CC BY
23
УДК 519.144.5; 519.766.2 Филатов Дмитрий Алексеевич,
Иркутский государственный университет путей сообщения, аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов», тел. 89086569023, e-mail: [email protected]
Марков Родион Юрьевич,
Иркутский государственный технический университет, студент кафедры «Автоматизированные системы»,
тел. 89021788810, e-mail: [email protected] Мухопад Александр Юрьевич, Иркутский государственный университет путей сообщения, к. т. н., и. о. доцента кафедры «Автоматизация производственных процессов», тел. 89021724553, e-mail: [email protected]
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ОЧИСТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД С ПРИМЕНЕНИЕМ ВИХРЕВОГО ЭФФЕКТА И УЛЬТРАЗВУКА
D. A. Filatov, R Yu. Markov, Yu. F. Mukhopad
AUTOMATIC SYSTEM S CONTROL OF CLEANING OF TECHNOLOGICAL ENVIRONMENTS WITH APPLICATION OF VORTEX EFFECT AND ULTRASOUND
Аннотация. Предложен новый способ очистки железнодорожных стрелок, реализуемый пропусканием сжатого воздуха от пневмомагистрали через вихревую трубу и ультразвуковую сирену для наиболее эффективного разрушения и топления снега и льда. В качестве генератора горячего сжатого воздуха для успешного топления снега и льда выступает вихревая труба проти-воточного типа. В качестве генератора ультразвука для разрушения льда выступает ультразвуковая статическая сирена. Предложена структурная реализация системы очистки путем комплексного взаимодействия таких устройств, как ультразвуковая статическая сирена и вихревая труба. Для наиболее детального представления процессов и параметров системы настоящая статья содержит чертеж системы очистки железнодорожных стрелок с применением вихревого эффекта и ультразвука, её основной принцип действия. Применена методика программной реализации автоматизированных систем с управлением и контролем на базе управляющих автоматов. Алгоритм управления и контроля управляющего автомата получен методом системного анализа с использованием аппарата сетей Петри. Результаты программирования реализованы на языке C++.
Ключевые слова: программа, контроль, управление, модель, информационно-управляющие системы, алгоритмы, сирена, вихревая труба.
Abstract. The new way of cleaning of the railway switches, realised by transmission of compressed air from a pnewmatic pipeline through a vortical pipe and an ultrasonic siren for the most effective destruction and snow and ice melting is offered. As the generator of hot compressed air for successful snow and ice melting the vortical pipe of counter flow type acts. As the generator of ultrasound for ice destruction the ultrasonic static siren is used. Structural realization of system of cleaning by complex interaction of such devices, as an ultrasonic static siren and a vortex pipe is offered. For the most detailed representation of processes and system parameteres the present article contains the drawing of system of cleaning of railway switch with application of vortical effect and ultrasound, its main principle of action, the formula and the basic dependences of parameteres of system. The technique of program realization of the automated systems with management and control on the basis of the operating machine guns is applied. The algorithm of management and control of the operating automaton is received by method of the system analysis with use of the device of Petri's networks. Results of programming are realized in language C++.
Keywords: program, control, management, model, information-operating systems, algorithms, siren, vortex pipe.
Введение
Одной из важнейших задач создания сложных технических систем является защита окружающей среды на заводах и предприятиях с большой степенью загрязнения.
Серьезную опасность для движения поездов представляют обильные снегопады и вызываемые ими снежные заносы. Наиболее уязвимыми элементами пути при этом являются стрелочные переводы, а также шпальные ящики с переводными тягами.
В настоящее время широкое применение на сети железных дорог Российской Федерации нашла пневматическая двухпрограммная автоматическая очистка стрелочных переводов от снега.
Для наиболее эффективной очистки стрелок от снега и льда имеет смысл модернизировать существующую пневмоочистку использованием вихревого эффекта и ультразвука для дробления и
плавления снега и льда. Могут быть использованы системы (рис. 1) с применением таких турбо-механизмов, как вихревая труба противоточного типа и ультразвуковая статическая сирена [1]. Для эффективной эксплуатации всех элементов системы необходимо управлять и контролировать параметры данной системы на всем протяжении периода ее работы в режиме реального времени в связи с тем, что при малейшем изменении давления входного сжатого воздуха изменяется температура горячего сжатого воздуха в вихревой трубе и мощность ультразвука в сирене.
