Математическая
морфология.
Электронный
математический и медико-биологический журнал. - Т. 14. -
Вып. 2. - 2015. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-46-html/TITL-46.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-46-html/cont.htm
УДК 621.396.962
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЫТОВЫМИ ДАТЧИКАМИ
Ó 2015
г. Деменков Д. М., Якименко И. В.
В работе
представлена методика математического моделирования режимов работы автоматизированной системы
управления бытовыми датчиками-сигнализаторами. Представлены результаты
моделирования в среде MatLAb.
Ключевые слова: автоматизированная система управления,
бытовые датчики-сигнализаторы.
Автоматизированная система управления бытовыми
датчиками представляет собой совокупность устройств, предназначенных для
обеспечения безопасности жизни и оповещения людей об аварийных ситуациях.
Каждый элемент системы постоянно выполняет определенную задачу и взаимосвязан с
другими устройствами комплекса.
Характерной чертой автоматизированной системы контроля
безопасности жилого помещения является то, что она является управляемой и
работает по заранее продуманному алгоритму. Система может состоять из большого
количества устройств, размещенных по всему объему здания. При разработке следует
стремиться подбирать компоненты под интерьер жилых помещений.
Принцип построения автоматизированной системы контроля
безопасности в жилом секторе заключается в расположении технических
элементов-датчиков в местах возможного возникновения аварийной ситуации.
Сигнал с датчика поступает на устройство обработки и
цифрового преобразования аналогового сигнала, задачей которого является
максимально быстрое и точное измерение. Основным элементом такого устройства
является, как правило, микроконтроллер или процессор. Преобразованный в цифровую
форму сигнал удобен для хранения и дальнейшей передачи на устройство ввода/вывода
данных, задача которого без искажения отправить данные на диспетчерский пульт
управления и послать сигнал на срабатывание исполнительного устройства. К ним
относятся устройства-преобразователи, превращающие входной сигнал
(электрический, оптический, механический, пневматический и др.) в выходной
сигнал (обычно в движение), воздействующий на объект управления. Это могут быть
электромагнитные клапаны, запорные механизмы, воздушные вытяжки, электрические
двигатели, реле и т.д. Для передачи данных, в зависимости от удобства размещения,
используются как проводные, так и беспроводные каналы связи.
Главным модулем автоматизированной системы является пульт
управления. Он осуществляет постоянный прием информации о состоянии датчиков,
её конфигурирование и мгновенное оповещение оператора. Пульт управления должен
выполнять следующие функции:
- звуковая и/или световая сигнализация;
- передача управляющего сигнала на вынесенное
устройство сигнализации;
- оповещение человека по каналу сотовой связи в виде смс;
- связь с датчиками через устройство измерения и
преобразования аналогового сигнала по любому из используемых каналов связи;
- формирование управляющего сигнала на выходные
контакты реле;
- подключение большого количества устройств;
- связь с другим пультом управления.
Сфера создания интеллектуальных жилых помещений
постоянно развивается. Совершенствуются технологии создания самих датчиков.
Блоки системы объединяют в отдельные модули. Например, в датчики встраивают
электронные преобразователи, и выходной сигнал с датчика имеет цифровую форму.
Размеры компонентов системы постоянно уменьшаются, делая ее наиболее гибкой для
пользователя.
Работа посвящена созданию математической модели автоматизированной
системы управления датчиками бытового газа.
Создание математической
модели автоматизированной системы управления бытовыми датчиками, в частности
контроля уровня загазованности атмосферы, процесс достаточно непростой и
трудоемкий. Для начала, стоит определиться, будет ли модель содержать блоки
электрических схем и электронных компонентов, или моделирование будет отражать
лишь алгоритм работы системы. При необходимости, можно создавать модели,
комбинируя блоки силовой электроники и математические блоки, отвечающие за алгоритм
работы проекта.
Структурный
подход, в отличие от пакетов схемотехнического моделирования, позволяет
значительно упростить всю модель, а значит, повысить ее устойчивость и скорость
работы, что дает практически неограниченные возможности для моделирования
электротехнических систем.
При создании математической
модели автоматизированной системы управления бытовыми датчиками, достаточно
использовать математические блоки в прикладной программе Simulink
для MATLAB.
Далее
необходимо разработать структурную блок-схему создаваемой модели, перед
непосредственно компьютерным проектированием.
Математическая модель системы в результате разработки
должна четко отразить состояние каждого компонента в любой момент времени,
показать реакцию автоматизированной системы на различные аварийные ситуации,
возникающие в случайные моменты времени.
Входным параметром является изменение содержания
горючих газов в помещениях, в которых расположены сигнализаторы.
