Визуальное моделирование при проектировании событийно-управляемых устройств тягового электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Бельхассен Рамзи

• Бельхассен Рамзи
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бельхассен Рамзи

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ.

1.1. Программируемые логические контроллеры.

1.2. Инструментальные системы программирования ПЛК.

1.3. Операционные системы реального времени.

1.3.1. Системы исполнения и системы разработки ОСРВ.

1.3.2. Время реакции системы.

1.3.3. Размеры системы.

1.3.4. Механизмы реального времени.

1.3.5. Тенденции развития операционных систем реального времени.

1.4. Промышленные шины для интегрированных систем управления.

1.4.1. CAN.

1.4.2. PROFIBUS.

1.4.3. LON.

1.4.4. FOUNDATION FIELDBUS.

1.5. Коммуникационный протокол MODBUS.

1.6. SCADA-системы.

1.6.1. Характеристики SCADA-систем.

1.6.2. Оценка стоимости инструментальных систем.

1.6.3. Открытость систем.

1.6.4. О жестком реальном времени для Windows NT.

1.6.5. Интеграция многоуровневых систем автоматизации.

1.7. Стандарт ОРС.

1.8. Цели, задачи и методы исследования.

2. ВИЗУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИРТУАЛЬНЫХ

ОБЪЕКТОВ.

2.1. Выбор средств создания виртуальных объектов.

2.2. Этапы создания системы управления с виртуальными объектами.

2.3. Пример создания системы управления.

2.3.1. Этап 1 - построение модели объекта.

2.3.2. Этап 2 - связь модели объекта с нижним уровнем системы.

2.3.3. Этап 3 - взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы.

2.3.4. Отладка системы управления с использованием модели объекта.

2.4. Развитие методики визуального проектирования.

2.4.1. Среда визуального программирования Delphi и объектно-ориентированное программирование в Object Pascal.

2.4.2. Разработка специализированной SCADA-системы.

2.5. Выводы по второй главе.

3. СОБЫТИЙНО - УПРАВЛЯЕМЫЕ СИСТЕМЫ.

3.1. Особенности построения современных автоматизированных систем

3.2. Варианты систем управления устройствами электроснабжения.

3.2.1. Структура, включающая контролируемые пункты, соединенные с диспетчерским пунктом радиальными линиями связи.

3.2.2. Структура, включающая контролируемые пункты, соединенные с диспетчерским пунктом цепочечной линией связи.

3.2.3. Структура программно — технического комплекса.

3.3. Выводы по третьей главе.

4. ТЕЛЕАВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТОКОПРИЕМНИКЕ ПОЕЗДА.

4.1. Требования к уровню напряжения.

4.2. Системы автоматического регулирования напряжения.

4.2.1. Автоматическое регулирование напряжения на тяговой подстанции

4.2.2. Автоматическое регулирование напряжения в контактной сети.

4.3. Исследование и оценка возможности регулирования напряжения у токоприемника движущихся поездов.

4.3.1. Имитационное моделирование электротяговой сети.

4.3.2. Алгоритм регулирования напряжения.

4.4. Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Визуальное моделирование при проектировании событийно-управляемых устройств тягового электроснабжения»

Находящиеся в эксплуатации системы телемеханики ЭСТ-62 и ЛИСНА, предназначенные для мониторинга и управления объектами электроснабжения электрифицированных железных дорог, физически и морально устарели. Это привело к появлению новых систем телемеханики таких, как МСТ-95 и АСТМУ.

Бурное развитие микроэлектроники привело к появлению программируемых логических контроллеров (ПЛК), которые нашли применение в автоматических системах управления технологическими процессами (АСУТП) во всех отраслях. Массовое производство и снижение цен на них, надежность и малые габаритные размеры, легкость в программировании способствуют появлению нового поколения систем автоматического управления, в том числе для устройств электроснабжения железнодорожного транспорта.

