CC BY
15
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
УДК 631 Филатов Дмитрий Алексеевич,
аспирант кафедры «Управление техническими системами», Иркутский государственный университет путей сообщения,
е-mail: [email protected] Мухопад Юрий Федорович, д. т. н., профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации
МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОМЕХАНИЗМАМИ
D.A. Filatov, Yu.F. Muhopad
THE TECHNIQUE OF MONITORING AND MANAGEMENT
OF TURBOMECHANISMS
Аннотация. Предложена методика контроля и управления для турбомеханизмов, применяемых в производстве для экологической очистки воздуха от пыли, а также для очистительной системы на железной дороге.
Ключевые слова: турбомеханизмы, контроль, управление, вихревая труба, ультразвук, сирена.
Abstract. The technique of monitoring and management for the turbomechanisms applied in manufacture for ecological clearing of air of a dust, and as for cleaning system on the railway is offered.
Keywords: turbomechanisms, control, management, vortical pipe, ultrasound, siren.
Принято считать, что железнодорожный транспорт не зависит от условий погоды, однако некоторые природные явления могут создать затруднения и в работе железных дорог. В Сибирских регионах серьезную опасность для движения поездов представляют обильные снегопады и вызываемые ими снежные заносы. Наиболее уязвимыми элементами пути при этом являются стрелочные переводы и, в первую очередь, стрелки в зоне примыкания остряков и рамных рельсов, 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. Очистка производится обдувкой межрельсового пространства сжатым воздухом, подаваемым по специальной пневмомагистрали.
Для наиболее эффективной очистки стрелок от снега и льда имеет смысл модернизировать существующую пневмоочистку использованием
вихревого эффекта и ультразвука для дробления и топления снега и льда. Могут быть использованы системы с применением таких турбомеханизмов, как вихревая труба противоточного типа [5] и ультразвуковая статическая сирена [9, 13]. Для эффективной эксплуатации всех элементов системы необходимо ее контролировать и диагностировать на всем протяжении периода ее работы в режиме реального времени в связи с тем, что при малейшем изменении давления входного сжатого воздуха изменяются температура горячего сжатого воздуха в вихревой трубе и мощность ультразвука в сирене.
В промышленности используются подобные турбомеханизмы для очистки газа от пыли, такие как высокопроизводительные прямоточные циклоны [1] (вихревые трубы прямоточного типа [4, 5]), особенно в качестве первой ступени очистки.
В настоящей статье на базе рассмотренных ранее вопросов математического и аналитического описания процессов турбулентного движения воздушной среды для анализа зависимостей давления и температуры в разных точках вихревой камеры и влияния этих параметров на мощность ультразвука в сирене выбран метод анализа и способ управления турбомеханизмами. Анализ указанных процессов выполнялся ранее в ряде работ [1, 4, 5], однако не рассматривался вопрос комплексного взаимодействия горячего воздуха с ультразвуком.
Для реализации задачи управления и контроля целесообразно рассмотреть ультразвуковую систему очистки с применением вихревого эффекта как технологический процесс, состоящий из четырех взаимодействующих модулей (рис. 1).
на выходе холодный се атый в озд/х уходит в окружающую среду
— ультразвуковые в олны
подаются на стрелочный перевод
Рис. 1. Система очистки железнодорожных стрелок с применением вихревого эффекта и ультразвука. Стрелками обозначено направление движения сжатого воздуха от пневмомагистрали, а цифрами - номера дросселей/датчиков и технологических блоков (модулей)
Сжатый воздух поступает в вихревую камеру (модуль 2) с пневмомагистрали (модуль 1) и регулируется дросселем 1. Далее сжатый воздух делится на два потока (горячий и холодный), выходит через горячий и холодный выход вихревой трубы и регулируется дросселем 2 на холодном выходе. Часть горячего сжатого воздуха поступает в ультразвуковую сирену, а другая часть - в пнев-мообдувку (модули 3 и 4), горячий сжатый воздух в 3 и 4 модуле регулируется, соответственно, дросселем 3 и 4. 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 пневмооб-дувки поступают на стрелочный перевод.