Трудность автоматизации процессов управления и контроля сложных технических систем, состоящих из вихревых и ультразвуковых турбо-механизмов, заключается в том, что на данный момент до конца не изучены процессы, протекающие в подобных системах.
Машиностроение и машиноведение
Рис. 1. Общий вид ультразвуковой системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта, где 1 - сопло вихревой трубы, 2 - гладкая цилиндрическая труба, 3, 4, 9 - штуцер, 5 - дроссель, 6, 7 - стыковочный элемент, 8 - пневмообдувка, 10 - сопло ультразвуковой сирены, 11 - резонатор, 12 - стержень, 13 - рефлектор, 14 - отверстия для выхода отработанного сжатого воздуха, 15 - отборная камера отработанного сжатого воздуха, 16 - элемент крепления системы, 17 - элемент рабочей поверхности
Создание таких сложных технических систем рассматривается как задача механики без учета управляющих подсистем. Анализ динамических процессов в сложных технических системах, только с позиции теории механизмов и машин, является недостаточным, так как не отображает особенностей информационно-управляющих процессов, приводящих к желаемому эффекту.
Система (рис. 1) работает следующим образом.
Сжатый воздух поступает в вихревую трубу с пневмомагистрали и регулируется дросселем. В вихревой трубе сжатый воздух делится на два потока (горячий и холодный), выходит через горячий и холодный выход вихревой трубы и регулируется дросселем на холодном выходе. Часть горячего сжатого воздуха поступает в ультразвуковую сирену, а другая часть - в пневмообдувку. Горячий сжатый воздух регулируется дросселем на входе в ультразвуковую сирену и дросселем на входе в пневмообдувку. После прохождения через ультразвуковую сирену отработанный сжатый воздух на 99 % возвращается в пневмообдувку, а сгенерированные им ультразвуковые волны в сирене наряду со сжатым горячим воздухом пневмо-обдувки поступают на стрелочный перевод. Датчики температуры и давления установлены на каждом дросселе системы очистки.
На базе рассмотренных ранее вопросов математического и аналитического описания процессов турбулентного движения воздушной среды для анализа зависимостей давления и температуры в разных точках вихревой трубы и влияния этих параметров на мощность ультразвука в сирене [1] в качестве базового метода анализа используется аппарат сетей Петри [2, 3].
Методика преобразования математических моделей динамических процессов в сетевые модели аппарата сетей Петри сложных систем выражается в следующей последовательности действий:
1) производится выявление управляющих параметров системы;
2) производится выявление связей физических и информационно-управляющих параметров системы;
3) с помощью аппарата сетей Петри производится построение и проверка связей информационно-управляющих параметров в системе;
4) производится построение тестовых наборов для обеспечения управления и контроля системой;
5) разрабатывается алгоритм управления и контроля системой.
В настоящей статье рассматривается вопрос программирования автоматизированных систем очистки технологических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.
Программная реализация автоматизированной системы очистки с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов выполнена с помощью структурного автоматного программирования [4, 5].
Структурное автоматное программирование - это метод программирования, основанный на структурной схеме автоматов нового типа с правилом функционирования Мура.
Структурное автоматное
программирование
Перед началом программирования необходимо перевести алгоритм работы (рис. 2) в граф переходов (рис. 3) [2, 6]. Расшифровка микроопераций и микрокоманд алгоритма приведена в табл. 1.
иркутский государственный университет путей сообщения
Рис. 2. Алгоритм работы автоматизированной системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта и ультразвука с включенными пустыми операторами
Т а б л и ц а 1
Таблица микроопераций и микрокоманд_
Со Установка нулевого состояния.
С Запись кода.
С2 Считывание прямого кода Д (датчик параметров температуры Ц и давления р на входе в вихревую трубу).
Сз Считывание прямого кода Д (датчик параметров температуры ^ и давления р на холодном выходе вихревой трубы).
С4 Считывание прямого кода Д (датчик параметров температуры ^ и давления на входе в ультразвуковую сирену).
С5 Считывание прямого кода Д (датчик параметров температуры и давления на входе в пнев-мообдувку).
С, Считывание обратного кода Д .
