Realizacja predyktora Smitha na platformie sprzêtowo-programowej soft PLC bazuj¹cej na komputerze klasy PC**

Transkrypt

1 AUTOMATYKA 2006 Tom 10 Zeszyt 2 Krzysztof Oprzêdkiewicz* Realizacja predyktora Smitha na platformie sprzêtowo-programowej soft PLC bazuj¹cej na komputerze klasy PC** 1. Uwagi wstêpne Systemy sterowania bazuj¹ce na koncepcji PLC s¹ stosowane w praktyce przemys³owej od wielu lat. Powody ich szerokiego rozpowszechnienia s¹ znane, znane s¹ równie ich wady, nie pozwalaj¹ce na ich zastosowanie do sterowania wszystkich procesów. Podstawow¹ wad¹ wiêkszoœci sterowników PLC s¹ zbyt ma³e mo liwoœci obliczeniowe i zbyt ma³a szybkoœæ dzia³ania jednostki centralnej sterownika generalnie PLCs s¹ zbyt powolne do sterowania procesów krytycznych pod wzglêdem czasowym, a próby zwiêkszenia mo liwoœci obliczeniowych (iloœæ pamiêci, szybkoœæ dzia³ania) powoduj¹ szybki wzrost ceny urz¹dzenia. Z tego wzglêdu niezwykle interesuj¹ca wydaje siê koncepcja tzw. soft PLC. System soft PLC jest systemem sterowania bazuj¹cym na œrodowisku MS Windows i wykorzystuj¹cym interfejs procesowy z klasycznego sterownika PLC. W przypadku realizacji systemu soft PLC na komputerze klasy PC niezbêdnym elementem konfiguracji komputera jest karta komunikacyjna umo liwiaj¹ca komunikacjê pomiêdzy wirtualn¹ CPU i modu- ³ami sygna³owymi z wykorzystaniem sieci przemys³owej lub Ethernetu. Jednoczeœnie nale y dodaæ, e obecnie znaczn¹ wiêkszoœæ nowo budowanych z³o onych systemów sterowania cyfrowego stanowi¹ systemy bazuj¹ce na wykorzystaniu komputera klasy PC jako jednostki centralnej systemu sterowania (PC based control). Wœród tych systemów sterowania koncepcja soft PLC stanowi po³¹czenie sprawdzonej od lat koncepcji PLC (interfejsy procesowe, metody i techniki programowania, przyzwyczajenia u ytkowników) z najnowszymi trendami rozwojowymi w technice sterowania cyfrowego. Podstawow¹ cech¹ oprogramowania realizuj¹cego funkcjê CPU powinna byæ mo liwoœæ spe³nienia wymagañ czasu rzeczywistego zarówno w zakresie szybkoœci wyznaczania sygna³u steruj¹cego, jak i obs³ugi wejœæ i wyjœæ. W tym miejscu nale y zaznaczyæ, e * Katedra Automatyki, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie ** Praca zosta³a zrealizowana w ramach projektu nr 3T11A

