Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem PLC SIMATIC

Instytut Automatyki i Robotyki Prowadzący(a) Grupa Zespół data ćwiczenia Lp. Nazwisko i imię Ocena 1. 2. 3. LABORATORIUM 4. PODSTAW 5. AUTOMATYKI Ćwiczenie PA9a 1 Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem PLC SIMATIC 1.Wstęp 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 S7-300. 2. Opis stanowiska laboratoryjnego Rys.1 Uproszczony ideowy schemat funkcjonalny 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. 1 Opracowanie instrukcji do ćwiczenia : mgr inŝ. Łukasz Tabor 1

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 S7-300. 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 inŝynierskiego. 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 PoniŜszy schemat pneumatyczny przedstawia budowę instalacji pneumatycznej. Rys.2 Rys.2 Schemat instalacji pneumatycznej 2

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. 3. Środowisko programowania sterownika SIEMENS S7-300 Projekty w środowisku STEP 7 mogą być tworzone na dwa sposoby, w zaleŝności od kolejności wykonywania zadań konfiguracji sprzętu i tworzenia programu. Przy skomplikowanych programach z duŝą ilością wejść i wyjść zalecane jest ustalenie konfiguracji sprzętowej, przypisanie adresów poszczególnych modułów itd. na początku tworzenia projektu. Struktura programu w STEP 7 jest podzielona dla następujące typy bloków: Blok organizacyjny OB. (Organization Block) Jest on określany mianem interfejsu pomiędzy systemem operacyjnym sterownika a programem uŝytkownika. Poszczególne bloki OB. są uruchamiane poprzez system operacyjny w reakcji na zdarzenia, takie jak przerwania zegarowe, licznikowe i sprzętowe, w czasie uruchamiania sterownika czy wystąpienia róŝnego rodzaju błędu. Bloki OB. opisane kolejnymi numerami mają przypisane odpowiednie priorytety i są uruchamiane w odpowiedzi na dane zdarzenie. Wykonywanie programu jest inicjowane poprzez wykonanie bloku OB1, w którym programista pisze program główny wraz z wywołaniami pozostałych bloków róŝnego typu; Blok danych DB (Data Block) w odróŝnieniu od bloku OB. nie zawiera Ŝadnych instrukcji. Jest on zbiorem danych (zmiennych) róŝnego typu, do których odwołują się bloki funkcyjne i organizacyjne. Ich moŝliwa do zadeklarowania ilość jest zaleŝna od modelu sterownika; Funkcja FC (Function) jest blokiem logicznym bez pamięci tzn. nie ma moŝliwości zachowania wartości zmiennych, które mogłyby być uŝyte przy kolejnym wywołaniu funkcji. Funkcja FC wykonuje obliczenie tylko na podstawie argumentów wprowadzonych w formie zmiennych typu IN, OUT lub IN/OUT (o ile są takie zadeklarowane); Blok funkcyjny FB (Function Block) jest blokiem funkcyjnym z pamięcią, która występuje w postaci przypisanego do bloku FB bloku danych DB. Podczas kolejnego wywołania funkcja FB pamięta wartości zmiennych z poprzedniego wywołania; Systemowy Blok Funkcyjny SFB oraz Systemowe Funkcje SFC są dostarczane razem ze sterownikiem do których uŝytkownik moŝe się swobodnie odwoływać. Spełniają one róŝne zadania np. kopiowania bloków, sprawdzania poprawności programu, komunikacji między modułami, generowania informacji o innych blokach, itp. Cykliczne wykonywanie programów jest podstawową cechą działania sterowników logicznych. Poszczególne fazy pracy sterownika SIEMENS przedstawia tabela 1: 3

