Введение
Применение автоматических систем обеспечивает высокую оперативность и точность управления. Современная элементная база позволяет создавать автоматические системы обладающие значительным ресурсом надежности, имеющие низкое энергопотребление, высокую автономность. В настоящее время все чаще для создания автоматических систем применяются микроконтроллеры и микропроцессоры с набором датчиков и исполнительных устройств. Данные факторы позволяют разрабатывать и изготавливать автономные инженерные системы с автоматической системой управления для их установки в контейнерах и боксах, с целью размещения в них чувствительной к воздействию окружающих факторов аппаратуры.
В ходе проведенного анализа были сделаны выводы, что инженерный комплекс и автоматическая система управления должны состоять из:
-
системы поддержания температурно-влажностного режима (ТВР);
-
системы пожаротушения;
-
системы освещения;
-
системы ограничения доступа;
-
системы управления электропитанием;
-
функционального контроля;
-
система взаимодействия с оператором.
Автоматическая система управления
Автоматическая система – комплекс взаимодействующих между собой механизмов управляемого объекта и автоматического устройства, предназначена для управления объектом без вмешательств человека [1].
Система автоматического управления, как правило, состоит из двух основных элементов – объекта управления и управляющего устройства.
Основными преимуществами автоматической системы являются [2]:
-
повышенная пропускная способность или производительность;
-
улучшение качества или повышение предсказуемости качества;
-
повышенная надежность и прочность (последовательность и согласованность) процессов;
-
повышенная последовательность вывода;
-
снижение прямых затрат человеческого труда и расходов;
-
установка автоматизации операций в целях сокращения времени цикла;
-
замена человека-оператора в задачах, которые связаны с тяжелым физическим трудом или монотонной работой;
-
замена людей в выполнении конкретных задач в опасных средах;
-
выполнение задач, которые находятся вне человеческих возможностей.
Основными недостатками автоматической системы являются [3, 4]:
-
угрозы безопасности/уязвимость: система может иметь ограниченный уровень интеллекта;
-
непредсказуемые/чрезмерные расходы на разработку: стоимость исследований и разработка процесса автоматизации может превышать суммы экономии от нее;
-
высокая начальная стоимость.
В ходе проведенных исследований разработана структурная схема системы управления инженерным комплексом (рис. 1). Управляющим элементом системы является микропроцессор типа ATmega AVR 328, имеющий 14 цифровых, 6 аналоговых, 32 кБ флэш памяти и 2 кБ оперативной памяти, что достаточно для выполнения требуемого функционала.
Рисунок 1 – Структурная схема автоматической системы управления инженерным комплексом
Таблица 1 – Состав систем инженерного комплекса и управления
|
Система |
Состав |
| Поддержания ТВР |
– вентиляцонные установки; – обогреватели; – датчик температуры и влажности; – реле. |
|
Пожаротушения |
– датчики огня; – датчики дыма; – пожарный извещатель; – водяная помпа (или установка газового пожаротушения); – кнопка ручного включения системы пожаротушения. |
|
Ограничения (контроля) доступа |
– замок с электронным управлением; – RFID модуль; – RFID метки (ключи). |
|
Освещения и электропитания |
– управляющие реле. |
|
Функционального кнтроля |
– реализовано с помощью встроенных программных средств. |
|
Взаимодействия с оператором |
– двухстрочный монохромный LCD экран; – персональный компьютер со специальной программой. |
Действия автоматической системы описаны в алгоритме работы процессора, реализованном на специализированном языке программирования. Это достигается путем получения информации от датчиков о состоянии окружающей среды и среды в контейнере, её обработки в процессоре и выдачи команд на исполнительные устройства [5].
В системах обеспечении температурно-влажностного режима, а особенно в системах пожаротушения время реагирования является важнейшим показателем, который обеспечивает работоспособность и сохранность аппаратуры. Кроме того, наличие автоматических систем позволяет существенно сократить дежурную смену персонала.
Подача команд на выполнение и управление работы вышеперечисленных систем осуществляются микроконтроллером Arduino Uno на базе процессора ATmega AVR. Аналоговые датчики подключены к аналоговым входам. Устройства поддержания нормальной рабочей среды в контейнере подключены к цифровым выходам. При этом, для обеспечения разной скорости вращения вентиляторов охлаждения, аппаратуры подключены к выходам с широтно-импульсной модуляцией.