В процессе разработки любой системы управления неизбежно возникает проблема ее отладки. При этом затраты на этапе отладки могут оказаться выше, чем затраты на этапе проектирования системы. Основные трудности при отладке состоят в необходимости воспроизведения многочисленных режимов работы автоматизируемого технологического процесса. Проверка разработанной системы на реальном производстве требует значительного времени и больших затрат, а в ряде случаев недопустима из-за вероятности возникновения аварийных ситуаций. Современный уровень развития вычислительной техники, коммуникационных технологий и достаточно развитых средств визуального программирования дают возможность соединить реальные системы управления с исполнительными устройствами, реализованными в виде виртуальных объектов. При этом достигается работа полученного сопряжения в реальном времени (РВ) [1].

Обмен данными в действующих телеавтоматических системах осуществляется в формате, не пригодном для реализации регулирования в

РВ. Кроме того, надежность существующих каналов связи недостаточна. Применение современных коммуникационных технологий позволяет устранить эти недостатки. Совершенствование телеавтоматического регулирования в системах тягового электроснабжения на основе новых аппаратно-программных средств является актуальной задачей.

Решению задач автоматизации современных устройств и систем электроснабжения железнодорожного транспорта посвящены работы профессоров К. Г. Марквардта, Ю. И. Жаркова, Вл. В. Сапожникова, В. В. Сапожникова, В. Н. Пупынина, О. В. Синенко и многих других ученых и специалистов.

Целью диссертационной работы является создание цифровой системы управления с использованием виртуальных объектов при разработке телеавтоматических устройств тягового электроснабжения, обеспечивающей расширение функций контроля качества регулирования технологических процессов и сокращение срока проектирования.

В первой главе диссертационной работе сделан обзор современных средств автоматизации и перспектив их развития, определены преимущества и недостатки, критерии выбора для решения современных задач автоматизации системы электроснабжения железных дорог. Во второй главе изложены основы теории визуального моделирования и технология автоматизации проектирования систем управления с использованием виртуальных объектов. Третья глава посвящена принципу создания событийно-управляемых систем в электроснабжении железнодорожного транспорта. В четвертой главе дана оценка возможности регулирования уровня напряжения у токоприемника движущихся поездов на основе применения цифровых систем управления, разработанных по предложенной методике.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Бельхассен Рамзи

4.4. Выводы по четвертой главе

Дана оценка возможности регулирования уровня напряжения у токоприемников движущихся поездов на основе применения цифровых систем управления, разработанных по предложенной методике. Разработано программное обеспечение, позволяющее выполнять имитационное моделирование электротяговой сети в режиме реального времени с возможностью определения места нахождения поездов, токов и напряжения в любой точке сети и вывода этой информации для организации управления напряжением у токоприемников движущихся поездов.

Предложена методика определения ряда параметров поезда, таких как его местонахождение, ток, напряжение, ускорение и скорость, путем использования синхронизируемых контроллеров, которые осуществляют между собой обмен данными, полученными с датчиков. Исследованы различные алгоритмы регулирования напряжения у токоприемников движущихся поездов. Полученные результаты позволили наметить принципы построения систем телеавтоматического управления в устройствах электроснабжения по различным критериям, включая критерий минимума энергопотерь в тяговой сети.

Предложен алгоритм автоматического регулирования напряжения в тяговой сети по показателям уровня напряжения у токоприемников движущихся поездов, учитывающий реальное место нахождения поездов на зоне питания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана новая методика проектирования цифровых систем управления с использованием виртуальных объектов, позволяющая сократить время разработки и уменьшить вероятность возникновения ошибок в программном обеспечении системы управления и вносить изменения в программное обеспечение верхнего и нижнего уровней системы для обработки различных ситуаций, возникающих в объекте управления в режиме реального времени.

Создана технология разработки и предложена версия 8САОА-системы, ориентированная на автоматизацию управления тяговым электроснабжением, позволяющая сократить время и затраты на проектирование автоматизированной системы управления устройствами электроснабжения.

