Ćwiczenie PA6. Badanie działania regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku S firmy Siemens

Transkrypt

1 INSYU AUOMAYKI i ROBOYKI WYDZIAŁ MECHARONIKI - laboratorium Ćwiczni PA6 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns Instrucja laboratoryjna Opracowani : dr inż. Danuta Holjo dr inż. Jaub Możaryn mgr inż. Rafał Kurtya Warszawa 0

2 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns Clm ćwicznia jst sprawdzni na podstawi wyznaczonych doświadczalni charatrysty statycznych i odpowidzi soowych poprawności ralizacji algorytmów P, PI, PD i PID rgulatora zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns..WPROWADZENIE Rgulatorm nazywa się urządzni występując w uładzi rgulacji, tórgo zadanim jst za pośrdnictwm wytworzongo przz sibi sygnału strującgo strowania oznaczongo zgodni z trminologią tchniczną symbolm CV oddziaływać na obit rgulacji onrtni na jgo zspół wyonawczy ZW, ta aby zapwnić pożądan zmiany wilości rgulowanj i sompnsować wpływ działających na wilość rgulowaną załócń. Sygnał CV rgulator wypracowuj na podstawi doprowadzonych do nigo dwóch sygnałów. Jdngo oznaczongo symbolm PV sygnału gnrowango przz prztworni pomiarowy PP obitu i nazywango zminną procsową to srót od ang. procss variabl rprzntującą wilość rgulowaną oraz drugigo sygnału oznaczongo symbolm SP nazywango wilością zadaną SP to srót od ang. st poin, tóra rprzntuj pożądaną wartość wilości rgulowanj. Sygnały t są w rgulatorz porównywan i w wyniu porównania powstaj odchyła rgulacji oznaczana symbolm, tórą dfiniuj się jao. PV SP. Odchyła rgulacji w uładzi moż pojawić się ni tylo wsut wywołango przz załócnia zmiany wilości rgulowanj w stosunu do wartości zadanj lcz taż w wyniu zmiany wartości zadanj. Zadanim rgulatora w uładzi rgulacji jst tai oddziaływani na obit rgulacji aby zminimalizować odchyłę rgulacji, nizalżni od przyczyny jj powstania. Sposób ształtowania zmian sygnału strującgo u CV po pojawiniu się odchyłi rgulacji, zalży od właściwości zastosowango rgulatora. W przypadu rgulatorów analogowych o działaniu ciągłym, właściwości rgulatora orśla jgo transmitancja opratorowa. Dla zrowych warunów początowych transmitancję opratorową rgulatora dfiniuj się jao CV s Gr s s zaś dla nizrowych warunów najczęstszy przypad w przypadu rgulatorów przmysłowych transmitancję tą dfiniuj się jao CV s G r s s gdzi CVs jst transformatą Laplac a przbigu zmian CV wartości sygnału wyjściowgo rgulatora względm wartości początowj, istnijącj w stani ustalonym przy 0, wywołanych pojawinim się odchyłi rgulacji. W pratyc występują obity rgulacji, w tórych wzrost wartości sygnału strującgo CV powoduj wzrost wartości zminnj procsowj PV, oraz obity, w tórych wzrost wartości sygnału strującgo powoduj zmnijszani wartości zminnj procsowj. Dlatgo wyorzystywan w pratyc rgulatory, aby mogły tworzyć ułady z ujmnym

