Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий

 

Прошин Иван Александрович,

доктор технических наук, профессор,

Прошин Дмитрий Иванович,

кандидат технических наук, доцент,

Прошина Раиса Дмитриевна,

соискатель.

Пензенская государственная технологическая академия.

 

Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий (ИКСАЛ) в соответствии с предлагаемой концепцией [1 – 3] представляет собой совокупность аппаратных и программных средств.

В состав аппаратных средств ИКСАЛ входят комплекс многофункциональных установок, предназначенный для исследования работы конкретных физических объектов, и персональные вычислительные электронные машины (ПЭВМ), объединенные в единую информационную сеть, управляющий сервер, сервер базы данных.

Программные средства ИКСАЛ объединяют управляющие программы для составных частей ИКСАЛ, работающие под управлением операционной системы Microsoft Windows XP, систему управления базой данных (СУБД), программное обеспечение автоматизированных рабочих мест, обеспечивающее управление режимами работы составных частей ИКСАЛ, а так же анализ полученных результатов.

Нижний уровень (нулевой) интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий объединяет систему объектов исследования, исполнительных механизмов, датчиков и контроллеров в единую сеть. Конструктивно сетевой комплекс расширенных объектов исследования КРОИ представляет собой стойку с ячейками, в которых размещаются многофункциональные объекты исследований, и которые через микропроцессорные системы управления и контроллеры связаны с сетью компьютеров. Это позволяет использовать информацию о состоянии любого объекта и управлять любым объектом КРОИ с любого рабочего места. В разработанном на кафедре «Автоматизация и управление» Пензенской государственной технологической академии ИКСАЛ в одной лаборатории размещается 30 рабочих мест.

Применительно к специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» (Энергетика) разработанный комплекс на нижнем уровне управления объединяет три многофункциональных объекта (рис. 1):

·                    синхронный генератор – распределённая сеть (СГРС);

·                    интегрированный комплекс технологических процессов «ИКТП»;

·                    интегрированный электромеханический комплекс «ИЭМК».

На рис. 1 приведена структура многофункциональных объектов, ориентированных на профессиональную подготовку по специальности 220301 и блок, объединяющий все дисциплины специальности, при изучении которых применяется каждый объект исследования. Контроллер и в целом автоматизированная система управления (АСУ, АСУТП, АСУП) являются одновременно и средствами проведения исследований и объектами исследования.

 

Рис. 1. Структура объектов исследования по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» (Энергетика).

 

1. Многофункциональный объект «Синхронный генератор – распределённая сеть»

 

В состав многофункционального объекта СГРС входят четыре управляемых от сети компьютеров модуля:

·                    модуль управления (МУ);

·                    модуль трансформаторов и магнитных пускателей (ТМП-1);

·                    тиристорный коммутатор трёхфазных нагрузок (ТКН-3);

·                    тиристорный коммутатор однофазных нагрузок (ТКН-1).

Система СГРС, является составной частью интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий (ИКСАЛ).

Система предназначена для исследования работы синхронного генератора (СГ) и систем на его основе. Система позволяет:

·                     менять режимы управления СГ и типы и конфигурацию его нагрузок во время его работы;

·                    осуществлять непрерывный мониторинг параметров выходных цепей синхронного генератора;

·                    производить непрерывную передачу результатов измерений выходных параметров СГПЭВМ.

Конструктивно управление системой выполнено в четырех узлах (блоках), объединенных по своему функциональному значению.

Система СГРС эксплуатируется в помещении при нормальных климатических условиях. Диапазон контроля переменных выходных линейных напряжений СГ по фазам А, В, и С: от 60 до 160 вольт. Приведённая погрешность контроля переменных выходных напряжений СГ не более 5%. Диапазон контроля переменных токов в нагрузке СГ от 1 до 10 ампер. Приведенная погрешность контроля токов в нагрузке СГ не более 5%. Система управления СГРС обеспечивает управление с панели модуля управления (МУ) и с ПЭВМ. Обмен с ПЭВМ проводится по интерфейсу RS-485.

Режимы управления синхронным генератором включают управление в разомкнутой и замкнутой системе управления с заданием законов управления.

·                    модуль трансформаторов и магнитных пускателей (ТМП-1);

·                    тиристорный коммутатор трёхфазных нагрузок (ТКН-3);

·                    тиристорный коммутатор однофазных нагрузок (ТКН-1).

 

2. Модуль управления

 

Модуль управления (рис. 2) обеспечивает управление обмоткой возбуждения синхронного генератора (ОВСГ) при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а также магнитными пускателями и тиристорами модулей ТМП-1, ТКН-1, ТКН-3. Диапазон изменения тока в ОВСГ от 0 до 6 ампер с дискретностью 0.1 А. Диапазон изменения напряжения на ОВСГ от 0 до 15 вольт. Напряжение на ОВСГ зависит от задаваемого тока. Поддержание заданного уровня выходного напряжения СГ обеспечивается путем формирования воздействия на ОВСГ по закону ПИД регулирования. Значения коэффициентов ПИД регулирования заносятся в память с панели управления (ПУ) модуля управления или с ПЭВМ. Подачу в ОВСГ тока с фиксированным значением, которое задается пользователем с ПУ блока БУ или с ПЭВМ. Результаты измерения напряжения и тока в цепи ОВСГ и напряжений и токов фаз А, В и С генератора отображаются на индикаторе ПУ блока БУ.

