Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Uniwersytet Zielonogórski DIAGNOSTYKA PROCESÓW I SYSTEMÓW Laboratorium nr 3 DIAGNOSTYKA LABORATORYJNEGO PIECA TUNELOWEGO Opracował: mgr inż. Marcel Luzar Cel: Detekcja uszkodzenia czujnika pomiarowego i urządzenia wykonawczego z wykorzystaniem sterownika PLC i środowiska Matlab poprzez serwer OPC Celem podstawowym jest zapoznanie się z podstawowymi metodami diagnostyki uszkodzeń dla rzeczywistego urządzenia (Rys. 1 i 2) i związanymi z tym problemami. 1. Piec tunelowy Model pieca tunelowego służącego do symulacji w warunkach laboratoryjnych pracy rzeczywistych piecy tunelowych, składa się z czterech grzałek, którymi możemy sterować i czterech czujników pomiarowych (rezystancyjne czujniki temperatury RTD) służących do pomiaru temperatury. Opisywane tu rozwiązanie oparte jest na przemysłowych sterowników logicznych PLC i adekwatnego systemu wizualizacji, opartego na panelach operatorskich. 1.1. Realizacja sprzętowa Proponowane rozwiązanie sterowania piecem tunelowym opiera się na wykorzystaniu kontrolerów PACSystems RX3i firmy GE Fanuc Intelligent Platforms. PACSystems RX3i oferuje w kompaktowej obudowie, najwyższy poziom funkcjonalności w połączeniu z szeroką gamą dostępnych modułów wejść/wyjść. RX3i zdecydowanie podnosi wydajność systemu poprzez zastosowaną w nim szybką magistralę opartą na PCI. Dodatkową zaletą jest fakt, iż oprócz nowej, szybkiej magistrali PCI przeznaczonej dla zaawansowanych aplikacji (wymagających wysokich prędkości wymiany danych), system ten posiada też szeregową magistralę, umożliwiającą zastosowanie w jednej kasecie bazowej także standardowych modułów wejść/wyjść sterownika GE Fa-nuc 90-30. Daje to użytkownikom niespotykaną skalowalność systemu, który może być dobierany precyzyjnie do wymagań danej aplikacji. RX3i obsługuje szeroki zakres powszechnie stosowanych standardów złącz dla układów wejść/wyjść i protokołów komunikacyjnych, oferując tym samym łatwość przyłączenia do istniejących w zakładzie urządzeń. System RX3i wyposażony jest w najmocniejszy procesor wśród dostępnych na rynku systemów tej klasy, co w efekcie pozwala uzyskiwać wysoką prędkość przetwarzania danych i podnosi wydajność całego systemu. Ciekawą funkcją jest możliwość wymiany modułów w systemie "na ruchu", bez względu na to czy są to nowe moduły, dedykowane dla RX3i czy też moduły wejść/ wyjść sterownika 90-30. Funkcjonalność ta wpływa pozytywnie na minimalizację czasu przestojów systemu. 1
PACSystems RX3i cechuje: Szybki procesor Celeron (Pentium III) 300 MHz oraz opatentowana technologia wysokowydajnej, bezkolizyjnej wymiany informacji. Dwie magistrale w każdym gnieździe kasety bazowej (szybka, oparta na PCI, wykorzystywana przez nowe zaawansowane moduły wejść/wyjść, wymagające wysokiej wydajności magistrali oraz szeregowa, ułatwiająca rozbudowę systemów opartych na sterownikach 90-30, lub wykorzystanie posiadanych modułów wejść/wyjść sterownika 90-30). 