Исследование и разработка автоматических регистрирующих и показывающих приборов

Важнейшей продукцией современного приборостроения являются регистрирующие аналоговые приборы [1−6,12,53−55,69−72]ус разветвленной системой датчиков [5,17,24,50,57,58,62,75,81,84,94] и со встроенными программируемыми контроллерами [3−7,10,19,23,51−55,60,61,63−65,90], которые приобрели новые качественные свойства, что привело к широкому их использованию в промышленности под условным названием — «вторичные приборы» [2,6]. Рассматриваемые приборы используются практически во всех отраслях, где существуют системы управления объектами, в том числе их движением. Современные автоматические регистрирующие и показывающие электронные приборы включают в себя информационно-измерительную систему, микропроцессорную систему управления и исполнительный механизм, т. е. являются мехатронными объектами.

В настоящее время парк многоканальных регистрирующих и показывающих приборов, который используется в отечественной промышленности, составляет десятки тысяч штук. В основном, это устаревшие модели, выпускавшиеся еще в СССР. Широко известны такие марки приборов разработки 70х годов: ФЩЛ, А-100, А-100Н, ДИСК250, РП-160, КС1, КС2, КС4 и другие. В СССР приборов такого типа выпускалось до 500 тыс. штук в год. Основные потребители приборов: атомная энергетика, предприятия ТЭК, нефтехимические и металлургические комбинаты, т. е. те предприятия, где необходимо не только измерять величины, характеризующие тех. процесс, но и фиксировать эти величины на бумажный носитель в виде диаграммной ленты или диаграммного диска. [5]. Однако находящиеся в эксплуатации приборы — это приборы разработки 70-х годов, что совершенно неприемлемо, с точки зрения возрастающих требований к автоматизации ч технологических процессов.

Место регистрирующих приборов в иерархии мехатронных объектов.

В связи с дискуссией [27,28,30], ведущейся на страницах журнала «Мехатроника» о предметной области, необходимо указать на роль и место рассматриваемых приборов в общей иерархии мехатронных объектов.

Согласно работе [28] мехатронные объекты имеют следующие уровни иерархии, переходя от нижнего к высшему: модуль (узел), агрегат, система.

Мехатронный модуль — это унифицированный мехатронный объект, имеющий автономную документацию и предназначенный для реализации движений по одной координате, например мехатронный модуль вращательного движения (мотор-колесо, мотор-редуктор, мотор-шпиндель). Мехатронный узел принципиально отличается от мехатронного модуля лишь тем, что он не унифицирован.

Мехатронный агрегат — это совокупность мехатронных модулей (узлов), предназначенная для реализации законов движения в условиях взаимодействия с внешней средой. Характерными их примерами являются промышленные роботы и станки с ЧПУ.

Мехатронная система — представляет собой упорядоченное множество мехатронных агрегатов с упорядоченными связями, динамически функционирующее во времени и пространстве и взаимодействующее со средой как единое целое. Ярким пример современный автомобиль, включающий в себя несколько десятков управляющих блоков — агрегатов (управление двигателем, коробкой передач, подвеской и т. п.), а сами агрегаты включают в себя мехатронные модули (впрыска горючего, управления замком и т. п.).

Мехатронный прибор — это мехатронный модуль или агрегат, предназначенный для получения и преобразования информации.

Рассматриваемые приборы, включают в себя контроллеры, и представляют собой элемент робототехнической триады «сенсор-контроллер-активатор», по определению Норберта Винера и связанный обратными связями.

Вторичные приборы" объединяют в себе сенсорную подсистему (датчики) и подсистему анализа и принятия решения (контролер) и представляют собой значительную часть — так же элемент робототехнической системы, в которой реализуются мехатронные свойства рассматриваемых приборов [29].

В ряде случаев, к «вторичным приборам» добавляют и исполнительные механизмы [9−11], которые, действуя по одному параметру, например по температуре, будут представлять собой мехатронный модуль. Если таких параметров несколько — то это уже мехатронный агрегат, как это имеет место в случае системы «Климат» (контроль и управление по температуре и влажности).

Этапы развития регистрирующих приборов.