2 178 Krzysztof Oprzêdkiewicz wszystkie dotychczas opracowane wersje systemu Windows nie s¹ systemami operacyjnymi czasu rzeczywistego. Z tego wzglêdu spe³nienie wymagañ hard real time w systemach sterowania pracuj¹cych pod nadzorem Windows wymaga stosowanie dodatkowych nak³adek na system operacyjny, które bêd¹ zapewniaæ spe³nienie tych wymagañ poprzez np. zapewnienie bezpoœredniego dostêpu do zegara systemowego. Systemy sterowania bez takich nak³adek s¹ systemami sterowania typu soft real time lub firm real time. Nie zapewniaj¹ one spe³nienia wymagañ hard real time, natomiast s¹ znacznie tañsze i dobrze siê sprawdzaj¹ podczas realizacji zadañ sterowania w przypadkach, gdy czas nie jest parametrem krytycznym. Przedstawiona powy ej koncepcja uk³adu soft PLC ma kilka zalet, do których nale ¹: radykalne zwiêkszenie mo liwoœci obliczeniowych sterownika w stosunku do systemu hard PLC ( wirtualna CPU ma pe³ny dostêp do wszystkich zasobów systemu) przy zachowaniu rozs¹dnych kosztów rozwi¹zania; integracja na jednej platformie sprzêtowej programatora, CPU sterownika i systemu SCADA, co znacznie u³atwia np. wymianê danych pomiêdzy tymi aplikacjami; mo liwoœæ wykorzystania w systemie tego samego interfejsu procesowego, co w przypadku systemów hard PLC, przebudowa systemu sterowania wymaga tylko zast¹pienia CPU typu hard modu³em komunikacyjnym oraz ewentualnej instalacji karty komunikacyjnej oprogramowania soft PLC na nadrzêdnym komputerze; mo liwoœæ stosowania tego samego oprogramowania co w systemie hard PLC, po niewielkich adaptacjach obejmuj¹cych zmianê konfiguracji sprzêtu oraz ewentualnie modyfikacjê adresów. W pracy omówiono realizacjê predyktora Smitha s³u ¹cego do sterowania obiektów z du ym opóÿnieniem w œrodowisku soft PLC. Do realizacji systemu wykorzystano komponenty systemów sterowania formy Siemens. W szczególnoœci omówiono nastêpuj¹ce zagadnienia: platforma sprzêtowa, platforma programowa, predyktor Smitha i jego realizacja na PLC, badania testowe, wnioski i uwagi koñcowe. 2. Platforma sprzêtowa System sterowania soft PLC, zrealizowany na komputerze PC, pokazany jest na rysunku 1. Zasadnicza ró nica w stosunku do systemów hard PLC jest taka, e jednostka centralna sterownika jest zrealizowana programowo na komputerze PC, natomiast modu³y sygna³owe s¹ te same, co w przypadku systemu hard PLC. W tej konfiguracji komputer musi byæ wyposa ony w kartê komunikacyjn¹ umo liwiaj¹c¹ komunikacjê z modu³ami sy-

3 Realizacja predyktora Smitha na platformie sprzêtowo-programowej soft PLC gna³owymi. Takie rozwi¹zanie pozwala na radykalne zwiêkszenie mo liwoœci obliczeniowych sterownika w stosunku do systemu hard PLC, gdy wirtualna CPU ma pe³ny dostêp do wszystkich zasobów systemu. atwiejsza jest tak e budowa systemu SCADA, gdy jest on zintegrowany z CPU na jednej platformie sprzêtowej. W tym miejscu nale y dodaæ, e sterownik soft PLC mo e byæ zrealizowany nie tylko w œrodowisku komputera PC, le tak e np. w œrodowisku wielofunkcyjnego panelu operatorskiego. PC ( Windows XPSP2, WinLC, ProTool/Pro ) PROFIBUS DP 5 3 interfejs procesowy obiekt regulacji Rys. 1. Schemat sprzêtowy uk³adu sterowania soft PLC zrealizowanego na komputerze PC Najbardziej istotn¹ cech¹ wszystkich omówionych powy ej rozwi¹zañ jest to, e do budowy aplikacji we wszystkich sytuacjach wykorzystuje siê to samo œrodowisko programowe co w przypadku systemu hard PLC i przeniesienie aplikacji z systemu hard PLC do systemu soft PLC wymaga zwykle tylko przedefiniowania konfiguracji sprzêtu i (ewentualnie) zmiany adresów zmiennych wejœciowych i wyjœciowych. 3. Platforma programowa Schemat logiczny oprogramowania systemu soft PLC podany jest na rysunku 2. Najbardziej istotn¹ cech¹ rozwa anego uk³adu jest mechanizm wymiany danych SOFT- BUS. Zasadnicza jego idea polega na tym, e poszczególne komponenty uk³adu sterowania s¹ po³¹czone z sob¹ z wykorzystaniem sieci PROFIBUS, która jest czêœciowo rzeczywista a czêœciowo wirtualna. Wirtualna sieæ ³¹czy komponenty systemu sterowania zlokalizowane w obrêbie platformy sprzêtowej komputera PC i z punktu widzenia komunikacji nie ma rozró nienia pomiêdzy rzeczywist¹ i wirtualn¹ czêœci¹ sieci.

4 180 Krzysztof Oprzêdkiewicz Simatic Manager MPI Interfejs procesowy adres: 3 CP 5611 WinLC A Adres SCADA Adres: 1 PROFIBUS Windows XP SP2 Rys. 2. Schemat logiczny oprogramowania i komunikacji w obrêbie zbudowanego systemu soft PLC Do realizacji omawianego systemu soft PLC zastosowano oprogramowanie opisane w tabeli 1. Tabela 1 Oprogramowanie u yte do realizacji systemu Oprogramowanie Step 7 ver 5.2 Professional ProTool/Pro ver 6.0 WinLC ver 4.0 Simatic Net Funkcja Oprogramowanie konfiguracyjne i diagnostyczne Oprogramowanie SCADA Jednostka centralna sterownika soft PLC Oprogramowanie konfiguracyjne dla sieci Oprogramowanie to pracuje pod nadzorem systemu Windows XP Prof.SP2. Komunikacja pomiêdzy SIMATIC MANAGEREM i WinLC odbywa siê za pomoc¹ programowego (wewnêtrznego) interfejsu MPI, komunikacja pomiêdzy pozosta³ymi komponentami systemu odbywa siê z wykorzystaniem sieci PROFIBUS, przy czym w obrêbie komputera odbywa siê z u yciem mechanizmu SOFTBUS. Podczas budowy systemu program dla sterownika jest zintegrowany w obrêbie jednego projektu z systemem SCADA.

5 Realizacja predyktora Smitha na platformie sprzêtowo-programowej soft PLC Predyktor Smitha i jego realizacja na PLC Podczas badañ doœwiadczalnych, jako obiekt regulacji wykorzystano laboratoryjny obiekt cieplny, którego dok³adne modele matematyczne s¹ opisane m.in. w pracy [5]. Rozwa any w pracy obiekt regulacji nie jest typowym obiektem z opóÿnieniem, gdy jest on systemem nieskoñczenie wymiarowym z opóÿnieniem roz³o onym. U ycie do jego stabilizacji predyktora Smitha jest uzasadnione tym, e mo e on byæ tak e dobrze opisany modelem zastêpczym w postaci transmitancji I rzêdu z opóÿnieniem o nastêpuj¹cej postaci gdzie: k = 1,18, τ = 21,98 s, T = 41,61 s. τ s ke Gs () = Ts 1 (1) Budowa i dzia³anie predyktora Smitha w wersji ci¹g³ej i dyskretnej jest omówiona w wielu pracach, m.in.: Górecki [2], Astrom i Wittenmark [1], Trybus [12]. Schemat predyktora Smitha w wersji dyskretnej pokazany jest na rysunku 3. z(t) r ε ε w G r (z - 1 u y(t) ) C/A e - s τ G p (s) - - y s - y d y p G o (z - 1 ) G p (z - 1 ) Regulator PID z predyktorem y A/C Rys. 3. Dyskretny predyktor Smitha Realizacja cyfrowa elementu opóÿniaj¹cego jest prosta pod warunkiem, e czas opóÿnienia jest wielokrotnoœci¹ okresu próbkowania algorytmu, czyli T p = τ/n. Po przyjêciu tej wartoœci okresu próbkowania dyskretne transmitancje bloków G o (s) oraz G p (s) bêd¹ mieæ nastêpuj¹c¹ postaæ: n G ( z) = z (2) o 1 k Gp( z ) = (3) 1 1 zz 1

6 182 Krzysztof Oprzêdkiewicz gdzie T p z1 = e T (4) Liczbowe wartoœci parametrów transmitancji (2) s¹ podane w tabeli 2. Tabela 2 Liczbowe wartoœci parametrów transmitancji predyktora Parametr Wartoœæ liczbowa k 1,18 T p 1 s n 21 Przedstawiony algorytm zosta³ zrealizowany praktycznie na platformie sprzêtowoprogramowej soft PLC omówionej powy ej z uwzglêdnieniem uwag podanych w pracach [7] i [9]. Realizacja uk³adu predyktora zosta³a omówiona dok³adnie w pracy [6]. Ogólny schemat blokowy realizacji pokazany jest na rysunku 4. SP DB 3 ε PIW 272 FC1 MD0 SP_INT PQW 288 MD80 SFB 41 MD16 - FC2 PV_IN PID u y d MD64 - MD48 DB 1 FB 3 MD32 y p DB 2 FB 2 G p G o Rys. 4. Schemat blokowy realizacji predyktora Smitha na sterowniku PLC 5. Badania doœwiadczalne Nastawy regulatora PID zosta³y dobrane doœwiadczalne z u yciem metody Astroma Hagglunda dla uk³adu z predyktorem. Dok³adny opis tej metody mo na znaleÿæ np. w pracy [12]. Wartoœci nastaw s¹ podane w tabeli 3.