3 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7 firmy Simns sprzężnim zwrotnym z obydwoma rodzajami obitów, muszą mić możliwość zmiany irunu działania. W przypadu obitów, w tórych wzrost wartości sygnału strującgo CV powoduj zmnijszani wartości zminnj procsowj PV, rgulator na wzrost odchyłi rgulacji powinin ragować wzrostm wartości sygnału strującgo CV; tai zachowani rgulatora nazywa się działanim normalnym oznaczon symbolm Normal. Natomiast w przypadu obitów, w tórych wzrost wartości sygnału strującgo CV powoduj zwięszani wartości zminnj procsowj PV, rgulator na wzrost odchyłi rgulacji powinin ragować zmnijszanim wartości sygnału strującgo CV; tai zachowani rgulatora nazywa się działanim odwrotnym lub rwrsyjnym oznaczon symbolm Rwrs. Schmaty bloow rgulatorów przdstawia rys..na schmaci bloowym rys.b działani odwrotn rgulatora wyraża jgo ujmna transmitancja opratorowa. Rys.. Schmat bloowy rgulatora : a o działaniu Normal, b o działaniu Rwrs W stosowanych w pratyc rgulatorach przmysłowych, działani normaln lub rwrsyjn jst nastawian przz opratora np. przłączniim N R rgulatory analogow lub programowo rgulatory miroprocsorow, strownii PLC. W pratyc wyorzystuj się wil rodzajów rgulatorów. Są on ralizowan w różnych tchniach, przznaczon do różnych zastosowań, działając na różnych zasadach. Wraz z postępm tchnii i tchnologii oraz spansją zastosowań automatyi powstają coraz to now rgulatory o coraz szrszych możliwościach funcjonalnych, główni z wyorzystanim tchnii cyfrowj. Podział rgulatorów na analogow i cyfrow wynia Z względu na rodzaj sygnałów prztwarzanych w rgulatorz rgulatory dzilimy na: analogow, cyfrow.. Rgulatory analogow prztwarzają tylo sygnały analogow, a algorytm ich działania ralizuj się wyorzystując właściwości statyczn i dynamiczn analogowych lmntów dynamicznych. Rgulator cyfrowy prztwarza sygnały cyfrow; algorytm działania ralizuj on na drodz cyfrowj, tzn. wyorzystywan jst odpowidni oprogramowani, pozwalając na ralizację zapisango w postaci formuły matmatycznj algorytmu działania. Sygnały wyjściow zarówno rgulatorów analogowych ja i cyfrowych mogą być ciągł w czasi rgulatory o działaniu ciągłym ja i niciągł rgulatory o działaniu niciągłym. Właściwości dynamiczn rgulatorów, dtrminując sposób ształtowania sygnału wyjściowgo rgulatora pod wpływm sygnału odchyłi rgulacji, orślan są jao algorytm pracy rgulatora lub algorytm rgulacji. Najczęścij stosowanym w pratyc przmysłowj algorytmm rgulacji jst tzw. algorytm PID ang. Proportional Intgral Drivativ, tj. algorytm proporcjonalno całująco-różniczujący. Algorytm tn jst ralizowany przz rgulatory i strownii przmysłow pracując z wyorzystanim zarówno standardowych 3

4 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns sygnałów ciągłych ja i sygnałów niciągłych. Poprzz odpowidni ustawini paramtrów, rgulator o algorytmi PID moż taż ralizować prostsz algorytmy: P, PI, PD... Matmatyczny opis rgulatorów PID o działaniu ciągłym Nizalżni od tchnii ralizacji rgulatorów, ich nazwy są związan z ralizowanym algorytmm prztwarzania sygnału odchyłi rgulacji. W przypadu coraz częścij wyorzystywanych omputrowych systmów strowania traci sns pojęci rgulator jao orślon urządzni tchniczn; istotny staj się jdyni rodzaj zastosowango algorytmu prztwarzania sygnałów. Zapis matmatycznych modli w postaci transmitancji opratorowych, wyorzystywanych do opisu działania rgulatorów PID zstawiono w tablicy. ablica. Algorytmy rgulatorów PID lp. Nazwa rgulatora nazwa algorytmu ransmitancja opratorowa. Rgulator proporcjonalny, rgulator P Algorytm P Gr s CV s p s. Rgulator proporcjonalno-całujący, rgulator PI Algorytm PI 3. Rgulator proporcjonalnoróżniczujący idalny, rgulator PD idalny Algorytm PD idalny CV s Gr s p s i s Gr CV s s p d s s 4. Rgulator proporcjonalnoróżniczujący rzczywisty, rgulator PD rzczywisty Algorytm PD rzczywisty G r s CV s s d p s d s d 5. Rgulator proporcjonalno-całującoróżniczujący idalny, rgulator PID idalny Algorytm PID idalny Gr CV s s p d s s i s 7. Rgulator proporcjonalno-całującoróżniczujący rzczywisty, rgulator PID rzczywisty Algorytm PID rzczywisty strutura równolgła G r s CV s s p s i d s d s d Zastosowan w tablicy oznacznia : 4