В начале 50х годов исследования в области атомной энергии и усовершенствование военной техники поставили перед приборостроителями серьезные задачи по уменьшению погрешности регистрирующих приборов контроля технологических процессов. До 50х годов контроль технологических процессов осуществлялся электромеханическими приборами с падающей дужкой, имеющих точность не выше 1ч-1,5%. Такая точность не удовлетворяла при контроле плавки высококачественных сплавов для изготовления стволов орудий и исследований в атомной энергетике. Тогда впервые в СССР были разработаны автоматические одно-и многоканальные регистрирующие приборы типа ЭПП-09, класс точности которых значительно превосходил показатели электромеханических с падающей дужкой. Он работал как с термопарами, так и с термометрами сопротивления (рис.1). Выпуск электронных регистрирующих приборов осуществлял завод «Свобода» (г. Ленинград) в количестве 10 тыс. штук в год. Приборы ЭПП-09 находили все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Особенно большим спросом эти приборы пользовались в министерстве радиоэлектроники для выращивания кристаллов кремния и германия и при производстве полупроводников.

Работа прибора ЭПП-09 описывается следующим образом. Датчики входных сигналов подключаются к прибору с помощью механического переключателя каналов (рис.1), где выходные напряжения постоянного тока датчиков сравниваются с напряжением на измерительном реохорде. Разность этих напряжений AU (сигнал ошибки) с помощью механического преобразователя (вибратора) преобразуется в переменное напряжение частотой 50 Гц, которое усиливается с помощью усилителя У, построенного на электронных лампах. Это усиленное напряжение подается на асинхронный однофазный двигатель, который, вращаясь, устанавливает реохорд в положение, при котором сигнал ошибки стремится к нулю. Одновременно исполнительный двигатель следящей системы перемещает каретку пишущего устройства, которая жестко связана с положением измерительного реохорда.

Rtl. Rt24 — термометры сопротивления;

Д2 — исполнительный двигатель лентопротяжного механизма;

П1, П2, ПЗ — механические переключатели каналов;

ЛПМ — лентопротяжный механизм;

У — усилитель;

Р1 — измерительный механизм;

Д1 — исполнительный двигатель следящей системы.

Рис. 1 Структурная схема прибора ЭПП-09, работающего с термометрами сопротивления.

При установлении сигнала ошибки равным нулю, и перед переходом к измерению следующего канала, на диаграммной бумаге ставится отметка в виде точки и цифры. Положение точки соответствует значению измеряемого параметра, а цифра показывает номер измеряемого канала. Для устранения погрешности от изменения тока, при изменении напряжения питания периодически, с помощью реохорда установки рабочего тока Р2, производится корректировка рабочего тока через реохорд.

Однако, точности 0,5%, предоставляемой прибором ЭПП-09, некоторым отраслям промышленности было уже недостаточно. Перед приборостроителями снова была поставлена задача увеличения точности приборов, а также снижения веса и потребляемой мощности. В соответствии с этим в 60х годах разрабатывается новое поколение приборов КС с более высоким классом точности 0,25% при меньшем весе, габаритах и потребляемой мощности. Выпуск данных приборов достигал 250 тыс. штук в год.

Развитие электронной техники позволило осуществить замену в следующем поколении приборов серии КС электронных ламп на полупроводниковые транзисторы, а вибропреобразователь на бесконтактный преобразователь на полевых транзисторах, а так же синхронного двигателя Д2 на малогабаритный двигатель ДСМ. Измерительная же схема прибора претерпела изменения только в части разработки стабилизированного источника питания потенциометрической схемы (ИПС) на стабилитронах.

Дальнейшее совершенствование приборов осуществлялось по пути применения цифровых электронных элементов. Ярким представителем семейства приборов следующего поколения является прибор РП160 с полем записи 160 мм, описание работы которого приводится ниже.

Усилитель У, выполненный на операционных усилителях, предназначен для усиления сигналов датчика до напряжения, равного примерно 1 В. Сигнал первичного преобразователя усиливается с помощью усилителя У и поступает на суммирующий усилитель СУ, где сравнивается с напряжением на реохорде. Сигнал ошибки AU снимается с усилителя СУ и поступает на компаратор КП. Компаратор КП формирует два сигнала, определяющие направление вращения ротора шагового двигателя У1, и подключает напряжение питания к обмоткам статора У1. порядок коммутации этого напряжения на обмотках статора определяется знаком сигнала ошибки AU. Знак AU и заданное быстродействие, в свою очередь, определяются реверсивным счетчиком PC, который управляется прямоугольными импульсами от генератора Г через делитель частоты Д1 и дешифратором ДШ. Ротор У1, кинематически связанный с подвижным контактом реохорда Р1, будет вращаться до тех пор, пока AU не станет равным 0. В тот момент, когда AU станет равным 0, положение указателя на шкале прибора определит значение измеряемого параметра.