Для создания и реализации системы управления вихревой трубой и ультразвуковой сиреной необходимо исследовать математическую модель для оценки взаимовлияния управляющих параметров и получения алгоритма или аппаратной модели.
В статье в качестве базового метода анализа используется аппарат сетей Петри. Этот подход для анализа вычислительных систем подробно раскрыт в работе [6]. Анализ вычислительных процессов с помощью сетей Петри с запрещающими дугами впервые предложен в работе [7]. Метод получил свое развитие и был использован
далее в работах [2, 3, 8]. Однако применительно к анализу турбомеханизмов такие методы не использовались.
Управляющим параметром первого и второго модуля в данном случае является давление сжатого воздуха Р1, которое должно находиться в пределах от 6 до 8 атм на выходе из пневмомаги-страли или на входе в вихревую камеру; такое же давление Рс сжатого воздуха на холодном выходе вихревой трубы. Управляющим параметром третьего и четвертого модулей является давление РЬ горячего сжатого воздуха на выходе из вихревой трубы, которое также колеблется от 6 до 8 атм.
Так как происходит колебание давления сжатого воздуха, что приводит к потере мощности ультразвука в сирене, то возникает необходимость поддерживать исправную работу системы очистки регулированием и контролем давления сжатого воздуха в режиме реального времени, что в свою очередь предусматривает создание микропроцессорной системы управления турбомеханизмами.
Рассмотрим микропроцессорное устройство управления и контроля турбомеханизмами. Процессор может находиться в одном из четырех состояний:
1 - обслуживание модуля 1 (рис. 1) - управление и контроль давлением Р1 сжатого воздуха на входе в вихревую трубу;
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
2 - обслуживание модуля 2 - управление и контроль давления Рс сжатого воздуха на холодном выходе вихревой трубы;
3 - обслуживание модуля 3 - управление и контроль давления РЬ сжатого воздуха на горячем выходе из вихревой трубы и на входе в ультразвуковую сирену;
4 - обслуживание модуля 4 - управление и контроль давления РЬ сжатого воздуха на горячем выходе из вихревой трубы и входе в пневмо-обдувку.
Рис. 2. Сетевая математическая модель микропроцессорной системы управления и контроля турбомеханизмов
Граф состояния устройства приведен на рис. 2. Дугами ¿1 ¿12, ¿13 обозначены переходы
между указанными состояниями. Дуги ¿11, ¿14, ¿15 обозначают завершение работы соответственно модуля 2 (при избыточном давлении Рс или его отсутствии на холодном выходе вихревой трубы), модуля 1 (при избыточном давлении Р1 или его отсутствии на входе в вихревую трубу), модуля 3 (при избыточном давлении РЬ или его отсутствии на горячем выходе вихревой трубы или на входе в ультразвуковую сирену). После завершения работы одного из трех модулей следует завершение работы микропроцессорной системы и отключение системы очистки. Сравнительный анализ для управления и контроля модулей производится над информацией с датчиков (рис. 1). Датчики расположены в каждом из модулей. По средствам дросселей система меняет параметры давления до рабочего состояния устройства очистки при малейшем изменении любого параметра давления.
Таким образом, выбраны условия и события для реализации управления и контроля турбо-
механизмами. Список условий приведен в табл. 1, список событий - в табл. 2, а табл. 3 соответствует условиям и событиям.
Т а б л и ц а 1
Полученная сетевая модель МПС должна обладать следующими свойствами:
1. Безопасность сети при подаче любых внешних воздействий. Это свойство, очевидно, выполняется для позиций, реализующих операцию «логическое ИЛИ» над метками. В случае арифметического суммирования нарушения безопасности могут свидетельствовать об ошибке на стадии логического проектирования МПС. Например, неограниченный рост числа меток в позиции типа «сохранение в стеке» соответствует переполнению стека при данном входном наборе.
2. Живость переходов. Отсутствие живости 1-го перехода соответствует событию, которое не произойдет ни при каких любых допустимых входных наборах. На практике это может означать программную или аппаратную избыточность МПС или другую ошибку проектирования.
3. Достижимость. Сетевая модель должна иметь не только начальную разметку, но и некоторое непустое множество всех допустимых разметок. Наличие такого множества и определяет функционирование МПС.
