ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ С ПРОГРАММНЫМ ФУНКЦИОНАЛОМ


Рубрика Научные исследования и технологии

УДК 621.43

RESEARCH EQUIPMENT WITH SOFTWARE FUNCTIONAL

В. Н. Каминский, доктор технических наук, профессор,

Р. В. Каминский, кандидат технических наук

И. В. Ковальцов, инженер,

С. А. Корнеев, инженер

АО «НПО «Турботехника»

Статья о создании программного обеспечения (ПО) процедуры запуска и регулирования работы автоматизированного моторного стенда для контрольно-исследовательских испытаний поршневых двигателей – АСКИИ ПД, проектируемого в инициативном порядке в НПО «Турботехника» для собственных нужд с перспективой широкого применения в отечественном двигателестроении.

Ключевые слова: автоматизация, моторный стенд, программное обеспечение, испытания, B&R, Automation Studio, контроллер, «Турботехника», поршневой двигатель, гидравлический тормоз

V. N. Kaminsky, Doctor of Technical Sciences

R. V. Kaminsky, Candidate of Technical Sciences

I. V. Kovaltsov, Engineer

S. A. Korneev, Engineer

JSC Scientific-Production Association «Turbotekhnika»

The article about creation of software for launch and control of operation of automated engine stand for control and research testing of piston engines – ASKII PD. The project was launched as an initiative of JSC Scientific-Production Association «Turbotekhnika» for own needs with possibility of wide application in Russian engine-building industry.

Keywords: аutomation, engine stand, software, testing, B&R, Automation Studio, controller, «Turbotehnika», piston engine, hydraulic brake

Введение

АО «НПО «Турботехника» – специализированное предприятие, осуществляющее разработку, проектирование и производство турбокомпрессоров для широкого спектра отечественных двигателей. Соответствие продукции такого рода требуемым качественным показателям организация-производитель подтверждает результатами испытаний. Применяемый для этих целей безмоторный стенд [1] показывает лишь возможности самого исследуемого агрегата наддува, но не дает всесторонней информации о том, насколько успешно он будет работать после установки на двигатель. Для получения наиболее полного представления об экологических и мощностных свойствах двигателя с установленным на нем турбокомпрессором создается моторное испытательное оборудование, обеспечивающее требуемый уровень нагрузки на двигатель, – автоматизированный стенд контрольно-исследовательских испытаний поршневых двигателей – АСКИИ ПД, оснащенный двигателем и гидравлическим тормозом (рис. 1).

Рис. 1. Испытательный стенд поршневых двигателей

Пара «двигатель–тормоз» эффективно функционирует только при слаженном взаимодействии двух элементов, что достигается согласованием систем управления каждого из них. Для этого требовалось детально разработать алгоритм их работы и программное описание. На пути к достижению данной цели решен ряд практических задач, приведенных ниже.

Выбор аппаратного обеспечения. Предпочтение было отдано B&R. Начиная 2012 г., «Турботехника» использует аппаратное обеспечение этой фирмы, приобретены опыт и знания, достаточные для реализации сложных проектов, поэтому выбор остался прежним.

Выбор среды разработки. Приобретена лицензия среды разработки Automation Studio 4, которая позволяет решать задачи автоматизации на профессиональном уровне.

Установка и настройка среды Automation Studio 4 для работы с контроллером B&R 4PPC70. Инсталляция среды разработки на ПК и создание соединения с контроллером, запись в него программы.

Настройка конфигурации под конкретные цифровые устройства. Объектами управления являются технологические системы двигателя: привод дроссельной заслонки и технологический привод затвора гидравлической системы тормоза. Для обеспечения поступления на контроллер данных от различных измерительных и управляющих приборов по сети X2X необходимо сконфигурировать все приборы в установленном порядке.

Создание экранов для сенсорной панели контроллера B&R 4PPC70. Установка программы, настройка конфигурации, создание экранов в меню Visu.

Программирование панели-контроллера B&R 4PPC70. Разработка алгоритма работы контроллера, создание экранов панели, настройка управления через сенсорный экран (органы управления испытаниями, экран оператора, экран параметров, экран ошибок, таймер испытания, калибровка датчиков и т.д.).

Проектные параметры АСКИИ ПД

Автоматизированный стенд контрольно-исследовательских испытаний поршневых двигателей предназначен для комплексной проверки качества изготовления и газодинамических свойств турбокомпрессора в составе с двигателем.

Основные системы и агрегаты стенда:

̶ поршневой двигатель, оборудованный топливной системой с насосом высокого давления (ТНВД), масляной системой, системой водяного охлаждения и приводом управления ТНВД (дроссель);

̶ гидравлический тормоз (ГТ), который состоит из вала отбора мощности, корпуса, основания в виде дренажного бака, измерителя крутящего момента и привода гидравлического затвора. ГТ используется для подачи нагрузки на двигатель, таким образом, появляется возможность эмулировать различные режимы работы двигателя. ГТ способен выдавать нагрузку до 660 кВт;

̶ система электропитания – представляет собой пусковое устройство, обеспечивающее питанием поршневой двигатель; напряжение 24 В, максимальная сила тока до 900 А. Самые большие нагрузки пусковое устройство испытывает во время запуска двигателя;

̶ система фиксации двигателя – организована на трех пневмоподушках, компенсирующих вибрации. Каждая пневмоподушка имеет редукционный клапан, который поддерживает в ней постоянное давление при нагрузках;

̶ система управления и отображения процесса испытания – включает в себя панель-контроллер B&R 4PPC70 и систему ввода вывода X2X. Отображение и исполнение алгоритма происходит за счет панели-контроллера, а передача управляющих сигналов полностью лежит на системе ввода-вывода.

Для управления процессом испытания используется панель-контроллер B&R 4PPC70 (рис. 2).

Характеристики панели-контроллера B&R 4PPC70:

̶ цветной 7-дюймовый дисплей, 16 млн цветов, разрешение 800 × 480;

̶ аналоговый сенсорный экран;

̶ процессор Intel E620T с частотой 333 МГц;

̶ операционная система реального времени Automation Runtime AR 4.08;

̶ оперативная память 256 Мб;

̶ плата X2X для обмена данными с цифровыми и аналоговыми устройствами.

Рис. 2. Панель-контроллер с системой ввода-вывода

Элементы программного обеспечения

В 2013 г. компанией B&R была выпущена среда разработки Automation Studio 4 со значительными изменениями по сравнению с предыдущими версиями. Панель-контроллер представляет собой программируемый логический контроллер, объединенный с сенсорной панелью, что избавляет от необходимости передавать данные с контроллера на панель, поскольку это уже реализовано в среде разработки. Для удобства программиста визуальная и программная части полностью интегрированы между собой, в следствии чего упрощается процесс визуализации.

Для программирования контроллера используется среда разработки Automation Studio 4.2, основной язык программирования – C (рус. Си). Программирование контроллера отличается от стандартного программирования в первую очередь тем, что написанный код будет выполняться в бесконечном цикле.

ШИМ-регулирование используется для управления приводами, включая привод дроссельной заслонки – ДЗ (рис. 3). Сигнал обратной связи обрабатывается контроллером и на выход драйвера подается импульсный сигнал. В зависимости от текущего положения ДЗ и ее установки коэффициент заполнения импульсов меняется. Чем сильнее различия между ними, тем больше скважность импульсов, поэтому при механическом воздействии на рычаг ДЗ формируются компенсирующее влияние, поддерживающее текущее положение.

Рис. 3. Дроссельная заслонка (ДЗ)

ПИД-регулирование необходимо для поддержания постоянных оборотов двигателя. В самом простом случае оно будет использоваться для поддержания установленных оборотов, а в самом сложном – для компенсации воздействия гидравлического тормоза. ПИД-регулятор должен быть настроен таким образом, чтобы компенсация возмущений происходила в кратчайшие сроки при отсутствии перерегулирования. Для этого необходимо определить коэффициенты, из которых основные: пропорциональный, интегральный и дифференциальный.

Вся регулировка происходит за счет управления дроссельной заслонки. При падении оборотов ДЗ открывается, при увеличении – закрывается (рис. 4).

Рис. 4. ПИД-регулятор оборотов

При создании экранов использовались специализированные программы для создания схем. С помощью Automation Studio 4 картинки оцифровывались и настраивались на визуальную передачу информации. При создании виртуальных органов управления с шаблона экрана вырезалась кнопка и прикреплялась к объекту button.

По шине X2X дискретные и аналоговые устройства подключены к контроллеру. С их помощью осуществляется все управление техническим процессом (рис. 2). Сенсорная панель визуализирует текущее состояние контроллера и предоставляет рычаги управления, реализуя собой человеко-машинный интерфейс.

Результаты и выводы

Первые испытания продемонстрировали, что следование заданному алгоритму обеспечивает функционирование мотора в штатном режиме. Полученные результаты свидетельствуют о правильно выбранном направлении разработки моторного стенда. В настоящее время достигнуты следующие результаты:

  • настроена конфигурация под конкретные цифровые устройства;

  • запрограммирована панель-контроллер B&R 4PPC70, созданы все необходимые экраны;

  • внедрены алгоритмы ШИМ- и ПИД-регулирования;

  • произведены пробные запуски стенда испытаний поршневых двигателей;

  • установлена и настроена среда Automation Studio для работы с панелью-контроллером B&R 4PPC70.

Работа над созданием стенда будет продолжена до полной автоматизации, а разработанный в НПО «Турботехника» пакет программного обеспечения может в различных комбинациях широко применяться в отечественном двигателестроении.

Литература

1. Каминский В. Н., Каминский Р. В., Корнеев С. А. и др. Использование информационных технологий при контрольно-исследовательских испытаниях турбокомпрессора на безмоторном стенде // Сборник трудов VI международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, науке и производстве». Протвино, 2012. С. 467.

2. Каминский Р. В., Ковальцов И. В., Корнеев С. А. и др. Программное обеспечение системы автоматизированного контроля параметров турбокомпрессоров для дизельных двигателей мощностью до 300 л.с. // Сб. трудов VII международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, науке и производстве». Протвино, 2013. С. 467.

3. Ковальцов И. В., Каминский В. Н., Каминский Р. В. и др. Стабилизация температуры газа и оборотов ротора на стенде контрольно-исследовательских испытаний турбокомпрессоров средствами автоматизации // Известия МГМУ МАМИ. 2014. № 4 (22).

4. Ковальцов И. В., Корнеев С. А. Программное обеспечение системы автоматизированного стенда контрольно-исследовательских испытаний турбокомпрессоров // Наукоград Наука Производство Общество. 2015. № 2 (4). С. 20–23.

#автоматизация #моторныйстенд #программноеобеспечение #испытания #BR #AutomationStudio #контроллер #Турботехника #поршневойдвигатель #гидравлическийтормоз

Свежие публикации
Архив

© 2015-2019  Научно-публицистический журнал. ISSN 2313-7533

Использование материалов, опубликованных в журнале «Наукоград Наука Производство Общество», допускается только с письменного разрешения редакции.