5 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7 firmy Simns p - wzmocnini proporcjonaln wilość nimianowana, i - stała czasowa acji całującj, w przypadu rgulatorów PI i PID nazywana czasm zdwojnia [s], d - stała czasowa acji różniczowania, czas wyprzdznia [s], d - wzmocnini dynamiczn wilość nimianowana, nazywan są paramtrami albo nastawami rgulatorów.... Algorytm P Zalżność sygnału wyjściowgo CV rgulatora P o działaniu normalnym od sygnału odchyłi rgulacji opisuj równani CV p up, 3 o działaniu odwrotnym - równani CV p up 4 gdzi: u p - punt pracy rgulatora P - wartość sygnału wyjściowgo rgulatora przy odchyłc rgulacji 0, podawana w procntach zarsu zmian sygnału wyjściowgo rgulatora lub w jdnostach wilości wyjściowj rgulatora. Sygnał wyjściowy rgulatora o wartości u p powinin zapwnić w uładzi rgulacji, przy brau załócń, tai wystrowani zspołu wyonawczgo, przy tórym zspół wyonawczy dostarcza do obitu strumiń nrgii lub matriału w ilości nizbędnj do osiągnięcia przz wilość rgulowaną wartości zadanj. ransmitancji rgulatora P, podanj w tablicy, odpowiada przyrostow równani dynamii dla rgulatora o działaniu prostym CV p, 5 gdzi CV CV up, tór wyraża zalżność zmian CV sygnału wyjściowgo rgulatora, gnrowanych przz rgulator pod wpływm odchyłi rgulacji, względm przyjętgo puntu pracy u p. Algorytm P nalży do tzw. algorytmów statycznych, tzn., ż istnij jdnoznaczna zalżność pomiędzy wartościami CV sygnału wyjściowgo rgulatora, a wartościami sygnału odchyłi rgulacji, osiąganymi w stanach ustalonych. Zalżność ta, stanowiąca charatrystyę statyczną rgulatora, w przypadu rgulatora P o działaniu normalnym ma postać CV p up 6 a o działaniu odwrotnym CV up p 7 5

6 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns... Algorytm PI Przbig CV sygnału wyjściowgo rgulatora PI o działaniu normalnym, jao wyni oddziaływania na rgulator odchyłi rgulacji, opisuj równani t p CV CV 0 p d, 8 i 0 a o działaniu odwrotnym równani t p CV CV 0 p d 9 i 0 gdzi: CV 0 - wartość początowa sygnału dla =0. Wartością początową CV 0, moż być ażda wartość sygnału wyjściowgo z zarsu jgo zminności, równa wartości sładowj całowj I, będącj wyniim oddziaływania odchyłi rgulacji na rgulator w orsi poprzdzającym stan początowy. Charatrystyę soową odpowidź na sygnał odchyłi w postaci 0 rgulatora PI o działaniu normalnym dla zminnj absolutnj CV otrzymuj się z równania 8 p CV p0 0 t CV 0 0 i a dla zminnj przyrostowj p CV p0 0 t i Graficzną ilustrację obu form opisu odpowidzi soowj rgulatora PI przdstawiono na rys.. a b Rys.. Odpowidź soowa rgulatora PI o działaniu normalnym: a przbig zminnj przyrostowj CV, b przbig sygnału wyjściowgo CV. Liniami przrywanymi zaznaczono sładową P oraz sładową I sygnału wyjściowgo CV 6

7 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7 firmy Simns Z przbigim odpowidzi soowj rgulatora PI związana jst nazwa stałj czasowj acji całowania i - czas zdwojnia. Sładowa całowa odpowidzi z upływm czasu narasta od wartości początowj równj zro, osiągając po czasi t i wartość równą sładowj proporcjonalnj, co oznacza podwojni przyrostu wartości sygnału wyjściowgo w stosunu do sładowj proporcjonalnj. Czas zdwojnia wyraża intnsywność działania całującgo; dfiniowany jst jao czas jai upływa od momntu wprowadznia do rgulatora wymusznia soowgo do momntu idy sładowa całowa osiągni wartość sładowj proporcjonalnj. Rgulatory o algorytmi PI ni mają jdnoznacznj zalżności pomiędzy wartościami CV sygnału wyjściowgo a wartościami sygnału odchyłi rgulacji, osiąganymi w stanach ustalonych analogiczni ja lmnty całując. Sygnał wyjściowy moż osiągać stan ustalony tylo przy zrowj wartości odchyłi rgulacji, co wynia z równania dynamii, przy dowolnj wartości w zarsi jgo zminności, będącj wyniim całowania odchyłi rgulacji w orsi poprzdzającym osiągnięci stanu ustalongo. Algorytmy o taij właściwości nazywan są algorytmami astatycznymi...3. Algorytm PD Zalżność sygnału wyjściowgo rgulatora PD rzczywistgo o działaniu normalnym od odchyłi rgulacji opisuj równani: d d dcv d d CV p p d u p dt d dt gdzi : u p wartość sygnału wyjściowgo dla 0, orślana jao punt pracy rgulatora, podawana w procntach zarsu zmian sygnału wyjściowgo rgulatora lub w jdnostach wilości wyjściowj rgulatora. W uładzi rgulacji sygnał wyjściowy rgulatora PD o wartości u p, podobni ja w przypadu rgulatora P, powinin przy brau załócń zapwnić tai wystrowani zspołu wyonawczgo, przy tórym zspół wyonawczy dostarcza do obitu strumiń nrgii lub matriału w ilości nizbędnj do osiągnięcia przz wilość rgulowaną wartości zadanj. Paramtrami nastawialnymi czyli nastawami rgulatora PD są: wzmocnini proporcjonaln p, czas wyprzdznia d i punt pracy u p. Wzmocnini dynamiczn d w rgulatorach przmysłowych przyjmuj wartości z przdziału 6,0 i w więszości rozwiązań ni jst paramtrm nastawianym. W nitórych rozwiązaniach strowniów oraz rgulatorów miroprocsorowych zamiast tgo wzmocninia używa się pojęci współczynni działania różniczującgo α będący odwrotnością wzmocninia dynamiczngo zgodni z zapism / d. Algorytmy PD nalży, podobni ja algorytm P, do algorytmów statycznych, tzn., ż istnij jdnoznaczna zalżność pomiędzy wartościami CV sygnału wyjściowgo rgulatora a wartościami sygnału odchyłi rgulacji, osiąganymi w stanach ustalonych. Zalżność ta, wyniająca z równania stanowiąca charatrystyę statyczną rgulatora PD o działaniu normalnym, ma postać CV p up 3 7