с7 Считывание обратного кода Д.
С8 Считывание обратного кода Д .
с9 Считывание обратного кода Д4.
с с10 Синхронизация первого блока элементов (параметры температуры ^ и давления р).
С„ Синхронизация второго блока элементов (параметры температуры ^ и давления Рс).
С12 Синхронизация третьего блока элементов (параметры температуры ^ и давления Рл).
С13 Синхронизация четвертого блока элементов (параметры температуры и давления Рм).
С14 Установка «0» Рг а(?).
С15 Установка «0» Рг +1.
С16 Считывание с Рг а().
С17 Считывание с Рг а( +1.
С С18 Запись в Рг а().
С С19 Запись в Рг а( +1).
С Снаг Сигнал остановки устройства после завершения работы.
С Сош Сигнал ошибки переходов, остановка работы устройства.
а! Присутствует входной поток сжатого воздуха с параметром давления Р1.
а2 1 Д Т Т Параметр температуры 1 c датчика 1 принадлежит пределу рабочей температуры [ 1т1п ; 1тах ].
а3 п Д Р Р Параметр давления У1 c датчика 1 принадлежит пределу рабочего давления [ 1тп; 1тах ].
а4 п Д р Параметр давления c датчика 1 равен рабочему давлению 1.
а5 п Д Р Параметр давления c датчика 1 меньше рабочего давления 1.
аб Присутствует выходной поток сжатого воздуха с параметром давления Рс.
а7 1 Д Т Т Параметр температуры с c датчика 2 принадлежит пределу рабочей температуры [ ап'п; стах ].
а8 п Д Р Р Параметр давления Ус c датчика 2 принадлежит пределу рабочего давления [ ст'п; стах ].
а9 Параметр давления Рс c датчика Д2 равен рабочему давлению Рс.
а10 Параметр давления Рс c датчика Д2 меньше рабочего давления Рс.
а11 Присутствует выходной поток сжатого воздуха с параметром давления Рл .
а12 г д Т Т Параметр температуры 51 c датчика 3 принадлежит пределу рабочей температуры [ Лт'п ; Лтах ].
а13 п Д Р Р Параметр давления Ул c датчика 3 принадлежит пределу рабочего давления [ Лт'п; Лтах ].
а14 Параметр давления c датчика Дз равен рабочему давлению Р .
О к о н ч а н и е т а б л и ц ы 1
а15 р Д Р Параметр давления у*1 с датчика 3 меньше рабочего давления 51.
«16 , п Т Т Параметр температуры 5(1 с датчика 4 принадлежит пределу рабочей температуры [ 5,1тпЫ ; 5,1тах ].
а17 р п Р Р Параметр давления с датчика 4 принадлежит пределу рабочего давления [ *'1т'п; "Лтах ].
а18 р п р Параметр давления с датчика 4 равен рабочему давлению 5,1.
а19 Параметр давления рл1 с датчика Д меньше рабочего давления р1.
А Установка нулевого состояния системы. Со
А Получение промежуточного результата, обнуление регистра (проверка значений параметров температуры и давления, рабочей температуры и давления, максимальных и минимальных отклонений от фиксированного значения рабочей температуры и давления). С14 С15 С16
А Проверка промежуточного результата (оператор включен на измерение параметра давления р1). С С С С С2 С6 С16 С17
А Уравнение параметра давления р и рабочего давления Р по средствам вращения электродвигателя против часовой стрелки, открытие заслонки воздушного потока. С10 С18 С19
А Уравнение параметра давления р и рабочего давления Р по средствам вращения электродвигателя по часовой стрелке, закрытие заслонки воздушного потока. С10 С18 С19
А Выдача результата (вывод данных ^ и р1). С16 С17
А Проверка промежуточного результата (оператор включен на измерение параметра давления рс). Сз С7 С16 С17
А Уравнение параметра давления р и рабочего давления Р по средствам вращения электродвигателя против часовой стрелки, открытие заслонки воздушного потока. С С С
А Уравнение параметра давления р и рабочего давления Р по средствам вращения электродвигателя по часовой стрелке, закрытие заслонки воздушного потока. С С С С11 С18 С19
А Вывод данных (вывод данных ^, р1, ,с, рс). С С
Ао Проверка промежуточного результата (оператор включен на измерение параметра давления рл). С4 С8 С16 С17
А Уравнение параметра давления р и рабочего давления Р по средствам вращения электродвигателя против часовой стрелки, открытие заслонки воздушного потока. С С С
А Уравнение параметра давления р51 и рабочего давления Р51 по средствам вращения электродвигателя по часовой стрелке, закрытие заслонки воздушного потока. С С С С12 С18 С19
Аз Вывод данных (вывод данных ^, р1, , р, , р51). С С
А14 Проверка промежуточного результата (оператор включен на измерение параметра давления рй1). С5 С9 С16 С17
А Уравнение параметра давления р и рабочего давления Р по средствам вращения электродвигателя против часовой стрелки, открытие заслонки воздушного потока. С С С
А Уравнение параметра давления р и рабочего давления Р по средствам вращения электродвигателя по часовой стрелке, закрытие заслонки воздушного потока. С С С С13 С18 С19
А17 Вывод данных (вывод данных ,1, р1, ,с, рс, ,51, рл, , р,л). С С
А18 Подготовка к завершению работы. Закрытие всех заслонок воздушного потока. С С С С С14 С15 Снаг Сош
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Рис. 4. Управляющий автомат автоматизированной системы очистки
Программный код управляющего автомата (рис. 4) определяется через последовательность следующих действий [4-6]:
1. Производится абстрактный синтез управляющего автомата, то есть строится граф переходов (рис. 4).
2. На графе переходов определяется самый длинный путь от а0 до а. Причем, если есть переход вида а (г) а<+1 (г +1), то значение а заменяется на Р., где Р. = а. . Тогда все переходы
на «траектории счетчика» будут реализовываться по условиям а0 или а, Р. а заменяется на
условие у . Условие у = 1, при необходимости прибавления «1» к содержимому счетчика, можно определить как логическую сумму кодов состояний а(г) ^ {а} на самом длинном пути. Эта процедура повторяется и для других непрерывных участков графа переходов.
3. Если на графе переходов имеются петли, то они ликвидируются за счет введения пустой вершины графа перед вершиной с петлей.
4. Используется структурная организация управляющего автомата с памятью а(г) на счетчике.
На основе графа переходов составляется две таблицы со следующей последовательностью действий:
1) составляется таблица адресации комбинационных схем ^ и ^ (табл. 2), которая будет выполнять функции определения адреса для выбора нужного а1 ^ {а} по коду а(г +1), а также будет определять переходы а,, (г +1) ^ аа(г), а,, (г +1) ^ Ра(г) и а (г +1) ^ уа(г);
2) составляется таблица выбора микроопераций для комбинационной схемы ^ (табл. 3), отвечающего за формирование выходного действия;
3) включение соответствующей исполнительной команды А ^ {а} определяется по таблице ^;
4) проверяется условие на завершение команды а ^ {а};
Машиностроение и машиноведение
Т а б л и ц а 2 Таблица адресации комбинационных схем ^ и ^
№ Адрес ^ Выход ^ а Выход Г3
п/п а р У Уб Л У4 Уз У 2 У1 ^
0 0 0 1 000000 000001 0 00000
1 0 0 1 000001 000010 0 00000
2 0 1 1 0 0 0 000010 100110 000011 1 00001
3 0 1 1 0 0 0 000011 100110 000100 2 00010
4 0 1 1 0 0 0 000100 100111 000101 3 00011
5 0 1 1 0 0 0 000101 010100 000110 4 00100
6 0 1 1 0 0 0 000110 101000 000111 6 00101
7 0 1 1 0 0 0 000111 101001 001000 7 00110
8 0 1 1 0 0 0 001000 101010 001001 8 00111
9 0 1 1 0 0 0 001001 011000 001010 9 01000
10 0 1 1 0 0 0 001010 101011 001011 11 01001
11 0 1 1 0 0 0 001011 101100 001100 12 01010
12 0 1 1 0 0 0 001100 101101 001101 13 01011
13 0 1 1 0 001101 011100 001110 14 01100
14 0 1 1 0 0 0 001110 010000 001111 16 01101
15 0 1 1 0 ° 0 001111 100000 010000 17 01110
16 0 0 1 010000 010001 0 00000