4. Отсутствие тупиков. Наличие тупика означает зависание МПС на некотором входном наборе.
Список условий
Обозначение Условия Наличие начальных условий
Ь1 Обслуживание модуля 1 (принят запрос с датчика Б1) есть
Ь2 Вывод данных входных и выходных параметров модуля 1 нет
Ь3 Обслуживание модуля 2 (принят запрос с датчика Б2) есть
Ь4 Вывод данных выходных параметров модуля 2 нет
Ь5 Обслуживание модуля 3 (принят запрос с датчика Б3) есть
Ь6 Вывод данных выходных параметров модуля 3 нет
Ь7 Обслуживание модуля 4 (принят запрос с датчика Б4) есть
Ь8 Вывод данных выходных параметров модуля 4 нет
Т а б л и ц а 2
Список событий
Обозначение Событие
dl Переход от модуля 1 к модулю 2 (сравнение PD1 и Pl, TD1 и T1)
d2 Переход от модуля 1 к модулю 3 (сравнение PD1 и Pl, TD1 и T1)
d3 Возврат из модуля 2 к модулю 1 (сравнение PD2 и Pc, TD2 и Tc)
d4 Возврат из модуля 4 к модулю 1 (сравнениеPD4 и Ph, TD4 и Th)
d5 Возврат из модуля 3 к модулю 1 (сравнение PD3 и Ph, TD3 и Th)
d6 Переход от модуля 1 к модулю 4 (сравнение PD1 и Pl, TD1 и T1)
d7 Переход от модуля 2 к модулю 3 (сравнение PD2 и Pc, TD2 и Tc)
d8 Возврат из модуля 4 к модулю 2 (сравнение PD4 и Ph, TD4 и Th)
d9 Возврат из модуля 3 к модулю 2 (сравнение PD3 и Ph, TD3 и Th)
d10 Переход от модуля 2 к модулю 4 (сравнение PD2 и Pc, TD2 и Tc)
dll Переход к завершению работы модуля 2, завершение работы микропроцессорной системы. Отключение системы пневмоочистки
d12 Возврат из модуля 4 к модулю 3 (сравнение PD4 и Ph, TD4 и Th)
d13 Переход от модуля 3 к модулю 4 (сравнение PD3 и Ph, TD3 и Th)
d14 Переход к завершению работы модуля 1, завершение работы микропроцессорной системы. Отключение системы пневмоочистки.
d15 Переход к завершению работы модуля 3, завершение работы микропроцессорной системы. Отключение системы пневмоочистки
Для построения РК события будем считать переходами сети, условия - позициями. Если условие Ы является предусловием события ф, то позиция Ы соединена с переходом ф дугой. Если условие Ы является постусловием события ф, то позиция Ы соединена с переходом ф дугой. Если для реализации события ф необходимо отрицание условия Ы, то позиция Ы соединена с переходом ф запирающей дугой. Другими словами, в графе «предусловие» табл. 3 определяют матрицу прямой функции инцидентности Ф, а «постусловие» -матрицу обратной функции инцидентности Н:
Ф: В х Д-(0, 1,1); Н : Д х В - (0, 1),
где Д - множество событий, В - множество постусловий и предусловий, 0 означает отсутствие дуги между событием и условием, 1 - наличие дуги и 1 - наличие запирающей дуги.
Матрицы Ф и Н, построенные на основании табл. 3, представлены в табл. 4 и табл. 5 соответственно. Начальная маркировка РК, построенной по матрицам Ф и Н, определяется из списка условий (табл. 1): МО = 0{100000000}.
Условия делятся на предусловия и постусловия (табл. 3). Предусловия - это условия, которые обеспечивают реализацию события, а постусловия - это условия, которые выполняются после реализации события. Некоторые условия могут одновременно быть как предусловиями, так и постусловиями.
Т а б л и ц а 3
Предусловие Событие Постусловие
b1b2 dl b2b3b4
b1b2 d2 b2b5b6
b3b4 d3 blb2b4
b7b8 d4 blb2b8
b5b6 d5 blb2b6
b1b2 d6 b2b7b8
b3b4 d7 b4b5b6
b7b8 d8 b3b4b8
b5b6 d9 b3b4b6
b3b4 dl0 b4b7b8
b3b4 dll b3b4
b7b8 dl2 b5b6b8
b5b6 dl3 b6b7b8
b1b2 dl4 blb2
b5b6 dl5 b6b5
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Т а б л и ц а 4
Мат
жца прямой функции инцидентности
Позиция Переход
Ь1 Ь2 ьз Ь4 Ь5 Ьб Ь7 Ь8
1 1 0 0 0 0 0 0
а2 1 1 0 0 0 0 0 0
аз 0 0 1 1 0 0 0 0
а4 0 0 0 0 0 0 1 1
а5 0 0 0 0 1 1 0 0
аб 1 1 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 0 0 0 0
а8 0 0 0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 1 1 0 0
аю 0 0 1 1 0 0 0 0
ш 0 0 1 1 0 0 0 0
а12 0 0 0 0 0 0 1 1
а1з 0 0 0 0 1 1 0 0
а14 1 1 0 0 0 0 0 0
а15 0 0 0 0 1 1 0 0
Т а б л и ц а 5
Матрица обратной функции инцидентности_
Переход
Позиция а2 аз а4 а5 аб а7 а8 а9 аю ш а12 а1з а14 а15
Ь1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
Ь2 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0
ЬЗ 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0
Ь4 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0
Ь5 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1
Ьб 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1
Ь7 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0
Ь8 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0
Рассмотрим достижимость сетевой модели (рис. 3):
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис. 3. Сеть Петри микропроцессорной системы управления и контроля турбомеханизмов
Используя прямую и обратную функции инцидентности, запишем уравнение, определяющее наличие метки в позиции Ь после срабатывания перехода ¿1:
Ь]=Ь]Х П=1 Ш ху,=111]. Для сети (рис. 3) система уравнений имеет вид:
Ь1 = а3 V ¿4 V ¿5 V ¿14 Ь2 = И V ¿2 V ¿3 Vd4 V ¿5 V ¿6 V ¿14
Ь3 = И V ¿8 V ¿9 V ¿11 Ь4 = ¿1 V ¿3 V ¿7 V ¿8 V ¿9 V ¿10 V ¿11
Ь5 = (2 V ¿7 V ¿12 V ¿15 ,
Ь6 = d2 V ¿5 V ¿7 V ¿9 V ¿12 V ¿13 V ¿15 Ь7 = d6 V ¿10 V ¿13 Ь8 = d4 V ¿6 V ¿8 V ¿10 V ¿12 V ¿13
Ь1 •(d1хd2d6d14) Ь2 •
Ь3 Ь4 Ь5 Ь6 Ь7 Ь8
(d1хd2d6d14)
(d3d7 d10d11)
(¿3(17 d10d11)
(d5d9d13d15)
(¿5(9(Ш15)
((4(8И2)
• ((4(8И2)
Таким образом, граф достижимости принимает следующий вид:
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Рис. 4. Граф достижимости, где позиции Ь2, Ь4, Ь6, Ь8 сохраняются до завершения обхождения всех ребер графа Из графа достижимости (рис. 4) выбирается следующий маршрут с условием перехода рк
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
а14р14
Рис. 5. Маршрут прохождения всех ребер графа достижимости
На основании маршрута (рис. 5) матрица смежности графа достижимости приведена в табл. 6.
Т а б л и ц а б Матрица смежности графа достижимости
входных наборов I (сигналы датчиков Б1). Выходной алфавит представлен множеством Р.
Разметка Ь1Ь2 Ь2ЬзЬ4 Ь2Ь4Ь5Ьб Ь2Ь4ЬбЬ7Ь8
Ь1Ь2 а14р14 а1р1 а2р2 абрб
Ь2ЬзЬ4 азрз а11р11 а7р7 а10р10
Ь2Ь4Ь5Ьб а5р5 а9р9 а15р15 а1зр1з
Ь2Ь4ЬбЬ7Ь8 а4р4 а8р8 а12р12
Граф достижимости и матрица смежности выбранного маршрута показывают, что сетевая модель обладает следующими свойствами:
1) безопасность сети при подаче любых внешних воздействий;
2) живость переходов;
3) достижимость;
4) отсутствие тупиков.
