Ćwiczenie PA9. Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem PLC SIMATIC

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Ćwiczenie PA9. Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem PLC SIMATIC"

Stefan Szczepaniak
8 lat temu
Przeglądów:

1 - laboratorium Ćwiczenie PA9 Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem Instrukcja laboratoryjna Opracował : mgr inŝ. Łukasz Tabor Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warszawa 2009

Łukasz Tabor Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany

2 Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem PLC SIMATIC Celem ćwiczenia jest przedstawienie realizacji układu regulacji automatycznej ciśnienia w zbiorniku buforowym powietrza. Układ ten będzie zrealizowany przy wykorzystaniu cyfrowego regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku SIEMENS S Do wizualizacji procesu zostanie wukorzystany program InTouch firmy Wonderware. 1. WPROWADZENIE We współczesnych instalacjach przemysłowych do sterowania procesami powszechnie stosuje się sterowniki programowalne. Posiadają one moduły wejść/wyjść zarówno analogowych jak i cyfrowych, które zbierają informacje z obiektów oraz wysyłające sygnały sterujące. Sterowanie jest realizowane zgodnie z algorytmem dobranym przy wykorzystaniu szerokiego wachlarza funkcji dostępnych w bibliotekach sterownika podczas programowania. Do obserwacji zachowania zmiennych procesowych wykorzystuje się stacje inŝynierskie, którymi mogą być komputery klasy PC czy panele sterujące z uruchomionym systemem SCADA. 2. OPIS STANOWISKA Stanowisko umoŝliwia realizację układu regulacji automatycznej ciśnienia. W skład układu regulacji wchodzą: zbiornik ciśnienia, inteligentny zawór sterujący, przetwornik pomiarowy, oraz sterownik programowalny. Wielkość wyjściowa z obiektu regulacji (ciśnienie), jest przetwarzana na sygnał elektryczny 4-20mA poprzez przetwornik pomiarowy i trafia do jednostki nadrzędnej (sterownik). Stanowisko wyposaŝone jest w dodatkowe elementy kontrolne takie jak przyciski, lampki i przełączniki. Rys.1 Uproszczony ideowy schemat funkcjonalny stanowiska 2

Do wizualizacji procesu zostanie wukorzystany program InTouch firmy Wonderware. 1.

3 2.1 Sterownik i instalacja elektryczna Do zasilania jednostki nadrzędnej i wszystkich modułów rozszerzających uŝyto zasilacza stabilizowanego zasilanego z sieci 120/230VAC o wydajności prądowej 2A. Jednostką nadrzędną jest sterownik PLC SIEMENS z rodziny SIMATIC S Sterownik CPU 313C-2 DP charakteryzuje się zintegrowanymi szesnastoma wejściami i szesnastoma wyjściami cyfrowymi oraz, interfejsem Profibus-DP master/slave. Na stanowisku konieczny jest odczyt wartości ciśnienia z czujnika, dlatego teŝ zastosowano moduł rozszerzający SM 331. Posiada on dwa optycznie izolowane wejścia analogowe z przetwornikiem analogowocyfrowym o rozdzielczości 12 bitów. Kolejnym elementem sterownika jest modułowa stacja rozproszonych wejść/wyjść ET 200M ze standardem komunikacyjnym Profibus-DP. Przeznaczona jest ona dla układów z większą liczbą sygnałów, których akwizycja zachodzi w pewnym oddaleniu od sterownika. Moduł I/O stanowi moduł SM 332 z ośmioma optycznie izolowanymi wyjściami, wykorzystującymi protokół HART do komunikacji z pozycjonerem SIEMENS SIPART PS2. Zastosowanie tego protokołu pozwala na podłączenie do nadrzędnej sieci przemysłowej, oraz zdalną konfigurację i diagnostykę z centralnego stanowiska in- Ŝynierskiego. Pomiar ciśnienia w zbiorniku następuje poprzez przetwornik pomiarowy FESTO SDE-1 o zakresie pomiarowym 0..10bar i niepewnością pomiaru 2%. Komunikacja ze sterownikiem odbywa się za pomocną sygnału 4-20mA. Konfiguracja, programowanie i wizualizacja urządzeń i zjawisk na stanowisku odbywa się za pomocą komputera PC (pełniącego rolę stacji inŝynierskiej). Do wejść cyfrowych sterownika PLC dołączone są elementy kontrolne w postaci dwóch przycisków START i STOP oraz lampki sygnalizacyjnej. 2.2 Instalacja pneumatyczna Do zasilania układu spręŝonym powietrzem wykorzystano spręŝarkę firmy JUN-AIR o ciśnieniu maksymalnym 8 bar. Za regulację ciśnienia (R) w instalacji odpowiada reduktor firmy FESTO typ LFR-KC. Posiada on ręczny zawór odcinający, filtr, manometr oraz automatyczny odbiór kondensatu. Urządzeniem wykonawczym, poprzez które regulowany jest dopływ powietrza do zbiornika jest zawór kulowy BELIMO typ R305K z siłownikiem pneumatycznym FESTO VZPR (zespół ten oznaczony jest na rysunku jako V). Dołączony do nich jest uniwersalny pozycjoner SIPART PS2 współpracujący z napędami liniowymi i kątowymi o dowolnej charakterystyce. Skok lub kąt obrotu mechanizmu sprzęgającego moŝna płynnie regulować w bardzo szerokim zakresie od 3 do 130 mm lub od 30 do 100. Zbiornik ZB firmy FESTO typ CRVZS-10, w którym regulujemy ciśnienie ma pojemność 10 litrów. Na jednym z jego końców został umieszczony zawór regulujący spust powietrza ze zbiornika. PoniŜszy schemat pneumatyczny przedstawia budowę instalacji pneumatycznej. 3