Krok Sekwencja 1 Start pomiaru czasu cyklu 2 Przepisanie wartości wyjść z pamięci obrazu procesu do wyjść modułów 3 Odczyt stanów z wejść modułów i odświeŝenie obrazu pamięci procesu wejść 4 Wykonanie programu i instrukcji zawartych w programie 5 Wykonanie zadań, które są w stanie oczekiwania, np. kopiowanie i usuwanie bloków z/do pamięci 6 Powrót na początek cyklu Tab.1 Sekwencja pracy sterownika 4. Przebieg ćwiczenia 4.1 Program główny w OB1. Adresowanie symboliczne. Otwórz w Simatic Manager projekt z konfiguracją sprzętową PLC. Rozwiń drzewo widoku projektu i przejdź do katalogu Blocks zawierającym bloki programu. Kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz Insert New Object->Organization Block. Ustaw jego domyślną nazwę OB1, oraz uzupełnij nazwę symboliczną równieŝ jako OB1. Z dostępnych języków programowania wybierz LAD i naciśnij OK. Otwórz OB1. Naciskając przyciski START i STOP na panelu stanowiska laboratoryjnego zweryfikuj ich podłączenia elektryczne, poprzez podgląd diod przy wejściach dyskretnych D0 i D1. Taka konfiguracja, w której stan logiczny 1 występuje przy zwolnionym przycisku STOP i stan logiczny zero przy wciśniętym STOP, sprzyja zastosowaniu w programie przerzutnika RS z przewagą zerowania. W wyniku wciśnięcia przycisku START nastąpi zapalenie się zielonej diody PRACA. Umieść w pierwszej drabince (Network 1) RS z katalogu Bit Logic dostępnych funkcji w zakładce Program elements. Na wejście R wpisz adres I124.1, na S I124.0, natomiast bit wyjściowy ustaw jako Q124.0 Rys.3 Przerzutnik RS Załaduj program do sterownika i przetestuj jego działanie programu. Aby na bieŝąco mieć podgląd przez które połączenia i cewki przepływa prąd, naleŝy w edytorze zaznaczyć opcję monitorowania. Dla kaŝdego elementu dostępna jest pomoc po jego zaznaczeniu i naciśnięciu F1. W programie oprócz moŝliwości posługiwania się adresami absolutnymi moŝna operować na wcześniej skonfigurowanej reprezentacji symbolicznej. Dokonuje się do tego w specjalnej tabeli dostępnej z menu Option->Symbol Table. Ustaw nazwy symboliczne tak jak pokazano w tabeli 3 (Pierwsza linijka została dodana automatycznie). PosłuŜą one do aktualnego programu, jak i do kolejnych punktów ćwiczenia. Tab.3 Tabela adresów symbolicznych 4

Zapisz tabelę i zamknij edytor tabeli. Program powinien sam uaktualnić reprezentację adresów w OB1 na podstawie stworzonej tabeli. Dla pewności naleŝy sprawdzić czy opcja View->Display with->symbolic Representation jest zaznaczona. 4.2 Blok danych DB. Skalowanie wejścia analogowego Na potrzeby programu zostanie zdefiniowany blok danych DB, który będzie pełnił rolę bufora, przechowującego gotowe wartości poddane juŝ obliczeniom, oraz tymczasowe oczekujące na dalsze obliczenia. W SIMATIC Manager przejdź do katalogu Blocks, kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz Insert New Object->Data Block nazywając go DB100. Uzupełnij nazwę symboliczną równieŝ jako DB100. Otwórz utworzony blok i przy zaznaczonej opcji View->Declaration View umoŝliwiającej jego edycję uzupełnij według tabeli 4. Kolejne adresy bloku danych i ich przeznaczenie będą wykorzystywane w kolejnych punktach ćwiczenia. Tab.4 Deklaracja bloku danych Mając gotowy blok danych dodaj kolejno dwie drabinki w OB1 wstawiając do nich funkcję MOVE z katalogu Move. Poprzedź ją odpowiednimi stykami jak na rysunku 5 i nadaj adresy. Za pomocą dwóch linii sterownik na wyjście analogowe będzie przepisywał albo wartość wypracowaną przez regulator PID albo wartość zero, w zaleŝności od stanu diody PRACA. Rys.4 Przepisanie wartości na wyjście analogowe Następnie zostanie stworzony algorytm skalujący wejście analogowe, na które podawany jest sygnał prądowy reprezentujący aktualne ciśnienie w zbiorniku. Algorytm zostanie zrealizowany w języku STL. Jego cechą charakterystyczną jest sposób realizacji obliczeń na wartościach wpisanych do kolejnych akumulatorów. W bloku OB1 dodaj nową drabinkę, zmień widok programu na STL (View->STL) i wpisz następujący ciąg poleceń: L 9.750000e+000 L 2.764800e+004 /R L PIW 258 ITD DTR *R T DB100.DBD 8 PowyŜszy program zamienia wartość z wejścia analogowego na zmienną typu REAL, a następnie skaluje tę wartość mnoŝąc ją przez wielokrotność 27648. Wynika to z faktu, Ŝe dla sterowników SIEMENS we/wy analogowe dla wartości 4-20mA są reprezentowane w 5

