Aktualnie w automatyzacji urządzeń i instalacji technologicznych w inżynierii środowiska są powszechnie stosowane regulatory cyfrowe isterowniki.

Transkrypt

1 Charakterystyka i dobór regulatorów cyfrowych Wykład 2

2 Regulacja DDC przy zastosowaniu mikrokomputera Aktualnie w automatyzacji urządzeń i instalacji technologicznych w inżynierii środowiska są powszechnie stosowane regulatory cyfrowe isterowniki. Regulacja cyfrowa jest możliwa poprzez zastosowanie komputerówwsystemach sterowania Regulatorami cyfrowymi nazywane są małe urządzenia mikroprocesorowe głównie realizujące funkcje regulacyjne jak np.: cyfrowy regulator temperatury, cyfrowy regulator przepływu itp. Bardziej rozbudowane urządzenia mikroprocesorowe z przewagą funkcji sterowania nazywane sąsterownikami.

3 Historia Pierwsze sterowniki cyfrowe powstały w USA pod koniec lat sześćdziesiątych. W technice ogrzewania i klimatyzacji są stosowane od roku 1979 (Recknagel). Dawniej złożone układy sterowania i regulacji były wykonywane w technice przekaźnikowej, w postaci szaf sterowniczych z trwałym okablowaniem. Po wprowadzeniu do automatyki techniki mikroprocesorowej (komputerowej) układy przekaźnikowe zostają zastąpione przez bezpośrednie sterowanie cyfrowe DDC (Direct Digital Control) przykład zopola. W sterowaniu cyfrowym działanie logiczne jest swobodnie programowalne imoże być zmieniane bez wymiany okablowania. Ograniczenie okablowania szaf sterowniczych oraz łatwość wprowadzania zmian w algorytmach sterowania (zmiana programu) znacznie obniżyły koszty budowy i modernizacji układów regulacji i sterowania. Szybki rozwój techniki cyfrowej wlatach 90-tych spowodował obniżenie kosztów urządzeń cyfrowych, dzięki temu stało się możliwe powszechne zastosowanie mikrokomputerów do sterowania i regulacji różnych procesów.

4 Regulacja DDC Do istotnych zalet układów DDC należy możliwość: - realizacji dowolnie złożonych algorytmów sterowania, włącznie ze sterowaniem optymalnym iadaptacyjnym, -ciągłego pomiaru irejestracji wartości dowolnych parametrów procesu, - przetwarzania danych pomiarowych, - wykrywania isygnalizacji stanów awaryjnych, - zwiększenia dokładności sterowania na skutek dokładniejszej identyfikacji obiektu regulacji. Cyfrowe układy scalają regulację, sterowanie ioptymalizację.

5 Regulacja DDC przy zastosowaniu mikrokomputera Podstawowa różnica pomiędzy regulatorami analogowymi icyfrowymi polega na tym, że w regulatorach analogowych sygnały analogowe ulegają ciągłej obróbce awregulatorach cyfrowych następuje zamiana sygnału analogowego na cyfrowy (binarny) następnie obróbka sygnału i ponowna zamiana na sygnał analogowy (rys.). Regulator cyfrowy y m A/D Mikrokomputer D/A w Ponadto sygnały wregulatorach cyfrowych sąpróbkowane co ustalony odstęp czasu (cykliczny charakter pracy). Obliczenia cyfrowe wykonywane sątylko dla dyskretnego czasu zamiast wsposób ciągły, potrzebny jest więc impulsator po stronie wejściowej i ekstrapolator po stronie wyjściowej.

6 Schemat funkcjonalny regulatora cyfrowego Zegar RAM chip EPROM chip CPU mikroprocesor Moduł wejścia szyna danych szyna adresów szyna sterowania Moduł wyjścia

7 Schemat funkcjonalny regulatora cyfrowego (mikrokomputera)

8 Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) MikroprocesorCPU (Central Processing Unit) jest elementem głównym mikrokomputera, który rozumie sformułowane w programie rozkazy i steruje składnikami systemu w nadawanym przez zegar takcie systemowym, wzaprogramowanej kolejności. Mikroprocesor komunikuje się zpamięcią, wktórej przechowywane są programypodstawowe, dane oraz programy użytkowe. W pamięciroboczejram (Random Access Memory) zapisywanesą wyniki pośrednie. Mogą tam być zapamiętywane dane zmienne, jak wartości zadane, nastawy regulatora, harmonogramy czasowe. Dane te muszą pozostać w pamięci również po wyłączeniu napięcia sieciowego, dlatego ta część mikrokomputera posiada zasilanie bateryjne. W pamięci operacyjnej są zapisane programy wprowadzane przez producenta sterownika, projektanta systemu automatyki lub samego użytkownika. Wzależności od sposobu zapisu rozróżnia się następujące rodzaje pamięci stałej: typu EPROM, EEPROM iflash EPROM.