 

Рис. 2. Модуль управления.

 

Обработка результатов измерений и непрерывная их передача на ПЭВМ обеспечивается по изолированному интерфейсу RS-485. Модуль управления формирует два массива данных, каждый из которых включает в себя результаты измерений напряжения и тока каждой фазы СГ за десять периодов сети по сорок измерений на период, а так же результаты измерений тока и напряжения на ОВСГ. Двухсторонний обмен с ПЭВМ организован в полудуплексном режиме.

 

3. Модуль трансформаторов и магнитных пускателей

 

Модуль трансформаторов и магнитных пускателей (ТМП – 1) обеспечивает подключение к выходным цепям синхронного генератора (СГ) по командам с модуля управления нагрузок, а так же непрерывное измерение параметров напряжений и токов фаз СГ, с последующей передачей информации для дальнейшей обработки на измерительные входы МУ.

В состав модуля входят плата измерительная и магнитные пускатели МП1...МП4.

Плата измерительная содержит трансформаторы напряжения и трансформаторы тока, вторичные обмотки которых при помощи кабеля подключаются на измерительные входы БУ. Внешний вид блока ТМП-1 представлен на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Внешний вид ТМП – 1.

 

4. Тиристорный коммутатор нагрузок ТКН-3

 

Коммутатор нагрузок переменного тока ТКН – 3 предназначен для переключения трёхфазного напряжения 220 вольт на одну из пяти трёхфазных нагрузок распределенной сети. Нагрузочная способность каждого из выходов не более 6 ампер.

Внутри модуля (рис. 4) расположены пять трёхфазных твердотельных тиристорных переключателя с оптическими управляющими входами, которые закреплены на теплоотводящей алюминиевой подложке толщиной 10 мм.

На передней стенке находятся болт для подключения защитного заземления, разъем ВХОД~220В,3Ф для подачи трёхфазного переменного напряжения на входы тиристоров. На задней стенке закреплены разъемы УПР РС и НАГРУЗКА 1...НАГРУЗКА 5 для подключения нагрузок РС.

 

Рис. 4. Внешний вид ТКН-3.

 

5. Тиристорный коммутатор нагрузок ТКН-1

 

Коммутатор нагрузок переменного тока ТКН – 1 предназначен для переключения однофазного напряжения 220 вольт на одну из пятнадцати однофазных нагрузок распределенной сети. Нагрузочная способность каждого из выходов не более 6 ампер.

Внутри модуля (рис. 5) расположены пятнадцать однофазных твердотельных тиристорных переключателя с оптическими управляющими входами, которые закреплены на теплоотводящей алюминиевой подложке толщиной 10 мм. На передней стенке находятся болт для подключения защитного заземления и разъем «ВХОД~220В,1Ф» для подачи однофазного переменного напряжения на входы тиристоров.

На задней стенке закреплены разъемы «УПР РС» для управления твердотельными реле и НАГРУЗКА 1...НАГРУЗКА 15 для подключения нагрузок РС.

 

Рис. 5. Внешний вид ТКН-1.

 

Разработанная система многофункциональных объектов исследования с учётом построения ИКСАЛ на базе интеграционного сервера, интегрирующего все подсистемы ИКСАЛ в единую систему, обеспечивает проведение исследований по всем дисциплинам специальности на единых физических и математических моделях на базе концепции профессиональной подготовки по вектору знаний [4]. Интеграционный сервер включает в себя функции коммуникационного сервера и концентратора и выполняет при этом широкий набор специальных функций и функций по обработке экспериментально-статистической информации, реализует комплексные алгоритмы управления в соответствии с разработанными методиками проведения исследований [5], синхронизирует работу подсистем и поддерживает единое время в ИКСАЛ. Обеспечивает информационный канал к системам верхнего уровня (архивирование и визуализация данных) и взаимодействие разнородных подсистем с возможностью наращивания технических средств и расширения функций, что придаёт системе множество дополнительных возможностей по проведению как научных, так и учебных исследований.

 

Литература

 

1. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Концепция построения лабораторной базы в вузе / Академия профессионального образования. – Санкт- Петербург. – 2006. – № 5. – С. 20 – 24.

2. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Интегрированная система комплексных сетевых автоматизированных лабораторий / Академия профессионального образования. – Санкт- Петербург. – 2006. – № 2. – С. 23 – 29.

3. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Концепция интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий с использованием виртуально-физической среды / Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. – Курск. – 2008. – № 12. – С. 33 – 37.

4. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Концепция профессиональной подготовки по вектору знаний / Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. – Курск. – 2009. – № 2. – С. 66 – 70.

5. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Методика проведения лабораторных занятий в условиях интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий / Академия профессионального образования. – Санкт- Петербург. – 2007. – № 3 – 4. – С. 26 – 32.

 

Поступила в редакцию 16.03.2008 г.