8 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns ransmitancji opratorowj rgulatora PD z tablicy odpowiada przyrostow równani dynamii d dcv d d t CV p p d 4 d dt d dt Przyrostową odpowidź rgulatora PD, dla zrowych warunów początowych, można wyznaczyć na podstawi transmitancji z zalżności: [ d s CV t L p s] 5 d s d Dla soowj odchyłi rgulacji 0, s 0 otrzymuj się: s d t s CV L [ d ] p p d d d s s d Na podstawi przbigu odpowidzi soowj rgulatora PD ni można w sposób bzpośrdni odczytać wartości czasu wyprzdznia d. Nazwa czas wyprzdznia wynia z przbigu odpowidzi rgulatora PD na wymuszni liniowo narastając. Załadając, ż a t, na podstawi wzoru 5 otrzymuj się rgulatora PD d t [ d s a CV t L ] t p p a p a d d 7 d s s d Odpowidź rgulatora PD na wymuszni liniowo narastając rys. 3 jst sumą sładowj działania proporcjonalngo P i sładowj działania różniczującgo D. Przbig tych odpowidzi wyjaśnia nazwę czas wyprzdznia - w przypadu wymusznia liniowo narastającgo, wartość sygnału wyjściowgo rgulatora jao suma sładowych P i D jst osiągana o czas d wczśnij w stosunu do sładowj P. Z rys. 3 wynia taż, ż wartość liczbowa d orśla czas jai upływa od momntu wprowadznia na wjści rgulatora wymusznia liniowo narastającgo do momntu idy wartość sładowj P zrówna się z ustaloną wartością sładowj D. Dla np. wartości wzmocninia dynamiczngo d 0 po czasi równym d od momntu wprowadznia wymusznia liniowo narastającgo, sładowa D osiąga już stan ustalony osiąga ooło 99,995% wartości ustalonj. 8

9 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7 firmy Simns a b Rys. 3. Przyrostow odpowidzi rgulatora PD: a na wymuszni soow, b na wymuszni liniowo narastając Liniami przrywanymi wyrślono sładow P i D odpowidzi...4. Algorytm PID Właściwości dynamiczn rzczywistgo rgulatora PID wyraża transmitancja opratorowa podana w tablicy. Nastawami rgulatorów PID są: wzmocnini proporcjonaln p, czas zdwojnia i i czas wyprzdznia d. Wzmocnini dynamiczn d w rgulatorach przmysłowych przyjmuj wartości 6 0 i w więszości rozwiązań ni jst paramtrm nastawianym. Algorytm PID, podobni ja algorytm PI jst algorytmm astatycznym; jgo charatrystya statyczna jst nijdnoznaczna. Odpowidzi przyrostow rgulatora PID dla zrowych warunów początowych, tj. przy CV 0 0 i 0 0, można wyznaczać z zalżności s CV L [ d p s] 8 i s d s d W przypadu soowj odchyłi rgulacji 0 otrzymuj się odpowidź d t p CV t p p d d 0 0 i 0, 9 będącą sumą sładowych działania proporcjonalngo P, całującgo I i rzczywistgo różniczowania D rys. 4. 9

