ZESZYTY N A UK OW E POLITECHNIKI Ś L ĄSKIEJ Seria: AUTOMATYKA z.101
1900 Nr kol.1083
Jan Gruszecki Mieczysław Stępień
Politechnika R z es zo ws k a *
SYSTEM POMIAR OW O -K ON TR O LN Y D LA OBSŁUGI P R O C ES ÓW PRZEMYS ŁO W YC H
Stheszczeni o . W p r a c y pr ze d s t a w i o n o s y st e m pomi ar owo -k on t ro in y w spo m ag aj ąc y obsługę p r ó b z mę c ze n i o w y c h konstrukcji lotniczych.
S ystem z b u d o w a n y na m ik ro k o m p u t e r z e I BM P C zawiera część po mi a ro wą oraz s t e r u j ą c ą p o z w a l a j ą c ą r ea li z ow ać p r og ra m pr ób dla d ow olnego o dc in ko w o- ci ąg ł eg o ob ci ą ż e n i a konstrukcji. J e g o mo du ł ow a budowa oraz s truktura o p r o g ra mo w an ia d a j e się łatwo ad a ptować d o stero wa ni a różnych p r o c e s ó w przemysłowych.
Mała ilość s y s t e m ó w k om p ut e r o w y c h wd ra ż an yc h w r ó ż ny ch ga ł ęz ia ch naszego p rz e my sł u s po wo d o w a n a jest m i ę d z y innymi b r a k i e m odp ow i ed ni eg o sprzętu komputerowego, z k t ó r e g o można konfi g ur ow ać w y m a g a n ą ich strukturę. S t o s o w a n i e du żych Jednostek k o m p ut er ow y ch posiadaj ąc yc h możliwości pom ia ru i p r z e t w a r z a n i a dow ol ny c h s y g n a ł ó w oraz gener ow a ni a sygnałów s t er uj ąc y ch o d o w o l n y m p r z e b ie g u w c za si e nie mo g ło być prz y ję te ze wzg lę dó w ekonomicznych. Przypadki z a s to so wa n ia w kr aj u takich rozwiązań - w y łą cz aj ą c s p e c j a l i z o w a n e s y s t e m y - n ie s t a ł y się standardami w p o s z c z e g ó l n y c h branżach.
Z ap ot r zebowanie na t e g o r o d za ju sprzę t b ył o in sp i r a c j ą do zaprojektowania i u r u c ho mi en i a w o s t a t n i m d z i e s i ęc io le c iu k i lk u t ^p ów systemów m ik ro k o m p u t e r o w y c h d o s te ro w a n i a procesami» nie z a c h o wu ją c yc h Jednak po ds t a w o w y c h ce ch zgodności. Z drugiej s t r o n y n a s y c e n i e o ś r od kó w n aukowo-badawczych i ich z a k ł a d ó w p a tr on a c k i c h w m i k r o k o m p u t e r y st an dartu IBM PC oraz u rz ąd z e n i a d o p o m ia r u i transmisji d a ny c h w e d ł u g pro to k oł u R S- 232C lub I E C - 6 2 5 p r z es u wa z a i n t e r e s o w a n i e po te n c j a l n y c h ko nt ra h e n t ó w w kierunku s y s t e m ó w z mikrokompu te r am i t e g o standardu, po si ad a ją cy ch możliwości p od łą c z e n i a u r z ą dz eń pomiarowych, w y po s aż on yc h w© własne systemy mikroprocesorowe. M o t y w y te z a i n s p i r o w a ł y a u t o r ó w d o b u d o w y k a na łu przemysłowego w s p ó ł p r a c u j ą c e g o z m i k r o k o m p u t e r e m I B M P C XT/AT, k t ó r y spełniałby n a s t ę p u j ą c e funkcje:
- rejestr ow an ia s t a n ó w obiektu,
- kontroli s t a n ó w o b i e k t u w s y t u a c j a c h awaryjnych,
- gener ow a ni a s y g n a ł ó w s t e r u j ą c y c h c i ą g ł y c h i dyskretnych,
88 J . G r u s z e c k i » M. S t ą p i ort
- p rzetwarzania d a nych i dokumentowania, - wnioskowania s t a n ó w obiektu.