Выходными параметрами являются:
- управляющие сигналы, приводящие в действие
исполняющие устройства;
- оптическая и акустическая сигнализации на
сигнализаторах и пульте управления;
- сигналы интерфейсов связи сигнализаторов и
пульта управления в диспетчерской;
В процессе создания модели должны контролироваться все
входные и выходные параметры.
Принципиально
автоматизированная система управления бытовыми датчиками может выглядеть
следующим образом. В жилом помещении в месте контроля загазованности атмосферы
устанавливается устройство обнаружения утечки бытового газа. Таким устройством
является бытовой сигнализатор горючих газов. Конструктивно он состоит из
термохимического датчика (или сенсора), включенного в электрическую схему
сигнализатора. Аналоговый сигнал с датчика поступает на АЦП микроконтроллера и
преобразуется в цифровую форму. Микроконтроллер постоянно измеряет сигнал с
датчика. При превышении концентрации горючего газа порога срабатывания
сигнализации, микроконтроллер выдает управляющий сигнал на срабатывание исполнительного
устройства, перекрывающего газопровод,
либо выходного реле для запуска дополнительного оборудования типа
вентилятора и/или дополнительной сигнализации. Исполнительное устройство монтируется
в непосредственной близости от места подачи газа. Таким устройством может быть
электромагнитный клапан, либо механизм отключения подачи газа с электроприводом
постоянного тока. Собственно сигнализатор имеет оптическую и акустическую
сигнализацию «АВАРИЯ». Цифровые данные состояния сигнализатора микроконтроллер
передает на пульт управления системой.
Структурная схема разрабатываемой автоматизированной системы контроля уровня загазованности атмосферы в жилом
секторе представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структурная схема работы
автоматизированной системы для контроля уровня загазованности в жилом помещении
В состав пульта входят:
- дисплей, предназначенный для отображения информации
о состоянии сигнализатора, о неисправности электрической схемы или других
ошибках;
- клеммы, предназначенные для вывода контактов реле.
Контакты реле можно использовать, например, для включения вентиляции;
- канал связи для передачи данных по интерфейсу RS485;
- беспроводной радиоканал связи и GSM-канал для оповещения оператора в случае чрезвычайной
ситуации;
- клавиатура, либо кнопки, для управления
устройствами, входящими в систему;
Типы реле, средства отображения информации, органы
управления (кнопки, клавиатура и т.д.), модули интерфейсов, входящих в систему,
выбираются на стадии разработки электрической схемы.
Пульт управления имеет встроенную память для хранения
информации мониторинга уровня загазованности, принятой от сигнализатора.
Для системы может быть разработано специальное
программное обеспечение на ПЭВМ. При подключении пульта к компьютеру, в окнах
сервисной программы можно будет отследить всю необходимую информацию об
устройствах, входящих в состав системы.
К достоинствам такой системы можно отнести
возможность гибкой настройки, подключения неограниченного количества датчиков и
перепрограммирования контроллера для конкретной ситуации.
Обеспечение газовой безопасности предполагает
массированное размещение сигнализаторов в помещениях, куда могут поступать
взрывоопасные и пожароопасные газы, которые выделяются вследствие техногенных
аварий или умышленных деструктивных действий. Информация о повышении
концентрации газов заблаговременно поступает к оператору для анализа и принятия
решений. Информация от значительного числа датчиков позволяет кроме всего прочего
установить и источник поступления газа (очаг распространения), что важно для
расследования аварий. Широкое применение подобной системы способно существенно снизить число чрезвычайных происшествий, связанных с утечкой
пожароопасных и взрывоопасных газов.
В качестве датчиков утечки бытового газа выбраны
сигнализаторы горючих газов, предназначенные для выдачи сигнализации о
превышении установленных пороговых значений довзрывоопасной
концентрации горючих газов (метана или пропан-бутановой
смеси) в воздухе жилых помещений.
Входным
параметром для сигнализатора является содержание концентрации горючих газов в
объеме бытового помещения.
Для имитации изменения содержания концентрации горючих
газов в атмосфере можно использовать математический блок из библиотеки Source в Simulink Library – блок Repeating Sequence Interpolated.
На рисунке 2 представлено окно задания параметров для
этого блока.
Рисунок 2 – Окно
задания параметров блока Repeating Sequence Interpolated
На выходе блока сигнал, изменяющийся дискретно через
заданные промежутки времени, задаваемые в окне Vector of time values. Величина
выходного сигнала (в %НКПР) задается в окне Vector of output values.
После 80 сек. Выходной сигнал повторяется.
Порог сигнализации 20%НКПР. В блоке задано изменение сигнала концентрации
бытового газа от 0 до 26 %НКПР, для наглядности результатов моделирования. Параметры
блока можно будет поменять в дальнейшем, при необходимости.
Итак, на вход сигнализатора будет поступать сигнал от
0 до 26 (%НКПР).
На следующем этапе, следует выбрать
блок, имитирующий реакцию термохимического датчика на изменение концентрации
измеряемого газа, а также преобразование аналогового сигнала микроконтроллером.
По сути, таким блоком может служить математический блок сравнения с константой
(порог сигнализации), принимающий на вход сигналы различной величины (от 0 до
26), на выходе выдающий константу (например 1, для
дальнейшей обработки), при выполнении условия.
Для выполнения данных операций в
разрабатываемой модели используется блок из Simulink Library Logic
and Bit Operations – Compare to Constant.
На рисунке 3 представлено окно задания параметров для
этого блока в модели.
Рисунок 3 - Окно задания параметров для блока Compare to Constant
Блок Compare to Constant сравнивает входной сигнал с константой 20 (%НКПР). При
выполнении условия: величина входного сигнала >= 20, на выходе блока
появится «1». В других случаях, на выходе блока будет «0».
Другими
словами, блок имитирует условие срабатывания сигнализации «АВАРИЯ».
Выходными
параметрами для сигнализатора являются:
- сигнал на включение акустической и/или оптической
сигнализации «АВАРИЯ»;
- управляющий сигнал на срабатывание
исполнительного устройства;
- сигнал, передаваемый по линии связи к
пульту управления;
Для упрощения не разрабатывалась модель
термохимического датчика, включенного в электрическую схему сигнализатора. В
дальнейшем можно будет построить модель ТХД, но на начальном этапе в этом нет
необходимости. В модели сигнализатора используется электрический сигнал,
поступающий непосредственно с датчика на микроконтроллер. Алгоритм работы блока
сигнализатора основан на алгоритме программы микроконтроллера реального
сигнализатора горючих газов. Сигнал измеряется, сравнивается с установленным
порогом 20%НКПР по горючим газам, и микроконтроллер выдает управляющие сигналы
для привода в действие исполнительного устройства и передачи информации в пульт
управления. Для этого в модели (также как и в реальном сигнализаторе) имеются
выходы «КЛАПАН», «RS485», «КЛАПАН 40В».
Для имитации срабатывания оптической
сигнализации «АВАРИЯ» необходимо использовать блоки, отражающие периодическое
включение/выключение светодиода красного цвета «АВАРИЯ», при превышении
концентрации горючих газов установленного порога в 20%НКПР.
Для включения/выключения светодиода
используется блок Pulse Generator из библиотеки Sources в Simulinik Library.
В окне параметров блока задаются амплитуда выходного сигнала скважность и
период следования импульсов.
Используя блок умножителя Product из Commonly Used Blocks в Simulinik Library,
моделируется процесс включения генерации импульсов
сигнала на вход светодиода, в случае срабатывания сигнализации, то есть в
момент, когда на выходе блока сравнения появляется «1».
Структурный блок сигнализатора как
элемент модели автоматизированной системы представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 –
Сигнализатор как элемент модели автоматизированной системы
Для создания блока светодиода используется компонент
библиотеки Gauges Blockset в Simulink Library – ActiveX Control,
позволяющий наглядно показать свечение светодиода, при подаче на вход блока
последовательности импульсов с определенной частотой. На рисунке 5 показан
включенный светодиод, при срабатывании аварии.
Рисунок 5 –
Структурный блок сигнализатора и светодиода как элемент модели автоматизированной
системы
Выход сигнализатора «RS485» подключается к блоку Пульта управления автоматизированной
системы бытовых датчиков.
Выход «КЛАПАН» подключается к блоку, имитирующему работу исполнительного
устройства.
Модели исполнительных устройств представлены
как блоки, имеющие два состояния – «ОТКРЫТ», «ЗАКРЫТ», которые меняются в
зависимости от поступающих входных управляющих сигналов.
Внутренняя структура блока исполнительного устройства
сигнализатора представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Внутренняя структура элемента запорного
механизма
Для контроля выходных параметров - состояния
исполнительных устройств, в модели системы введены индикаторы управляющих
напряжений с сигнализатора.
Общий вид модели исполнительных устройств в Simulink в случае отсутствия утечек горючих газов, показан на
рисунке 7.
Рисунок 7 – Модели исполнительных устройств в Simulink в случае отсутствия утечек горючих газов
Общий вид модели исполнительных устройств в Simulink в случае утечек горючих газов в помещениях 1 и 2,
показан на рисунке 8.
Рисунок 8 - Модели исполнительных устройств в MatLab в случае утечек горючих газов в помещениях 1 и 2
Сигнализаторы постоянно передают данные в пункт сбора
информации или диспетчерскую. Устройство сбора информации – пульт управления
ведет мониторинг всех датчиков системы. Помимо информации об утечке газа
(«норма» или «газ»), в пульт управления поступают также данные о неисправности
датчиков:
- нарушение работы измерительной схемы сигнализатора,
- обрыв (перегорание) или короткое замыкание
чувствительных элементов термохимического датчика.
Структура модели пульта управления представлена на
рисунке 9.
Состояние модели пульта управления в случае отсутствия
утечек горючих газов представлено на рисунке 10.
Состояние модели пульта управления в случае отсутствия
утечек горючих газов представлено на рисунке 11.
Рисунок 9 – Внутренняя структура модели пульта
управления
Рисунок 10 – Результаты моделирования пульта
управления в случае отсутствия утечек горючих газов
Рисунок 11 – Результаты моделирования пульта
управления в случае утечек горючих газов в помещениях 1 и 2
Входными параметрами для модели пульта управления
являются сигналы состояния сигнализаторов в помещениях 1 и 2.
Выходными параметрами являются сформированные сигналы
на включение светодиодов зеленого цвета (для режима «НОРМА») и красного цвета
(для режима «АВАРИЯ»).
В процессе совершенствования функционирования
разрабатываемой системы в модель можно будет добавить такие выходные параметры,
как включение вентиляции, открытие окон, отправка данных по каналу сотовой
связи для оповещения оператора.
Осциллограммы результатов моделирования приведены на
рисунке 12. Для наглядности, все осциллограммы состояния системы в разных
точках представлены в одних временных координатах.
Рисунок 12 – Осциллограммы сигналов в различных точках
системы
На первой верхней осциллограмме показано изменение
концентрации горючих газов в помещении №1. Уровень произвольно меняется от 0
до 26 %НКПР и,
начиная с 60 секунды, постепенно снижается. При превышении порога концентрации
горючих газов в 20 %НКПР, срабатывает запорный механизм, что видно из
осциллограммы 2 – включение управляющего напряжения 12В на запорном механизме.
В этот же момент (18 секунда) посылается сигнал на пульт управления (см. осциллограмма 3).
На осциллограмме 4 показано изменение концентрации
горючих газов в помещении №2. Вследствие этого изменения, при превышении установленного
порога на сигнализаторе 2 (20 %НКПР), сработали импульсы амплитудой 40 В на электромагнитный клапан (см. осциллограмма 5). В этот
же момент (18 секунда) посылается сигнал на пульт управления (см. осциллограмма 6).
По результатам моделирования можно сделать вывод, что
подобная система, в принципе, эффективна и отвечает заявленным требованиям, но
требуется детальное моделирование каждого модуля и проработка программного
обеспечения. Для достижения совершенства в моделировании системы в целом, необходимо
отразить физику процессов измерения сигнала датчиков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Использование
электронных газосигнализаторов для обеспечения безопасности объектов
промышленного и коммунального газоиспользования/ Люлин Б.Н., Манвелова Н.Е., Орехов Е.О.- С.-Пб.: Газинформ, 2007, №1/ 16с.
2. ГОСТ 27540-87. Сигнализаторы горючих газов и
паров термохимические. Государственный стандарт.1988г, 34с.
3. Инженерные
сети, оборудование зданий и сооружений: Учебник/ Е.Н.Бухаркин,
В.М.Овсянников, К.С.Орлов и др.; Под ред. Ю.П.Соснина. - М.: Высшая школа, 2001
- 415 с. ил.
4.
ГОСТ Р 52350.29.2-2010 (МЭК 60079-29-2:2007).
Взрывоопасные среды. Часть 29-2
Газоанализаторы. Требования к выбору, монтажу, применению и техническому
обслуживанию газоанализаторов горючих газов и кислорода. Национальный стандарт
Российской федерации. М.: Стандартинформ. 2011г, 82с.
5. Моделирование
электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Simulink. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 288 с., ил. (Серия «Проектирование»).
MATHEMATICAL
MODELING OF AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF HOUSEHOLD SENSORS
Demenkov D. M., Yakymenko I.
V.
The paper presents
a method of mathematical modeling of modes of automated control system for
household sensors-detectors. The results of modeling in MatLAb.
Key words: Automatic control systems,
sensors, alarm household.
«Национальный исследовательский университет» МЭИ» в г. Смоленске
Поступила в редакцию 25.03.2015.