Частота коммутации напряжения на обмотках статора шагового двигателя У2, который задает скорость перемещения диаграммной ленты, задается генератором Г и делителем частоты Д2. Порядок коммутации напряжения определяется коммутатором К. Подключение термометров сопротивления к прибору осуществляется по четырехпроводной схеме.

Выбор скорости перемещения диаграммной ленты и быстродействия прибора осуществляется с помощью двух переключателей типа П2К. В многоканальных приборах РП160 переключение датчиков осуществляется с помощью коммутатора каналов, построенного на герконовых реле.

Структурная схема прибора РП160 представлена на рис. 2.

Однако, как первое поколение приборов, так и второе обладали существенными недостатками:

— большим количеством модификаций (отдельные приборы имели до 400 модификаций по первичным преобразователям и пределам измерений);

— большой трудоемкостью изготовления (большое количество шкал, мостовых и потенциометрических схем, изготовление катушек измерительной схемы из старенного манганина).

V — входной усилитель;

Г — генератор прямоугольных импульсовСУ — суммирующий усилительД1, Д2 — делители частотыР1 — реохорд;

VI — исполнительный элемент следящей системы;

У2 — исполнительный элемент лентопротяжного механизмаКП — компараторДШ — дешифраторР — редукторК — коммутатор;

ЛПМ — лентопротяжный механизмPC — реверсивный счетчик.

Рис. 2 Структурная схема прибора РП160.

Постановка проблемы. Несмотря на достаточно массовое производство приборов (к настоящему времени парк рассматриваемых приборов составляет более 5 млн. штук), работ посвященных их тематике было крайне мало [1,2], что создавало видимое впечатление отсутствия проблем. Однако это не так.

Проблемами, требующими разрешения, в настоящее время являются следующие [6,97]:

— унификация регистрирующих и показывающих приборов, работающих с разнообразными типами датчиков;

— применение бесконтактной и многоцветной печати данных;

— введение цифровой регистрации;

— математическая обработка результатов измерений;

— введение автоматического контроля исправности по всем входящим модулям;

— подключение приборов в локальные компьютерные сети;

— фиксация на бумажном носителе реального времени измерения;

— расширения интервала измеряемых величин;

— применение энергонезависимого оперативного запоминающего устройства;

— уменьшение массогабаритных показателей;

— совершенствование механики, в частности механизма печати и лентопротяжного механизма.

Естественно, что решение указанных проблем и является ключом к созданию приборов нового поколения.

Таким образом, учитывая то, что стареющий парк приборов требует обновления, задача разработки автоматических регистрирующих и показывающих приборов нового поколения, предназначенных для выпуска большими сериями, является актуальной. В связи с этим можно сформулировать основную цель, стоящую перед работой:

Разработка автоматических регистрирующих и показывающих приборов, исследование их свойств с точки зрения характеристик, принятых для аттестации средств измерения и создание на базе полученных технических решений приборов с полем записи 100 мм и 160 мм для серийного выпуска.

Для достижения заявленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

— проведение классификации регистрирующих приборов с целью выявления наиболее перспективных для разработки типов приборов;

— анализ способов построения структурной схемы приборов, а также способы построения других узлов приборов;

— исследование существующих способов построения узлов записи приборов, а также разработка бесконтактного струйного узла записи;

— разработка математической модели применения прибора в системе управления с использованием нечеткой логики;

— анализ требований к программному обеспечению (ПО) прибора и разработка типовой структуры ПО.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана классификация автоматических регистрирующих и показывающих приборов.

2. Предложена структурная схема автоматического регистрирующего и показывающего прибора с полем записи 100 мм и 160 мм, позволяющая унифицировать аппаратно-программные технические решения для приборов с разными функциональными особенностямиразработан укрупненный алгоритм работы прибора и алгоритм устройства регистрации.

