- laboratorium Ćwiczenie PA10 Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX Instrukcja laboratoryjna Opracował : mgr inŝ. Łukasz Tabor Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warszawa 2009
Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX 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 VERSA MAX firmy GE Fanuc oraz systemu SCADA firmy Wonderware InTouch. 1. WPROWADZENIE 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 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. Rys. 1 Schemat elektro-mechaniczny stanowiska 2
Dodatkowo na wale obrotowym kaŝdego z silników zamontowano przetwornik obrotowo-impulsowy, 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. DOŚWIADCZALNY DOBÓR NASTAW REGULATORA PID Metodologię postępowania podczas doświadczalnego doboru nastaw studenci poznali na wykładzie. Umieszczono tu jedynie wzory wykorzystywane w ćwiczeniu. Metoda Zieglera-Nicholsa k r T i T d P 0.5k kr - - PI 0.45k kr 0.85T osc - PID 0.6k kr 0.5T osc 0.12T osc Tab.1. Nastawy regulatora wg. reguły Zieglera-Nicholsa. Rodzaj przebiegu przejściowego χ=0%,min t r χ=0%,min t r Rodzaj regulatora k r k ob τ/t T i /τ T d /τ P 0.3 - - PI 0.6 0.8+0.5T/τ - PID 0.95 2.4 0.4 P 0.7 - - PI 0.7 1+0.3T/τ - PID 1.2 2 0.4 Tab.2. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej. 3
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA 4.1 Środowisko programowe Po uruchomieniu programu InTouch, w oknie wyboru aplikacji naleŝy uruchomić wcześniej przygotowaną wizualizację klikając dwukrotnie na Modbus_RTU. Rys.2. Okno wyboru aplikacji Po ukazaniu się listy okien do wyboru naleŝy wybrać pid oraz trendy_biezace, kliknąć OK i uruchomić aplikację przechodząc w tryb RUNTIME. 4
Rys.3. Wybór okien wizualizacji UkaŜe się panel sterowania regulatora oraz wykres trendów bieŝących. MoŜna z tego poziomu zmieniać reŝim regulatorów, nastawy punkt pracy, kierunek ruchu itp. Wyświetlana jest takŝe aktualna wartość prędkości silników. Po kliknięciu na wykres moŝna wybrać wyświetlane sygnały a takŝe inne parametry trendu jak czas odświeŝania, grubość linii, zakresy itp. Po kliknięciu przycisku Trendy historyczne moŝliwy jest podgląd przeszłych przebiegów. 5
Rys.4. Widok trendów bieŝących. Rys.5. Widok trendów historycznych. Poruszać się po wykresie moŝna przy pomocy strzałek i przycisków Zoom In i Zoom Out bądź po kliknięciu na obszarze wykresu przez wybór punktu początkowego i długości okna. MoŜliwy jest takŝe eksport widocznych przebiegów do pliku csv. 6
4.2. Badanie charakterystyk statycznych Wciśnij przycisk Start zmieniaj wartość wyjścia regulatora (CV jest to jednocześnie wartość wejściowa falowników) w trybie manual. Zanotuj prędkości obrotowe (PV) dla róŝnych wartości wyjściowych regulatorów. CV[obr/min] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 PV1[obr/min ] PV2[obr/min ] Tab.3. Charakrerystyki statyczne 4.3. Wyznaczanie nastaw regulatora metodą Zieglera-Nicholsa Dla SP = 150 obr/min z wykorzystaniem przygotowanej wizualizacji przeprowadź eksperymentalny dobór nastaw regulatora wg. Reguły Zieglera-Nicholsa. Wzmocnienie krytyczne i czas oscylacji wyznacz w punkcie największego wzmocnienia dynamicznego obiektu. UWAGA! Pomimo Ŝe oba silniki mają takie same teoretyczne