.
Рис. 5. Структурная схема автоматизированной системы управления автоматической сдвижной дверью.
2.5 Разработка электрической принципиальной схемы проекта
Принципиальная схема — это схема электрических соединений, выполненная в развернутом виде. Она является основной схемой проекта электрооборудования производственного механизма и дает общее представление об электрооборудовании данного механизма.
По принципиальной схеме осуществляется проверка правильности электрических соединений при монтаже и наладке электрооборудования. От качества разработки принципиальной схемы зависит четкость работы производственного механизма, его производительность и надежность в эксплуатации.
Рис.6. Электрическая принципиальная схема системы управления автоматической сдвижной дверью
Изготовление макета системы управления
3.1 Сборка и монтаж макета системы управления
Основой макета является монтажная плата. На плату с помощью винтов были установлены элементы, входящие в систему управления.
С помощью монтажного провода были выполнены все электрические соединения элементов в соответствии с электрической принципиальной схемой (рис.14).
Изготовлена стойка для установки макета системы управления (рис.16).
На стойку с помощью болтов закреплен макет системы управления автоматическими дверями (Рис.7).
Рис.7. Готовый макет системы управления
3.2 Разработка блок-схемы алгоритма управления
Алгоритм — строго определенная последовательность действий для некоторого исполнителя, приводящая к поставленной цели или заданному результату за конечное число шагов. Блок-схема — это схематичное представление процесса, системы или компьютерного алгоритма. Они широко используются в разных сферах как технической, так и нетехнической направленности.
Рис. 8. Блок-схема алгоритма открытия двери
3.3 Разработка управляющей программы
Управляющая программа разработана с помощью программной среды SoMachine Basic.
SoMachine — программная среда для систем автоматизации производственных механизмов, обеспечивающая программирование и ввод в эксплуатацию контроллеров, операторских панелей, приводных устройств, датчиков, коммуникационных сетей.
Отладка работы системы управления
На этапе отладки в ПЛК была загружена программа и проведено тестирование работы всей системы, устранены ошибки. В ходе тестирования были подобраны и уставлены оптимальные временные параметры срабатывания сигнала «Авария» при открывании и закрывании двери и задвижек.
Заключение
В
ходе выполнения научно-исследовательской работы был рассмотрен принцип работы ПЛК, индуктивного датчика, разработаны структурная и принципиальная схемы макета системы управления автоматической двери. На основании принципиальной схемы был изготовлен макет, разработан алгоритм и программа для работы автоматической двери. В процессе выполнения проекта произведена отладка, настройка системы. Был создан работающий макет системы управления автоматической дверью. Данная работа была признана успешной, удовлетворяющей требованиям к функционированию данного устройства. На основании результатов этой работы на производственной базе была изготовлена система управления автоматической сдвижной дверью, в дальнейшем установленная на ледостойкую самодвижущуюся платформу «Северный полюс».
Рис. 9 Ледостойкая самодвижущуяся платформа «Северный полюс».
Данная работа может иметь продолжение в плане разработки пульта дистанционного управления автоматической дверью, разработки взаимодействия с пожарной сигнализацией (автоматическое закрытие двери при сигнале пожарной тревоги), разработки взаимодействия с системой контроля наличия воды в отсеках (автоматическое закрытие двери при появлении воды)
Список использованных источников и литературы
Минаев И. Г. Программируемые логические контроллеры в автоматизированных системах управления / И. Г. Минаев, В. М. Шарапов, В. В. Самойленко, Д. Г. Ушкур. 2-е изд., перераб. и доп. — Ставрополь: АГРУС, 2010. — 128 с. ISBN 978-5-9596-0670-1
Парр. Э. Программируемые контроллеры: руководство для инженера. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. — 516 с. ISBN 978-5-94774-340-1
Петров И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / Под ред. проф. В. П. Дьяконова. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 256 c.
Поляков К.Ю. Теория автоматического управления для «чайников». Санкт-Петербург, 2008 год
ASUTPP — сайт энциклопедия инженера-электрика[Сайт]. URL: https://www.asutpp.ru/induktivnyy-datchik.html (дата обращения 12.05.2022)