9 Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) Interfejs (PORT) służy do wprowadzenia do regulatora informacji w postaci cyfrowej (binarnej), np. o położeniu łączników oraz wysyłaniu z regulatora cyfrowych sygnałów wyjściowych, np. do przekaźników i lampek kontrolnych. Wyjścia mogą być również podłączone do drukarek raportów roboczych, do nadrzędnego komputera lub do systemu BMS. Detektor zaniku zasilania (ang. Watch Dog) zapobiega wpisaniu do pamięci przypadkowych wartości podczas nagłego zaniku zasilania regulatora oraz gwarantuje poprawne przywrócenie procesu regulacji. Watch Dog jest układem niezależnie odliczającym czas. Chroni on mikroprocesor przed zbyt długim przebywaniem wstanie zawieszenia resetuje procesor w przypadku nieotrzymania od niego sygnału w określonym czasie (najczęściej wmilisekundach). Dzięki temu unika się niepożądanych zdarzeń w procesie regulacji, które mogłyby wystąpić przy zakłóceniach, wyłączeniu lub zawieszeniu procesora lub innych komponentów regulatora.

10 Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) Moduły wejściowe i wyjściowe sprzęgają sterownik z obiektem sterowania. Elementem modułów sąprzetworniki analogowo-cyfrowe A/C ic/a oraz bloki wejść iwyjść cyfrowych (interfejs). Przetworniki stosowane są w celu wprowadzenia do sterownika informacji o wielkości analogowej mierzonej na obiekcie np. temperaturze, ciśnieniu, wilgotności, napięciu, prądzie itp. Sygnały w postaci analogowej muszą być przetworzone na sygnał cyfrowy (binarny), gdyż tylko w takiej postaci sterownik może te informacjewykorzystać.

11 Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) W celu obniżenia kosztów sterownik wyposażony jest w jeden przetwornik A/C oraz multiplekser, który jest urządzeniem przełączającym sygnały analogowe. Multiplekser wybiera i doprowadza do przetwornika A/C kolejne sygnały. Sterowanie urządzeniami wykonawczymi układu regulacji może być realizowane przy pomocy sygnałów cyfrowych i analogowych. Wszystkie sygnały wychodzące z mikrokomputera mają charakter binarny, dlatego w celu wytworzenia sygnałów analogowych na wyjściu ze sterownika stosowane są przetwornikicyfrowo-analogowe C/A. Do obsługi sygnałów analogowych wyjściowych nie stosuje się multiplekserów lecz indywidualne przetworniki C/A.

12 Rozwiązania sprzętowe sterowników Przyjmując budowę mechaniczną jako kryterium podziału sterowników można wymienić następujące rodzaje: - sterowniki kompaktowe, - sterowniki kompaktowe rozszerzalne z możliwością przyłączenia dodatkowych modułów we/wy, - sterowniki modułowe, - sterowniki modułowe zmodułami rozproszonymi.

13 Sterowniki kompaktowe

14 Sterowniki kompaktowe Konstrukcja kompaktowa stosowana jest zwykle do małych sterowników. W jednej obudowie sterownika mieszczą się wszystkie niezbędne elementy tj. zasilacz, jednostka centralna, panel operatorski (ekran z klawiaturą) oraz moduły wejścia i wyjścia ookreślonej liczbie zacisków. Zaletą takiej budowy jest prosta konstrukcja iłatwy montaż. Małe sterowniki kompaktowe są wyposażone w pamięć typu EPROM lub EEPROM z fabrycznie wprowadzonym oprogramowaniem aplikacyjnym adresowanym do konkretnych obiektów regulacji jak: węzeł ciepłowniczy, centrala wentylacyjna, mała kotłownia.