parametry, w rzeczywistości mamy tu do czynienia z dwoma róŝnymi obiektami oraz niezaleŝnymi układami regulacji. Z tego powodu wyznaczone parametry mogą się róŝnić dla kazdego regulatora. Ponadto z czasem w wyniki róŝnej jakości regulacji dla kaŝdego silnika połoŝenie belki moŝe coraz bardziej odbiegaŝ od poziomego co grozi wypadnięciem z prowadnic lub zaklinowaniem. Aby temu zapobiec naleŝy co jakiś czas przechodzić na ręczne sterowanie silnikami oddzielnie z poziomu panelów falowników dostępnych na stanowisku w celu wypoziomowania. M1 M2 K kr T osc [s ] Wyznaczone nastawy regulatorów: PID1 PID2 regulator K p 1 K i T d K p K i T d P - - - - PI - - PID Tab.4. Nastawy regulatora wg. reguły Zieglera-Nicholsa 1 k i =k p /T i 7
4.4. Wyznaczanie nastaw regulatora metodą tablicową Z wykorzystaniem przygotowanej wizualizacji przeprowadź identyfikację obiektu. Skok na wejściu obiektu zadaj zmieniając CV z 0 na 100 oraz z 0 na 200 obr/min. Czy wyznaczone parametry róŝnią się ze sobą? Transmitancja zastępcza dla skoku 0-100 : regulator K T i T d P - - PI - PID Tab.5. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej skok 0-100. Transmitancja zastępcza dla skoku 0-200 : regulator K T i T d P - - PI - PID Tab.6. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej skok 0-200. 4.5. Badanie zamkniętego układu regulacji Po wyznaczeniu nastaw (uwaga na jednostki!) i konsultacji z prowadzącym przeprowadź test działania układu dla zmian SP: a) z 0 na 10% PVmax b) z 0 na 30% PVmax c) z 30 na 50% PVmax PVmax maksymalna moŝliwa do ustawienia wartość SP. Zanotuj czas regulacji oraz odchyłkę statyczną. Skopiuj otrzymane przebiegi przy pomocy zrzutu ekranu bądź przez eksport do pliku csv. M1 regulator wariant e st [bar] t r [s] e st [bar] t r [s] P a) b) c) 8 M2
PI PID a) b) c) a) b) c) Tab.7. Wskaźniki jakości przebiegów regulacji 5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA W sprawozdaniu z ćwiczenia naleŝy zamieścić: Charakterystyki statyczne o PV1(CV) o PV2(CV) K kr,t osc oraz wyznaczone nastawy dla metody Zieglera-Nicholsa Transmitancję zastępczą obiektu oraz wyznaczone nastawy dla metody tablicowej Parametry odpowiedzi oraz przebiegi ilustrujące działanie regulatorów Odpowiedzi na pytania: o Jaki charakter mają charakterystyki PV(CV)? o Czy są one korzystne dla celów regulacji? o Który regulator naleŝałoby zastosować w układzie? o Jak oceniasz dokładność wyznaczenia nastaw regulatorów w obu metodach dla tego obiektu? o Czy dla wszystkich wariantów układ był stabilny? JeŜeli nie to jakie mogą być powody takiego stanu? 6. PRZYKŁADOWE PYTANIA KONTROLNE I. Transmitancja regulatorów: P, PI, PD idealny, PD rzeczywisty, PID idealny, PID rzeczywisty II. Narysować odpowiedź ww. regulatorów na: III. a) zakłócenie skokowe e = 1(t) * e st b) zakłócenie liniowo narastające e = a * t Na odpowiedziach zaznaczyć nastawy regulatorów. Narysować odpowiedź regulatora o transmitancji G(s) = 2[1+1/(2s)] na sygnał: 9
IV. Na czym polega dobór nastaw regulatora PID metodą Zieglera-Nicholsa (rysunek + opis) V. Na czym polega dobór nastaw regulatora PID metodą tablicową obiekt statyczny, identyfikacja metodą odpowiedzi skokowej (rysunek + opis) 6. LITERATURA [1]. śelazny Marek, Podstawy Automatyki, WPW Warszawa 1973 10