Использован способ инициативной передачи сообщения о событиях, позволяющий существенно увеличивать скорость передачи информации по сравнению с традиционными системами управления и реализовать обмен информацией между контролируемыми пунктами с повышенной скоростью.

Предложена организация каналов передачи информации, позволяющая повысить надежность системы и локализовать место повреждения за счет применения кольцевой линии связи.

Разработан и изготовлен опытный образец универсального коммуникационного модуля, расширяющего возможности современных промышленных ПЛК за счет включения в его схему собственного микроконтроллера. Новый коммуникационный модуль имеет до четырех последовательных портов ввода-вывода. Его универсальность состоит в том, что каждый из последовательных портов может иметь различный интерфейс.

Разработано программное обеспечение, позволяющее выполнять имитационное моделирование электротяговой сети с возможностью определения места нахождения поездов, токов и напряжения в любой точке сети и вывода этой информации для организации управления напряжением у токоприемников движущихся поездов. Исследованы различные алгоритмы регулирования напряжения у токоприемников движущихся поездов. Полученные результаты позволили наметить принципы построения систем телеавтоматического управления в устройствах электроснабжения по различным критериям, включая критерий минимума энергопотерь в тяговой сети.

Предложен алгоритм, позволяющий снизить энергопотери в тяговой сети.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бельхассен Рамзи, 2003 год

1. Рогульская С. А., Шах Ю. М., Лашков М. А., Бельхассен Рамзи. Как отладить технологический процесс на виртуальной модели / Readme 2001, №3.с. 18-19.

2. Программируемые логические контроллеры. Получено с сайта automation.dp.ua.

3. Программно-аппаратная платформа для локальных систем управления и АСУТП. Получено с сайта www rtsoft.ru.

4. Шамашов М. А. Инструментальная система программирования логических контроллеров ISaGRAF. Учебное пособие. Самара: Самарский муниципальный комплекс непрерывного образования «Университет Наяновой», 1996, 156 с.

5. Жданов А. А. Операционные системы реального времени / PCWeek. 1999, №8.

6. Вольфганг Эйзенбарт. Промышленные шины для систем автоматизации.УМЕЬиз Systems, June 1998. Получено с сайта www asutp.ru.

7. Любашин А. Н. PROFIBUS открытая шина для открытых технологий / PCWeek. 1998, №8.

8. Куцевич Н. А. SCADA-системы. Взгляд со стороны / PCWeek. 1999, №33.

9. Ю.Куцевич И. В., Григорьев А. Б. Стандарт ОРС путь к интеграцииразнородных систем. Мир компьютерной автоматизации. 2000, №1.11 .Кузнецов С. Н. Стандарт CompactPCI основа современных систем компьютерной телефонии. CTI. Компьютерная Телефония. 1999, №1.

10. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами: Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2001. - 320 е.: ил.

11. З.Бурков А.Т., Бельхассен Рамзи, Ковбаса Б.А., Лашков М.А.

12. Визуальное проектирование автоматизированных систем управления с использованием виртуальных объектов / Пятая международная научно-практическая конференция Infotrans2000. с. 132 - 137.

13. Бельхассен Рамзи. Визуальное проектирование автоматизированных систем управления с использованием виртуальных объектов / Межвуз. Сб. научн. трудов с международным участием вып.21. - Самара: СамИИТ, 2001. -с. 251-254.

14. Wonderware FactorySuite 2000. InTouch. Руководство пользователя. Wonderware Corporation. Москва: АО "RTSoft", 1998.

15. ISaGRAF Версия 2.1. Руководство пользователя часть 1. Перевод Поповой Е. А. Москва: АО "RTSoft", 1995. - 223 с.

16. ISaGRAF Версия 2.1. Руководство пользователя часть 2. Перевод Поповой Е. А. Москва: АО "RTSoft", 1995. - 219 с.

17. Культин Н. Б. Delphi 6. Программирование на Object Pascal. СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 528 е.: ил.