10 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns Rys. 4. Odpowidź soowa przyrostowa rzczywistgo rgulatora PID W chwili t i, sładowa całowa osiąga wartość sładowj proporcjonalnj, a sładowa różniczowa pratyczni już tylo niwilą wartość zalżni od stałj inrcji d / d. Zatm, w chwili t i, przyrost CV sygnału wyjściowgo osiąga wartość tylo niwil więszą od p0 - od podwojonj wartości przyrostu sygnału wyjściowgo wyniającgo z działania proporcjonalngo. Pratyczni można więc przyjąć, ż czas od pojawinia się odchyłi soowj do chwili, w tórj przyrost sygnału wyjściowgo rgulatora osiągni podwojoną wartość wyniającą z działania proporcjonalngo, jst stałą czasową działania całującgo i czasm zdwojnia. Odpowidź soową jao przbig sygnału wyjściowgo CV rgulatora, można wyznaczyć na podstawi ogólngo równania, opisującgo sygnał wyjściowy t d dcv p d CV d d p t p d CV 0 d dt 0 i dt 0 d gdzi: CV 0 - wartość początowa sygnału dla =0. 0

11 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7 firmy Simns.. Implmntacja algorytmów PID w rgulatorach miroprocsorowych strowniach PLC Sygnał wyjściowy miroprocsorowgo rgulatora strownia PLC PID wyliczany jst na drodz numrycznj, wg algorytmu będącgo przłożnim postaci ciągłj algorytmu PID na równoważną postać cyfrową. Schmat idowy ralizacji algorytmu rgulacji w rgulatorz miroprocsorowym strowniu PLC przdstawia rys.5. Rys. 5. Schmat idowy ralizacji algorytmu rgulacji w rgulatorz miroprocsorowym; oznacznia: A/C, C/A prztwornii analogowo-cyfrowy i cyfrowo-analogowy, p ors próbowania impulsowania W prztworniu A/C następuj próbowani sygnału odchyłi rgulacji, w wyniu czgo sygnał zostaj zaminiony na sygnał dysrtny p rys. 6a. Wartości tgo sygnału w dysrtnych chwilach czasu p są zapisywan w postaci liczb o długości słowa cyfrowgo orślonj przz liczbę bitów miroprocsora. Miroomputr ralizuj orślony algorytm strowania, tóry jst opisany za pomocą równania różnicowgo, wyrażającgo zalżność sygnału CV p od sygnału p. Zadanim prztwornia C/A jst ształtowani sygnału CV, orślongo w dowolnj chwili t, na podstawi wartości CV p, orślonych w dysrtnych chwilach czasu. Wartości sygnału CV w przdzial p t p wyznacza się na podstawi wartości CV np, gdzi n, w wyniu strapolacji. Najczęścij stosuj się strapolator zrowgo rzędu, tórgo działani polga na utrzymaniu w orsach p t p wartości CV CV p, ja poazuj rys. 6b. a b Rys. 6. Próbowani sygnału odchyłi rgulacji - a, przbig sygnału CV przy stosowaniu

12 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns strapolatora zrowgo rzędu b Najprostszą postać cyfrową algorytmu PID otrzymuj się poddając dysrtyzacji równani analogowgo idalngo rgulatora PID, przyjmując zrow waruni początow t d CV p [ d d ] i dt 0 Polga to na wprowadzniu dysrtnych wartości wilości CV i oraz zastąpiniu całi sumą, a pochodnj różnicą pirwszgo rzędu t 0 d i0 i p Po podstawiniu do otrzymuj się ; CV p[ i p d ] i i 0 p p i d p i i 0 p d dt Równani 3 przdstawia pozycyjny algorytm rgulatora cyfrowgo o struturz równolgłj, przydatny do zastosowania tam, gdzi zspół wyonawczy strowany przz rgulator ma działani członu proporcjonalngo. Algorytm tn jst nichętni stosowany w pratyc, albowim wymaga sumowania odchył rgulacji od początu działania rgulatora, a taż dodania do sygnału CV początowj wartości sygnału wyjściowgo rgulatora. Inną, częścij stosowaną, postać algorytmu cyfrowgo rgulatora otrzymuj się z algorytmu ciągłgo, powstałgo w wyniu zróżniczowania równania. dcv d d i p[ i id ] 4 dt dt dt Po dysrtyzacji równania 4 w dzidzini czasu, z zastosowanim aprosymacji pirwszj i drugij pochodnj mtodą różnic wstcznych i całowania mtodą prostoątów dcv CV CV dt p 5 d dt p oraz d d 6 dt dt p gdzi p 3

13 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7 firmy Simns 3 p p 7 otrzymuj się po przształcniu równani różnicow rgulatora ] [ ] [ p d p d i p p d p p d i p p CV CV 8 Algorytm tn jst wyorzystywany w formi 0 CV 9 gdzi: p d p p d p i p p d p 0 ; ; oraz CV CV CV jst przyrostm sygnału wyjściowgo rgulatora przypadającym na -ty ors próbowania. Na rys.7 przdstawiono odpowidź soową rgulatora miroomputrowgo o algorytmi PI. Rys.7. Odpowidź soową rgulatora o algorytmi PI : rgulator miroprocsorowy, rgulator analogowy