7 Realizacja predyktora Smitha na platformie sprzêtowo-programowej soft PLC Tabela 3 Nastawy regulatora PID u ytego do badañ Nastawa Wartoœæ Wzmocnienie k r 1,20 Czas ca³kowania T i [s] 38,00 Czas ró niczkowania T d [s] 9,25 Sta³a czasowa czêœci ró niczkuj¹cej T [s] 1,00 Przyk³adowe przebiegi wielkoœci regulowanej (PV), sterowania (CV) i uchybu regulacji (ERR) w uk³adzie przy skokowej zmianie wartoœci zadanej (SP) na wejœciu uk³adu regulacji s¹ podane na rysunkach 5 i 6. Charakterystyczn¹ cech¹ systemów soft PLC jest zale noœæ wszystkich parametrów sterownika zwi¹zanych z czasem rzeczywistym od dodatkowych czynników, które nie wystêpowa³y w systemie hard PLC. Do czynników tych zaliczamy: podstawowe parametry komputera, na którym jest realizowany system sterowania, konfiguracja systemu operacyjnego, lub te priorytet przydzielony aplikacji realizuj¹cej sterowanie. Rozwa any w pracy sterownik soft PLC ma mo liwoœæ definiowania tego priorytetu przez u ytkownika w pe³nym zakresie dostêpnym w systemie Windows (od 1 do 30) sp cv err pv czas [s] Rys. 5. OdpowiedŸ badanego uk³adu regulacji na ujemny skok wartoœci zadanej na wejœciu uk³adu

8 184 Krzysztof Oprzêdkiewicz sp_rosn cv err Serie czas [s] Rys. 6. OdpowiedŸ badanego uk³adu regulacji na dodatni skok wartoœci zadanej na wejœciu uk³adu Testy czasów cyklu rozwa anego systemu soft PLC przeprowadzono przy nastêpuj¹cych za³o eniach: w systemie dzia³a³y tylko dwie aplikacje: soft PLC oraz system SCADA do zbierania wyników; jako obiekt regulacji zastosowano obiekt cieplny z opóÿnieniem, omówiony powy ej; okres próbkowania algorytmu przyjêto równy 1 s; wydajnoœæ systemu optymalizowana na aplikacje; wartoœci czasu cyklu i czasu spoczynku sterownika (sleep time) sterownika przyjêto domyœlne, zalecane przez producenta: minimalny czas cyklu: 0 ms, maksymalny czas cyklu: 6000 ms, czas spoczynku: 10 ms; pomiary przeprowadzono podczas normalnej pracy aplikacji w stanie ustalonym wielkoœæ regulowanej (sterownik w trybie RUN-P); priorytety przerwañ zegarowych sterownika zwi¹zanych z uaktywnieniem bloku OB 35 i obs³ug¹ wejœæ i wyjœæ ustawiono na wartoœci domyœlne; do pomiarów wykorzystano wewnêtrzny zegar czasu rzeczywistego sterownika; liczbê pomiarów przyjêto równ¹ Podczas badañ dokonano pomiarów wartoœci czasu cyklu sterownika podczas wykonywania bloku organizacyjnego OB35 zawieraj¹cego instancjê regulatora PID oraz instancje bloków: opóÿniaj¹cego oraz inercyjnego I rzêdu s³u ¹cych do realizacji predyktora Smitha. Pomiary czasów cyklu zosta³y wykonane metod¹ programow¹, opisan¹ dok³adnie w pracy [10]. Dokonano ich dla trzech ró nych priorytetów wykonania zadania sterownika soft PLC w systemie Windows:

9 Realizacja predyktora Smitha na platformie sprzêtowo-programowej soft PLC ) normalnego 8 (zalecanego przez producenta), 2) niskiego 1, 3) wysokiego 25. Wyniki pomiarów s¹ podane w tabeli 4 oraz na rysunku 7. Tabela 4 Czasy cyklu sterownika przy ró nych priorytetach i okresie próbkowania 1 s Parametr Priorytet 1 Priorytet 8 Priorytet 25 Min T s [ms] Maks. T s [ms] Najczêœciej wystêpuj¹cy T s [ms] iloœci wyst¹pieñ czas cyklu [ms] priorytet 1 priorytet 8 priorytet 25 Rys. 7. Czêstoœci wyst¹pieñ poszczególnych wartoœci czasów cyklu Na podstawie powy szych wyników mo na stwierdziæ, e przy zadanych parametrach systemu maksymalny czas trwania cyklu w adnym wypadku nie przekroczy³ 35 ms, pozwala na sformu³owanie stwierdzenia, e pojedynczy regulator PID z predyktorem Smitha mo e byæ zrealizowany z zachowaniem wymagañ czasu rzeczywistego dla procesów szybkich, o wymaganym okresie próbkowania rzêdu 50 ms. Nale y tu tak e zwróciæ uwagê, e rozbudowa typowego regulatora PID o predyktor Smitha nie wyd³u a w istotny sposób wartoœci czasu cyklu sterownika soft PLC (badanie wartoœci czasów cyklu dla systemu soft PLC z regulatorem PID jest omówione w pracy [11]).

10 186 Krzysztof Oprzêdkiewicz 6. Uwagi koñcowe Do przedstawionej pracy mo na sformu³owaæ nastêpuj¹ce uwagi koñcowe: Badane œrodowisko programowe soft PLC w wersji podstawowej zapewnia utrzymanie czasu cyklu na poziomie poni ej 50 ms dla pojedynczej pêtli regulacyjnej PID z predyktorem Smitha, niezale nie od priorytetu przydzielonego sterownikowi soft PLC w œrodowisku WINDOWS. Przydzielenie wysokiego priorytetu sterownikowi soft PLC pozwala na dalsze skrócenie czasu cyklu do wartoœci ok. 11 ms. Osi¹gniêcie stosunkowo krótkich czasów cyklu jest mo liwe przy zastosowaniu podstawowej, najtañszej wersji oprogramowania soft PLC, co jest niew¹tpliw¹ zalet¹ testowanego rozwi¹zania. Jako przedmiot dalszych badañ planuje siê: testy wielopêtlowego uk³adu regulacyjnego PID z predyktorem Smitha, testy rozwa anego uk³adu regulacji na platformie sprzêtowej panelu wielofunkcyjnego, opracowanie metod samostrojenia uk³adu. Literatura [1] Astrom K., Wittenmark B.: Computer controlled systems. Theory and design. Prentice Hall Inc., 1997 [2] Grega W.: Sterowanie cyfrowe w czasie rzeczywistym. Wyd. Wydzia³u EAIiE AGH, 1999 [3] Grega W.: Metody i algorytmy sterowania cyfrowego w uk³adach scentralizowanych i rozproszonych. Wyd. AGH, 2004 [4] Kasprzyk J.: Programowanie sterowników przemys³owych. Warszawa, WNT 2006 [5] Oprzêdkiewicz K.: Przyk³ad identyfikacji obiektu parabolicznego. ZN AGH: Elektrotechnika, t. 16, z. 2, 1997, [6] Oprzêdkiewicz K.: Praktyczna realizacja predyktora Smitha z wykorzystaniem sterownika PLC. Automatyka, t. 5, z. 1/2, 2001, [7] Oprzêdkiewicz K.: Problemy realizacji cyfrowej predyktora Smitha w œrodowisku sterownika PLC. Pó³rocznik AGH Automatyka, t. 6, z. 2, 2002, [8] Oprzêdkiewicz K.: Uwarunkowania czasowe realizacji specjalnych algorytmów sterowania w systemach PLC. Pomiary Automatyka, Robotyka (PAR), nr 4/2003, [9] Oprzêdkiewicz K.: Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w œrodowisku sprzêtowo programowym soft PLC podczas realizacji predyktora Smitha. Informatyka Teoretyczna i Stosowana r. 4, nr 7, 2004, [10] Oprzêdkiewicz K.: Monitorowanie jakoœci regulacji w specjalnych uk³adach sterowania. Pomiary, Automatyka, Robotyka (PAR), nr 4, 2002, 5 7 [11] Oprzêdkiewicz K.: Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego na platformie sprzêtowo programowej soft PLC zrealizowanej na komputerze klasy PC. Referat zg³oszony na Konferencjê AUTOMATION 2007, PIAP Warszawa marzec 2007 [12] Trybus L.: Regulatory wielofunkcyjne. WNT 1992