Автоматизация лабораторной установки "Фотоэлектрическая станция"

Графическое программирование и использование принципа потока данных LabVIEW естественным образом привлекает ученых и инженеров, поскольку открывает интуитивно понятный подход к созданию автоматизированных измерительных и управляющих систем. Сочетание языка потокового программирования со встроенными функциями ввода-вывода, элементами управления и индикаторами интерактивного пользовательского интерфейса делает выбор LabVIEW идеальным для ученых и инженеров.

Программное обеспечение  разрабатываемой системы автоматизированного  сбора данных на языке  LabVIEW, включает в себя фронт – панель и сам  программный код, представленный в виде блок-диаграммы.

На рисунке 2.10 представлена фронт - панель системы сбора данных.

 

Рисунок 2.10  - Фронт панель интерфейса сбора и обработки информации

 

Данная программа собирает данные с объектов исследования (ФЭС), производит масштабирование сигналов (по току), рассчитывает мощность каждого элемента стенда (ФЭС, аккумулятор, нагрузка), производит необходимые математические вычисления (накопление мощности) и сохраняет полученные вычисления параметров в файлы.

Программа выводит на виртуальные приборы значения напряжений, токов и мощностей всех элементов стенда (см. рисунок 2.10), что мы можем наблюдать на фронт - панели: желтый фон выделяет приборы, показывающие параметры солнечной батареи; зеленый фон – аккумуляторной станции; красный фон – нагрузки.

На рисунке 2.11 изображена блок диаграмма программы, она является также кодом всей программы, как например в Delphi.

Обозначения на части  блок диаграммы изображенной на рисунке 2.12:

3.1 – Цикл While – Loop, нужен для работы программы в постоянном режиме;

3.2 –Задержка равная 1сек;

3.3 – Кнопка завершения работы приложения - «Остановить работу»;

3.4 – Условие остановки цикла, в данном случае по нажатию кнопки «Остановить работу»;

3.5 – Локальная переменная кнопки «Остановить работу» для завершения работы второго цикла;

3.6 – Переменная, число итераций цикла While – Loop;

Блок 1. Сбор информации и  вывод на индикаторы собранной информации (Рисунок 2.9).

 

Рисунок 2.11 – Блок диаграмма приложения сбора информации

Рисунок 2.12 – Часть блок – диаграммы, представлены задержки, условия остановки приложения

Блок 1.1 снимает данные с солнечной батареи:

- информация о напряжении с солнечной панели поступает в контроллер compact Field Point (cFP) далее на компьютере в приложении мы обращаемся к контроллеру по адресу cFP AIO 600 Input 1, и в ответе на запрос получаем информацию о напряжении солнечной батареи, которую выводим на индикаторы;

- - информация о напряжении с солнечной панели поступает в контроллер compact Field Point (cFP) далее на компьютере в приложении мы обращаемся к контроллеру по адресу cFP TC-120, Channel 0, и в ответе на запрос получаем информацию о токе солнечной батареи, которую выводим на индикаторы;

внутри блока 1.1 производится масштабирование сигнала о токе при помощи умножения на коэффициент масштабирования (100); мощность высчитывается арифметическим умножением напряжения на ток по формуле ; все данные выводятся на фронт панель с индикаторами.

 Блок 1.2 повторяет блок 1.1 для аккумулятора, меняются только считываемые блоки cFP и масштаб по току;

 Блок 1.3 повторяет блок 1.1 для нагрузки, так же как и в блоке 1.2 меняются считываемые блоки cFP и отсутствует коэффициент масштабирования, т.к. снимаются данные по напряжению 220В.

На рисунке 2.13 изображена часть блок диаграммы 2.11:

1.1.1 – Адрес канала для получения сигнала с контроллера cFP по напряжению с солнечной батареи;

1.1.2 – Адрес канала для получения сигнала с контроллера cFP по току с солнечной батареи;

 

Рисунок 2.13 – Часть блок – диаграммы, часть 1.1

1.1.3, 1.1.4 – Блок вызова чтения сигналов с контроллера по адресу 1.1.1 и 1.1.2 соответственно;

1.1.5, 1.1.6 – Задают тип сигнала, считываемого с контроллера, в данном случае числа с плавающей запятой;

1.1.7, 1.1.8 – Математическая операция перемножения, 1.1.7 – перемножение сигналов тока на коэффициент масштабирования, 1.1.8 – перемножение сигналов напряжения и тока для получения мощности по формуле ;

1.1.9 – Пустой цикл, служит для выделения участков на блок – диаграмме.