10 MB pamięci, pamięć na przechowywanie w kontrolerze dokumentacji programu sterującego i samych urządzeń (formaty Word, Excel, PDF, CAD, itp.), służącej do celów sprawnego serwisu. Otwartość komunikacyjna poprzez obsługę protokołów Ethernet, Genius, Profibus, DeviceNet i szeregowego. Obsługa wysokiej gęstości modułów wejść/wyjść dyskretnych, analogowych uniwersalnych, analogowych izolowanych, analogowych wysokiej gęstości, szybkich liczników (HSC), analogowych z obsługą protokołu HART oraz modułów sterujących silnikami, rozbudowane szybkie moduły wejść/wyjść posiadające zaawansowaną diagnostykę i konfigurowalne przerwania. Wymiana "na ruchu" nowych modułów wejść/wyjść oraz modułów serii 90-30. Izolowany terminal 24 VDC dla modułów wejść/wyjść oraz listwa uziemienia, redukująca czas przyłączenia przewodów. Oprogramowanie narzędziowe - Proficy Machine Edition z możliwością programowania w różnych językach programowania. Przy czym do podstawowej realizacji sprzętowej potrzebne są moduły wejść i wyjść analogowych. Jako wejścia do odczytu temperatury jest zastosowany moduł IC695ALG600, będący uniwersalnym modułem wejść analogowych umożliwiającym pomiar prądów, napięć, temperatury i oporności. Posiada on rozbudowane możliwości konfiguracyjne, jak np. skalowanie mierzonych wielkości, bity alarmowe, filtrowanie pomiaru, przerwania obsługiwane w przypadku wykrycia alarmu w obwodzie pomiarowym, wykrywanie odpięcia od modułu listwy z okablowaniem. Zastosowanie takiego modułu pozwala na odczyt bezpośrednio z czujników temperatury, co czyni go zarówno dokładniejszym jak i bardziej profesjonalnym. Jako moduł wyjściowy został zastosowany moduł IC695ALG708 (4 wyjścia analogowe prądowo-napięciowe), a sterowanie grzałkami jest realizowane przy wykorzystaniu układu sterowania poprzez grupową regulację napięcia za pomocą przekaźników półprzewodnikowych typu RP6 firmy LUMEL sterowanych sygnałem analogowym z sterownika. 1.2 Wizualizacja pieca tunelowego Wizualizacja pieca tunelowego zrealizowana jest z wykorzystaniem paneli operatorskich Quickpanel CE. Panele Quickpanel CE są najnowszą i najnowocześniejszą rodziną paneli operatorskich w ofercie firmy GE Fanuc Intelligent Platforms. Są to urządzenia wyposażone w: ekran dotykowy (monochromatyczny lub kolorowy, z matrycą STN lub TFT) o przekątnej 6", 12" lub 15", szybkie procesory Intel XScale pamięć RAM o pojemności 16 MB, 32 MB lub 64 MB (z możliwością rozbudowy do 80 MB, 96 MB lub 128 MB), 2
pamięć nieulotną Flash, przeznaczoną do przechowywania aplikacji i danych, system operacyjny Microsoft Windows CE.NET. Sam zaś panel został oprogramowany w module View, jednego z elementów pakietu Proficy Machine Edition, przeznaczonego do wizualizacji poszczególnych maszyn, urządzeń czy też średniej wielkości obiektów. Jest on bardzo użytecznym, a przy tym prostym w obsłudze pakietem HMI, wyposażonym w większość funkcji dostępnych w rozbudowanych systemach SCADA typu InTouch czy Proficy Plant Edition. Umożliwia on między innymi: animowane na wiele sposobów obiekty graficzne, biblioteka gotowych elementów graficznych, umieszczanie gotowych obrazów pochodzących spoza aplikacji, np. zdjęć instalacji, obsługa alarmów - grupowanie, zatwierdzanie, kasowanie, zabezpieczanie aplikacji hasłami, pisanie i uruchamianie skryptów np. do wykonywania cyklicznych obliczeń lub obsługi zdarzeń, wyświetlanie danych w postaci trendów wielopisakowych. 