15 Sterowniki kompaktowe Użytkownik ma możliwość wprowadzenia przy pomocy klawiatury zmiany zaprogramowanych przez producenta wartości zadanych, nastaw dynamicznych oraz harmonogramówczasowych. Jeżeli z jakiegoś powodu zmiany wprowadzone przez użytkownika do pamięci typu EPROM zostaną skasowane np. wskutek przerwy w zasilaniu elektrycznym po przywróceniu zasilania sterownik będzie pracował według nastaw fabrycznych.

16 Przykład regulatora kompaktowego z fabrycznie zaprogramowaną aplikacją. Regulator temperatury ALBATROS RVA firmy Siemens

17 Kompaktowy regulator temperatury ALBATROS Jest zaprogramowanym fabrycznie regulatorem przeznaczonym do sterowania instalacji kotłowych wyposażonych w: 1-stopniowy palnik, zasobnik ciepłej wody użytkowej, pompę ładującą lub 2-położeniowo sterowany zawór, pompę kotłową, pompę strefy grzewczej.

18 Kompaktowy regulator temperatury ALBATROS Podstawowe funkcje regulacyjne: regulacja temperatury wody na wyjściu zkotła nadążna (pogodowa) lub stałowartościowa, zwpływem lub bez wpływu czujnika temperatury w pomieszczeniu poprzez: 1-stopniowy palnik, sterowanie pompą obiegową c.o., szybkie obniżenie ipodwyższenie temperatury po okresach temperatury komfortuoraz obniżonej, automatyczne ogrzewczego), wyłączenie ogrzewania (funkcja końca sezonu sterowanie poprzez cyfrowy lub analogowy czujnik pomieszczeniowy, z uwzględnieniem dynamiki budynku, automatyczne dopasowanie wykresu regulacyjnego do budynku i zapotrzebowania ciepła (przy podłączonym czujniku pomieszczeniowym).

19 Sterowniki kompaktowe z biblioteką aplikacji W grupie sterowników kompaktowych dużą popularnością cieszą się sterowniki wyposażone w bibliotekę fabrycznie zaprogramowanych aplikacji. W zależności od automatyzowanego układu technologicznego i realizowanych przez ten układ funkcji, użytkownik przy pomocy klawiatury wybiera z pamięci sterownika stosowną aplikację (opisaną przez producenta w katalogu) i wprowadza wartości nastaw statycznych oraz dynamicznych. Sterowniki tego typu szczególnie przydatne są w automatyzacji typowych central wentylacyjnych oraz węzłów ciepłowniczych.

20 Sterowniki kompaktowe swobodnie programowalne Większe sterowniki kompaktowe wyposażane sąwpamięć typu Flash EPROM dającą projektantowi systemu możliwość wprowadzenia dowolnej własnej aplikacji. Taki sterownik nazywamy swobodnie programowalnym. Producenci sterowników swobodnie programowalnych udostępniają projektantom fabryczne oprogramowanie narzędziowe do programowania (konfigurowania) sterowników. Większość producentów udostępnia oprogramowanie narzędziowe odpłatnie na podstawie umowy licencyjnej, zapewniając przy tym niezbędne szkolenie wkorzystaniu z oprogramowania.

21 Sterowniki swobodnie programowalne Do zalet sterowników swobodnie programowalnych należy zaliczyć: możliwość tworzenia dowolnej koncepcji sterowania, zgodnie z charakterystyką automatyzowanego obiektu oraz wymaganiami stawianymi przez użytkownika, łatwość dostosowania programu sterującego do zmian wukładzie technologicznym lub wymagań użytkownika obiektu przez korektę lub napisanie nowego programu sterującego, łatwość wprowadzania programu sterującego do sterownika przez interfejs (złącze szeregowe, USB), możliwość przenoszenia aplikacji na inne sterowniki obsługujące podobne obiekty, możliwość włączania sterowników do sieci komputerowego zarządzania budynkami BMS (Building Management Systems) lub energią BEMS (Building Energy Managament Systems).

22 Sterowniki swobodnie programowalne Stosując sterowniki swobodnie programowalne należy się liczyć z pewnymi trudnościami i dodatkowymi kosztami. Należą do nich: konieczność zakupu oprogramowania narzędziowego wraz z komputerem serwisowym (typu laptop) i interfejsami komunikacyjnymi do konfigurowania sterowników, umiejętność tworzenia programów sterujących oraz obsługi programów narzędziowych.