programie przez liczbę stałoprzecinkową pojedynczej precyzji w formacie INT (ewentualnie DINT) z przedziału 0-27648. ZauwaŜ, Ŝe zmieniając widok na STL wszystkie elementy języka drabinkowego zmieniają się na fragmenty programów pisanych w STL. Wynika to z faktu, Ŝe kaŝdą drabinkę napisaną w LAD moŝna zamienić na STL. Operacja w drugą stronę nie jest juŝ zawsze moŝliwa. Zapisz blok i zamknij jego edycję. Zaznacz w SIMATIC Manager bloki OB1 i DB100, załaduj je do sterownika i przetestuj działanie programu. Wartości ciśnień mogą się róŝnić od wskazań na wyświetlaczu czujnika (róŝnica moŝe dochodzić do około 0,06 bar). 4.3 Zastosowanie funkcji FB41 (PID) Stwórz nowy blok o nazwie OB35, oraz uzupełnij jego nazwę symboliczną równieŝ jako OB35. Przejdź do edycji OB35 i wstaw funkcję FB41 CONT_C z katalogu Libraries- >Standard Library->PID Control Block. Jak wiadomo funkcje typu FB muszą mieć swój własny blok danych, dlatego teŝ w miejsce znaków??? ponad wstawionym blokiem wpisz DB260 i naciśnij ENTER. Program zapyta czy wygenerować nieistniejący DB260. Potwierdź wybierając Yes. Po jego wygenerowaniu blok DB260 będzie zawierał wszystkie zmienne funkcji, z których wybrane przedstawia tabela 5 MoŜna je edytować bezpośrednio w bloku DB260 podczas pracy i zaznaczonym. Parametr Typ Opis zmiennej COM_RST BOOL Restart regulatora (dla TRUE), przy którym LMN=0 CYCLE TIME Czas próbkowania SP_INT REAL Wartość zadana PV_IN REAL Wartość mierzona ER REAL Błąd regulacji. ER= SP_INT- PV_IN GAIN REAL Wzmocnienie regulatora TI TIME Czas całkowania TD TIME Czas róŝniczkowania TM_LAG TIME Ustawiany jako TM_LAG(CYCLE/2) *_SEL BOOL Wybór algorytmu. Zamiast * kolejno: P, I, D MAN REAL Wejście sterowania ręcznego MAN_ON BOOL Wybór trybu ręcznego (dla TRUE) i automatycznego (dla FALSE) LMN REAL Wyjście, sygnał sterujący LMN_HLM REAL Limit górny sygnału sterującego LMN_LLM REAL Limit dolny sygnału sterującego QLMN_HLM BOOL Sygnalizacja osiągnięcia górnej granicy LMN QLMN_LLM BOOL Sygnalizacja osiągnięcia dolnej granicy LMN DEADB_W REAL Strefa martwa wartości błędu Tab. 5 NajwaŜniejsze parametry bloku danych DB260 Otwórz blok DB260 i przy zaznaczonym widoku danych (View->Data view) wpisz w kolumnie Actual Value wartość 2.764800e+004 dla parametru LMN_HLM, oraz 0.000000e+000 dla LMN_LLM. Zostaną one podświetlone na pomarańczowo, aby załadować wpisane wartości posłuŝ się kombinacją klawiszy Ctrl+L. Zapisz zmiany w bloku. Parametry pracy regulatora moŝna takŝe modyfikować za pomocą dedykowanego programu (Start- >SIMATIC->Step 7-> PID Control Parameter Assignment). Uzupełnij wejście SP_INT adresem DB100.DBD18, wejście PV_IN adresem DB100.DBD14, oraz wyjście LMN adresem DB100.DBD0. W bloku OB35 dodaj nową drabinkę aby dodać fragment programu zapewniający przełączenie bezuderzeniowe, przepisujący wartość sterowania obliczaną w trybie automatycznym do adresu, pod którym jest wartość sterowania w trybie ręcznym. 6

