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 pionowych przy wykorzystaniu sterownika Versa Max 1. Wstęp Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi rodzajami sterowania automatycznego: w układzie otwartym i w układzie zamkniętym oraz doświadczalny dobór nastaw regulatora PID w układzie zamkniętym przy wykorzystaniu sterowników PLC oraz systemu typu SCADA. 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 laboratoryjnego: Na stanowisku laboratoryjnym znajdują się dwa silniki indukcyjne M1 i M2 (zasilane przez przemienniki częstotliwości: U1 i U2). Zadanie silników polega na przemieszczaniu poziomej belki po prowadnicach pionowych. Zamontowane wyłączniki krańcowe GC sygnalizują połoŝenie belki: GC1- górne połoŝenie, GC2 dolne. Na rys. 1 przedstawiono schemat elektro-mechaniczny stanowiska. 1 Opracowanie instrukcji do ćwiczenia : mgr inŝ. Łukasz Tabor 1
Rys. 1 Schemat elektro-mechaniczny stanowiska Dodatkowo na wale obrotowym kaŝdego z silników zamontowano przetwornik obrotowoimpulsowy, który mierzy rzeczywistą prędkość obrotową silników. Stanowi on sygnał sprzęŝenia zwrotnego. Regulacja w realizowana jest przez sterownik programowalny Versa Max (oznaczony na stanowisku jako 1AZ). Porównuje on zadaną wartość prędkości SP z prędkościami rzeczywistymi PV. Na podstawie odchyłek e = SP PV wylicza odpowiednie wartości sterowania, które są wysyłane do przemienników częstotliwości. W sterowniku znajdują się dwa oddzielne bloki PID regulujące niezaleŝnie prędkości obrotowe silników M1 i M2. Przypadku otwartego układu sterowania do przemiennika wysyłana jest bezpośrednio wartość prędkości zadanej Zmiana rodzaju układu sterowania jak i zmiana nastaw dokonywana jest za pomocą aplikacji: Modbus RTU uruchamianej na komputerze PC. 3. Przebieg ćwiczenia: Ćwiczenie obejmuje sterowanie w układzie otwartym i zamkniętym przy wykorzystaniu elementów wykonawczych dostępnych na stanowisku laboratoryjnym. Wykonujący ćwiczenie wyznacza charakterystykę statyczną obiektu oraz dobiera nastawy regulatorów podczas sterowania w układzie zamkniętym. Uruchom gotową aplikację Modbus RTU w programie InTouch. W tym celu wybierz z menu Start\Programy\Wonderware\InTouch. Na ekranie pojawi się okno dialogowe: InTouch Application Manager. Aby uruchomić aplikację dwukrotnie kliknij na jej ikonę Modbus RTU. Przejdź do ekranu Trendy historyczne (rys.2). W tym celu kliknij przycisk: Trendy historyczne w menu na dole okna. 2
1 3 2 Rys. 2 Historyczne przebiegi czasowe parametrów eksploatacyjnych Na ekranie trendów historycznych znajdują się: 1 okno główne trendów, na którym rysowany jest przebieg czasowy, w tym wypadku są to wartości prędkości obrotowej : zadanej SP, bieŝącej silnika pierwszego PV 1,bieŜącej silnika drugiego PV 2. 2 suwaki do przesuwania się wzdłuŝ osi czasu 3 panel sterowania przyciski: Start, Stop słuŝą do uruchamiania i zatrzymywania silników, przyciski: Góra, Dół słuŝą do zmiany kierunku przesuwu belki, suwak i zadajnik liczbowy umoŝliwiają przesłanie zadanej wartości prędkości PoniŜej panelu sterowania znajdują się przyciski: OdświeŜ wykres odświeŝa widok w oknie trendów, Trendy: Odchyłki umoŝliwia wyświetlanie w oknie trendów wartości odchyłek: e 1 = SP PV 1, e 2 = SP PV 2. PID otwiera okno PID pozwalające na zmianę nastaw regulatora PID (P, PI) oraz wybór układu sterowania (zamknięty/otwarty). Aby w oknie trendu historycznego obserwować aktualny przebieg zmiennej wpisz odpowiedni przedział czasu w oknie dialogowym Historical Trend Setup (okno otwierane jest po dwukrotnym kliknięciu w obszarze obiektu: trendy) przedstawionym na rys. 3. Rys. 3 Konfiguracja trendu historycznego 3