23 Programowalne regulatory (sterowniki) kompaktowe z biblioteką aplikacji Zastosowanie pamięci programowej typu Flash EPROM stwarza możliwość fabrycznego wyposażania regulatorów w bibliotekę aplikacji standardowych, adaptacji tych aplikacji do danego obiektu sterowania a także tworzenia przez użytkownika nowych aplikacji. Do tej grupy można między innymi zaliczyć: sterownik Excel (XL) 50 firmy Honeywell, serię regulatorów Synco 200 firmy Siemens, oraz SC-9100 firmy Johnson Controls Int.

24 Programowalne regulatory (sterowniki) kompaktowe z biblioteką aplikacji Excel 50 firmy Honeywell

25 Excel 50 Excel 50 dostępny jest wdwóch wersjach: 1. Wersja konfigurowalna (z modułami aplikacyjnymi różnymi dla poszczególnych grup aplikacyjnych). Kod aplikacji można wygenerować za pomocą programu selekcyjnego LIZARD iwprowadzić do pamięci sterownika za pomocą pulpitu operatorskiego. 2. Wersja swobodnie programowalna (z modułami aplikacyjnymi umożliwiającymi swobodne programowanie aplikacji). Wykonanie i załadowanie oprogramowania aplikacyjnego sterownika umożliwia program narzędziowy CARE. Sterownik posiada 8 wejść analogowych i 4 wyjścia analogowe oraz 4 wejścia cyfrowe i 6 wyjść cyfrowych. Każde 2 wyjścia cyfrowe umożliwiają bezpośrednie 3- położeniowe sterowanie siłownikiem.

26 Regulatory Synco 200 (RLU2..) firmy Siemens

27 Regulatory Synco 200 (RLU2..) firmy Siemens Są przeznaczone do stosowania w prostych i złożonych instalacjach wentylacji, klimatyzacji ichłodzenia wodnego, do regulacji następujących zmiennych: temperatury, wilgotności, ciśnienia, przepływu powietrza, jakości powietrza wpomieszczeniu oraz entalpii Każdy typ regulatora zawiera 39 zaprogramowanych aplikacji. Podczas uruchamiania instalacji należy wprowadzić odpowiedni typ instalacji bazowej. Wszystkie funkcje związane z aplikacją, przyporządkowanie zacisków, niezbędne ustawienia iwyświetlane obrazy sąuaktywniane automatycznie. Parametry, które nie sąpotrzebne, nie są uaktywniane.

28 Regulatory Synco 200 (RLU2..) firmy Siemens Ponadto każdy typ regulatora uniwersalnego ma załadowane 2 puste aplikacje: jedną dla typu podstawowego A (regulator wentylacyjny) oraz jedną dla typu podstawowego U(regulator uniwersalny). Przy użyciu wbudowanych elementów operatorskich lub interfejsu komunikacyjnego regulator oferuje następujące możliwości: -uaktywnianie zaprogramowanej aplikacji, -modyfikowanie zaprogramowanej aplikacji, -swobodne konfigurowanie dostępnych aplikacji. Regulatory zserii Synco 200, zależnie od typu posiadają do: 5wejść uniwersalnych (rezystancyjne inapięciowe 0-10V), 2wejść cyfrowych, 3wyjść analogowych (napięciowe 0-10V), 6wyjść cyfrowych.

29 Regulator cyfrowy SC-9100 firmy Johnson Controls

30 Regulator cyfrowy SC-9100 Regulator może posiadać w pamięci do 100 zaprogramowanych przez producenta gotowych aplikacji, do wykorzystania w automatyzacji instalacji grzewczych, wentylacyjnych iklimatyzacyjnych. Program aplikacyjny jest wybierany idopasowywany przez zmianę parametrów podczas uruchamiania. Wpolu odczytowym regulatora wyświetlane sąinformacje dotyczące numeru katalogowego aplikacji, stanu wejść i wyjść oraz sterowania. Używając interfejsu komunikacyjnego można zaprogramować nowe aplikacje dopasowane do potrzeb użytkownika.