2. Konfiguracja serwera OPC 1. Zanim przystąpisz do konfiguracji serwera OPC, przetestuj komunikację między sterownikiem PLC Ge Fanuc RX3i, który steruje piecem tunelowym. W tym celu: wybierz z menu Start polecenie Uruchom w otwartym oknie wpisz polecenie cmd następnie w oknie komend wpisz ping adres_ip, - ping 192.168.22.100 Jeżeli odpowiedzi z urządzeń dochodzą do stanowiska komputerowego, to oznacza, że komunikacja fizyczna jest poprawnie skonfigurowana. W przeciwnym przypadku, należy sprawdzić: czy przewód sieciowy jest podłączony do odpowiedniej karty sieciowej w komputerze czy ustawione jest nadawanie adresów w trybie DHCP sprawdzić, czy adres sieciowy komputera jest w tej samej sieci co stanowisko PLC (polecenie ipconfig /all) czy przewód sieciowy jest podłączony do odpowiedniego urządzenia na stanowisku PLC czy przewód sieci ISSI jest podłączony do przełącznika Korenix w porcie P5. jeżeli wyżej wymienione metody diagnostyki zawiodą, poinformować prowadzącego zajęcia Dopiero, gdy komunikacja jest nawiązana, można przejść do realizacji kolejnych punktów ćwiczenia. 2. Uruchom z menu Programy -> MatrikonOPC -> Universal Connectivity Server-> MatriconOPC Universal Connectivity Server 3. Aby odczytywać dane za pomocą serwera OPC należy dodać nowy sterownik PLC. W naszym przypadku będzie to sterownik GE Fanuc RX3i, który steruje pracą pieca tunelowego. W tym celu definiujemy nowy PLC (Rys. 3) 3
Rys. 3. Konfiguracja serwera OPC 4. Z dostępnych sterowników PLC wybierz GE PLCs Plug-In (Rys. 4) i nadaj mu nową nazwę, np.:, opis i zatwierdzamy (Rys. 5) Rys. 4. Instalowanie pluginu do obsługi sterowników GE 4
Rys. 5. Nadawanie nowej nazwy serwerowi OPC 5. Teraz należy wybrać rodzaj połączenia ze sterownikiem PLC. W naszym przypadku będziemy komunikować się z nim poprzez sieć Ethernet. Kliknij prawym przyciskiem myszy na nowo utworzony serwer OPC RX3i i wybierz Define New a następnie GE TCP/IP (SRTP) Device Link (Rys. 6) Rys. 6. Wybór sposobu połączenia ze sterownikiem 6. Nadaj mu odpowiednią nazwę i opis zgodny z tym pokazanym na Rys. 7. Jako adres IP podaj adres sterownika, tj. 192.168.22.100. Pozostałe pola pozostaw bez zmian i zatwierdź zmiany 5
Rys. 7. Konfiguracja połączenia ze sterownikem PLC 7. Aby odczytać konkretne zmienne ze sterownika, należy je zdefiniować. Kliknij na ikonę aby utworzyć nowe zmienne 8. Jeżeli skonfigurowałeś poprawnie serwer OPC i jest komunikacja ze sterownikem PLC, powinna być dostępna lista wszystkich zmiennych wymienianych przez serwer OPC i sterownik PLC. Aby dodać nową zmienną, którą chcemy odczytywać ze sterownika wykonaj następujące polecenia: z listy rozwijanej rozwiń drzewo RX3i_Piec->Piec i zaznacz zmienną %AIxxxx[REAL INT DINT SINT UINT USINT] (Rys. 8) w polu Item ID: zamień znaki xxxxx na odpowiednią wartość wejściową, która odpowiada odczytowi temperatury z czujnika nr 1. Będzie to zmienna AI0001. Odczyt danych jest w formacie REAL, także usuń pozostałe typy danych. Końcową wersję edycji zmiennych przedstawia Rys. 9. kliknij na ikonę, aby dodać zmienną po dodaniu będzie miała znak zapytania, aby upewnić się, że dobrze zdefiniowaliśmy nową zmienną kliknij ikonę Validate Items 6