Jako p rzykład z as to sowania syst em u p r z y j ę t o r e p r e z e n t a t y w n y proces p rzemysłowego badania zm ę cz e n i o w e g o konstrukcji lotniczej. P r ow ad ze n i© tej p ró by polega na za da w an iu ob ci ą że ni a na konstr u kc ję s a m ol o tu zamocowanego v kl atce wytrzymałościowej o z n a c zn ie większej niż sam o lo t sztywności i obserwacji z ac ho wa n ia się konstrukcji p»o kol e jn yc h obciążeniach s ymulujących r ze cz y wi st e obciąż en ia p e w ne go s t a t y s t y c z n e g o lotu. Jako parametr stanu konstrukcji w d a n y m p u n kc i e s a m o lo tu p rz yj m uj e się n apręż e ni e mier zo ne wy dł u ż e n i e m el em en tu t en s o m e t r y c z n e g o p r z y kl ej on e go na powierzchni konstrukcji. Obs łu ga p r ó b y zmęczeniowej konstrukcji w zależności od jej r o dz aj u wymaga wykonania n a s t ę pu ją c yc h czynności:
- re j es trowania s t a n ó w o bc ią ż e n i a konstrukcji zgo dn i e z przepisami próby*
- ciągłej kontroli s ta nu konstrukcji i o b c ią że ń dla u ni kn i ę c i a jej przy p ad ko we g o zniszczenia,
- ge nerowania obci ąż e ń na koi^strukcję wraz z ich k o r e k c j ą przy n ie sy me t ry cz ny m odkształceni u konstrukcji,
- p r ze tw arzania d a nych z p r ó b y i i ch d o k u m en to w an ia z g o dn ie z przepisami .próby,
- w n io s ko wa ni a k o n st r uk to ra o s t an ie konstrukcji w c z as i e eksploatacji p r ó b n e j .
V n in ie js z ym m a t e r i a l e a u t or zy p r a g n ą p r z ed st a wi ć str uk tu r ę sprzętową i p r og ra m o w ą s y st e mu s p e ł n i a j ą c e g o w y mi en i o n e w y m a g a n i a f wykonanego w r ama ch C PB R nr 86, cel 39.
2. K o nf iguracja s pr zętowa syst em u
Za p ro j e k t o w a n y i w y k o n a n y s y s t e m w s po m ag an ia pr ób zmęczeniowych -konstrukcji l o tn ic zy c h C l 3 w części sprzętowej s kł a da się z następujących
urządzeń Crys.lJ:
- m i kr ok om p ut er a I B M P C / X T z H D 20MB, s t a c j ą d y s k ó w e la st y c z n y c h i kartą k ontrolera magistrali IEC-625,
- drukarki NX IS, - kana łu przemysłowego.
Kanał p r z e m y s ł o w y s y s t e m u m o ż e być łączo ny z m i k r o k o m p u t e r e m według Jednego z trzech p r o t o k o ł ó w transmisji: PIO, R S - 23 2 C l u b IEC-625, którego wybór p olega na o d po wi a d a j ą c y m s o b i e p o łą cz e n i u k on t ro le ra umieszczonego v s zczel i ni e k a s e t y k a na łu p r z e m y s ł o w e g o z kartami mikrokomputera.
Magistrala kanału p rz em y s ł o w e g o Jest m a g i s t r a l ą równoległą, wyposażoną * z estaw s y g n a ł ó w dla mik ro p ro ce so r a T M P Z 8 4 C 0 1 5 r z * w y j ą t k i e m s y g n a ł u SELECT, um o żl iw ia j ąc ą p od łą c ze ni e d o niej kart modułów.
System pom iar owo-le o n t r o i n y 89
Rys. 1. Schem a t syst em u sterowania Fig. 1. C o m p u t e r control system diagr am
Kanał p r z e m y s ł o w y w y k o n a n y J a k o od d zi e l n a ka seta z n i e z a l e ż n y m ukła de m zasilania p o s i a da 1 5 s z c z e l i n umożliwi aj ą y c h d o w o l n e z es ta w ie ni e konfiguracji sprzę to we j k a n a ł u z m o d u ł ó w w y ko na ny c h w f o r m i e kart o wymiarach 1 4 0 X 1 5 0 mm. K a r t y s p r zę ga s ię z m a g i s t r a l ą k an ał u przemysłowego p o p rz ez z ł ą c z e E lt r a 831084. Łączna i lość wejśćkwyjić adresowych wynosi 128.