Таким образом, сетевая модель микропроцессорной системы управления турбо-механизмами сводится к композиции двух автоматов с обратной связью (рис. б).
Автомат А1 - автомат Мили, входной алфавит которого составляет множество условий Р. Выходной алфавит представлен множеством Б, элементами которого являются переходы
Автомат А2 - автомат Мура, входной алфавит которого состоит из множества Б и множества
Рис. 6. Автоматная модель микропроцессорной системы управления турбомеханизмами
За время одного такта происходит одно из двух событий:
1. Входной набор II переводит автомат А2 из одного состояния в другое. При этом отсутствие меток на входах сети Петри понимается как нулевой входной набор.
2. Срабатывание переходов а1 (изменение значений входов Б автомата А2) приводит к изменению состояния автомата А2.
Построенная автоматная модель (рис. 6) позволяет решить следующие задачи:
- построение тестовых наборов, обеспечивающих реализацию выбранного маршрута;
- обеспечение контроля функционирования системы в ходе работы;
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
- преобразование исходной модели микропроцессорной системы к виду, пригодному для самотестирования.
Полученная аппаратная модель приводит к завершению задачи определения метода контроля и управления турбомеханизмами. Дальнейшее развитие модели (рис. 6) дает возможность создания аппаратной реализации микропроцессорной системы управления турбомеханизмами.
Методика управления и контроля турбо-механизмами с использованием аппарата сетей Петри доказала свою пригодность и эффективность в качестве базового метода анализа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Асламова В. С. Прямоточные циклоны. Теория, расчет, практика. Ангарск : АГТА, 2008. 233 с.
2. Васильев В. В., Кузьмин В. В., Сети Петри, параллельные алгоритмы и модули МПС. Киев : Наукова думка, 1991. 216с.
3. Гуревич Д. С. Поглощающие сети Петри при проектировании ЦВС // Автоматика и вычислительная техника. 1990. № 3. 80-87 с.
4. Гуцол А. Ф. Эффект Ранка. Кольск, 1997. 687 с.
5. Меркулов А. П. Вихревой эффект и его применение в технике. М. : Машиностроение, 1969. С. 7-64.
6. Мурата Т. Сети Петри // ТИИЭР. 1989. №4. С. 41-85
7. Мухопад Ю. Ф. Сербуленко Л. М. Автоматная интерпретация устройств контроля и управления. Новосибирск : НЭТИ, 1992. 41-49 с.
8. Мухопад Ю. Ф. Микроэлектронные системы управления. Братск : БрГУ, 2009, 285с.
9. Розенберг Л. Д. Источники мощного ультразвука. Физика и техника мощного ультразвука. М. : НАУКА, 1967. 94-106 с.
10.Автоматическая пневмоочистка стрелок. Напольное оборудование и воздухопроводная сеть : типовые материалы для проектирования. М. : РОСЖЕЛДОРПРОЕКТ, 2006. С. 1-29.
11.Филатов Д. А. Микропроцессорные системы управления турбо-механизмами. Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте : сб. науч. тр. / А. В. Данеев, В. А. Козырев // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте / Иркут. гос. унт путей сообщ., Ин-т динамики систем и теории упр. СО РАН Байкал. науч. центр академии инженер. наук РФ; под ред. Ю. Ф. Мухопада. Иркутск, 2011. Вып. 19. 118-121 с.
12.Филатов Д.А. Структура микропроцессорной системы управления турбо-механизмами на базе микроконтроллера семейства НС08 // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте / Иркут. гос. ун-т путей сообщ., Ин-т динамики систем и теории упр. СО РАН Байкал. науч. центр академии инженер. наук РФ; под ред. Ю. Ф. Мухопада. Иркутск, 2011. Вып. 20. 53-60 с.
13. Филатов Д. А. Применение сирены, как ультразвукового излучателя на железной дороге // Проблемы транспорта Восточной Сибири : материалы науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов электромехан. факультета ИрГУПС / Федер. агентство ж.-д. трансп., Иркут. гос. ун-т путей сообщ. Иркутск : ИрГУПС, 2012.117-119 с.