31 Regulator cyfrowy SC-9100 Regulator posiada: 4 wejścia analogowe (2 napięciowe 0-10 V dc i 2 rezystancyjne NTC), 2wejścia cyfrowe, 3wyjścia analogowe (napięciowe 0-10 Vdc), 2wyjścia cyfrowe triakowe, oraz 1wyjście cyfrowe przekaźnikowe.

32 Swobodnie programowalne sterowniki rozszerzalne Do automatyzacji większych obiektów jak: kotłownie, systemy wentylacji i klimatyzacji, stosowane są sterowniki o odpowiednio dużej liczbie wejść/wyjść oraz odpowiednio dużej pamięci programowej. Podstawową konstrukcją sterownika w tej grupie jest sterownik kompaktowyrozszerzalny. Wskład tego sterownika wchodzi swobodnie programowalny sterownik kompaktowy o określonej liczbie wejść/wyjść oraz dowolnie konfigurowana dodatkowa liczba modułów rozszerzających w postaci wejść/wyjść cyfrowych oraz analogowych. Moduły rozszerzające zawierają jedynie układy wejść/wyjść, które połączone przewodem komunikacyjnym ze sterownikiem korzystają z jego zasilacza, jednostki centralnej ipamięci. W przypadku niewystarczającej liczby wejść/wyjść jednostki podstawowej użytkownik sam konfiguruje sterownik dobierając odpowiednią liczbę i rodzaj modułów, łącząc je ze sterownikiem kompaktowym.

33 Swobodnie programowalne sterowniki rozszerzalne Typowymi przedstawicielami tej grupy sterowników są: DX 9100 z modułami wejść/wyjść XT/XP firmy Johnson Controls Int. oraz sterowniki Xenta 300 z modułami wejść/wyjść serii XENTA 400 firmy TAC

34 Rozszerzalny sterownik DX-9100 firmy Johnson Controls

35 Rozszerzalny sterownik DX-9100 Wwersji DX 9126 posiada: 8wejść analogowych (napięciowe 0-10 Vdc, prądowe 0/4-20 ma dc, rezystancyjne), 8wejść cyfrowych bezpotencjałowych, 6wyjść cyfrowych triakowych, 4 wyjścia analogowe (napięciowe 0-10 Vdc lub prądowe 0/4-20 ma dc) oraz 4wyjścia analogowe napięciowe0-10 Vdc. W przypadku, gdy jest wymagana większa liczba wejść/wyjść można dołączyć dodatkowe moduły XT/XP. Maksymalna liczba przyłączonych modułów rozszerzających XT/XP nie może przekroczyć liczby 64 wejść/wyjść.

36 Rozszerzalny sterownik TAC Xenta 300

37 TAC Xenta 300 TAC Xenta 300 jest sterownikiem o ustalonych 20 wejściach/wyjściach z możliwością przyłączenia dwóch modułów rozszerzających o dalsze 20 wejść/wyjść oraz przenośnego panelu operatorskiego. Sterownik jest adresowany do sterowania systemów grzewczych iklimatyzacyjnych. Programowanie odbywa się z komputera przy pomocy programu narzędziowego TA Menta. Do bieżącej obsługi serwisowej regulatora służyprzenośny panel operatorski wyposażony w 6przyciskową klawiaturę oraz wyświetlacz LCD. Panel umożliwia zmianę nastaw, kontrolę parametrów oraz obserwowanie trendów. Sterownik posiada bufor pamięci umożliwiający zarchiwizowanie do 2000 wartości wybranych wielkości.

38 Sterowniki modułowe Sterowniki modułowe pod względem konstrukcyjnym są podobne do typowych sterowników przemysłowych. Specyfika ich budowy polega na wykonaniu woddzielnych obudowach modułów funkcjonalnych tj. zasilacza, jednostki centralnej, modułu komunikacyjnego oraz różnego rodzaju modułów wejścia iwyjścia. Projektant każdorazowo, zależnie od automatyzowanego obiektu, dobiera rodzaj i liczbę modułów łącząc je w zależności od konstrukcji przez zabudowę w kasetach (obudowa kasetowa) lub mechanicznie za pomocą odpowiednich złącz.