14 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns.3. Cchy funcjonaln rgulatorów przmysłowych Przmysłow rgulatory PID są rgulatorami pośrdnigo działania. Dzięi standaryzacji sygnałów wjściowych i wyjściowych mogą współpracować z wiloma rodzajami prztworniów pomiarowych i lmntów wyonawczych. Są ralizowan w tchnic miroprocsorowj jao przyrządy tablicow lub ich algorytmy rgulacyjn są zaimplmntowan w strowniach PLC. Nizalżni od ralizacji tchnicznj, wszysti rgulatory przmysłow musza mić szrg wspólnych cch funcjonalnych, tór zostaną wyjaśnion za pomocą schmatu przdstawiongo na rys. 8 na tórym przdstawiono cchy dotycząc rgulatora dla jdnj wilości rgulowanj. Rys. 8. Schmat ilustrujący cchy funcjonaln przmysłowgo rgulatora strownia PID Sygnałami wjściowymi rgulatora są: zminna procsowa PV i wartość zadana SP, sygnałm wyjściowym jst sygnał strujący CV. W zalżności od położnia przłącznia R L R ang. rmot, L - ang. local sygnał wartości zadanj SP moż być sygnałm zdalnym pozycja R przłącznia podawanym z innych zwnętrznych urządzń do rgulatora, lub sygnałm zadawanym ręczni pozycja L przłącznia przz opratora za pomocą znajdującgo się w rgulatorz żródła zadajnia. Sygnały PV i SP są z sobą porównywan, w wyniu czgo powstaj sygnał odchyłi rgulacji. W pozycji Normal działani normaln przłącznia irunu działania rgulatora, odchyła jst wyznaczana zgodni z zalżnością PV SP ; w pozycji Rvrs działani odwrotn odchyłą jst różnica SP PV. W pozycji Normal wzrost odchyłi rgulacji powoduj wzrost sygnału wyjściowgo rgulatora, w pozycji Rvrs malni. Zmiana irunu działania umożliwia współpracę rgulatora zarówno z zspołami wyonawczymi o działaniu prostym ja i o działaniu odwrotnym i dotyczy zarówno trybu pracy Auto ja i.manual. Blo działań dynamicznych PID na podstawi odchyłi rgulacji wytwarza sygnał wyjściowy zgodni z ustawionym algorytmm P, I, PI, PD lub PID. W zalżności od położnia przłącznia Auto Manual zwango taż przłączniim automatya ręa, na wyjściu rgulatora podawany jst: w położniu Auto - sygnał wyjściowy blou PID, w położniu Manual sygnał z źródła zadajnia strowania ręczngo, umożliwiający strowani obitm przz opratora. Zatm rgulator w tym trybi staj się źródłm sygnału stałoprądowgo. 4

15 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7 firmy Simns Strowani ręczn podjmowan jst przz opratora w traci uruchamiania instalacji podczas tzw. rozruchu oraz w przypadu awarii sprzętu automatyi. Przłączani z trybu pracy z Auto na Manual i odwrotni jst w nowoczsnych rgulatorach w płni bzudrzniow ang. balanclss; dawn onstrucj rgulatorów wymagały pwnych świadomych działań opratora. Wszysti omówion przłącznii w rgulatorach miroprocsorowych w wyonaniu tablicowym są dostępn w postaci przycisów umiszczonych na płyci czołowj rgulatora, natomiast w przypadu strownia PLC na rani monitora intrfjsu HMI. Ralizację działania P uzysuj się w rgulatorz PID poprzz ustawini paramtrów i w rgulatorz miroprocsorowym jst to liczba ograniczona i d 0 oraz wprowadzni pożądanych wartości wzmocninia p i puntu pracy rgulatora u p. Ralizacja działania PI wymaga wyłącznia acji różniczującj przz ustawini d 0 i wprowadznia odpowidnich nastaw p i i. Natomiast działani PD wymaga ustawinia paramtru i w rgulatorz miroprocsorowym jst to liczba ograniczona i wprowadznia nastaw p i d oraz wartości puntu pracy u p. Najczęścij stosowanymi zarsami nastaw rgulatorów są: p 0, 00, i d 0, 3600 s., s., d 6 0 wilość najczęścij ni nastawiana, stanowiąca stałą przyrządu. 5