17 0 0 1 010001 010010 0 00000
18 0 0 1 010010 010011 0 00000
19 0 0 1 010011 000000 0 00000
20 0 1 1 0 0 0 010100 010111 010101 5 01111
21 0 0 1 010101 010110 0 00000
22 0 0 1 010110 000101 0 00000
23 0 0 1 010111 010110 0 00000
24 0 1 1 0 0 0 011000 011011 011001 10 10000
25 0 0 1 011001 011010 0 00000
26 0 0 1 011010 001001 0 00000
27 0 0 1 011011 011010 0 00000
28 0 1 1 0 0 0 011100 011111 011101 15 10001
29 0 0 1 011101 011110 0 00000
30 0 0 1 011110 001101 0 00000
31 0 0 1 011111 011110 0 00000
32 0 1 1 0 ° 0 100000 100001 100101 18 10010
33 0 1 1 0 0 0 100001 100100 100010 19 10011
34 0 0 1 100010 100011 0 00000
35 0 0 1 100011 100000 0 00000
36 0 0 1 100100 100011 0 00000
37 0 0 1 100101 000010 0 00000
38 0 0 1 100110 100111 0 00000
39 0 0 1 100111 101000 0 00000
40 0 0 1 101000 101001 0 00000
41 0 0 1 101001 101010 0 00000
42 0 0 1 101010 101011 0 00000
43 0 0 1 101011 101100 0 00000
44 0 0 1 101100 101101 0 00000
45 0 0 1 101101 010001 0 00000
Адрес ^3
Таблица выбора микроопераций
а(г +1) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
А А А А А А А А А А А А А А10 Аз Аз А18 А18 А18 Ал А18 А А А А А А
Т а б л и ц а 3
а(г +1) 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
А А Ао А1 Ао А 2 А 4 А 4 А 5 А 4 А 6 А 7 А 8 А 8 А 8 А 8 А 8 А 8 А 8 А 8
5) считываются значения а. ^ {а} по результату исполнительной команды Д ^ {a};
6) передача обновленного логического слова аа-а поступает на информационный вход
мультиплексора.
Таким образом, вся логическая составляющая управляющего автомата представляется в табличном виде.
На языках программирования самым простым способом реализации таблиц являются массивы данных. Управление в автомате представляется в виде отдельных взаимодействующих функций в соответствующих парадигмах процедурного и объектно-ориентированного программирования.
Программный код реализован на языке C++ в среде программирования Borland C++.
Программа была проверена по таблице тестов с выводом результатов в зависимости от входного состояния управляющего автомата (рис. 5).
Заключение
Применение метода структурного автоматного программирования для автоматизированных систем очистки технологических сред позволяет создавать программы управляющих автоматов для управления и контроля в режиме реального времени.
Применение табличного вида логической составляющей управляющего автомата позволяет существенно сократить программный код и ускорить процесс обработки данных.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Филатов Д.А. Математическое описание процессов в системе ультразвуковой очистки железнодорожных стрелок с применением вихревого эффекта // Системы. Методы. Технологии. 2012. №4 (16). С. 82-86.
Рис. 5. Тестирование программы управляющего автомата
2. Мухопад Ю. Ф. Микроэлектронные системы управления. Братск : Изд-во БрГУ, 2009. 285с.
3. Мухопад Ю. Ф., Филатов Д.А. Модель системы контроля и управления турбо-механизмами // Науч. вестн. Новосиб. гос. техн. ун-та. Новосибирск : НГТУ, 2013. № 2 (51) С. 3-12.
4. Микропрограммный автомат : пат. 2527190 Рос. Федерации. БИ №24. - 2014, G06F9/00(2006.01) / Мухопад А. Ю., Мухопад Ю. Ф., Пунсык-Намжилов Д. Ц., Матвеев Е.Н. : опубл. 03.12.2013.
5. Безрукова Е. А., Мухопад А. Ю. Автоматизированное программирование микроконтроллерных средств управления технологическими процессами и сложными техническими системами // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте : сб. науч. трудов / под редакцией Ю.Ф. Мухопада. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2014. Вып. 24. С. 5-23.
6. Мухопад Ю.Ф. Теория дискретных устройств. Иркутск : Изд-во ИрГУПС. 2010. 172 с.
