Systemy Czasu Rzeczywistego

Krzysztof Szcześniak 127326
Systemy Czasu Rzeczywistego
System stabilizujący położenie przęsła mostu w trakcie budowy
Cel
Celem zadania jest stworzenie systemu stabilizującego położenie przęsła mostu w czasie jego
budowy. Przęsło podnoszone jest przez barkę, na której znajduje się dźwig. Główne zadanie
systemu to zapewnienie założonej dokładności położenia przęsła niezależnie od czynników
zewnętrznych na czas trwania spawania przęsła.
Problemy
- Zapewnienie stałej pozycji barki. Nurt rzeki lub inny czynnik fizyczny może spowodowad
zmianę pozycji barki. Stałą pozycja zostanie zapewniona przez zakotwiczenie barki.
- Zapewnienie stabilności barki. Używanie dźwigu może spowodowad przechylenie się barki,
a w najgorszym wypadku jej przewrócenie.
- Zapewnienie stałej wysokości na której zwisa przęsło mostu
- Zapewnienie że wiszące przęsło nie będzie się obracad – przęsło zawieszone będzie w 4
punktach, co zapewni, że przęsło nie będzie mogło się obracad.
Model
W skład systemu wchodzą:
- Barka z wysięgiem o długości 40 metrów mogącym podnieśd na tę wysokośd element o
wadze do 300 ton.
- Podsystem stabilizacji przechyłu barki
- Podsystem zapewniający stałą wysokośd zawieszenia podnoszonego elementu.
Podsystem stabilizacji przechyłu barki
Barka będzie posiadała zbiorniki balastowe po obu stronach. Woda z jednego zbiornika
przepompowywana będzie do drugiego. W przypadku gdy nie wymagane będzie
przepompowywanie, zawór sterowany elektrycznie będzie zamykany, a woda po osiągnięciu
pewnego ciśnienia wylewad się będzie przez zawór bezpieczeostwa powrotem do zbiornika.
Elementy podsystemu:
- czujnik nachylenia: The Fredricks Company 0737-0604-99
Mierzone nachylanie:
Rozdzielczośd: <0,05”
Temperatura pracy:
Zasilanie: Prąd AC 15V
Czujnik ten potrafi z bardzo dużą dokładnością zmierzyd kont nachylania z zakresu
w naszym przypadku jest wystarczające.
, co
- przetwornik analogowo-cyfrowy co najmniej 17 bitowy
Przetwornik potrzebny będzie do zamiany natężenia prądu otrzymanego z czujnika
nachylenia na wartośd binarną, która z kolei przekazana zostanie dalej do mikrokontrolera
za pomocą złącza rs232. Ponieważ zakres czujnika to
, natomiast rozdzielczośd wynosi
0,05”, aby móc zapisad wszystkie możliwe wartości (72000) potrzebujemy co najmniej 17
bitów.
- czujnik temperatury
Opisany wcześniej czujnik nachylenia daje różne wartości w zależności od temperatury
otoczenia, ponieważ jego impedancja znacznie się zmienia. Dlatego aby móc precyzyjnie
określid nachylenie musimy przeskalowad wartości otrzymane z czujnika nachylenia w
zależności od temperatury otoczenia. Do tego posłuży nam czujnik firmy GEC Instruments.
Jest to jedne z najdokładniejszych czujników dostępnych w sprzedaży. Jego dokładnośd w
przypadki temperatury z zakresu
do 35 to
.
Czujnik ten wyposażony jest w złącze rs232.
-Mikrokomputer TS-7200
W skład mikrokomputera wchodzą:
- procesor ARM9 200MHZ
- 32MB SDRAM
- 8MB dysk flash z zainstalowanym Linusem
- 2 porty com
- zasilanie 5V
- oraz wiele innych złączy nie wykorzystanych w tym projekcie
-system rur łączący oba zbiorniki – rury o średnicy 400mm
- 2 zawory bezpieczeństwa
- 2 zawory sterowane elektrycznie
Zawory, które otwierają się pod wpływem przyłożonego napięcia. Zawory podłączone będą
do złączy DIO w mikrokomputerze. Prąd który pojawi się na złączu DIO, aktywuje tranzystor,
a co za tym odzie spowoduje to otwarcie zaworu, czyli przelanie cieczy z jednego zbiornika
do drugiego.
- 2 pompy o dużej wydajności np. 240000l/h
-system zasilania – każda barka posiada pewien system zasilania, np. przy pomocy 12cylindrowego silnika diesla. Za pomocą odpowiednich transformatorów, napięcie będzie
dostarczane do używanych czujników i mikrokomputera.
Sterowanie
Podsystem sterowany jest za pomocą mikrokomputera odbierające sygnały od czujników.
Jeżeli barka będzie przechylona, otwarty zostanie zawór, tak aby woda zaczęła przelewad się
do zbiornika znajdującego się po drugiej stronie (przeciwnej do kierunku przechylenia).
Woda będzie przelewana do czasu, gdy barka zacznie wracad do pozycji pionowej. Siła
rozpędu barka przechyli się w drugą stronę, co spowoduje że woda będzie przelewana w
drugą stronę. W symulacji komputerowej można zauważyd ze ten sposób sterowania (chod
mało precyzyjny) nie powoduje rezonansu i po pewnym czasie barka zaczyna odchylad się w
coraz mniejszym stopniu.
- Podsystem zapewniający stałą wysokośd zawieszenia podnoszonego elementu.
Podsystem składa się z dźwigu umożliwiającego podnoszenie elementów o masie do 300t na
wysokośd do 40m. Element podnoszony jest za pomocą liny podciąganej przez silnik
hydrostatyczny z przekładnią sterowaną elektrycznie. Główny problem tego systemu to
określenie różnicy wysokości na której znajduje się obecnie barka z tą na której znajdowała
się w poprzednim pomiarze. Rozpatrzonych zostało wiele alternatywnych rozwiązao, jednak
żadne nie jest w 100% skuteczne. Główny problem to wymagana dokładnośd wynosząca
1cm. Uzyskanie takiej dokładności przy tak dużym obiekcie jak dźwig znajdujący się na barce
jest niezwykle trudne. Falowanie powoduje że barka unosi się do góry i opada, a zatem
należy odpowiednio korygowad wysokośd na której zawieszone jest przęsło. Zatem
urządzenie pomiarowe musi byd w stanie określid położenie z dokładnością co najmniej
1mm ale móc zareagowad w wymaganym czasie. Takiej dokładności nie uzyska się za
pomocą systemu GPS, ani stosując typowe metody określania wysokości za pomocą różnicy
ciśnienia lub siły grawitacji, ponieważ na tak małym odcinku, jakim jest 1mm błędy
pomiarowe są większe od różnic tych wartości. Kolejnym pomysłem było użycie czujnika
przyspieszenia o bardzo dużej dokładności i scałkowanie jego wyjścia co dało by nam
prędkośd pionową barki. Niestety rozwiązanie to ma 2 wady. Pierwsza to fakt, że rozpoczęcie
obliczeo musiało by zacząd się, gdy barka ma zerową prędkośd pionową. Druga to
dokładnośd pomiarów. Ponieważ błędy pomiarów się sumują z czasem urządzenie by się
rozsynchronizowało, informując np., że barka podnosi się do góry pomimo tego że np.
minimalnie opada. Dlatego ostatecznie wybrane zostało rozwiązanie które polega na
wyznaczeniu odległości barki od dna zbiornika za pomocą wiązki laserowej. Rozwiązanie
takie zapewnia bardzo dużą dokładnośd. Zasada działania jest taka sama jak w przypadku
dalmierza laserowego.
Elementy podsystemu:
- Dalmierz laserowy – Leica DISTO A8
Zakres pomiaru: 0,05 do 200m
Dokładnośd:
Zasilanie: 3V DC
Dalmierz należało by „popsud” tak, aby wpiąd się w miejsce w którym można uzyskad
aktualnie wskazywaną wartośd odległości. Następnie interesujące nas przewody połączyd ze
złączami DIO mikrokomputera TS-7200, tak aby móc odczytad odległośd dzielącą barkę od
dna zbiornika wodnego, na którym się znajduje. Dalmierz został by umieszczony pod wodą
gdyż załamanie wiązki laserowej na granicy ośrodków woda/powietrze mogło by przekłamad
wynik. Zatem należało by stworzyd specjalna obudowę, aby dalmierz nie uległ zniszczeniu.
- Silnik hydrostatyczny z przekładnią sterowaną elektrycznie
Na podstawie wyznaczonej różnicy należało by odpowiednio opuścid lub podnieśd przęsło.
Do tego celu wykorzystany był by silnik hydrostatyczny. Szybkośd podnoszenia/opuszczania
regulowana była by za pomocą przekładni sterowanej elektrycznie (tak aby mikrokontroler
mógł nią sterowad). Oczywiście silnik taki musi spełniad pewne kryteria. Musi byd w stanie
podciągnąd ciężar o masie do 300t, a zarazem musi to zrobid dosyd wolno, gdyż nagłe ruchy
mogą spowodowad destabilizację nachylenia barki. Ciekawym rozwiązaniem wydaje się byd
przekładnia ECVT, czyli elektronicznie sterowana bezstopniowa przekładnia.
-Mikrokomputer TS-7200
W skład mikrokomputera wchodzą:
- procesor ARM9 200MHZ
- 32MB SDRAM
- 8MB dysk flash z zainstalowanym Linusem
- 2 porty com
- zasilanie 5V
Sterowanie
Algorytm sterowania wyglądał by następująco: Mikrokomputer odczytywał by periodycznie
wysokośd na jakiej znajduje się barka (niestety producent dalmierza nie podał ile czasu musi
upłynąd pomiędzy kolejnymi pomiarami). Jeżeli wysokośd zmieniła się w zależności od tego
jak bardzo się zmieniła, odpowiednio ustawiana był by przekładnia i silnik elektrostatyczny
wciągał by lub opuszczał przęsło przez pewien zadany czas, jednak nie dłuższy niż do czasu
kolejnego pomiaru.
Testy
Należało by wykonad testy w środowisku matlab/simulink.
Testy nachylenia:
Należy zbadad jak zachowa się barka w przypadku gdy będzie odchylona w jednym kierunku
o kąt 0,04 - przy tym kącie przęsło zawieszone na wysokości 40 metrów odchylone jest o
1cm czyli zakładaną dokładnośd.
Należy zbadad jak zachowa się barka w przypadku gdy nie będzie odchylona względem piony,
ale będzie miała pewną prędkośd kątową (należy zbadad jaka jest maksymalna prędkośd
kątowa która nie spowoduje przekroczenia zakładanego 1cm dokładności).
Należy zbadad jak zachowa się barka w przypadku podnoszenia przez dźwig przęsła oraz
przenoszenia go na jedną stronę barki. Należy zbadad czy prędkośd napełniania zbiorników
balastowych jest wystarczająca, w stosunku do prędkości obracania się dźwigu.
W aktualnej wersji systemu nie stworzono systemu awaryjnego przejmującego sterowanie
na wypadek awarii projektowanego systemu. Koniecznym może okazad się dodanie dwóch
dodatkowych pomp, które będą przepompowywad wodę w przypadku awarii jednej z pomp
podstawowych. Zwiększy to całkowity koszt systemu, jednak straty spowodowane awaria
mogą byd dużo większe. Wówczas należało by przetestowad czy w przypadku awarii system
awaryjny przejmuje sterowanie i czy działa prawidłowo.
Kolejny test powinien sprawdzad wpływ temperatury na dokładnośd pomiarów czujników.
Szczególnie czujnik nachylenia znacznie zależy od temperatury otoczenia.
Wszystkie elementy systemu spełniają wymagania co do temperatury w jakiej mogą
pracowad czyli powiedzmy
.
Koszt systemu
Ciężko oszacowad łączny koszt systemu, ponieważ należałoby znad koszt barki z dźwigiem i
zbiornikami balastowymi. Również cena pomp i silnika hydrostatycznego nie jest podawana
przez producenta, ponieważ nie jest to typowy produkt przeznaczony na rynek konsumencki.
Elementy te należą do grupy produktów specjalistycznych a zatem cena nie jest powszechnie
znana. Pozostałe elementy takie jak czujnik nachylenia, odległości lub temperatury, a także
minikomputer stanowią nieznaczną częśd systemu i łącznie mieszczą się w kwocie 2000$.