3.1 Sterowanie w układzie otwartym, wyznaczenie charakterystyki statycznej Uruchom przesuw belki dla regulatorów pracujących w trybie ręcznym. Na ekranie PID powinien być wyświetlony klawisz z opisem: Manual (rys.4). Rys. 4 Konfiguracja regulatora PID Wciśnij przycisk Start zmieniaj zanotuj PV dla róŝnych wartości wyjściowych regulatorów. CV[%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 PV1[obr/min] PV2[obr/min] Jaki charakter mają zaleŝności PV(CV)? Czy belka prowadzona jest w sposób stabilny? 3.2 Sterowanie w układzie zamkniętym Ustal początkowe nastawy obu regulatorów: Wartość wzmocnienia proporcjonalnego k p 2 = 1 = 100%, Wartość wzmocnienia akcji całkującej k i 3 = 0 (akcja całkująca wyłączona), przy czym k i =k p /T i, gdzie T i stała czasowa akcji całkującej. Pozostaw domyślną wartość okresu próbkowania: T p 4 = 100ms 2 Wartość wzmocnienia proporcjonalnego - określa zmianę sygnału ustawiającego CV odpowiadającą zmianie uchybu o 100 jednostek bezwymiarowych PV. Powodowana przez współczynnik zmiana sygnału nastawiającego będzie wynosić: CV= K Uchyb/ 100. Wartość współczynnika mieści się w zakresie: 0 do 327,67 % 3 Współczynnik wzmocnienia akcji całkującej - określa zmianę sygnału ustawiającego w przypadku stałej wartości uchybu, równej 1 jednostce PV. Powodowana przez współczynnik zmiana sygnału wyjściowego CV będzie wynosić:, CV = K i Uchyb dt gdzie dt oznacza przyrost czasu obliczany poprzez odjęcie od bieŝącego czasu sterownika czasu, który upłynął od momentu ostatniego wykonania algorytmu PID. Najczęściej oznacza czas trwania cyklu sterownika (średnio 50 ms) lub okres próbkowania( dla Tp>50ms). Wartość współczynnika mieści się w zakresie: 0..32767 powtórzeń/s. 4 Odstęp czasowy (podawany w jednostkach 10ms) pomiędzy dwoma kolejnymi wykonaniami bloków funkcyjnych PID. Przyjmuje wartość z zakresu: od 10ms do 10,9 min. p 4
Uruchom przesuw belki w układzie sterowania zamkniętego. Na ekranie PID powinien być wyświetlony klawisz z opisem: Automat (rys.4). Wciśnij przycisk Start i ustaw wartość prędkości zadanej na 100 obr/min. Dobierz odpowiednie wartości nastaw dla regulatorów (P, PI) zgodnie z regułą Zieglera-Nicolsa. Uruchom układ sterowania z nowymi nastawami, najpierw dla regulatora P, a następnie PI. Zoptymalizuj działanie układu poprzez doświadczalne dobranie optymalnych nastaw regulatorów. Układ zamknięty dla k p =1, T i =0 SP[obr/min] PV1 [obr/min] PV2 [obr/min] e1 [obr/min] e2 [obr/min] 100 200 Obliczone wartości nastaw dla regulatorów (P, PI) zgodnie z regułą Zieglera-Nicolsa k kryt = T osc = Regulator P SP[obr/min] PV1 [obr/min] PV2 [obr/min] e1 [obr/min] e2 [obr/min] Regulator PI k i = Parametry odpowiedzi skokowej: k= T= τ= Regulator P SP[obr/min] PV1 [obr/min] PV2 [obr/min] e1 [obr/min] e2 [obr/min] Regulator PI k i = Który z regulatorów powinien zostać uŝyty w układzie? 5
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 6