Układ k o n t r o l e r a z m a g i s t r a l ą k a n a ł u p r z e m y s ł o w e g o um oż liwia automatyczną i d e n t y f i k a c j ę konfiguracji s pr z ęt ow ej k a n a ł u oraz adr e só w poszczególnych w e jś ć^ w y j ś ć m o d u ł ó w a k t u a l n i e d o ł ą c z o n y c h d o systemu.
Konfiguracja s y s t e m u z a w i e r a k a r t y o niżej p o d a n y c h ch ar ak t e r y s t y k a c h :
90 J. G ruszecki , M. Stępień
- karta o 16 we j ściach analo go w yc h różni c ow yc h z p rz et w o r n i k i e m A/C 1 0 —bitow y m kompensacyjnym. Przetwórnik w y k o n a n y wy łą cznie z elementów krajowych lub z i m po rt u centr al n eg o z a wi e ra podzespoły; . pr z etwornik C/A, rejestr i k o m p a r a t o r , kt ó re p r a c u ją w ukł a dz ie z u j em n ym sprzężeniem zwrotnym, realizując konwersję m e to dą kol ej ny c h przybliżeń. Układ przetwarza na pięcie C —5, ->5VD lu b CO, +10\0 z e źród ła o oporności wejściowej > 1 O O M O oraz w ej śc io w ym p r ąd zi e polaryzacji < 0 . 3 m A na sygnał w natura ln y m kodzie b i n ar ny m w c zas ie 25/t s,
- karta k ontrolera t w o r z y w ew nę t r z n ą magist r al ę k a s e t y i pozwa l a na d wu ki er u nk ow ą łączność mi kr o ko mp ut e ra z kartami wejść /w y jś ć kanału przemysłowego. P o d s t a w o w y element k a r t y stanowi układ LSI typu TMPZ84C015 p eł ni ą c y funkc je procesora, z egara czasu rzeczywistego, u k ła dó w buforowych
u kł ad ów transmisji szeregowej. K ar ta z a w i er a również bloki pamięci KAM, ROM, w tym R A M O / P OW ER u m o ż li wi aj ą cą k on t yn ua cj ę z a da ni a przez kontroler p o z a ni k u i p oj aw i en iu się na pięcia zasilania. U m i e s z c z o n y na karcie procesor ¿/PD7210 re al i zu je n ie z al e ż n i e po ł ąc z e n i e k a r t y w s t a n d a r d e IEC-625. R o zw ią za n ie s p r z ęt ow e k a r t y pozwala realiz o wa ć a ut on o m i c z n ą pracę kanału pr ze my sł o we go w tr ybie współpracy z w ł a sn ą k o n s o l ą l ub z m ikrok o mp ut er e m w J e d ny m z t rzech p r o t o k o ł ó w transmisji: RS-232C, IEC-625, PIO. W autonomi c z n y m tr ybie p r a c y d a n e przeć howy wa n e s ą we własnej pamięci R A M 0 . 5 MB,
- karta wejść cyf ro wy c h statycznych. U kład poprzez kontroler łączy 8 s yg na l iz at or ó w z m a g i s t r a l ą mikrokomputera. Wejścia w z aj e m n i e izolowane, d wuprzewodowe m a j ą re zystancję w e j ś ci o wą 600 O i n o m i n a l n y prąd wejściowy 40 mA,
- karta wyjść c y f r ow yc h statycznych. U kł ad s t r u k t u r a l n i e o d po wi ad a karcie wejść cyfrowych. K a ż d e z wyjść jest t r ó j p rz e wo do wo po la r y z o w a n e napięciem n om in a ln ym 2 4 V p r z y m ak s ym a l n y m p r ą d z i e w y j ś c i o w y m 1A,
- karta wejść p r z e r y w aj ąc yc h s p e c j a l i z o w a n y c h z a w i er a 7 wejść b ezpośrednich wyzw a la ny ch r o s n ąc y m z b o c z e m syg na łu oraz 8 wejść pośrednich z r e g u l o w a n y m p o z i o m e m wyzwalania. W e j śc i a p o ś r ed n ie sł uż ą do sygnalizacji w p r z y pa dk u p r z ek ro cz e ń o dp o wi e d n i c h wielkości analogowych.