Sterownik CPU 313C-2 DP charakteryzuje się zintegrowanymi szesnastoma wejściami i szesnastoma wyjściami cyfrowymi oraz, interfejsem Profibus-DP master/slave.

4 Rys.2 Schemat instalacji pneumatycznej 3. DOŚWIADCZALNY DOBÓR NASTAW REGULATORA PID Metodologię postępowania podczas doświadczalnego doboru nastaw studenci poznali na wykładzie. Umieszczono tu jedynie wzory wykorzystywane w ćwiczeniu. Rodzaj przebiegu przejściowego χ=0%,min t r χ=0%,min t r Metoda Zieglera-Nicholsa k r T i T d P 0.5k kr - - PI 0.45k kr 0.85T osc - PID 0.6k kr 0.5T osc 0.12T osc Tab.1. Nastawy regulatora wg. reguły Zieglera-Nicholsa. Rodzaj regulatora k r k ob τ/t T i /τ T d /τ P PI T/τ - PID P PI T/τ - PID Tab.2. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej. 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA 4

Umieszczono tu jedynie wzory wykorzystywane w ćwiczeniu. Rodzaj przebiegu przejściowego χ=0%,min t r χ=0%,min t r Metoda Zieglera-Nicholsa k r T i T d P 0.

5 4.1 Środowisko programowe Po uruchomieniu programu InTouch, w oknie wyboru aplikacji naleŝy uruchomić wcześniej przygotowaną wizualizację klikając dwukrotnie na PW_Wizualizacja. Po ukazaniu się listy okien do wyboru naleŝy wybrać pid oraz trendy_biezace, kliknąć OK i uruchomić aplikację przechodząc w tryb RUNTIME. Rys.3. Wybór okien wizualizacji UkaŜe się panel sterowania regulatora oraz wykres trendów bieŝących. MoŜna z tego poziomu zmieniać reŝim regulatora, nastawy punkt pracy itp. Wyświetlana jest takŝe aktualna wartość ciśnienia w zbiorniku. Po kliknięciu na wykres moŝna wybrać wyświetlane sygnały a takŝe inne parametry trendu jak czas odświeŝania, grubość linii, zakresy itp. Po kliknięciu przycisku Trendy historyczne moŝliwy jest podgląd przeszłych przebiegów. Rys.4. Widok trendów bieŝących. 5

Wybór okien wizualizacji UkaŜe się panel sterowania regulatora oraz wykres trendów bieŝących. MoŜna z tego poziomu zmieniać reŝim regulatora, nastawy punkt pracy itp.

6 Rys.5. Widok trendów historycznych. Poruszać się po wykresie moŝna przy pomocy strzałek i przycisków Zoom In i Zoom Out bądź po kliknięciu na obszarze wykresu przez wybór punktu początkowego i długości okna. MoŜliwy jest takŝe eksport widocznych przebiegów do pliku csv Badanie charakterystyk statycznych Zmieniając wartość wyjścia regulatora (CV) w trybie manual obserwuj na wyświetlaczu pozycjonera rzeczywiste otwarcie zaworu (CVy) oraz ciśnienie w zbiorniku (PV) w stanie ustalonym. Zanotuj wyniki. CV [%] CVy [%] PV [bar] Tab.3. Charakterystyki statyczne Uwaga Wartości CV w tabeli są przykładowe. Ze względu na silną nieliniowość charakterystyk, oraz niewielką sprawność spręŝarki naleŝy odcinek charakterystyki, dla którego następują duŝe zmiany ciśnienia przy małych zmianach sterowania zbadać dokładniej (np. co 2%). Natomiast gdy badana charakterystyka stanie się bardziej płaska naleŝy badać ją rzadziej (np. co 10-15%). Zanotuj parametry pracy okładu: - ciśnienie zasilania: bar - dławienie na wylocie zbiornika: obr 6

MoŜliwy jest takŝe eksport widocznych przebiegów do pliku csv. 4.2.