Блок 2. Блок накопления мощности и сохранения информации в файл (Рисунок 2.12).

Блок 2.1. Производится накопление мощности; открывается записываемый файл, внутри цикла идет запись мощности с записью времени и суммарной мощности в Вт*с; по окончании цикла файл закрывается и записывается в файл суммарная мощность в Вт*ч.

Блок 2.2. Повторяет блок 2.1 для аккумуляторов

Блок 2.3. Повторяет блок 2.1 для нагрузки.

На рисунке 2.14 изображена часть 2.1 блок диаграммы 2.6:

2.1.1 – Адрес файла на компьютере (место хранения записываемого файла);

2.1.2 – Открыть файл;

2.1.3 – Свойства для открытия файла (открыть или создать, открыть только для записи);

2.1.4 – Локальная переменная мощности из первого блока;

2.1.5 – Накопление суммы мощности по формуле , где =задержка программы (1 секунда), мощность выражается во Вт*с;

2.1.6 – Индикатор накопляемой суммы;

2.1.7 – Форматная запись в файл. Каждую секунду происходит запись в файл суммы, времени (считывается с системного времени компьютера, для записи конвертируется в текст). Tab Constants служат для разделения между каждым последующим и предыдущими значениями даты и мощности, Enter служит для перехода на следующую строку;

 

Рисунок 2.14 – Часть блок – диаграммы, часть 2.1

2.1.8 – По окончании программы дописывается в файл накопленная мощность, переведенная во Вт*ч ;

2.1.9 – Закрытие файла по окончании записи в него.

 

Пример записи данных по мощности в текстовый файл представлен на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 – Пример записи данных по мощности

Записанные данные  можно открыть с помощью Microsoft Excel. Перезапись данных в файл Excel реализуется средой LabVIEW следующим образом: в блоке «Форматная запись в файл» на вход блока, стоящего после входа записи информации, устанавливается разделитель «Таб» (см. рисунок 2.12, блок 2.1.7). Пример перезаписи данных в файл Excel приведен на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 -  Пример перезаписи данных в файл Excel

2.3 Разработка ПО управления исполнительными механизмами гелиостата

 

В качестве исполнительных механизмов ИМ-4 и ИМ-5 (см. рисунок 2.6) используются 3х фазные асинхронные двигатели МЭО 320/25-0,25 К. Для управления  этими двигателями  используются задающее устройство ЗУ-50 и подпрограмма вычисления угла по тангажу.

2.3.1.1 Технические параметры двигателя МЭО 320/25-0,25К

Механизмы исполнительные электрические однооборотные постоянной скорости МЭО предназначены для  перемещения  регулирующих  органов  в системах  автоматического  регулирования  технологическими процессами  в  соответствии  с  командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств.

Технические характеристики МЭО 320/25-0,25К [7] (Рисунок 2.15)

Питание: напряжение – 380В,  допустимое отклонение -15...+10%; потребляемая мощность – 400Вт.

Конструктивное исполнение: Масса – 26кг; Степень защиты – IP54 ГОСТ 12254. Встроенный датчик положения Токовый -  датчик  с унифицированным сигналом  0...5мА (в комплекте блок питания). Режим работы:

- Вид – повторно - кратковременный с частыми пусками S4 по ГОСТ 183-74; Частота включений – до 320 в час;

- Максимальная частота включений – 630 в час при продолжительности включений до 25%;

- При реверсировании интервал времени между выключением и включением на обратное направление – не менее 50мс.

Рисунок 2.15– Исполнительный механизм МЭО 320/25-0,25К

2.3.1.2 Задающее устройство ЗУ-50

Задающее устройство ЗУ50 [7](рисунок 2.17) предназначено для применения в схемах автоматического регулирования различных технологических процессов в качестве выносного токового задатчика, как вспомогательного блока к регулирующим приборам, в том числе и микропроцессорным.

Питание:

Напряжение – ~220В;

Частота – от 48 до 62Гц;

Потребляемая мощность – не более 5ВА.

Конструктивное исполнение:

Габаритные размеры  – 80х60х210мм;

- Масса – не более 0.7кг;

- Монтаж – щитовой;

- Подключение – штепсельный разъем.