16 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns.OPIS SEROWNIKA SIMAIC S7-00 W laboratorium wyorzystywany jst strowni SIMAIC S7 00 firmy Simns. Strowni tn charatryzuj się modułową onstrucją masymalni 8 modułów sygnałowych, płyta sygnałów, 3 moduły omuniacyjn. Masymalna liczba wjść binarnych i analogowych wynosi odpowidnio 84 i 5. W urządzniu zintgrowano intrfjsy PROFINE / INDUSRIAL EHERNE z obsługą protoołów CP/IP, ISO na CP, S7. Strowni posiada możliwość diagnostyi i monitorowania oprogramowania przz port EHERNE oraz z wyorzystanim protoołów RS-3, RS-485 i MODUS RU. W stanowisu znajdują się: jdnosta CPU 4C, zasilacz 30VAC/4VDC PS07, moduł rozszrzń wjść/wyjść analogowych 6ES7 34 oraz moduł ompatowgo przłącznia ang. switch CSM 77 rys.9. Jdnosti CPU, 6ES7 i CSM są zasilan indywidualni możliw jst wyorzystani tgo samgo zasilacza napięcim stałym 4V. Wymiana danych między modułami CPU i AI/AO 6ES7 odbywa się poprzz wwnętrzną magistralę. Moduł przłącznia służy do podłącznia 4 urządzń do sici INDUSRIAL EHERNE. Rys.9. Wido strownia SIMAIC S7 00, oraz moduły sładow.. Panl opratorsi HMI Komuniacja opratora z strowniim ralizowana jst za pośrdnictwm panlu opratorsigo HMI ang. Human Machin Intrfac typu SIMAIC KP600 z dotyowym, olorowym ranm, wyposażony w 6 płni programowanych przycisów znajdujących się na frontowj stroni rys.0. Komuniacja z strowniim oraz transmisja paramtrów i danych onfiguracyjnych możliwa jst dzięi intrfjsowi PROFINE. Panl umożliwia wyświtlani trndów, tstów oraz map bitowych. 6

17 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7 firmy Simns Rys.0. Eran panlu SIMAIC KP600. Sygnał wyjściowy CV w strowniu S7-00 dla zrowych warunów początowych wyliczany jst na podstawi następującgo algorytmu wyrażongo opratorowo : s b SP s PV s SP s PV s d c SP s PV CV s p s i s a d s 30 gdzi: a współczynni inrcji działania różniczującgo opisany zalżnością, a = / d b współczynni wagowy acji proporcjonalnj, c - współczynni wagowy acji różniczującj W badanym w ćwiczniu strowniu zaprogramowano następując wartości współczynniów: a=0., b=.0, c =.0. 7

18 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns 3. OPIS SANOWISKA LABORAORYJNEGO Stanowiso do badania rgulatora rys słada się z strownia PLC, panlu HMI, omputra PC 3 połączonych w sić thrntową 4. W strowniu zaimplmntowano algorytm rgulatora PID. Za pośrdnictwm panlu HMI doonywan będą zmiany paramtrów rgulatora, np. wartości nastaw, trybu pracy. Wido ranu tgo panlu przdstawia rys.. Zainstalowan na omputrz stacjonarnym oprogramowani IA PORAL, umożliwia symulację drugigo panlu HMI, na tórym rjstrowan będą przbigi zmian wilości zadanj SP, procsowj PV i strującj CV. Rys.. Stanowiso pomiarow do badania rgulatora. Oznacznia: strowni S7-00, panl HMI, 3 monitor, 4- omputr stacjonarny Wido ranu panlu HMI przdstawia rys.. Poszczgólnych pola ranu HMI oznaczają::. Wyrs słupowy procntowy wilości strującj CV i procsowj PV. Grupa pól dycyjnych umożliwiających wprowadzni i monitorowani wilości zadanj SP i procsowj PV przy badaniu rgulatora wilość procsowa jst zadawana.z poziomu panlu HMI; wilość strująca CV moż być tylo monitorowana, dlatgo dla odróżninia od pozostałych, podświtlona jst na zilono; po dotnięciu palcm pola I/O fild na panlu uazuj się lawiatura rys.3 umożliwiająca wprowadzani danych. Klawiatura znia po potwirdzniu danych przycisim Entr ; wciśnięci przycisu Entr powoduj zapis doonanj zmiany. 3. Dwa przycisi MANUAL i AUO umożliwiając zmianę trybu pracy rgulatora, w trybi AUO wilość strująca CV wyliczana jst na biżąco przz rgulator, w trybi MANUAL wilość strująca CV zadawana jst przz opratora z poziomu panlu HMI w tym clu nalży przłączyć rgulator w tryb pracy MANUAL, wpisać żądaną wartość wilości strującj CV w pol znajdując się nad przycisim MANUAL i potwirdzić; użytowni informowany jst o wybranym trybi pracy rgulatora poprzz podświtlany na zilono tst Auto lub Manual umiszczony pod przycisim AUO 4. Dwa przycisi Normal i Rwrs umożliwiając zmianę działania rgulatora; użytowni informowany jst o wybranym działaniu rgulatora poprzz podświtlany na zilono tst Normal lub Rwrs umiszczony pod przycisim Rwrs 5. I/O filds grupa pól wjścia/wyjścia umożliwiających wprowadzni i monitorowani nastaw rgulatora: p z zarsu ,9 i z zarsu ,9 s. Ację całującą wyłącza się nastawiając 8