В разработанной системы используются следующие датчики (рис. 2.):
-
датчик температуры и влажности DHT-11;
-
датчик пламени аналоговый;
-
датчик газа (дыма) MQ-135;
-
RFID система (контроля доступа).
|
|
|
|
|
a) Температуры и влажности DTH-11 |
б) Дыма MQ-135 |
|
|
|
|
|
|
в) Огня KY-026 |
г) RFID |
|
|
Рисунок 2 – Датчики используемые в автоматической системе |
||
Испольнительные устройства, реализованные в разработанной автоматической системе:
-
вентиляционная система (два вентилятора);
-
нагревательный элемент;
-
водяная помпа;
-
электро-замок;
-
светодиодные осветительные приборы;
-
звуковой пожарный извещатель.
Информация о состоянии системы и показатели датчиков выводятся на LCD экран размещенный на внешней стенке контейнера.
Программная часть системы управления инженерным комплексом состоит из двух частей. Первая часть загружена в микроконтроллер и управляет работой устройств инженерного комплекса. Вторая часть реализована на персональном компьютере и служит для взаимодействи с оператором.
Программа по управлению инженерным комплексом реализована на языке программирования С++ и прошита в микроконтроллер. Алгоритм работы системы представлен на рис. 3.
Рисунок 3 – Алгоритм работы автоматической системы
Для организации взаимодействия с оператором используется программа Processing, обеспечивающая вывод данных на монитор персонального компьютера. Processing — открытый язык программирования, основанный на Java. Представляет собой лёгкий и быстрый инструментарий, программирования изображений, анимации и интерфейса.
Для организации передачи данных между микропроцессором и персональным компьютером используется «монитор порта». Монитор порта
Arduino – это утилита, встроенная в среду программирования и служит для связи компьютера с контроллером. С помощью монитора последовательного порта производится отладка прошивки микроконтроллера, получение информации о работе программы и отправка команд к микроконтроллеру по USB. Данные посылаются как один или серия байтов. В это время происходит опрос датчиков и прочих параметров, после чего данные поступают в монитор порта посредством библиотеки Serial. Набор функций Serial служит для связи устройства Arduino с компьютером или другими устройствами, поддерживающими последовательный интерфейс обмена данными. Все платы Arduino имеют хотя бы один последовательный порт (UART, иногда называют USART). Для обмена данными Serial используют цифровые порты ввод/вывода 0 (RX) и 1 (TX), а также USB порт. Важно учитывать, что если использовать функции Serial, то нельзя одновременно с этим использовать порты 0 и 1 для других целей.
В этот момент Processing считывает и обрабатывает полученные цифровые значения для дальнейшего визуального представления в программе.
Передача данных происходит посредством функции Serial.write. Функция передает данные как бинарный код через последовательное соединение в монитор порта.
Пример использования функции Serial.write в программном коде:
void ledOn(){
serial.write(‘a’);}
Ключевое слово void используется при объявлении функций, если функция не возвращает никакого значение при ее вызове (в некоторых языках программирования такие функции называют процедурами).
Благодаря команде serial.write(‘a’); происходит передача символа «a» на монитор порта микроконтроллера Arduino Uno, в результате чего происходит управление системой, которая определенна для данной переменной программным кодом.
Для апробации, настройки и испытания разработанных технических и программных решений разработана модель контейнера для аппаратуры (рис. 4).
|
|
|
|
Рисунок 4 – Модель для проведения испытаний и отладки системы управления инженерным комплексом |
|
Проведенная апробация показала правильность принятых технических и программных решений, высокую надежность, удобство взаимодействия оператора с системой.
Заключение
Разработанная автоматическая система управления инженерным комплексом позволяет решать задачи управления без участия человека, с высокой производительностью, качеством и скоростью.
Библиографический список
- Яшкин И.И. Курс теории автоматического управления. М., Наука, 1986. – 213 с.
- Поляк Б.Т., Щербаков П.С. Робастная устойчивость и управление. М., Наука, 2002. – 96 с.
- Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., Наука, 1996. – 264 с.
- Цыпкин Я. З. Основы теории автоматических систем. М., Наука, 1997. – 163 с.
- Калинин Т.В., Хрестинин Д.В., Толстенев Д.В., Войтик Ю.В., Бесхлебнов А.А. Автоматическая система управления инженерным комплексом контейнера с аппаратурой//Сборник научно-методических трудов (Москва, 24 апреля 2020 года) ВУЦ МГТУ им Н.Э. Баумана.– М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. С. 344-347.