Выходной сигнал:

- 0_5мА постоянного тока;

Сопротивление нагрузки:

- для сигнала 0_5мА  – не более 2 кОм;

Диапазон индикации  – 0 - 100%, дискретность 0,1% .

 

 

 

Рисунок 2.17 – ЗУ-50

2.3.1.3 Разработка структурной схемы системы автоматического регулирования ИМ

 

Структурная схема САУ  представленная на рисунке 2.18 содержит логический блок, исполнительный механизм и датчик указателя положения.

Х – задающий сигнал в  логический блок.

Для рисунка 2.19 составляем передаточную функцию.

 

Рисунок 2.18 – Структурная  схема САУ

Рисунок 2.19 – Схема САУ для передаточной функции

           

,             (2.1)

где заданная в технических характеристиках двигателя время полного оборота, К – переменный сигнал с датчика положения двигателя.

Так как в звене  содержится релейный элемент, появляется время задержки (рисунок 2.20). Релейный элемент обрабатывает сигналы с логического блока.

Рисунок 2.20 – Схема  САУ ИМ поворота солнечных панелей по тангажу

Передаточная функция 2.1 с учетом логического блока (ЛБ на рисунке 2.20), примет следующий вид:

 

               

,                  (2.2)

 

где  - время задержки релейного элемента;

- время полного оборота двигателя;

к - сигнал с датчика указателя положения, подставим эти значения в передаточную функцию:

 

  ,        (2.3)

 

 было вычислено опытным  путем,  задано в характеристиках двигателя[8].

На рисунке 2.21 представлен  график движения вала двигателя от времени (данные снятые в двух направлениях, 1 – движение вала двигателя по часовой стрелке, 2 – движение вала двигателя против часовой стрелки).

Рисунок 2.21 – Экспериментальный график работы двигателя

 

График для переходной функции 2.2 представлен на рисунке 2.21. По данному графику методом идентификации было найдено время задержки релейного элемента.

Рисунок 2.21 – График переходной функции

2.3.2 Разработка ПО управления исполнительным механизмом МЭО 320/25-0,25К

Данное приложение осуществляет управление двигателем МЭО 320/25-0,25К в трех режимах:

-  ручной режим – управление двигателем осуществляется по нажатию кнопок на фронт панели (рисунок 2.22);

- автоматический режим  – режим управления, в котором  положение вала двигателя задается  при помощи задающего устройства ЗУ-50 (рисунок 2.23);

- режим управления  по времени – режим управления, в котором задание положения  двигателя задается по подпрограмме  вычисления угла по тангажу  в зависимости от даты и  времени (рисунок 2.24).

На фронт панели расположены кнопки управления двигателем, кнопка переключения режимов, кнопка включения управления по времени, также индикаторы движения двигателя, установившегося режима,  выводятся сигналы с ЗУ-50 и ДУП (датчик указателя положения), сигнал рассогласования, текущие дата и время, и заданный угол по времени.

На блок диаграмме  представленной на рисунке 2.25 представлен  код программы написанный в LabVIEW. Обозначения на данной блок диаграмме:

1 – чтение сигнала  с ЗУ-50, с последующим масштабированием. Масштабирование необходимо, так как сигнал снимается в милливольтах, а углы задаются в градусах. Масштабирование осуществляется посредством перевода сигнала в проценты;

2 – чтение сигнала  с датчика указателя положения,  также как и сигнал с ЗУ-50 сигнал масштабируется в проценты;

3 – запись в релейный  блок сигнала запуска двигателя  по часовой стрелке, после нажатия  кнопки на фронт панели «Вращение  по часовой стрелке»,

в ручном режиме срабатывает  данный блок;

 

Рисунок 2.22 – Фронт- панель ручного режима управления двигателем

4 – запись в релейный  блок сигнала запуска против  часовой стрелки, этот блок  срабатывает при нажатии кнопки  «Вращение против часовой стрелки» в ручном режиме.

5 – Подпрограмма расчета  угла по тангажу. В данную  подпрограмму подается считанное  системное время;

6 – вычитание сигнала  с ДУП от ЗУ-50 или подпрограммы  времени,  это вычисление рассогласования  для автоматического режима;

7 – блок переключения  автоматического и ручного режимов;

8 – Case структура в которой осуществляется переход в автоматический режим, внутри данной структуры реализуется автоматическое управление двигателем.