19 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7 firmy Simns i = 99999,9 s, d z zarsu 0,0 999,9 s. Ację różniczującą wyłącza się nastawiając d = 0,0 s. Rys.. Wido ranu panlu HMI. Rys.3. Wido lawiatury na rani panlu HMI : przycis Entr Wizualizację przbigów zmian wilości wjściowych i wyjściowych zralizowano na omputrz stacjonarnym wyorzystując oprogramowani IA PORAL. Wygląd ranu monitora z wizualizacją przdstawia rys.4. 9

20 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7-00 firmy Simns Rys.4. Wizualizacja przbigów wilości wjściowych i wyjsciowych rgulatora Oznacznia poszczgólnych pól ranu:. rndy monitorowani przbigów wilości PV olor nibisi, SP olor czarny i CV olor czrwony w zadanym przdzial czasu; wszysti monitorowan wilości wyrażon są w procntach. przycis SAR/SOP umożliwiający zatrzymani i wznowini monitorowania przbigów 3. grupa pól wyświtlających atualn wartości monitorowanych wilości; pola ustawion są na opcję Output; wprowadzani danych jst zabloowan; olor czcioni jst tai sam ja olor wyrsu danj wilości 4. Grupa przycisów umożliwiających zwięszni i zmnijszni przdziału czasu, w tórym poazywan są przbigi. Przdział zwięsza się w zarsi od 5 s. do 6 min. W clu wydruowania wyrsu, nalży zatrzymać przbig przycisim SAR/SOP, wcisnąć na lawiaturz omputra przycis prtsc, wlić zapamiętany ran do dytora graficzngo i wybrać opcję druowania. 0

21 Badani działania rgulatora PID zaimplmntowango w strowniu S7 firmy Simns 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA 4.. Wyznaczni charatrysty statycznych rgulatora o algorytmi P Charatrystyi statyczn zostaną wyznaczon dla rgulatora o algorytmi P o działaniu normalnym z puntm pracy u p = 50% i wzmocniniu p : 0.5,.0 i.0. Algorytm P w rgulatorz PID nalży zralizować poprzz wyłączni acji całującj I i różniczującj D. W tym clu nalży ustawić i = 99999,9 s oraz d = 0,0 s. W trybi MANUAL ręczn zadawani wilości strującj ustawić wilości procsową PV i zadaną SP na 50%, oraz wzmocnini p =.0 i działani Normal. Następni wilość strującą CV ustawić na wartość 50% ustawiona wartość sygnału stanowić będzi punt pracy rgulatora P. Przłączyć rgulator w tryb AUO. W tym trybi wilość strująca CV będzi wyliczana przz strowni na podstawi algorytmu P a ni nastawiana przz opratora ręczni. W trybi AUO doonać pomiaru charatrysty statycznych rgulatora, zminiając sygnał mirzony PV wg tablicy. Badani powtórzyć dla wartości wzmocninia p : 0.5 i.0. Wartość wzmocninia zminiać w trybi MANUAL. ablica.wynii pomiarów charatrystyi statycznj rgulatora o algorytmi P PV [%] p = CV [%] p =.0 p = Wyznaczani odpowidzi soowych rgulatora o algorytmi PI Algorytm PI w rgulatorz PID zralizować poprzz wyłączni acji różniczującj D. Wartość wzmocninia p ustawić na wartość.0, a czas zdwojnia i na 30s. W trybi MANUAL ustawić wilość strującą CV na wartość 0% oraz wilości procsową PV i zadaną SP na 50%. Następni przłączyć rgulator w tryb AUO. Wywołać soową zmianę wilości procsowj PV o +0%. Rjstrować odpowidź soową rgulatora PI do momntu aż wilość strująca CV osiągni wartość o. 90 %, wówczas zmnijszyć PV o 0%. Powtórzyć analogiczną próbę zmnijszając PV o 0 %.po osiągnięciu przz CV wartości o. 90%.