18. Кэнту М. Delphi 6 для профессионалов. СПб.: Питер, 2002. - 1088 е.: ил.

19. Фаронов В. В. Delphi 6. Учебный курс.-М.: Издатель Молгачева С. В., 2001.-672 е., ил.

20. Бурков А.Т., Ковбаса Б.А., Лашков М.А. ПТК для контроля и управления устройствами электроснабжения железных дорог / Мир компьютерной автоматизации. 1998, №1. -с. 90 94.

21. Промышленные логические контроллеры серии SMART I/O. Пособие по применению. RTSoft, 2000. 26 с.

22. КРОСС- контроллер для распределенных открытых систем. Получено с сайта www rtsoft.ru.

23. Atmel. AVR 8-Bit RISC Data Sheet. AT90S8515 (Complete) (112 pages, updated 9/01).

24. Atmel. AVR 8-Bit RISC Data Sheet. AT90S/LS8535 (Complete) (127 pages, updated 11/01).

25. Atmel. AVR 8-Bit RISC Data Sheet. ATmegal03(L) (Complete) (134 pages, updated 9/01).

26. Atmel. AVR 8-Bit RISC Data Sheet. ATmegal28(L) Preliminary (Complete) (331 pages, updated 9/01).

27. MC68HC908AZ60A, MC68HC908AS60A HCMOS Microcontroller Unit Technical Data. 576 pages.

28. Motorola. MC68HC908AB32 HCMOS Microcontroller Unit. Technical Data. 392 pages.

29. Motorola. MC68HC9S08GB60 HCMOS Microcontroller Unit. Technical Data. 288 pages.

30. Ремизевич Т. В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений: от общих подходов — к семействам НС05 и НС08 фирмы Motorola./под ред Кирюхина И. С. М.: ДОДЭКА, 2000. - 272 с.

31. Буданов А. Н. Средства разработки и отладки программного обеспечения промышленных контроллеров на базе 8/16-разрядных микропроцессоров фирмы Motorola / Мир компьютерной автоматизации. 1999, №1.

32. Microchip. Picl7C756A.Data Sheet. 304 pages.

33. Ульрих В. А. Микроконтроллеры PIC16C7X: Семейство восьмиразрядных КМОП микроконтроллеров с аналого-цифровым преобразователем.- СПб.: Наука и техника, 2000. 253 с.

34. Dallas semiconductor. Ultra High Speed Microcontroller DS89C420. Data Sheet. 58 pages.

35. Обзор контроллеров: Выбор микроконтроллера. Перевод ООО "Торнадо Модульные Системы" Новосибирск, 1995. Получено с сайта www tornado.nsk.ru.

36. Татьяна Кривченко, Максим Алексеев. Программирование последовательной асинхронной передачи данных. Получено с сайта www atmel.ru.

37. Грушвицкий Р. И., Мурсев А. X., Угрюмов Е. П. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. — СПб.: БХВ-Петербург, 2002. -608 с.: ил.

38. Triscend. Triscend Е5 Configurable System-on-Chip Platform. Data Sheet. 127 pages.

39. Пухальский Г. И., Новосельцева Т. Я. Цифровые устройства: Учебное пособие для втузов. СПб.: Политехника, 1996. - е.: ил.

40. Куприянов М. С., Матюшкин Б. Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования.- СПб.: Политехника, 1998.-592 е.: ил.

41. Мамошин Р. Р., Минин Г. А. Электросбережение на электроподвижном составе. Первый Международный Симпозиум: Энергосбережение, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте. Сборник трудов. М., 1997. — с. 48.

42. Бельхассен Рамзи. Автоматическое регулирование напряжения на токоприемнике поезда / Тезисы докладов на межд. симпозиуме ЕИгап5'2003: Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте. СПб.: ПГУПС, 2003. с. 133.

43. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. Сооружения и устройства. Подвижной состав. Организация перевозок. (Обобщение отечественного и зарубежного опыта) Т. 2. СПб.: Информационный центр «Выбор», 2003.- 448 е., ил.

44. Жарков Ю. И., Овласюк В. Я., Сергеев Н. Г., Сухопрудский Н. Д., Шилов А. С. Автоматизация систем электроснабжения: Учебник для вузов ж.-д. трансп. Под ред. Н. Д. Сухопрудского. М.: Транспорт, 1990. - 359 с.

45. Ахматов А. С., Кусаков М. М., Толстов Д. М., Финкельштейн Б.

46. Н. Физика. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1965. 899 с.

47. Савельев И. В. Курс общей физики. Книга 1. Механика издание четвертое, переработанное. Москва «Наука» ФИЗМАТЛИТ, 1998. 336 с.

48. Теоретические основы электротехники. Т1. Основы теории линейных цепей. Под ред. Ионкина П. А. Учебник для электротехн. вузов. Изд. 2-е , переработ, и доп. М., «Высш. школа», 1976. 544 е.: ил.

49. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1 / Под ред. К. Г. Марквардта. М.: Транспорт, 1980. - 256 с.

50. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для вузов ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

51. Бей Ю. М., Мамошин Р. Р., Пупынин В. Н., Шалимов М. Г. Тяговые подстанции / Учеб. для вузов ж.-д. транспорта.- М.: Транспорт, 1986. -319 с.

52. Гребенюк П. Т., Долганов А. Н., Скворцова А. И. Тяговые расчеты: Справочник. / Пол ред. П. Т. Гребенюка. М.: Транспорт, 1987. - 272 с.

53. Бабичков А. М., Гурский П. А., Новиков А. П. Тяга поездов и тяговые расчеты. М., «Транспорт», 1971. 280 с.

54. Калиткин Н. Н. Численные методы. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1978.

55. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1978. 832 с.

56. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение.- М.: Солон-Р, 2000. 506 с.

57. Тихменев Б. Н., Трахтман Jl. М. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. Теория работы электрооборудования. Электрические схемы и аппараты. Учебник для вузов ж.-д. трансп. 4-е изд., перераб. И доп. - М.; Транспорт, 1980. - 471 с.

58. Сборник технических указаний и информационных материалов по хозяйству электроснабжения. Управление электрификации и электроснабжения Министерства путей сообщения Российской Федерации. М., Рекламно-издательская фирма «РИПИ», 1996. - 259 с.

59. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской федерации. 1997. 78 с.

60. Макарочкин А. М., Дьяков Ю. В. Использование и развитие пропускной способности железных дорог. М.: Транспорт, 1981. 287 с.

61. Иващенко Н. Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы системы. М., Машгиз, 1962. 628 е.: ил.

62. Быков В. П. Методическое обеспечение САПР в машиностроении — JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 255 с.

63. Мирошников А. Н., Румянцев С. Н. Моделирование систем управления технических средств транспорта. Учебное издание. ТЭТУ.- СПб.: «Элмор», 1999.-224 с.

64. Сердинов С. М. Повышение надежности устройств электроснабжения электрифицированных железных дорог. 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Транспорт, 1985.-301 с.

65. Бурков А. Т. Электроника: физические основы, полупроводниковые приборы и устройства: Учебное пособие.- СПб.: ПГУПС, 1999.-290 с.

66. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи. Учеб. для вузов ж.-д. трансп М.: Транспорт, 1999. - 464 с.

67. Прохорский А. А. Тяговые и трансформаторные подстанции: Учеб. для техн. ж.-д. транспорта.- 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Транспорт, 1983. — 496 с.

68. Баландин А. В., Кпиментьев К. Е. Организация и функционирование операционной системы реального времени 08-9/9000- Самара: Университет Наяновой, 1996.- 101 е.: ил.