P ojawi en i e się pr z er wa ni a um o żl i w i a systemowi jego obsł ug ę przez u ak ty wnienie k a r t y i o dc zy t a n i e s t a n u p r z er wa ń p rz ez magis tr a lę danych.
- karta stero wn ik a p o z w al a wypr ow ad zi ć ‘sygnał a n a l o g o w y na urządzenie w ykonawcze u k ładu ob ci ąż e n i a konstrukcji. Uk>ad g e n e r uj e przebiegi o d o w o l n y m k sz ta ł c i e i pr ogramowanej p o d s t a w i e czasu. M ą on po zaprog ra m ow an iu a u t o n o m i c z n y charakter pracy, u m o ż l i w i a j ą c y generowanie pr z eb ie gu o bc ią ż e n i a bez u d z ia ł u mikrokomputera.
Udział mi kr ok o mp ut er a J es t n i e z b ę d n y d l a pr z yg o t o w a n i a przebieg0 obciążenia, k t ó r y z a p i s a n y jest w pamięci R A M s te ro w n i k a oraz dla koordynacji p r a c y po d sy s t e m u z a d a wa n ia o b c i ą że ń p r z y w łą c z e n i u d o pracy
System pom iarowo-kontrolny . . .
większej i 1 ości sterowników. Praca sterownika p odzielona jest n*a dwa cykle. W cyklu p i er ws zy m n as tępuje zapeł ni e ni e danymi pamięci RAM, zaś w cyklu d r ug i m moduł przechodzi w au t on o m i c z n y tryb pracy wysyłając kolejne wartości a n al ogowe na sz y ny urządzeń wykonawczych. Karta sterownika posiada w ł a s n y z asilacz napięcia referencyjnego, z as i la ją cy przetwornik C/A i dzielnik układu sumatora, umo ż li wi aj ą cy g e n er ow an i e napięć wyjściowych w zak re s ie CO, 10VO, CO, 5VO i C-S, +5V0 pr z y prądzie wyjściowym max. 10 mA, rozdzielczości 9 b i tó w i z akresie częstotliwości
wejściowej i m p u l só w zegaro wy c h CO, 300kHz}. •
Modułowa konstr u kc ja kanału prze my s ło we go pozwala w d o w o ln y sposób konfigurować z e s t a w kart, w zależności od zadań ,j ak i e ma wypełnić omaw ia n y system.
3. Oprogramowanie systemu
Oprogramowanie uży tk ow e syste mu p r o w ad zą ce g o próbę długotr wa łą , na którą składają się c y kl e ob c ią ż e ń konstrukcji u stalone według o bo w iązujących dla danego typu sam ol o tu p r ze p i s ó w o budo wi e statk ó w p ow i etrznych jest oprogramowaniem specjalizowanym, w y ko r zy st uj ą cy m możliwości kanału przemysłowego. P r z y je g o o p ra co w an iu a u t o r z y uwzględnili możliwość bardziej uni we rs a ln eg o wykorzystani a systemu do s terowania procesami przemysłowymi. O si ą gn i ę t o to poprzez wp ro wadzenie modułowej konstrukcji oprogramowania oraz od po w i e d n i ą budowę po d pr o g r a m ó w takich^jak' z bi e ranie danych, przetwarzanie, ge n eracja obciążeń, c ec ho wa n ie czujników, diagnostyka kana łu ltp.
Stosując s y s t e m po m ia r o w o - s t e r u j ą c y do obsługi próby zmęczeniowej przyjęto, że Jego p o ds ta w o w y m z a d an ie m jest g e ne r ow an ie sygnałów obciążających b a da ną kons t ru kc ję i pomiar w czas ie r z ec z yw is ty m wybranych wielkości a n a lo go wy c h fiz yc z ni e reprez e nt uj ąc y ch s i ł y ob ciążające konstrukcję oraz d ef or m ac je konstrukcji płatowca. P o mi ar y sił i odkształceń wykonyw an e s ą z c h w i l ą wy stąpienia przerwania gener ow an e go przez kartę st er ow n ik a w mom en ci e w y stąpienia lokalnego ek st re m um obciążenia. K ontrola p r ó b y zmęczeniowej sa molotu sprowadza się do cyklicznego s pr aw d za ni a o dchyleń pa ra me t r ó w pr ób y będących różn ic ą wartości zmi en ny c h po mi erzonych w o s t a t n i m cyklu o bciążeń od ich wartości nominalnych d e k la ro w an yc h przez op er atora systemu na e t apie przygotowania próby, w pr zy p ad ku przekro cz en ia dopusz c za ln yc h odchyleń parame tr ów od swoich wartości n om inalnych s y s t e m in fo rm uj e operator a procesu o zaistniałym pr z ek ro cz e ni u odpowiednimi komunikatami na konsoli systemu, podpowiadając j e d no cz eś n ie spos ób korekcji o bciążenia konstrukcji.
Taki s posób p rowadzenia p r ó b y z apewnia p r o gr am r e al iz u j ą c y cz tery
92 J . G r u s z e c k i , M. S t ę p i e ń
p od st a wo we procedury;
- prz yg ot o wa ni a próby, - kontroli próby,
- obsługi prze r wa ń zewnętrznych, - obciąż en ia konstrukcji.
P r o g ra m pr zy go to w an ia p r ó b y wyk o nu je zada ni a p om oc ni c ze nie zb ę dn e na etap ie p r z y g ot ow an i a s y s t em u d o p r ób y zmęczeniowej. Ze wzglę du na brak ograni cz eń c za s ow yc h n a p i sa ny został w trybie k on we r s a c y j n y m w języku
* wyż sz eg o rzędu. Wy wo łanie t e go p ro gr a m u zaw i es za k ontrolę próby zmęczeniowej maskując większość przerwań. Do ważn ie j sz yc h procedur re a li zo wa n yc h przez ten p r og ra m należą;
- pr oc ed u ra kontroli poprawności s ko n fi gu ro w an ia kana łu przemysłowego i identyfikacji a d re só w w ej ś ći a/ wy j śc ia m o d u ł ó w istn ie j ąc yc h w kasecie, - pr oc e du ra diagnostyki części sprzętowej kai»\łu,
- pr oc e du ra d e kl ar o wa ni a na zw kanału,
- p r oc edura s ka l ow an ia części pomiarowej systemu,
- p r oc edura zakład an ia i modyfikacji p l ik u d y s k o we go z wartościami n om inalnych p o z i o m ó w i am pl it u d odkształceń.
I dentyfikację konfiguracji sprzętowej u m oż liwia identyfikator, 8-bitowe s ło wo kodowe, w Jaki wyposa żo na jest każda k arta modułu. C z t e r y młodsze b i t y słowa kod ow eg o i d e n ty fi ku j ą rodzaj modułu, na t omiast c z t e r y starsze - jego p a r a m e t r y metrologiczne. P r o c e d u r y diagnostyki gotowości technicznej s y s t em u a n g a żu ją m o d u ł y wejść cy fr o wy ch d w u st an ow y ch i pozwalają p rzeprowadzić kontrolę włączenia za si l an ia m o st ka tensometr yczn e go , i st nienia napięć w wy b ranych p u n kt ac h ukła du lub s t a n ó w kontrolowanych specjalizowanymi układami diagnostyki.
P r o g ra m kontroli p r ó b y zmęczeniowej o b s ł ug u je n a st ę pu ją ce zadania:
- wstę pn e u st aw ie n ie l icznika lotu,
- ko ntrola bieżąca pa ra m e t r ó w p r ó b y p o łą cz on a z s y g n a l i z a c j ą przekroczeń, - wizu al i za cj a bieżąca wyb ra ny c h k a n a ł ó w p om ia r ow yc h l u b wybranych
p ar am e t r ó w próby.
P r o c e d u r y te pr ze tw a r z a j ą dan e po mi ar o we i r e a l i z u j ą z e st aw i e n i a zgodne z wymaganiami p r z e p is ó w d ot yc z ą c y c h danej próby.
Prog ra m obsługi prz er wa ń z e w n ęt rz ny c h o b e jm uj e głównie;
- uak tu al n ia ni e licz n ik a l o t ó w i cykli z l i cz aj ą cy ch s y g n a ł y przerwań g enero w an e przez sterownik s y n c hr on ic z ni e z p o c z ą t k i e m c y kl u obciążenia i w chwili w y s tą pi en i a lo ka ln eg o e k s t r e m u m obciążenia,
- pomiar 3 2 wielkości an a lo g o w y c h s y n c h r on ic zn i e z wystąpieniem lo k al ne go e k s t re mu m obciążenia,
- wy ko na n ie obliczeń' p a r a m e t r ó w p r ó b y po za k oń c z e n i u k a ż de go cyklu obci ą ż e ń ?
S y s t e m p o m i a r o w o - k o n t r o l n y 93
- zapis d anych po z a ko ńc ze n iu każdych iO O peł n yc h cykli obciążenia w formie wydruku lub do pamięci dyskowej.
Program o bc ią ż en ia konstrukcji pozwala ge n erować s y g n a ł y ana lo go w e sterujące siłownikami hydraulicznymi obciążającymi k o nstrukcję płatowca, a także i d entyfikować s t a n y awa ry jn e w części mechanicznej stois k a badań zmęczeniowych. Sk ł ad a j ą się na to dwi e g r u p y procedur;
- deklarowania sy g na ł ó w steru j ąc yc h wraz z p r o g ra mo w an ie m moduł ów specjalizowanych sterownika,
- obsługi s ta n ów a w a ry jn yc h wraz z u a k t ua ln ia n ie m pamięci R A M na kartach sterowni ka.
Całość o pr og r am ow an i a stanowi w miarę k o m p l et ny zbiór procedur pozwalający s zy b ko uruchomić dowo ln e inne z a d an i e badawcze z z a k r e su badań wytrzymałościowych konstrukcji. Uzup eł ni o ne procedurami s t er ow a ni a stanowić może na rz ęd zi e do s te r ow an ia procesami przemysłowymi.
4. Uwagi eksploat ac yj n e
Przyjęta st ru k tu ra syst em u wspom a ga ni a p r ó b y zmęczeniowej wykazuje wiele cech uniwersalności. Funk c je pom ia ro w o - k on trolne i s t e r u j ą c e ; jakie realizuje sy s te m ^ d a j ą się s w o b od ni e m od yfikować w czasie p ro wa d ze ni a próby ze względu na m oż liwość autonomicznej p r a c y kanał u przemysłowego, w tym również s a mych sterowników. W s t ę p n y p r ot o t y p s y s te mu na mikrok om pu t er ze 8-bitowym nie zapewniał żądanej dokładności gene ro wa n ia s y g na łó w sinusoidalnych i p ił ok s zt ał tn y ch obc ią ż aj ąc yc h konstrukcję. Zasto s ow an ie 16-bitowego mi k ro ko mp u te ra pozw al a os iągnąć w ymagane dokładności oraz znacznie upraszcza ge ne r o w a n i e s y g n a ł ó w obciążających. W porówn a ni u do systemów wspoma g aj ąc yc h p r ó b y z m ę c ze ni ow e zbudo wa n yc h z. m o d uł ów C a m a c , Robotron c z y też s p ec j al iz ow a ny ch systemów^ takich jak Prodera, S c h e n c k , Hottinger^ w y k o na n y s y s t e m nie o d bi e ga od ich własności eksploatacyjnych.
LITERATURA
tl] K om puterowy s y s t e m w sp omagania op e ra t o r ó w badań wytrzym a ło śc io w yc h konstrukcji lotniczych, Raport Z S S PRz. nr 49, R z e s z ó w 1989, red.
J.Gruszecki .
Recenzent: Prof.dr inż.H.Kowalowski W p ł y nę ło do Redakcji do 1990-04-30.
94 J. SruszecRl, J. Staple»
A C O N T R O L AND M E A S U R E M E N T S Y S T E M F O R INDUSTRIAL P R O C E S S E S
S u m m a i' y
A control and measurement, s y s t e m aiding the aeroplane fatigue tests has be en presented. The IBM PC-based s y s t e m includes a measuring and controlling section enabling the implementation of a test p r o g r a m l'or any giver» construction load. Its module construction arid the sof t wa re structure are easily adaptable tor the control of various industrial processes.
![& lt;;>=<=@?BADCE?F=GA<AIH<? JK(ML7NPORQ"SG9I*-,TQ)U:9@VWLXSYLR(PO7Z<;I.[&]\X;I4^N_6R`<N](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)