poprawnie skonfigurowana zmienna powinna mieć następujący wygląd: w podobny sposób dodaj pozostałe zmienne, które nas interesują, a są to: AI0003, AI0005, AI0007, AQ0001, AQ0003, AQ0005, AQ0007 Odpowiadają one kolejno za odczyt temperatury (AIxxxx) oraz za zadawanie wartości na grzałki (AQxxxx). W sumie powinno być 8 zmiennych jeżeli dobrze wszystko skonfigurowałeś, a sterownik PLC jest włączony, powinieneś odczytywać wartości ze sterownika (Rys. 10) Rys. 8. Definiowanie nowej zmiennej 7
Rys. 9. Poprawnie zdefiniowana nowa zmienna Rys. 10. Odczyt online wartości ze sterownika 3. Konfiguracja środowiska Matlab/Simulink do komunikacji z serwerem OPC 1. Uruchom Matlaba 2. Upewnij się, że na twoim stanowisku są zainstalowane komponenty do komunikacji z OPC. Jeżeli nie są, wykonaj następujące polecenia: wpisz polecenie opcreset następnie wpisz polecenie opcregister(`install`) gdy pojawi się komunikat, wpisz polecenie Yes 3. Uruchom program Simulink, poprzez wpisanie w linii komend polecenia Simulink 4. Klikając na ikonę utwórz nowy model w Simulinku 5. Z drzewa biblioteki znajdź OPC Toolbox, wybierz blok OPC Configuration (Rys. 11) i umieść go na nowym modelu. Kliknij na nim dwukrotnie 8
Rys. 11. Blok konfiguracji serwera OPC w Simulinku 6. W otwartym oknie wybierz przycisk Configure OPC Clients (Rys. 12) Rys. 12. Konfiguracja bloku OPC Configuration 7. Następnie klikając przycisk Add dodaj nowego klienta OPC. W polu Server: wybierz przycisk Select i odnajdź nazwę naszego serwera OPC, tj Matrikon.OPC.Universal.1 (Rys. 13). Zatwierdź wybór i zamknij okno OPC Client Manager 9
Rys. 13. Wybór serwera OPC 8. Zamknij okno konfiguracji bloku OPC Configuration nie zmieniając pozostałych ustawień 9. Wstaw blok OPC Read na utworzony nowy model i kliknij na nim dwukrotnie celem konfiguracji 10. Kliknij przycisk Add items, aby dodać zmienne, które blok ma odczytywać z OPC serwera 11. Zaznacz wszystkie zmienne AIxxxx i dodaj je do listy po prawej stronie (Rys. 14) Rys. 14. Zmienne do odczytu 10
12. Pozostałe właściwości bloku zmień tak, jak to pokazano na Rys. 15. Rys. 15. Konfiguracja bloku OPC Read 13. Do wyjścia bloku OPC Read podłącz blok oscyloskopu (Scope z biblioteki Sinks). Uruchom symulację i odczytaj wartości z oscyloskopu. Porównaj je z tym odczytanymi przez OPC serwer oraz wyświetlanymi na panelu operatorskim QuickPanel View. 14. Dodaj kolejny blok, tym razem OPC Write. Skonfiguruj go podobnie jak blok OPC Read, z tym że wybierz zmienne AQxxxx. Na wejście bloku podaj sygnały tak, jak to przedstawiono na Rys. 16. Użyte dodatkowe bloki to Constant z biblioteki Sources i Slider Gain z biblioteki Math Operations. W blokach Slider Gain ustaw wartości minimalną na 0 a maksymalną na 10, bo w takim przedziale można zadawać sygnał na grzałki. Rys. 16. Ustawienia bloku OPC Write 11
15. Przetestuj działanie zadawania wartości. Zobacz, czy zmieniają się one na panelu operatorskim. 16. Zapisz cały model (Rys. 17) pod nazwą Piec_OPC_model Rys. 17. Model w Simulinku do odczytu i zapisu danych sterownika 4. Diagnostyka uszkodzeń czujników pomiarowych i urządzeń wykonawczych 1. Do modelu Piec_OPC_model dodaj bloki, które będą pozwalały na zapis wartości odczytywanych w przestrzeni roboczej, a więc bloki To Workspace z biblioteki Sinks. Wpisz odpowiednie nazwy i zmień format zapisywanych danych ze Structure na Array (Rys. 18) 12