Rys.5 Bezuderzeniowe przełączenie 4.4 Funkcja FC Podobnie jak przy odczytywaniu wejścia, tak i przy ustawianiu wartości prądu na wyjściu analogowym, naleŝy w programie odpowiednio dobrać format zmiennych i ich zakres. Po pierwsze naleŝy ujednolicić zakres wartości liczb (przyjęto 0-27648, ale moŝe to być dowolnie inna liczba) na jakich funkcja FB41 będzie wykonywać obliczenia. Do tego standardu naleŝy dostosować zmienność PV (skalowanie w FC1) oraz SP czego wynikiem będzie ten sam zakres sterowania LMN. Po drugie sterowanie (wyjście LMN) obliczone przez funkcję FB41 będące zmienną typu REAL naleŝy zamienić na zmienną typu INT (ewentualnie DINT). Obie te czynności zostaną wykonane w funkcji typu FC, która będzie wywoływana z bloku OB1. Stwórz nową funkcję (Insert New Object->Function) o nazwie FC1, oraz uzupełnij nazwę symboliczną równieŝ jako FC1. Tworzona funkcja nie będzie miała Ŝadnych zmiennych wejściowych i wyjściowych, lecz tylko dwie zmienne podręczne potrzebne do obliczeń. Ponad drabinkami znajduje się okno definiowania zmiennych. Stwórz dwie zmienne typu TEMP ( Interface->TEMP) jak w tabeli 6. Tab.6 Zmienne typu TEMP Następnie wstaw drabinki jak pokazano na rysunku 6. Rys.6 Drabinki funkcji FC1 Zapisz zmiany w bloku FC1 i zamknij edytor. Otwórz blok OB1, dodaj nową drabinkę i z katalogu FC Blocks wybierz stworzoną funkcję FC1. Zapisz zmiany w OB1 i zamknij edytor. 4.5 Badanie charakterystyk statycznych Zmieniając wartość wyjścia regulatora w trybie manual obserwuj na wyświetlaczu pozycjonera rzeczywiste otwarcie zaworu oraz ciśnienie w zbiorniku w stanie ustalonym. Zanotuj wyniki. 7

CV [%] 5 10 15 20 25 35 40 55 60 65 70 75 80 90 100 CVy [%] PV [bar] Tab.7 Charakterystyki statyczne Jaki charakter mają te zaleŝności? Czy zaleŝność PV(CV) jest korzystna ze względów regulacyjnych? 4.7 Dobór algorytmu i nastaw. Testy. Z wykorzystaniem przygotowanej wizualizacji przeprowadź eksperymentalny dobór nastaw regulatora. Parametry pracy układu tj. ciśnienie zasilania i wprowadzane zakłócenia (spust powietrza) naleŝy ustalić z prowadzącym ćwiczenie. Pamiętaj przy doborze algorytmu o występujących opóźnieniach w elemencie wykonawczym. Obliczone wartości nastaw dla regulatorów (P, PI, PID) zgodnie z regułą Zieglera-Nicholsa k kryt = T osc = Regulator P k p= SP[bar] e st [bar] t r [s] Regulator PI k p= T i = Regulator PID k p= T i = T d = Tab.8 Nastawy regulatora i jakość regulacji Działanie którego z algorytmów oceniasz najlepiej? Pytania kontrolne: 1. Co to jest układ automatyki? 2. Narysuj schemat otwartego układu regulacji. 3. Narysuj schemat zamkniętego układu regulacji. 4. Jaka jest podstawowa róŝnica pomiędzy zamkniętym i otwartym układem regulacji? 5. Na czym polega dobór nastaw regułą Zieglera-Nicolsa? 6. Na czym polega identyfikacja obiektu przy pomocy odpowiedzi skokowej? 7. Jaka jest podstawowa zaleta układu z regulatorem PI w porównaniu do układu z regulatorem P? 8. Transmitancje oraz odpowiedzi skokowe podstawowych regulatorów (P, PI, PD, PID) Literatura: [1]. śelazny Marek, Podstawy Automatyki, WPW Warszawa 1973 8