3. Предложен способ построения многоканального измерительного преобразователя, позволяющего работать с широкой номенклатурой датчиков.

4. Предложено устройство регистрации прибора с применением струйного записывающего устройства.

5. Разработана математическая модель нечеткого регулирования при использовании прибора в системе управления варочной установкой.

Новизна выполненных исследований подтверждена 1 авторским свидетельством, 1 патентом на изобретение, 1 заявкой на изобретение и 1 свидетельством на полезную модель.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Практическое использование и внедрение результатов работы выразилось в создании и серийном освоение целой гаммы регистрирующих приборов нового поколения для топливно-энергетического комплекса, атомной энергетики, металлургии, нефтехимии, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, предприятий связи. Приборы используются в реальных промышленных условиях, совместно с датчиками для измерения и регистрации давления, температуры, расхода, уровня жидкостей, влажности и других величин.

Выполненная работа служит научно-технической базой разработки АРПП серий РП, «Технограф» и «Медиграф». Автор является научным руководителем данной работы. В ходе работы созданы четыре типа приборов: РП-100, «Технограф-100», «Технограф-160» и «Медиграф», с различным полем записи. Каждый из приборов имеет модификации. Прибор РП-100 серийно выпускается Научно-производственным комплексом «Оазис». Приборы «Технограф-100» и «Технограф-160» внедрены и выпускаются заводом «Теплоприбор» (г.Челябинск), а также НПП «Росспецприбор» и НПК «Оазис». Приборы РП-100, «Технограф-100», и «Технограф-160» прошли государственные испытания, включены в Госреестр и имеют сертификат Госстандарта. Всего выпущено и успешно эксплуатируется в промышленности несколько тысяч указанных типов приборов. На базе приборов типа «Технограф» создано несколько модификаций с различными функциональными возможностями, а также разработан и внедрен на Санкт-Петербургской междугородной и международной телефонной станции аппаратно-программный комплекс «КЛИМАТ», в котором используется совместная работа нескольких АРПП типа РП100 и «Технограф».

За свои технические и эксплуатационные качества прибор «Технограф-160» включен в список «Сто лучших товаров РФ в 2000 г.».

Результаты исследований автора используются в учебном курсе «Применение мехатронных систем» кафедры мехатроники СПбГИТМО (технический университет).

Основные положения, выносимые на защиту:

6.5 Выводы по главе 6.

Рассмотрена практическая реализация результатов работы (приборы серий РП и «Технограф»).

Проведен анализ технических характеристик разработанных АРПП «Технограф-100» и «Технограф-160».

Рассмотрены основные характеристики зарубежных аналогов и сделан вывод о том, что разработанные приборы не уступают своим зарубежным аналогам.

Проанализированы тенденции развития регистрирующих приборов и выявлены два основных направления их совершенствования.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы.

1. Разработана классификация автоматических регистрирующих и показывающих приборов по видам записи, ширине поля записи и числу каналов. Выявлены перспективные направления разработок, заключающиеся в необходимости создания микропроцессорных регистрирующих приборов нового поколения.

2. Предложен способ построения структурной схемы автоматических регистрирующих и показывающих приборов, позволяющей унифицировать аппаратно-программные технические решения для приборов с различными функциональными особенностями.

3. Предложен способ построения многоканального измерительного преобразователя, позволяющий работать с широкой номенклатурой первичных датчиков, как стандартных, так и датчиков с нестандартными характеристиками.

4. Разработано устройство регистрации с применением бесконтактного струйного узла записи.

5. Разработана математическая модель применения автоматических регистрирующих и показывающих приборов в системе управления с использованием теории нечеткой логики, где в качестве управляющего контроллера используется регистрирующий прибор «Технограф-160».

6. Разработаны укрупненные алгоритмы функционирования автоматического регистрирующего и показывающего прибора и его устройства регистрации.

7. Разработаны, изготовлены и испытаны автоматические регистрирующие и показывающие приборы с полем записи 100 мм и 160 мм серий РП-100, «Технограф-100» и «Технограф-160». Приборы включены в Госреестр и имеют сертификат средств измерения. Указанные приборы выпускаются серийно. Прибор «Технограф-160» за свои технические и эксплуатационные качества включен в список «Сто лучших товаров России» в 2000 г.