Rys. 18. Model Piec_OPC_model przygotowany do zapisywania danych w przestrzeni roboczej 2. Przeprowadź symulację trwającą 30 minut. W tym czasie staraj się, aby nie zakłócić temperatury w okolicach pieca poprzez otwarcie okna itp. Ustaw wartości grzałek na 9 i od razu zacznij pobierać dane. Po 30 minutach zakończ symulację i narysuj wykres zmiany temperatury. 3. Następnie przeprowadź podobny eksperyment, tylko że w czasie od 10 do 13 minuty odłącz czujnik temperatury nr 1 i 4. O pomoc w tym elemencie poproś prowadzącego zajęcia. W 13 minucie podłącz je z powrotem. Pamiętaj, że dane są nadpisywane, dlatego najpierw zapisz w innym miejscu te zebrane w nieuszkodzonym systemie. 4. Podobnie jak to robiłeś na laboratorium nr 2 z danymi z pompy, wykreśl sygnał residuum pomiędzy poszczególnymi czujnikami temperatury z próby, w której nie były uszkodzone i z próby z uszkodzeniem. Narysuj próg decyzyjny obliczając go metodą 3 sigm. 13
5. Podsumowanie Przeprowadzone ćwiczenie pozwala na zapoznanie się z metodą pobierania danych ze sterowników PLC przy pomocy serwera OPC i ich edycji w Simulinku. Dodatkowo uzmysławia ono, że warunki laboratoryjne są nieodporne na czynniki zewnętrzne, co powoduje wprowadzenie dużych szumów w procesie pomiaru, co utrudnia jednoznaczną detekcję uszkodzenia. 6. Sprawozdanie Sprawozdanie należy przygotować w postaci pliku.pdf oraz dołączyć model Simulinka (rozszerzenie *.mdl) oraz niezbędne zmienne potrzebne do jego wykonania. Wszystkie pliki, skompresowane w archiwum WinRar, należy wysłać drogą mailową na adres prowadzącego zajęcia. 1. Przeprowadzić analizę uszkodzenia grzałki nr 2 i 3. Zasymuluj uszkodzenie poprzez fizyczne odłączenie tych dwóch grzałek w dowolnym wybranym przez Ciebie momencie. Określ czy wystąpiło uszkodzenie na podstawie sygnału residuum oraz progu decyzyjnego obliczonego za pomocą reguły 3 sigm 7. Literatura 1. Diagnostyka procesów. Modele, metody sztucznej inteligencji, zastosowania. Red: Korbicz J., Koscielny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W. - Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa, 2002. 2. Koscielny J.M.: Diagnostyka zautomatyzowanych procesów przemysłowych. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2001. 3. Pieczynski A.: Komputerowe systemy diagnostyczne procesów przemysłowych. - Wydawnictwo Politechniki Zielonogórskiej, Zielona Góra, 1999. 4. Pieczynski A.: Reprezentacja wiedzy w diagnostycznych systemach ekspertowych. - Lubuskie Towarzystwo Naukowe, Zielona Góra, 2003. 5. Piegat A.: Modelowanie i sterowanie rozmyte. - Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 1999. 6. Rutkowska D.: Inteligentne systemy obliczeniowe, Algorytmy genetyczne i sieci neuronowe w systemach rozmytych. - Akademicka Oficyna Wydawnicza, Warszawa, 1997 7. Rutkowska D., Pilinski M., Rutkowski L.: Sieci neuronowe, algorytmy genetyczne i zbiory rozmyte, - Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1999. 8. Yager R.R., Filev D.P.: Podstawy modelowania i sterowania rozmytego, - J.Wiley & Sons. Inc. 1994. 14