Metody integracji systemów sterowania z wykorzystaniem standardu OPC (Control Systems Integration using OPC Standard) Autor: Marcin BAJER Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Opiekun pracy: prof. dr hab. inż. Wojciech GREGA
Cel i sposób wykonania pracy Tematem pracy było wykorzystanie standardu OPC do sterowania procesem dynamicznym Proces był zarówno symulowany jak i realizowany w czasie rzeczywistym Celem pracy było zbadanie wpływu interfejsu OPC na dynamikę układu sterowania obiektem dynamicznym Wynikiem było określenie odpowiedniej konfiguracji klienta/serwera OPC w zależności o parametrów sterowanego procesu Praca była wykonana w laboratorium na Karel de Grote Hogeshool Antwerpen w ramach programu Socrates - Erasmus
OPC OLE for Process Control Historia OPC Cele i założenia Standardy OPC Standard OPC OPC DataAccess OPC Alarm&Event OPC Historical Data Access Inne (OPC Batch, OPC XML, OPC SMTP) Unified Architecture Integracja systemów sterowania przy użyciu OPC Poziom linii produkcyjnej (Plant floor) Poziom systemów SCADA (Supervision Contro and Data Acquisition) Poziom sieci korporacyjnej (Enterprise Network) Przed OPC Z użyciem OPC OPC
Etapy eksperymentu: 1. Badanie dynamiki interfejsu OPC Metodyka eksperymentów I. Teoretyczne porównanie jakości sterowania za pomocą klasycznych układów sterowania opartych na PLC oraz sterowania przy pomocy komputera PC z OPC w pętli sterowania Dla każdej badanej konfiguracji opracowano model symulacyjny w środowisku Matlab/Simulink Jako algorytm sterowania wybrano PID Dla każdego przypadku wyliczano optymalne nastawy PID za pomocą metody strojonego modelu II. Weryfikacja przygotowanych modeli W przypadku klasycznego układu sterowania algorytm PID działał bezpośrednio na sterowniku PLC W przypadku sterowania poprzez OPC sterownikiem był algorytm PID działający w Matlab/Simulink W miejsce rzeczywistego procesu użyto dedykowane (analogowe) urządzenie służące do symulowania procesów, w końcowych eksperymentach zastąpiono go kartą przetworników A/C do PC oraz aplikacją w C symulującą obiekt inercyjny 3 rzędu
histogramy
Sterowanie procesem dynamicznym przy użyciu interfejsu OPC gdzie: Algorytm Matlab OPC AI sterowania AO 1..5V Możliwość zastosowania klient Efekty 4..20mA wprowadzane Efekty dużo sieciowe: bardziej przez skomplikowanych OPC: LAG 2TOPC 2TETH 2TPLC TDPS 200ms 200 s 4ms 200ms 400ms algorytmów przetwarzania danych TOPC Sterownik PLC Siemens Czas Czas propagacji pakietu pakietu od serwera po sieci OPC do klienta OPC OPC server T T OPC 100ms 4..20mA T ETH 100 s 250Ω T PLC 2ms T DPS 200ms C/A Zalety Zunifikowany sposób dostępu do danych w układzie rozproszonym Obliczenie opóźnień w pętli sterowania Pozwala na integrację różnych standardów przesyłu danych Odchyłka czasu czasu propagacji sygnału sygnału pomiędzy sieci serwerem (jitters) TPLC TETH TETH - czas odświeżania zmiennej OPC Symulator procesu Symulacja a klientem - czas Zgubione propagacji A/C (jitters) w pakiety sieci oraz konieczność ich retransmisji procesu - czas cyklu PLC Wady - czas przetwarzania symulatora procesu Wprowadza dodatkowe opóźnienia do pętli sterowania, Sterownik które PLC PV sumują się z opóźnieniami wprowadzanymi przez sieć transmisji danych Wpływ wydajności OPC 1..5V 4..20mA 250Ω AI C/A Algorytm sterowania Symulator Procesu Symulacja procesu Matlab OPC klient TOPC TPLC A/C AO 4..20mA CV Klasyczne sterowanie z użyciem PLC T DPS Sterowanie z OPC
I ETAP Symulacja System oparty na sterowaniu przez PLC System oparty na sterowaniu poprzez OPC Repeating Sequence PV_IN SP_INT PID1 LMN Zero-Order Hold1 IN+ IN- IN- OUT Digital Process simulation Zero-Order Hold Repeating Sequence PV_IN SP_INT 0 PID1 LMN Item refresh rate PID cycle1 IN+ OUT Digital Process simulation Server refresh rate PID cycle 0 Constant1 Constant1 Model bloku PID opracowany na podstawie dokumentacji sterownika Siemens S7 Model użytego urządzenia symulującego proces
II ETAP Weryfikacja wyników symulacji Testowane różne konfiguracje serwera/klienta OPC Algorytm sterowania Klient Matlab OPC Klient Matlab OPC Ethernet Ethernet z dodatkowym sztucznym ruchem WiFi AI TPLC >2ms AO 1. Dedykowane urządzenie symulujące proces 2. Karta przetworników A/C i aplikacja w języku C symulująca proces: Sterownik PLC Obiekt stabilny wolnej dynamice Obiekt niestabilny o szybkiej dynamice Karta przetworników A/C C/A Symulacja procesu A/C T DAPIO < 1 ms
Sterowanie procesem niestabilnym o wysokiej dynamice 1 () sg ( s 5.01.0)(12.0)( s s )1 120 120 100 100 80 80 - Transmitancja sterowanego procesu Porównanie wyników symulacji i sterowania rzeczywistego Item refresh time=100ms,sync device read,async write Wpływ natężenia sieciowego na jakość sterowania Item refresh time=100ms,sync device read,sync write Simulation Matlab PID Without Matlab traffic PID Small SP traffic Huge traffic SP Jakość sterowania MATLAB PID - 4175.00 Sterowanie bez ruchu sieciowego Jakość sterowania symulacja - 4196.60-4139.20 Sterowanie z ruch sieciowy natężeniem ruchu sieciowego - 4176.80 CV, SP [%] CV, SP [%] 60 60 40 40 20 20 0 0-20 -20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time [s] -40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Wnioski Technologia OPC może być łatwo użyta do rozproszonego sterowania i akwizycji danych poprzez sieć Ethernet, Wpływ OPC na dynamikę systemu sterowania: Rzeczywisty system sterowania z OPC w pętli sterowania może być bardzo dokładnie symulowany, Wyznaczono doświadczalnie najlepsze ustawienia serwera OPC w zależności od wymagań systemu, Eksperymenty wykazały, że w normalnych warunkach użycie OPC do sterowania poprzez WiFi daje podobne rezultaty jak w przypadku użycia połączenia Ethernet, Udało się z powodzeniem zastosować algorytm predyktora Smith a w celu niwelacji opóźnień wprowadzanych przez OPC i sieć transmisji danych, OPC umożliwia łatwą akwizycje danych procesowych w systemie Windows (Excel, Word) Użycie OPC w systemach innych niż Windows jest utrudnione, ale podczas eksperymentów udało się połączyć aplikacje symulującą proces w QNX ze sterownikiem PLC.
Dziękujemy za uwagę