39 Sterowniki modułowe WAGO

40 Sterowniki modułowe WAGO Do modułu sterownika mogą być przyłączane moduły wejść i wyjść w łącznej ilości do 248 wejść/wyjść cyfrowych lub 124 wejść/wyjść analogowych. Moduły wejść/wyjść są wykonywane wwersjach 1, 2, 4oraz 8kanałowych. Zastosowana konstrukcja umożliwia szybkie mechaniczne łączenie modułów, dużą niezawodność, odporność na drgania inie wymaga konserwacji. Firma oferuje także moduły w wykonaniu przeciwwybuchowym EX. Sterownik sieciowy WAGO pracuje w systemach LonWorks iethernet TCP/IP

41 Sterowniki z modułami rozproszonymi Sterowniki modułowe wykonywane są również w formie rozproszonej z modułami wejść i wyjść łączonymi z jednostką centralną kablem komunikacyjnym. Stosuje się je głównie na bardzo rozległych obiektach, gdzie doprowadzenie do sterownika sygnałów wejścia iwyjścia w formie standardowych sygnałów elektrycznych prądowych lub napięciowych wymagałoby wykonania bardzo kosztownego okablowania. Wielożyłowe kable elektryczne zastępuje wówczas znacznie krótszy itańszy kabel komunikacyjny typu skrętka.

42 Sterownik modułowy Excel 500

43 Excel 500 firmy Honeywell Sterownik jest produkowany w wersji kasetowej oraz w wersji z modułami wejść/wyjść w formie rozproszonej. Moduł jednostki centralnej (procesora), moduł zasilacza oraz moduły komunikacyjne montowane są wyłącznie wkasetach. Moduły wejść/wyjść analogowych i cyfrowych są wykonywane w formie kasetowej (do montażu w kasetach) oraz wformie rozproszonej do montażu na szynie DIN, umieszczanej na automatyzowanym obiekcie w pobliżu elementów pomiarowych i urządzeń wykonawczych.

44 Excel 500 firmy Honeywell w formie rozproszonej Każdy moduł rozproszony posiada procesor ECHELON dzięki czemu komunikuje się ze sterownikiem poprzez interfejs komunikacyjny LonWorks. Magistrala komunikacyjna LonWorks łącząca moduły rozproszone zjednostką centralną jest wykonana wpostaci 2-żyłowego kabla typu skrętka. Do jednego sterownika można przyłączyć maksymalnie 16 modułów wejść iwyjść co odpowiada obsłudze 128 punktów fizycznych oraz maksymalnie 256 punktom programowym. Moduł jednostki centralnej jest wyposażony w 16-bitowy mikroprocesor oraz pamięć programową typu Flash EPROM.

45 Kryteria doboru regulatorów cyfrowych (sterowników) Dobrany regulator powinien posiadać: możliwość przyłączenia niezbędnej ilości i rodzajów sygnałów wejściowych iwyjściowych, możliwość realizacji wszystkich niezbędnych funkcji z zakresu regulacji isterowania instalacji technologicznej; zaprogramowanych iwpisanych do pamięci programowej przez producenta lub niezbędną pojemność pamięci regulatora swobodnie programowalnego do wprowadzenia aplikacji wykonanej przez programistę. w przypadku regulatorów swobodnie programowalnych dostępny i przyjazny dla użytkownika program narzędziowy do programowania (konfigurowania),

46 Kryteria doboru regulatorów cyfrowych (sterowników) c.d. dla regulatorów przewidzianych do pracy w sieci BMS protokół komunikacji kompatybilny z zastosowanym systemem komputerowym, wymagany zakres dopuszczalnych parametrów klimatu w otoczeniu regulatora, wymagany rodzaj zasilania (np. napięciem bezpiecznym 24 V), dogodny sposób zabudowy (wewnątrz szafy na szynie DIN lub welewacji szafy, na ścianie?),

47 Kryteria doboru regulatorów cyfrowych (sterowników) c.d. możliwość obsługi regulatora zpanelu operatorskiego, niezawodność, dostępny autoryzowany serwis. - koszt regulatora porównywalny z kosztami innych regulatorów podobnejklasy, - możliwie niski koszt okablowania pomiędzy regulatorem a urządzeniami pomiarowymi i wykonawczymi (aparaturą polową) np. przy dużych obiektach możliwość stosowania modułów rozproszonych.

48 Dziękuję za uwagę!