7 4.3. Wyznaczanie nastaw regulatora metodą Zieglera-Nicholsa Z wykorzystaniem przygotowanej wizualizacji przeprowadź eksperymentalny dobór nastaw regulatora wg. Reguły Zieglera-Nicholsa. Wzmocnienie krytyczne i czas oscylacji wyznacz w punkcie największego wzmocnienia dynamicznego obiektu. K kr T osc [s] Wyznaczone nastawy regulatorów: regulator K T i T d P - - PI - PID Tab.4. Nastawy regulatora wg. reguły Zieglera-Nicholsa 4.4. Wyznaczanie nastaw regulatora metodą tablicową Z wykorzystaniem przygotowanej wizualizacji przeprowadź identyfikację obiektu. Skok na wejściu obiektu zadaj w punkcie największego wzmocnienia dynamicznego obiektu. Przeprowadź skok w dół i w górę. Transmitancja zastępcza dla skoku w dół : regulator K T i T d P - - PI - PID Tab.5. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej skok w dół. Transmitancja zastępcza dla skoku w górę : regulator K T i T d P - - PI - PID Tab.6. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej skok w górę. 7

Nastawy regulatora wg. reguły Zieglera-Nicholsa 4.4. Wyznaczanie nastaw regulatora metodą tablicową Z wykorzystaniem przygotowanej wizualizacji przeprowadź identyfikację obiektu.

8 4.5. Badanie zamkniętego układu regulacji Po wyznaczeniu nastaw i konsultacji z prowadzącym przeprowadź test działania układu dla zmian SP: a) z 40 na 60 % Pz b) z 20 na 10% Pz c) z 75 na 85% Pz Pz ciśnienie zasilania Zanotuj czas regulacji oraz odchyłkę statyczną. Skopiuj otrzymane przebiegi przy pomocy zrzutu ekranu bądź przez eksport do pliku csv. regulator wariant e st [bar] t r [s] P PI PID a) b) c) a) b) c) a) b) c) Tab.7. Wskaźniki jakości przebiegów regulacji 5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA W sprawozdaniu z ćwiczenia naleŝy zamieścić: Charakterystyki statyczne o PV(CV) o PV(CVy) o CVy(CV) K kr,t osc oraz wyznaczone nastawy dla metody Zieglera-Nicholsa Transmitancję zastępczą obiektu oraz wyznaczone nastawy dla metody tablicowej Parametry odpowiedzi oraz przebiegi ilustrujące działanie regulatorów Odpowiedzi na pytania: o Jaki charakter ma charakterystyka PV(CV)? (jaką krzywą przypomina wzór) o Czy jest ona korzystna dla celów regulacji? 8

regulator wariant e st [bar] t r [s] P PI PID a) b) c) a) b) c) a) b) c) Tab.7. Wskaźniki jakości przebiegów regulacji 5.

9 o Jaką funkcję naleŝałoby wstawić na wyjściu regulatora aby zlinearyzować PV(CV)? o Który regulator naleŝałoby zastosować w układzie? o Czy dla wszystkich wariantów układ był stabilny? JeŜeli nie to jakie mogą być powody takiego stanu? 6. PRZYKŁADOWE PYTANIA KONTROLNE I. Transmitancja regulatorów: P, PI, PD idealny, PD rzeczywisty, PID idealny, PID rzeczywisty II. Narysować odpowiedź ww. regulatorów na: III. a) zakłócenie skokowe e = 1(t) * e st b) zakłócenie liniowo narastające e = a * t Na odpowiedziach zaznaczyć nastawy regulatorów. Narysować odpowiedź regulatora o transmitancji G(s) = 2[1+1/(2s)] na sygnał: IV. Na czym polega dobór nastaw regulatora PID metodą Zieglera-Nicholsa (rysunek + opis) V. Na czym polega dobór nastaw regulatora PID metodą tablicową obiekt statyczny, identyfikacja metodą odpowiedzi skokowej (rysunek + opis) 6. LITERATURA [1]. śelazny Marek, Podstawy Automatyki, WPW Warszawa

Narysować odpowiedź ww. regulatorów na: III. a) zakłócenie skokowe e = 1(t) * e st b) zakłócenie liniowo narastające e = a * t Na odpowiedziach zaznaczyć nastawy regulatorów.

Podobne dokumenty

Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach pionowych przy wykorzystaniu sterownika Versa Max

Instytut Automatyki i Robotyki Prowadzący(a) Grupa Zespół data ćwiczenia Lp. Nazwisko i imię Ocena 1. 2. 3. LABORATORIUM 4. PODSTAW 5. AUTOMATYKI Ćwiczenie PA9b 1 Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach