Controlul Instalatiei Quanser “two Tank Module” Folosind Sistemul 1768 Compactlogix
Controlul instalației Quanser “Two Tank Module” folosind sistemul 1768 CompactLogix
CUPRINSUL
INTRODUCERE
Scopul
1 AUTOMATE PROGRAMABILE
1.1 Generalități
1.2 Scurt istoric
1.3 Avantajele și dezavantajele automatelor programabile
1.4 Tipuri de automate programabile
1.5 Configurația hardware
1.5.1 Unitatea centrală
1.5.2 Memoria
1.5.3 Module de intrare/ieșire
1.6 Limbaje de programare
1.6.1 Programarea în limbaje de nivel înalt
1.6.2 Metoda instrucțiunilor folosind diagrame de stări
1.6.3 Limbajul Grafcet
1.6.4 Metoda diagramelor Ladder
1.7 Concluzii
2. SISTEMUL 1768 COMPACTLOGIX
2.1 Dispozitivele din familia 1769 CompactLogix
2.2 Modulele dispozitivului 1769 CompactLogix
2.2.1 Specificații tehnice
2.2.2 Modulele de intrare/ieșire pentru dispozitivul 1769 CompactLogix
2.2.3 Modulul cu intrări digitale
2.2.4 Modulul cu ieșiri digitale
2.3 Sursa de alimentare 1606-XL240E
2.3.1 Specificații tehnice
2.4 Switch RS20
2.5 PanelView Plus 1000
2.6 Monitorul VersaView 1950M
2.7 Unitatea centrală 750R
2.8 Software utilizat
2.8.1 RSLogix 5000
2.8.2 RSLinx
2.8.3 FactoryTalk View
3. SISTEME NUMERICE DE REGLARE AUTOMATĂ (SNRA
3.1 Reprezentarea sistemică a SNRA
3.2 Convertorul analog-numeric
3.3 Convertorul numeric-analogic
3.4 Implementarea si analiza unui sistem pur discret de ordinal întâi
3.4.1 Abordarea analitica
3.5 Descrierea intrare-iesire a sistemelor liniare pur discrete în timp (SLITD
3.5.1 Relația intrare-ieșire a SLITD monovariabile
3.5.2 Exemplu: SLITD impropriu de ordinul întâi
3.5.3 Exemplu: SLITD propriu de ordinul doi
3.6 Discretizarea sistemelor continue
3.6.1 Formularea problemei de discretizare
3.6.2 Metode directe de discretizare
3.6.2.1 Principiul metodelor directe de discretizare
3.6.2.2 Caracteristicile relațiilor de substituție pentru procesul de discretizare
3.6.2.3 Discretizarea sistemelor folosind aproximarea operatorului de derivare prin diferență înapoi (BD
3.6.2.4 Discretizarea sistemelor folosind aproximarea operatorului de derivare prin diferență înainte (FD
3.6.2.5 Discretizarea sistemelor folosind substituția Tustin (TU
3.6.3 Metode de discretizare bazate pe asigurarea comportării exacte pentru un tip dat de semnale de intrare
3.6.3.1 Formularea problemei
3.6.3.2 Discretizarea prin răspuns echivalent la intrare impuls
3.6.3.3 Discretizarea prin răspuns echivalent la intrare treaptă unitate
3.6.3.4 Discretizarea prin răspuns echivalent la intrare rampă unitate
3.6.4 Modele discrete pentru legile de reglare de tip PID
3.6.4.1 Formularea problemei de discretizare
3.6.5 Modele discrete pentru legea PID-real
4. PREZENTAREA INSTALAȚEI QUANSER CU DOUĂ REZERVOARE
4.1 Prezentarea rezervoarelor cuplate
4.1.1 Descrierea sistemului
4.1.2 Tipuri de configurații
4.2 Date tehnice
4.2.1 Componente
4.2.2 Descrierea componentelor
4.3 Parametri modelului
4.4 Elemente de ansamblu
4.5 Calibrarea senzorului de nivel
4.5.1 Procedura de calibrare
4.6 Modelarea matematică a instalației
4.7 Legea de reglare utilizată
4.7.1 Legea de reglare PI
4.7.2 Acordarea regulatoarelor PI
4.7.2.1 Acordarea regulatoarelor PI cu timp continuu cu metoda alocării polilor
4.7.2.2 Acordarea regulatoarelor PI cu timp discret cu metoda alocării polilor
5. CONCLUZII
6. BIBLIOGRAFIE
7 REFERINȚE WEB
LISTA FIGURILOR
Figura 1.1 Structura hardware a unui automat programabil……………………………………..…6
Figura 2.1 Dispozitive și Module de intrare/ieșire din familia 1769 CompactLogix…………….12
Figura 2.2 Modul de intrare/ieșire…………………………………………………………………14
Figura 2.3 Ieșiri IF4XOF2 pentru dispozitivul 1769……………………………………………………………..15
Figura 2.4 1769-IF4XOF2 Intrări diferențiale………………………………………………………………………15
Figura 2.5 Conectarea unui senzor la modulul 1769-IF4X02F2……………………………………………..16
Figura 2.6 Achiziționare de diverse semnale……………………………………………………………………….16
Figura 2.7 Modul cu intrări digitale………………………………………………………………19
Figura 2.8 Diagrama circuitului de ieșire simplificat…………………………………………………………….20
Figura 2.9 Schemă tehnică-1769-OB16P…………………………………………………………………………….20
Figura 2.10 Switch RS20…………………………………………………………….……………25
Figura 2.11 PanelView Plus………………………………………………………………………27
Figura2.12 Monitor VersaView 1950M…………………………………………………………..28
Figura 2.13 Conectare USB periferice…………………………………………………………….29
Figura 2.14 VersaView 750R – Panou frontal……………………………………………………31
Figura 2.15 VersaView 750R Panou din spate……………………………………………………32
Figura 3.1 Sistem numeric de reglare automata…………………………………………………..38
Figura 3.2 Simbolul fizic al esantionării………………………………………………………….39
Figura 3.3 CAN-Schema bloc…………………………………………………………………….39
Figura 3.4a Grupul eșantionare-reținere…………………………………………………………..40
Figura 3.4b Simbol fizic pentru esantionare-reținere……………………………………………..40
Figura 3.4c Simbol fizic pentru extrapolatorul de ordin zero…………………………………….40
Figura 3.5 Procesul de discretizare………………………………………………………………..43
Figura 3.6 Substituția Tustin………………………………………………………………………47
Figura 4.1 Instalația Quanser cu două rezervoare…………………………………………………52
Figura 4.2 Configurația 1…………………………………………………………………………53
Figura 4.3 Configurația 2…………………………………………………………………………53
Figura 4.4 Configurația 3…………………………………………………………………………54
Figura 4.5 Configurația 4…………………………………………………………………………54
Figura 4.6 Instalația Quanser,date tehnice………………………………………………………..55
Figura 4.7 Instalatia Quanser,identificarea elementelor…………………………………………..56
Figura 4.8 5-PIN-DIN la RCA……………………………………………………………………58
Figura 4.9 6-PIN-DIN la 6-PIN DIN…………………………………………….………………..59
Figura 4.10 6-PIN-DIN cu 4xRCA…………………………………………………………….…59
Figura 4.11 4 PIN-DIN la 6-PIN-DIN…………………………………………………………….59
Figura 4.12 Modul de alimentare universal 1503…………………………………………………60
Figura 4.13 Schemă UPM 1503…………………………………………………………………..61
Figura 4.14 Reglarea unui proces de ordin I cu un regulator PI cu timp continuu……………….65
Figura 4.15 Reglare unui proces de ordinul I cu regulator PI cu timp discret……………………66
LISTA TABELELOR
Tabelul 2.1 Specificații tehnice – 1769-IF4XOF2………………………………………………………………………17
Tabelul 2.2 Specificațiile intrării – 1769-IF4XOF2…………………………………………………………………….17
Tabelul 2.3 Specificațiile ieșirii – 1769-IF4XOF2………………………………………………………………………18
Tabelul 2.4 Specificații tehnice 1769-IQ16F……………………………………………………………………………..19
Tabelul 2.5 Specificații tehnice 1769-OB16P…………………………………………………………………………….21
Tabelul 2.6 Intrarea sursei de alimentare………………………………………………………………22
Tabelul 2.7 Eficiența si fiabilitatea sursei de alimentare………………………………………………22
Tabelul 2.8 Startul și comportarea supraîncărcării sursei de alimentare………………………………23
Tabelul 2.9 Iesirea sursei de alimentare……………………………………………………………….23
Tabelul 2.10 Specificații tehnice Monitor VersaView 1950M………………………………………..28
Tabelul 2.11 Specificații tehnice………………………………………………………………………30
Tabelul 2.12 Specificații tehnice Versa View 750R…………………………………………………..31
Tabelul 2.13 Specificații tehnice VersaView 750R Panou din spate………………………………….32
Tabelul 4.1 Parametri modelului………………………………………………………………………57
Tabelul 4.2 Detaliile pentru configurații………………………………………………………………58
INTRODUCERE
Scopul
Această lucrare propune prezentarea unui sistem de control bazat pe un automat programabil aplicat unui sistem Quanser din dotarea Facultății de Automatică.
Vom utiliza cele patru configurații, și anume în prima configurație vom realiza o reglare de nivel în primul rezervor, mai exact rezervorul de sus al instalației, în a doua configurație vom realiza o reglare de nivel în rezervorul doi, mai exact rezervorul de jos al instalației, în cea de-a treia configurație se va face o reglare tot în rezervorul doi, iar în configurația patru se va conecta și a doua instalație .
Pentru realizarea reglărilor de nivel în cele patru configurații este necesară efectuarea unui program în RSLogix 5000 ce va cuprinde pe lângă diagrama Ladder, subrutine în care se vor implementa legea de reglare discretizată și parametri aferenți. Programul se descarcă în memoria automatului programabil, care este conectat cu instalația Quanser prin intermediul unui UPM (Universal Power Module) astfel : senzorii de presiune ai instalației sunt conectați la UPM, iar de aici la intrările analogice ale modulului automatului programabil ; pompa de umplere a instalației este și ea conectată la UPM și de aici la ieșirile modulului analogic.
Pentru îndeplinirea în totalitate a scopului, și anume controlul instalației Quanser cu două rezervoare cu sistemul 1768 CompactLogix, avem nevoie de o interfață. Această interfață o vom realiza prin intermediul software-ului FactoryTalk View, software ce pune la dispoziție instrumente ce permit realizarea ei, astfel încât să sugereze cât mai exact procesul. Cu ajutorul instrumentelor existente în software-ul FactoryTalk View, putem realiza în interfață butoane de comutare, diferite tipuri de instrumente de afișare, display-uri ce ne permit vizualizarea variabilelor cât mai exact și multe altele. Această interfață este descărcată în panoul de monitorizare și control PanelView 1000.
Toate acestea duc la îndeplinirea scopului propus și anume controlul instalației Quanser cu două rezevoare.
1 Automate programabile
1.1 Generalități
În lumea competitivă de astăzi, dacă o companie doreste să supravietuiască, trebuie să fie eficientă, să aibă costuri reduse si să fie flexibilă în procesul de productie.
Acest lucru a facut ca în industrie să fie o cerere crescândă de sisteme de control industrial, pentru
a se obține economii, pentru ca procesele de producție să devină eficiente din punct de vedere al vitezei, al fiabilității si al adaptabilității.
Sistemele de control, incluzând aici:
• sistemele bazate pe relee,
• sistemele cu logică cablată și
• sistemele de calcul, pot furniza un control eficient al proceselor industriale.
Totuți, fiecare dintre sistemele menționate anterior are limitări sau dezavantaje care deseori pot fi depășite prin utilizarea automatelor programabile.
Un automat programabil a fost definit de Capiel (în1982) ca fiind: "un sistem electronic operând digital, proiectat pentru utilizarea în mediul industrial, care utilizează o memorie programabilă pentru memorarea internă de instrucțiuni pentru implementarea unor funcții specific precum funcții logice, secvențiale, temporizări, contorizări ți funcții aritmetice, pentru a controla, prin intermediul modulelor de intrare/ieșire digitale sau analogice, diverse tipuri de mașini și procese".
1.2 Scurt istoric
Automatele programabile și-au început dezvoltarea în anii '70 și au fost utilizate în principal în industria auto, unde au înlocuit panourile de comandă cu multe relee.Avantajele oferite de automatele programabile în acea perioadă au fost capabile să furnizeze controlul cerut, ocupau mult mai puțin spațiu decât echivalentul lor cu relee , au fost de asemenea mult mai fiabile în funcționare pe perioade de timp lungi, mult mai important, automatele programabile au fost extrem de flexibile din punct de vedere al modificării programului de control. Astfel a fost posibilă modificarea programului de control, fară a trebui să se deconecteze nici un fir. A fost necesară doar schimbarea programului rezident în memorie, utilizând o mică tastatură sau o consolă atașată la automatul programabil.
Dezvoltarea automatelor programabile a cunoscut o amploare foarte mare, vânzarea de automate programabile crescând foarte mult, la fel si numărul de producători de automate programabile.
Exemple de producători:
• Allan Bradley Co.,
• General Electric Fanuc,
• GEC,
• Gold Ltd,
• Klockner Moeller,
• Mitsubishi Electric Ltd,
• Festo,
• Saab,
• Saat-Control,
• Siemens Ltd,
• Square D,
• Texas Instruments,
• Telemechanique,
• Toshiba,
• Westinghouse,
• Automatica SA etc.
Rata înaltă de crestere a aplicațiilor conduse de automate programabile în industrie a încurajat producatorii să dezvolte familii întregi de sisteme bazate pe microprocesoare având diverse nivele de performanță. Domeniul de automate programabile, disponibile azi, se extinde de la sisteme mici, cu 20 de intrări/ieșiri digitale și 500 de cuvinte instrucțiune, până la sisteme modulare sofisticate, cu un sortiment de module funcționale pentru sarcini precum:
• comunicații,
• intrări/ieșiri analogice,
• control PID.
Această abordare modulară permite extinderea sau modernizarea (upgrade) sistemului de conducere cu minim de costuri si perturbări ale procesului condus.
Locul automatelor programabile in sistemele de fabricație
Controlul unui utilaj sau proces de fabricație se poate face in funcție de timp, adică starea lui se modifică după evoluția procesului tehnologic desfașurat și de asemenea după evenimente, adică starea lui se modifică in funcție de istoricul evoluției sistemului. Diversele combinații posibile de stări sunt imprevizibile dar o dată state, evoluția sistemului este una singură (sistem determinist).
Trecerea sistemului într-o altă stare se va face in funcție de combinația elementelor anterioare, la un moment dat ,in mod discret (sisteme cu evenimente discrete DES).
Deciziile legate de evoluția sistemului aflat intr-o anumită stare sunt luate de sistemul de control (PLC).
1.3 Avantajele si dezavantajele automatelor programabile
Avantajele lucrului cu automatele programabile sunt urmatoarele:
• flexibilitate : in trecut era nevoie pentru fiecare dispozitiv care trebuia controlat de un automat care să-l conducă. Prin intermediul automatelor programabile este posibilă conducerea concomitentă a mai
multor dispozitive folosind un singur automat programabil. Fiecare dispozitiv va avea programul sau care va rula pe automatul programabil;
• implementarea schimbărilor și corecția erorilor: prin intermediul unei conduceri realizată in logică cablată era nevoie de timp in cazul unei schimbări sau in corecția unei erori. Prin utilizarea automatelor
programabile aceste schimbări sau corecții pot fi efectuate foarte usor in program;
• cost redus: la acest cost s-a ajuns in decursul timpului și astfel poate fi achiziționat un automat cu numeroase timere, numaratoare si alte funcții pentru sume pornind de la cateva sute de dolari;
• posibilități de testare: programul poate fi rulat și evaluat inainte de a fi instalat pe automat pentru a realiza conducerea dispozitivului.
Astfel, pot fi evaluate cu costuri foarte mici erorile care apar precum și posibilitățile de îmbunătățire a programului;
• viteza de operare: este un alt avantaj. Viteza de operare este dependentă de timpul de scanare al intrărilor, timp care în prezent este de domeniul milisecundelor;
• modul de programare: prin introducerea diagramelor ladder respectiv a metodei booleeene de programare a fost facilitat accesul la mediul de programare și pentru cei care nu au cunostințe deosebite in domeniul programării;
• documentarea: este posibilă o foarte bună documentare a programelor prin inserarea de comentarii in spatiile alocate acestora facilitând astfel continuarea și depanarea acestora de către alți programatori;
• securitatea: este mărită datorită modului de lucru cu procesul;
Dintre dezavantajele lucrului cu automate programabile putem menționa:
• aplicații ‘fixe’: unele aplicații nu au nevoie de automat programabil datorită gradului foarte mic de complexitate neexistând astfel necesitatea achiziționării unui automat programabil relativ sofisticat;
• probleme de mediu: in unele medii există temperaturi ridicate sau alte condiții care pot duce la deteriorarea automatelor programabile astfel că acestea sunt greu sau chiar imposibil de utilizat;
• funcționare ‘fixă’: dacă nu apar schimbări in cadrul procesului de multe ori folosirea automatului poate fi mai costisitoare;
1.4 Tipuri de automate programabile
Categoria de automat programabil se bazează pe eliminarea în cât mai mare masură a structurilor logice cablate și pe înlocuirea acestora cu structuri logice standard programabile cum ar fi:
• memorii,
• rețele logice programabile,
• secvențiatoare logice programabile,
• microprocesoare și
• circuite specializate programabile.
Metodele specifice de descriere a comportării automatelor programabile rămân metodele organigramei de stări (ASM), metoda Grafcet, respectiv metoda Ladder.
Clasificarea automatelor programabile se poate face după două criterii de bază:
• principiul de functionare al secvențiatorului
• suportul fizic al acestuia.
După primul criteriu, automatele programabile se pot clasifica în două categorii:
•automate programabile la nivel de instrucțiune;
•automate programbile algoritmice.
Automatele programabile din prima categorie se aseamănă cu structurile de tip calculator de proces, prin aceea că individualizează un ciclu instrucțiune, în care fazele de extragere a instrucțiunii și de execuție a acesteia sunt marcate de un ceas specific sistemului, iar transferurile de date se execută sincron.
În funcție de dimensiunea unităților aritmetico-logice și deci a magistralelor de date se disting:
•automate programabile cu prelucrare de bit sau scalare, pentru care magistrala de date are capacitatea de 1 bit, iar prelucrările (în principal logice) se efectuează asupra unor operanzi binari de 1 bit.
•automate programabile cu prelucrare de cuvânt sau vectoriale, care extind gama de prelucrări la calcule aritmetice asupra unor operanzi de 8, 16 sau 32 de biti.
•automate programabile mixte (sau biprocesor), care contin două unități aritmetico-logice ce pot lucra respectiv asupra unor operanzi de 1 bit sau asupra unor operanzi de 8, 16 sau 32 de biti.
Din a doua categorie (a automatelor programabile algoritmice) fac parte automatele programabile la care generarea noii stări se execută printr-un ciclu de acces direct la o memorie în care sunt codificate explicit tranzițiile de stare.
În funcție de nivelurile de programare, se pot distinge două tipuri de automate programabile algoritmice:
• cu un singur nivel de programare,
• cu două niveluri de programare.
Referitor la suportul fizic de implementare a secvențiatorului cât si a unității aritmetico-logice, se pot distinge:
•automate programabile cu microprocesor;
•automate programabile realizate cu componente discrete.
1.5 Configurația hardware
Configurarea hardware presupune alegerea PLC-ului, a sursei de alimentare, elementelor care activează intrarile precum și a elementelor prin care se corectează procesul: actuatori electromecanici, electromagneți, contactoare, relee sau elemente care semnalizează starea procesului, semnalizatoare luminoase sau acustice.
Partea principală a arhitecturii unui automat programabil este procesorul, de regulă de frecvență de tact mai mică decat cea folosită la calculatoare.
Din punct de vedere al configurației un automat programabil diferă ca număr de componente de la un dispozitiv la altul dar elementele care se regasesc in general sunt urmatoarele:
• unitatea centrală : reprezintă partea cea mai importantă a automatului programabil si este compusă din 3 parți importante: procesor, memorie și sursă de alimentare. Prin intermediul acesteia se realizează practic conducerea intregului proces;
• unitatea de programare: la ora actuală este reprezentată în multe cazuri de către un calculator prin intermediul caruia pot fi scrise programe care apoi sunt incărcate pe unitatea centrală și rulate. In
cazul in care se doreste o unitate mai ușor de manevrat sunt puse la dispoziția programatorilor (de către majoritatea firmelor) console (sisteme de gen laptop) prin intermediul cărora pot fi scrise programe pentru automate;
• modulele de intrare/ieșire: permit interconectarea cu procesul primind sau transmițând semnale către acesta. Acestea pot fi cuplate direct cu unitatea centrală sau prin control la distanță (daca este cazul
pentru un anumit proces);
• șina: dispozitivul pe care sunt montate unitatea centrală, modulele de intrare/ieșire și alte module funcționale adiționale (daca este cazul).
1.5.1 Unitatea centrală
La automatele programabile mici, unitatea centrală (cu partile ei) și module de intrare/ieșire se gasesc într-o singură carcasă aparând ca o unitate compactă. În cazul automatelor mai mari doar procesorul și memoria se gasesc in aceiași unitate, sursa de alimentare și modulele de intrare/ieșire formând entităși separate. Procesorul reprezintă “creierul” fiecarui calculator și “știe” ce are de facut prin intermediul unor programe. Caracteristicile care ne spun cele mai multe lucruri despre un microprocessor sunt viteza (cu ajutorul careia ne putem da seama cât de rapid execută instrucțiuni) și mărimea datelor care sunt manipulate (8, 16, 32 de biți). Pe baza acestor date pot fi clasificate și microprocesoarele care sunt componente ale unității centrale. Astfel:
• in cazul automatelor mici acestea au viteze in jur de 4 MHz și sunt pe 8 biți;
• in cazul automatelor medii viteza ajunge la 10 MHz și sunt pe 16 biți;
• in cazul automatelor complexe viteza e in jur de 50 Mhz și sunt pe 32 de biți.
1.5.2 Memoria
Memoria poate fi împarțită și ea in doua entități: memoria fixă si cea volatilă. Cea fixă este memoria care este înscrisă de catre producatorul automatului în timp ce memoria volatilă este cea în care sunt înscrise programele utilizatorului. Tipurile de memorie fixă și volatile care pot fi întalnite în cazul automatelor programabile sunt urmatoarele: ROM, RAM, PROM, EPROM, EEPROM și NOVRAM. Este evident că dependent de marimea memoriei pot fi conduse procese mai complexe sau mai simple.
Blocurile în care este împărțită în mod obisnuit o memorie sunt:
• memoria utilizator: destinată programelor scrise de către utilizator;
• imaginea intrărilor procesului : memorează datele care vin din proces;
• imaginea ieșirilor procesului: memorează datele care pleacă spre proces;
• starea timerelor;
• starea numărătoarelor;
• date numerice;
• alte funcții.
Sursa de alimentare generează 5V curent continuu pentru a asigura funcționarea automatului și are o schemă obișnuită în astfel de cazuri din punct de vedere constructiv.
1.5.3 Modulele de intrare/ieșire
Un modul de intrare/ieșire are 4, 8, 12,16 sau 32 de canale. In cazul canalelor de intrare semnalele sunt primate de la butoane, senzori în timp ce in cazul celor de ieșire acestea sunt trimise către diverse elemente de execuție. Semnalele care intră sau care ies sunt semnalate printr-o scanare la fiecare apelare a programului ciclu care rulează pe automatul programabil.
Modulul de porturi intrare/ieșire este interfațat cu sistemul controlat.Semnalele de intrare si de ieșire sunt de următoarele tipuri:
-semnale TTL de 5V DC
-semnale de 24V DC
-semnale 100/220V DC
Toate semnalele de intrare uneori de ieșire sunt izolate galvanic de procesorul automatului programabil prin optocuploare. Fiecare port intrare/ieșire are o adresă de memorie rezervată, permițând in acest fel monitorizarea tuturor porturilor de intrare/ieșire în mod circular continuu.
Figura 1.1 Structura hardware a unui automat programabil
1.6 Limbaje de programare
Pentru programarea automatelor programabile există doua modalități importante:
1. Programarea în limbaje de nivel înalt (C, Pascal);
2. Programarea utilizând setul de instrucțiuni al automatului programabil;
3. Programarea grafică, care la rândul ei se bazeaza pe una din metodele:
• metoda ladder
• metoda Grafcet.
Mai nou producatorii de automate programabile au dezvoltat sau dezvoltă limbaje de programare apropiate de limbajele de programare a calculatoarelor sau apropiate de limbajul natural.
Modalitatea de programare a unui automat programabil bazată pe setul de instrucțiuni al automatului programabil.Orice automat programabil prelucrează informații conform setului sau de instrucțiuni. Alegerea acestui set este o operatie foarte importantă în proiectarea și realizarea unui automat programabil, trebuind pe de o parte să nu ridice utilizatorului probleme de asimilare, iar pe de altă parte să
asigure performanțele propuse de prelucrarea și transferarea datelor, cu minimizarea hardware-ului necesar implementării.
Metodele specifice de descriere a comportării sistemelor mecatronice/robotice (proceselor), pe baza carora se realizează programele de conducere, sunt:
• metoda diagramei (sau organigramei, sau grafului) de stări
• metoda Grafcet
• metoda Ladder.
Mai există și alte metode, precum:
• metoda diagramelor temporale,
• metoda schemelor logice
În realizarea unui program de conducere cu un automat programabil se urmaresc în general anumite etape. Primele două etape sunt aceleași, indiferent de metoda aleasă:
1. Descrierea completă a condițiilor de funcționare a sistemului mecatronic, procesului, instalației sau echipamentului supus conducerii cu un automat programabil, precizarea tuturor secvențelor funcționale și a regimurilor specifice de operare.În această etapă trebuie precizate atât elementele de achiziție de informații din proces, tipul semnalelor traductoarelor, numărul și tipul elementelor de execuție asociate procesului industrial, cât și recomandările privind fiabilitatea configurației de conducere, cu precizarea zonelor critice din proces pentru care trebuie prevăzute condiții speciale de funcționare.
Această descriere poate fi însoțită de diagrame temporale de semnal, de tabele de adevar etc.
2.Analiza configurației automatului programabil necesar, astfel încât acesta să acopere cantitativ și calitativ funcționarea sistemului mecatronic/procesului. Aceasta revine la stabilirea necesarului de memorie, a dimensiunii modulelor de intrare/ieșire și a compatibilității electrice a semnalelor. Se impune, de asemenea, precizarea condițiilor industriale de lucru ale automatului programabil, nivelul perturbațiilor externe, regimurile electrice de alimentare etc.
Această etapă se încheie cu alegerea automatului programabil necesar.
Cunoscând foarte bine sistemul mecatronic/procesul și protocolul sau de funcționare și alegând în consecință un automat programabil, se poate începe transcrierea protocolului de funcționare al procesului, folosind una dintre metodele amintite anterior:
– diagrama de stări
– diagrama Grafcet
-diagrama Ladder.
Apoi alocându-se variabile de intrare, de ieșire, de memorie, de numarare, de contorizare etc. corespunzator semnalelor procesului, se poate trece la realizarea programului de conducere. Acesta poate
cuprinde câteva secțiuni:
a) aspecte (caracteristici) de operare;
b) secvențele (stările) de operare ale procesului;
c) semnalele de ieșire;
d) ieșiri indicatoare de stări.
Aspectele de operare se referă la urmatoarele:
1.Poziția de bază (starea inițială); procesul sau echipamentul condus, în general, are o poziție de bază
(o stare inițială) din care începe funcționarea sa, de exemplu cu toate acționările decuplate (off) și toate
comutatoarele de poziție deschise (off). Toate aceste elemente pot fi combinate logic pentru a semnifica și inițializa o «poziție de bază», care poate fi programată ca o secvență a procesului. Această etapă mai poartă numele de inițializare.
Inițializarea presupune:
• aducerea procesului în acea stare inițială, dacă acest lucru este absolut necesar și nu este realizat în alt mod (de exemplu prin comenzi manuale);
• activarea variabilei alocate stării inițiale și dezactivarea tuturor variabilelor alocate celorlalte stări ale procesului.
2. Condiții de validare sau de reset. Cele mai multe procese industriale au butoane manuale de Start și Stop, care pot fi incluse în structura programului, în această etapă a programării. Ele ar putea fi incluse ca și contacte de validare și reset, având controlul general al automatului programabil din punct de vedere al rulării și opririi programului de conducere.
Poate există de asemenea un comutator manual de validare a ieșirilor sistemului, care ar permite programului să ruleze fără a acționa ieșiri fizice conectate la automatul programabil, adică o funcționare de testare.
În concluzie, este bine să se urmărească aceste etape principale atâta timp cât instrucțiunile automatului programabil și modul de descriere a funcționării automatului permit acest lucru.
1.6.1 Programarea în limbaje de nivel înalt
În ultima vreme a existat o puternică preocupare pentru integrarea performanțelor de conducere și control a automatelor programabile cu posibilitățile de calcul și de memorie ale calculatoarelor personale. De aceea majoritatea automatelor programabile posedă un port de comunicație cu un calculator, de tip RS-232 sau RS-485, putându-se stabili o legatură cu calculatorul chiar în timpul execuției unui program de către automatul programabil.
De asemenea, pentru a profita de larga răspândire a limbajelor de nivel înalt, cum ar fi C sau Pascal, unii producatori au echipat automatele programabile cu procesoare compatibile Intel, acestea putând executa setul de instrucțiuni al procesoarelor Intel, extins cu instrucțiuni specific automatelor programabile. În plus mulți producători au dezvoltat compilatoare C pentru procesoarele pe care le folosesc în automatele programabile.
Există două variante de construire a unui program în limbaj de nivel înalt. Prima variantă constă în crearea unui program în limbajul de programare C (Borland sau Microsoft), integrând funcțiile specifice ale automatului programabil și funcțiile de comunicație între calculator și automat. În acest caz programul rulează în calculator, acesta dând permanent comenzi controllerului și primind răspunsuri în legatura cu executarea acestora. Avantajul unui astfel de program ar fi capacitatea mare de memorie și puterea de calcul a unui calculator personal și deci posibilitatea creării unor module software complexe folosind numeroase variabile. Atunci când un număr mare de automate sunt legale împreună la un singur calculator, timpul necesar computerului să primească și să proceseze toate informațiile de intrare/ieșire poate produce scăderea semnificativă a raspunsului sistemului, făcând astfel dificil controlul procesului. Pentru a evita acest neajuns, programele trebuiesc implementate în fiecare automat și rulate independent de computer.
Această capabilitate de partajare a acțiunilor permite utilizatorului să determine ce decizii de control vor fi luate de computer și care de către automat. Această facilitate poate elibera calculatorul pentru a efectua operații de supervizare cum ar fi împrospătarea ecranului, generarea de rapoarte sau monitorizarea performanțelor sistemului.
Din acest motiv reiese și utilitatea celei de-a doua variantă, de altfel și cea mai des uzitată, care constă în crearea unor programe de control ce pot rula direct în memoria automatului. Programele se construiesc și se compilează în C sau într-un alt mediu, limbaj de programare pus la dispoziție de producatorul automatului programabil pe un calculator personal, apoi programul executabil este convertit în formatul de fișier corespunzător, după care este descărcat în memoria de tip FLASH EPROM a automatului, de unde poate rula de sine stătător. Un oarecare dezavantaj îl constituie limitarea dimensiunii codului și a datelor programului.
Se mai obișnuiește și construcția a două module software ce rulează simultan, unul în calculator și celălalt în controler. Schimbul de informații între cele două dispozitive se poate face prin intermediul unor structuri de date definite în ambele module, acestea putând fi citite/scrise cu funcții specifice.
1.6.2 Metoda instrucțiunilor folosind diagrame de stări
Această metodă de realizare a programelor de conducere utilizând instrucțiunile automatului programabil poartă denumirea în limba engleza de "statement list" (STL). Ea se poate baza pe descrierea funcționării procesului ca și:
• diagrama de stări sau,
• uneori, ca și diagrama Grafcet
După ce aceste două etape generale au fost realizate, urmează:
• Elaborarea documentului sursă sub forma unei diagrame de stări, care să acopere toate condițiile de funcționare formulate inițial. În acest sens, diagrama de stări trebuie să redea detaliat stările funcționale, condițiile de comutare de la o stare la alta, mărimile de ieșire generate în fiecare stare, ciclurile, regimurile de lucru de tip subrutină.
• Se alocă variabile de intrare, de ieșire, de memorie (interne) specific automatului programabil folosit, care să acopere semnalele de intrare furnizate de proces, variabilele de comandă către proces și variabilele de stare;
• Se scrie programul de conducere folosind setul de instrucțiuni al automatului programabil. În principiu, această scriere trebuie să parcurgă următoarele etape:
a) scrierea programului pentru inițializarea stărilor
b) scrierea programului pentru implementarea fiecărei stări și pentru implementarea tuturor traseelor de evoluție din diagrama de stări.
• Programul este introdus cu ajutorul consolei de programare a automatului programabil (sau a unui calculator dotat cu un software corespunzator de introducere și depanare a programelor) în memoria program utilizator a automatului programabil. Se efectuează apoi verificări și teste ale programului și se corectează eventualele erori.
1.6.3 Limbajul Grafcet
Limbajul Grafcet reprezintă o modalitate de descriere grafică a unui sistem logic secvențial, fiind util datorită generalității și facilităților de care dispune, spre exemplu posibilitatea descrierii secvențelor paralele.
Elementele constitutive ale unei diagrame Grafcet sunt următoarele:
• Etape: corespund unei stări stabile a sistemului automat și sunt identificate printr-un număr
unic. Etapele pot fi, inițiale, adică active inițial, normale, adică celelalte etape care nu sunt active inițiale,
dar se pot activa la un moment dat.
•Tranziții: o tranziție indică posibilitatea evoluției dintr-o stare activă într-o nouă stare. Fiecarei tranziții îi este asociată o condiție logică, în funcție de valorile logice ale unor variabile de intrare sau de starea activă sau inactivă a altor etape.
Condiția de tranziție nu este validată decât dacă etapele imediat precedente sunt active. Acțiuni asociate etapelor: deoarece o etapă poate fi activă sau inactivă la un moment dat, există acțiuni asociate etapelor, care se execută numai la activarea acestora. Pot exista și acțiuni condiționate, ce se execută dacă, suplimentar, mai este adevărată altă condiție logică. Acțiunile pot fi diverse:
• deschiderea unei vane,
• oprirea sau pornirea unui motor,
• incrementarea unui contor,
• pornirea unei temporizari.
•Ramificații (divergente): au loc între mai multe secvențe posibile, atunci când condițiile de tranziție se exclud între ele. Convergența diferitelor ramuri are loc atunci când sunt îndeplinite condițiile de tranziție pe fiecare ramură. Se pot stabili priorități dacă nu se exclud condițiile de tranziție.
•Secvențe simultane (paralelism): mai multe secvențe pot fi activate simultan, plecând de la o condiție de tranziție. Evoluția, pe fiecare ramură, se efectuează simultan. Joncțiunea nu se poate efectua decât atunci când toate secvențele sunt terminate.
•Macro-etape: macro-etapa este o reprezentare unică a unui ansamblu de etape și de tranziții. Sunt caracterizate de o etapă inițială și una finală.
Dinamica unei diagrame Grafcet este urmatoarea: dacă o etapă este activă și una din condițiile de tranziție atașate este adevarată, etapa actuală se dezactivează și se activează etapa urmatoare (sau etapele următoare, în cazul unui paralelism).
1.6.4 Metoda diagramelor Ladder
Principala cerință pentru limbajul de programare a unui automat programabil este aceea de a fi ușor de înteles și utilizat în aplicațiile de conducere a sistemelor mecatronice/proceselor.
Acest lucru implică nevoia unui limbaj de nivel înalt pentru a furniza comenzi foarte apropiate de funcțiile cerute de către un inginer, dar fără a fi complex și a necesita un timp de învățare mare, precum majoritatea limbajelor de programare de nivel înalt pentru calculatoare.
• Diagramele ladder au fost și sunt cea mai obișnuită metodă de descriere a circuitelor logice cu relee, fiind utilizate inițial pentru reprezentarea circuitelor electrice.
• Ulterior, introducerea automatelor programabile și dorința de a asigura utilizatorului aceleași facilități în urmărirea funcționării sau în testarea circuitelor, au impus adaptarea simbolurilor circuitelor electrice în logica programabilă.
• Astfel, a fost firească utilizarea diagramelor ladder pentru programarea automatelor programabile, fiind creat astfel un mediu familiar pentru utilizatorul și proiectantul de sisteme de control logic.
Metoda diagramei ladder presupune transcrierea protocolului de funcționare al procesului ce va fi condus de automatul programabil într-o astfel de reprezentare.
În cazul în care automatul programabil utilizat nu dispune de un mod de programare grafică pentru realizarea diagramei ladder, aceasta se va converti în instrucțiuni specifice automatului programabil respectiv.
Metoda diagramei ladder este pretabilă pentru aplicații în care automatul programabil înlocuiește un sistem logic sau cu relee (conventional), deoarece desenele și diagramele sistemului original pot fi utilizate ca bază pentru programarea automatului programabil.
1.7 Concluzii
Automatele programabile sunt destinate conducerii proceselor secvențiale de complexitate medie, din diverse ramuri de activitate, cum ar fi:
• mașini-unelte, mașini de injecție, prese;
• linii de turnare sau galvanizare de complexitate medie, linii de transfer;
• manipulatoare și roboți industriali etc.
Un avantaj semnificativ al automatelor programabile fiind acela că, reduc foarte mult forța de muncă umană, de către unii poate fi considerat chiar un dezavantaj, linia flexibilă de fabricație folosită într-un proces industrial putând lucra 24 de ore din 24.
Un alt avantaj al acestor linii flexibile este capacitatea de a schimba programele foarte ușor folosind un calculator sau o consolă de programare , uneori nefiind nevoie de nici o modificare fizică sau mecanică.
Avantajele folosirii automatelor programabile în locul unor simple calculatoare sau calculatoare de proces este dat de dimensiunea redusă, de performanțele aproape egale cu cele ale calculatoarelor ca și putere de calculare, ajungându-se chiar în zilele noastre ca acestea în unele aplicații sau uzine să înlocuiască calculatoarele de proces la nivel de automatizare.
2 Sistemul 1768 CompactLogix
2.1 Dispozitivele din familia 1769 CompactLogix
Aceste dispozitive oferă un control modern, comunicare și elemente de intrare/ieșire într-un singur pachet de control distribuit .
Figura 2.1. Dispozitive și Module de intrare/ieșire din familia 1769 CompactLogix
Pentru un sistem mai flexibil, se folosesc :
– multiple controlere într-un singur șasiu (carcasă)
– multiple controlere interconectate printr-o rețea
– I/O in multiple platforme,care sunt ditribuite in mai multe locații și conectate pe mai multe link-uri I/O
Dipozitivul din familia 1769 COmpactLogix, oferă un sistem mic dar puternic cu un cost redus din punct de vedere al eficienței, constând in următoarele:
– Software-ul de programare RSLogix5000;
– Porturi încorporate de comunicare pentru EtherNet/IP (1769-L32E și 1769-L35E) si ControlNet ( 1769-L32C si 1769-L35CR);
– Un modul de interfață de comunicare 1769-SDN, ce oferă un control intrare/ieșire și configurația dispozitivului de la distanță pe DeviceNet;
– Module compacte de intrare/ieșire furnizând un sistem compact de intrare/iesire pe o șină DIN sau pe panou de montare.
Când se proiectează un dispozitiv CompactLogix, se determină configurația rețelei si plasarea componentelor în fiecare locație.Pentru proiectare trebuie selectate urmatoarele:
– Dispozitive de intrare/ieșire;
– O rețea de comunicare;
– Controlere;
– O sursă de tensiune;
– Software-ul.
În componența unui sistem CompactLogix, trebuie luate în considerare urmatoarele:
– Dispozitivul 1769-L32E suportă 16 module de intrare/ieșire și dispozitivul 1769-L32C suportă 30 module de intrare/ieșire.Ambele dipozitive pot folosi un maxim de trei sloturi de intrare/ieșire cu două cabluri de expansiune;
– Fiecare modul de intrare/ieșire necesită propria sursă de alimentare;
– Într-un sistem CompactLogix poate fi folosit un singur controler;
2.2 Modulele dispozitivului 1769 CompactLogix
2.2.1 Specificații tehnice
Modulele Compact 1769 de intrare/ieșire pot fi folosite cu un dispozitiv CompactLogix, precum și pentru extinderea intrărilor/ieșirilor, într-un ansamblu de controlere MicroLogix 1500 sau într-un ansamblu cu un modul adaptor DeviceNet 1769-ADN. Excepție face cazul în care, conectat fiind la o bază de MicroLogix 1500, fiecare set de module de intrare/ieșire trebuie să includă propria sursă de alimentare.
Se intalează modulele intrare/ieșire pe un panou cu două șuruburi de fixare sau pe o șină DIN. Modulele se blocheaza mecanic între ele prin intermediul unui design nut și feder și au un canal de comunicație integrată care este conectat de la un modul la altul cu un conector mobil.
Fiecare modul de intrare/ieșire include un bloc terminal încorporat , detașabil cu protecție finger-safe pentru conexiunile la intrarile si ieșirile senzorilor si actuatoarelor .
Figura 2.2. Modul de intrare/ieșire
– Odată ce modulele sunt prinse, sistemul devine un ansamblu robust.
– Sloturile nut si feder superioare si inferioare ghidează modulul in timpul instalării și îl fixează in sistem.
– Conectorul detașabil face mai ușoară sarcina de cablare.
– Auto-ridicarea , plăcile de presiune prinse cu fire reduc timpul instalării.
– Conectorul patentat cu funcție de blocare crește fiabilitatea modulului și permite comunicarea sistemului.
– Modulul este prevăzut pe partea frontală cu o bară de culori.
– Circuitele digitale și de câmp sunt izolate optic.
2.2.2 Module de intrare/ieșire pentru dipozitivul 1769 CompacLogix
Din punct de vedere al structurii, dipozitivul 1769 CompactLogix conține doua module digitale, unul destinat intrărilor și celălalt ieșirilor, și un modul analogic.
În figura de mai jos este prezentată generarea a două semnale de tip tensiune și intensitate pe ieșirile modulului analogic.Pentru a genera un semnal de tip tensiune se folosește canalul Vout0+ și ANLG Com(împământare), în timp ce pentru un semnal de tip intensitate se folosește canalul Iout1+ și respectiv ANLG Com
Figura 2.3. Ieșiri IF4XOF2 pentru dispozitivul 1769
Figura 2.4. 1769-IF4XOF2 Intrări diferențiale
Figura 4 reprezintă achiziționarea unui semnal de tip tensiune conectat cu borna “+” la Vin0+ și borna “-” la V/I in0- .
Achiziționarea a două semnale de la un senzor, tensiune și intensitate, se face folosind canalele de intrare I in0+, V/I in0- (intensitate), V in1+ și ANLG Com (tensiune), acestea fiind prezentate în figura 5.
Figura 2.5. Conectarea unui senzor la modulul 1769-IF4X02F2
Figura 2.6. Achiziționare de diverse semnale
Asemenea figurilor 4 și 5, figura 6, prezintă o achiziționare multiplă și combinată de semnale analogice, folosind intrările modulului 1769-IF4XOF2.
Tabel 2.1. Specificații tehnice – 1769-IF4XOF2
Tabel 2.2.Specificațiile intrării – 1769-IF4XOF2
Tabel 2.3.Specificațiile ieșirii – 1769-IF4XOF2
2.2.3 Modulul cu intrări digitale
Acest modul achiziționează semnale care au la bază două valori logice, 0 și 1 numite semnale digitale.Transmisia digitală este de multe ori de preferat celei analogice deoarece este mai puțin afectată de zgomote, fiind deci mai robustă.
Figura 2.7. Modul cu intrări digitale
Tabel 2.4.Specificații tehnice 1769-IQ16F
2.2.4 Modul cu ieșiri digitale
Sunt in număr de 16 și furnizează valori ale unor semnale codificate in biți de 0 și 1.
Figura 2.8. Diagrama circuitului de ieșire simplificat
Figura 2.9.Schemă tehnică-1769-OB16P
Tabel 2.5.Specificații tehnice 1769-OB16P
2.3 Sursa de alimentare 1606-XL240E
Sursa de alimentare este proiectată să reziste pierderilor de energie de scurtă durată, fără a afecta
buna funcționare a sistemului.Această sursă de alimentare poate fi întreruptă temporar. De asemenea, este posibil ca nivelul de tensiune să scadă în mod substanțial pentru o perioadă de timp sub nivelul normal.
Atât întreruperile cât și golurilor de tensiune sunt luate în considerare ca fiind pierderi de putere pentru sistem.
Pentru a instala sursa de alimentare 1606-XL240E trebuie respectate următoarele:
– montarea sursei de alimentare;
– cablarea sursei de alimnetare;
– plasarea unui modul 1769 de intrare/ieșire într-un sistem 1768 CompactLogix.
Sursa de alimentare a dipozitivului 1768 CompactLogix distribuie energie pe partea dreaptă a sursei si trebuie să fie cel mai din stânga modul din sistem.
Maximul de curent al sistemului suportat de dispozitiv este de la 3.5A la 24V DC, iar suma maximă de curent a sistemului de suport extern este de 0.25A la 24V DC.
2.3.1 Specificații tehnice
Tabel 2.6. Intrarea sursei de alimentare
Notă:Pentru protejarea părții primare a sursei de alimentare este recomandată o siguranță de 10A cu acțiune lentă sau un protector suplimentar.
Tabel 2.7. Eficiența si fiabilitatea sursei de alimentare
Tabel 2.8. Startul și comportarea supraîncărcării sursei de alimentare
Tabel 2.9. Iesirea sursei de alimentare
2.4 Switch RS20
Descrierea dispozitivului :
Familia RS20/RS30 oferă o gamă variată de peste 450 de modele de switch-uri . Se configurează propriul switch in conformitate cu cerințele dumneavoastră în ceea ce privește numărul de porturi, viteză de transmisie, tipul de suport, tipul de conector, intervalul de temperatură, certificari si variant software.
Dispozitivele RS20/RS30 sunt proiectate pentru cerințele speciale ale automatizării industriale. Acestea îndeplinesc standardele relevante din domeniul industriei, oferă fiabilitate operațională foarte mare, chiar și în condiții extreme, și, de asemenea, fiabilitate pe termen lung și flexibilitate. Dispozitivele funcționează fără ventilatoare și au o sursă de tensiune redundantă. Switch-urile sunt montate foarte repede putând fi prinse pe o sină .
Conceptul de redundanță HIPER-Ring permite efectuarea rapidă a unei reconfigurări, și, de asemenea, o configurație simplă, cu o singură conexiune suplimentară. Afișarea diagnozei și a parametrilor de operare și domeniul de informare al adresei IP oferă o privire de ansamblu.
Acesta poate fi ușor de gestionat prin intermediul unui browser Web, prin Telnet, cu un produs software de gestionare (cum ar fi HiVision) sau local pe switch.
RS20/RS30 permite contruirea unei rețele care sunt conforme cu standardele IEEE 802.3 și 802.3u folosind fire de cupru sau fibre optice într-o topologie bus sau inel. Se pot conecta dispozitive terminale și alte componente de infrastructură prin cabluri torsadate, multi-mode LWL și single-mode LWL .
În funcție de software-ul ales, dispozitivele oferă o gamă largă de funcții:
– Funcții de redundanță;
– Protecție împotriva accesului neautorizat ;
– Timp de sistem sincronizat în rețea ;
– Controlul incărcării rețelei ;
– Diagnostic funcție ;
– Diagnosticuri (hardware de auto-testare);
– Reset ;
– Prioritate;
– VLAN ;
– Recunoaștere topologie;
– Interfață bazată pe web ;
– Interfața liniei de comandă – CLI;
– SNMP;
– Autentificarea 802.1x pentru porturi;
– Ceas de timp real (varianta software professională).
RS20 – variantele de dispozitive sunt switch-uri cu 4, 8, 16 sau 24 * porturi de Ethernet de 10/100 Mbit . Se poate alege suportul media pentru porturile 1 și 2, celelalte 2, 6, 14 sau 22 sunt porturi de Ethernet de 10/100 cu conexiuni torsadate prin conectori RJ45.
Dispozitivele de asemenea, oferă următoarele opțiuni pentru selectarea variantei dorite:
– Interval de temperatură:
– standard (0 ° C până la 60 ° C) sau
– extinsă (-40 ° C la +70 ° C), fără strat protector
– extinsă (-40 ° C la +70 ° C), cu strat protector
– Varianta Software: îmbunătățită sau profesională
Dispozitivele sunt conforme cu specificațiile standardelor:
– ISO / IEC 8802-3U 100BASE-TX/-1000BASE-T,
– ISO / IEC 8802-3 100BASE-FX și
– ISO / IEC 8802-3 1000BASE-SX/LX.
Figura 2.10 Switch RS20
2.5 PanelView Plus 1000
PanelView Plus oferă operatorilor o imagine clară în aplicații de monitorizare și control. Cu FactoryTalk View Machine Edition deja instalat și activat, timpul de dezvoltare se reduce. Familia de produse PanelView Plus produce o gamă largă de terminale robuste, care oferă:
– Integrare primară cu arhitectura integrată;
– Monitorizarea în timp real afișează un terminal de la un browser web;
– Software-ul comun de dezvoltare;
– Monitoare scalabile de la 4 la 15 inci,cu ecran tactil și tastatură,sau ambele pentru intrare;
– Opțiuni pentru dimensionarea memoriei la cerințele de aplicare.
Platforma Compact PanelView Plus oferă o soluție pentru aplicații de dimensiuni medii care necesită mai puține ecrane și alarme într-o aplicație FactoryTalk View. Este de preferat soluția HMI pentru multe dintre controlerele CompactLogix.
PanelView Plus CE oferă o platformă deschisă care permite utilizatorilor să acceseze desktop-ul Windows CE.Utilizând această functionalitate suplimentară,rezultă urmatoarele:
– Economisirea timpului pentru vizualizarea manualelor direct pe terminalul operatorului;
– Programele de producție au acces direct de la terminal;
– Economisirea timpului inclusiv prin documentele de formare profesională chiar si video,de pe teminalul operatorului;
– Îmbunatațirea controlului mașinii si simplificarea configurării prin intermediul unui video in direct de pe o camera web;
– Permiterea accesului de la distanță la terminalul cu VNC (Virtual Network Computing).
Toate acestea sunt realizate prin diverse organizatoare de fisiere,internet explorer,servicii terminale,FTP(protocol de transfer fisiere) si altele incluse in fiecare terminal. Terminalele interfetei operator PanelView Plus sunt destinate pentru a optimiza dezvoltarea sistemului cat si performanța și eficiența acestuia.
Beneficii PanelView Plus
– Oferă flexibilitate maximă,reducere a stocurilor, și upgrade-uri ușoare;
– Comunică prin mai multe porturi;
– Integrat cu FactoryTalk View machine edition, pentru functionare avansată,incluzând expresii, înregistrarea datelor , grafice avansate, și navigare directă a adreselor Logix;
– Include terminale ca ecran tactil,tastatură sau o combinație a acestora pentru alegeri flexibile si convenabile de intrare a operatorului;
– Pune la dispozitie un ecran 1250 de luminozitate înalta pentru instalări exterioare;
– Pune la dispoziție componente acoprite si certificate marine pentru a îndeplini conditiile specific mediului;
– Ofera rame înlocuibile pe teren si lumini cu viață de asteptare de 50.000 ore pentru a reduce costurile de întreținere;
– Include slot de card CompactFlash pentru transferul fișierelor, logarea datelor si upgrade-uri de sistem;
– Include pachet complet pentru pornirea imediată;
– Oferă un program de schimbare imediată a unitați nivelului pentru a reduce timpul mort;
– Grafică performantă ce conferă claritate in imagini.
Terminalul PanelView Plus 1000 utilizează componente modulare adiționale ce permit configurare, istalare si upgrade-are flexibilă.Pentru a îndeplini condiții de mediu mai stringente, sunt disponibile de asemenea si module de afișare, certificate marine de înaltă luminozitate.Se poate comanda display-ul cu funcție antiorbire integrate. Memoria, module logice si module de comunicare pot fi folosite peste întreg rangul de produse.Dezvoltate pentru instalare ușoara, toate aceste dispositive pot fi instalate cu efort minim utilizând doar o șurubelniță.
Modulul logic vine in mod standard cu următoarele caracteristici:
– Porturi de comunicare încorporate ethernet și RS-232;
– Doua porturi usb pentru mouse si tastatură;
– Sursă de alimentare AC sau DC;
– Interfată de rețea analogică sau digitală pentru comunicarea optională a modulelor;
– Slot CompactFlash pentru transferul fișierelor, logarea datelor si upgradarea sistemului.
Figura 2.11. PanelView Plus
2.6 Monitor VersaView 1950M
Se pot utiliza conectorii de pe partea din spate a monitorului pentru conectarea la:
– Sursă video analogică (conector VGA HD-15);
– Sursă video digitală (DVI);
– Port serial pe calculator pentru interfața touchscreen optional;
– Port USB pe calculator pentru interfața touchscreen optional;
– Porturi USB pentru conectarea dispozitivelor periferice;
– Alimentare (conectorul de intrare dc trebuie să fie utilizat cu adaptorul furnizat).
Figura 2.12. Monitor VersaView 1950M
Tabel 2.10 Specificații tehnice Monitor VersaView 1950M
Conectarea la o sursă video analogică
Toate monitoarele suportă video analogic. Monitorul este livrat cu un cablu video analogic de înaltă calitate. Se utilizează acest cablu video pentru a conecta un calculator la monitor.
Conectarea la o sursă video digitală
Folosiți un cablu video digital pentru a conecta un calculator la conectorul DVI de pe monitor. Acest cablu nu este furnizat cu monitorul.
Conectarea USB periferice
Monitorul este echipat cu un hub USB, care asigură comunicarea între computer și orice dispozitiv compatibil USB, cum ar fi o tastatură, mouse-ul, sau stick de memorie. Porturile USB Hub sunt activate numai atunci când monitorul este pornit și conexiunea se face între conectorul de tip B și calculatorul.
Figura 2.13 Conectare USB periferice
Conectarea interfeței cu ecran tactil optională
Un ecran tactil opțional oferă un sistem de intrare tactil de înaltă rezoluție. Software-ul driver inclus cu monitorul permite funcției touchscreen mai multe aplicatii industriale, Microsoft Windows, cum ar fi un dispozitiv de indicare sau mouse-ul.
Conectarea alimentării
Cu adaptorul de alimentare ca, monitorul poate utiliza o sursă de alimentare de curent alternativ monofazat, oferind 90 … 264 V ca la 47 … 63 Hz.
Alimentarea trebuie să fie disponibilă la o priză cu împământare din apropiere. Când este posibil, conectați monitorul la aceeași sursă de curent alternativ care alimentează computerul.
Utilizarea șurubului de împamântare
Aceasta nu este neapărat necesară pentru siguranța monitorului, dar dacă se dorește o împământare suplimentară se utilizează cea de pe spatele dispozitivului .
Specificații monitor Versaview 1950M
Figura 2.11. Specificații tehnice
2.7 Unitatea centrală VersaView 750R
Ilustrațiile din această secțiune prezintă caracteristicile de hardware pentru fiecare calculator:
• vedere la exterior
– Panoul frontal
– Panoul din spate
• indicatori de stare
• plăci de sistem
– Placa de bază
– Panou frontal
– HDD plăci adaptoare
– Placă de extensie PCI
Figura 2.14. VersaView 750R – Panou frontal
Tabel 2.12 Specificații tehnice Versa View 750R
Figura 2.15. VersaView 750R Panou din spate
Tabel 2.13 Specificații tehnice VersaView 750R Panou din spate
2.8 Software utilizat
2.8.1 RSLogix 5000
Ca una din tehnologiile de bază ale Arhitecturii Integrate™, Logix oferă o abordare unică pentru automatizare – o singură platformă de control, cu un motor de control comun și mediu de dezvoltare conceput în mod expres pentru a oferi capabilități de clasă mondială pentru orice disciplină de automatizare. Permite folosirea logicii programate, a textului structurat și a diagramei bloc de funcții.
RSLogix 5000 :
– utilizează un design si configurare pachet software intuitiv
– simplifica dezvoltarea de soluții complexe de control
– are acces mai mare la informații în timp real
– dezvoltă aplicații localizate într-o platformă de control unic
Se obține :
– productivitate optimizată și capacitatea de a reacționa rapid la nevoile pieței și afacerilor
– startup mai rapid, cu un timp redus de punere în funcțiune
– costurile de întreținere și de formare reduse
– un cost total mai mic de cumpărare.
Pentru a configura și programa un dispozitiv din familia CompactLogix, putem utiliza software-ul RSLogix 5000 folosit în a crea și controla un proiect pentru dispozitiv. Un proiect este un fișier care stochează elementele logice, de configurare, datele și documentația pentru dispozitiv.
Fișierul proiectului are extensia .ACD. Numele dispozitivului este independent de numele proiectului.
În realizarea unui proiect folosim următorii pași :
– se creează un proiect pentru dispozitiv ;
– se adaugă modulele de intrare/ieșire;
– diagrama Ladder;
A- rutina principală (există o singură rutină principală în care se scrie codul pentru program )
B,C- subrutine (se face saltul din alte rutine cum ar fi rutina principală, cu instrucțiunea JSR)
– diagrama bloc;
– configurarea diagramei bloc;
– asignarea tagurilor pentru dispozitive;
– stabilirea unei conexiuni cu dipozitivul ;
– descărcarea proiectului în dispozitiv;
– selectarea modului de operare al dispozitivului.
2.8.2 RSLinx
RSLinx Enterprise comunică prin FactoryTalk Live Data (protocol de comunicare între client-server) cu produsele FactoryTalk.Produsele FactoryTalk si RSLinx partajează capacitățile FactoryTalk de securitate, diagnoză, audit și redundanță.
RSLinx este de regulă inclus în toate produsele FactoryTalk astfel încat să nu fie necesară achizițonarea separată a server-ului de date.
RSLinx Classic este cel mai instalat server de comunicare în automatică la momentul actual.RSLinx Classic Lite poate fi folosit atât ca aplicație cât și ca serviciu.
Beneficiile RSLinx Enterprise sunt:
– Optimizarea pentru comunicare eficientă cu familia de dipozitive ControlLogix;
– Comunică cu dipozitivele PLC-5, SLC 5/0.5 si MicroLogix;
– Comunică direct cu dispozitivele CIP active;
– Recuperare automată din descărcări de programe și schimbări online;
– Deconectări/reconectări mai rapide cât și timp mai mic de recuperare în caz de probleme;
– Unelte de configurare și depanare locale cât și de la distanța:
– Consola de administrare FactoryTalk;
– Contorul de monitorizare și diagnoză FactoryTalk.
Beneficiile RSLinx Classic sunt:
– Suport pentru căi complexe : o cale complexă este aceea care pornește pe un protocol și se
schimbă inainte de a ajunge la dispozitiv.
– Suport pentru mesaje nesolicitate : mesajele nesolicitate pleacă dintr-un dipozitiv și sunt trimise în mod nesolicitat in RSLinx Classic.
– Suportă subiecte alias : un subiect alias este un subiect “virtual” care face referire la alte subiecte reale.Subiectul “virtual” este folosit de clienți iar cererile sunt redirecționate către subiectul “real” active.Subiectele “reale” pot fi interschimbate folosind chei alternative.
Necesitățile sistemului și compatibilitatea acestuia
RSLinx Classic:
– Microsoft Windows 2003, XP SP2, 2000
– Microsoft Windows NT versiunea 4.0 (recomandat Service Pack 3 sau mai recent), Windows Me (Millennium Edition), 98
– Interfață Ethernet, USB, sau o interfață de rețea Rockwell Automation
RSLinx Enterprise:
– Microsoft Windows 2003, XP SP2, 2000
– PanelView Plus, VersaView
– Interfață Ethernet, USB, sau o interfață de rețea Rockwell Automation
2.8.3 FactoryTalk View
FactoryTalk ® View, inclusiv FactoryTalk View SE, FactoryTalk View ME și FactoryTalk View Studio, sunt produse software HMI concepute cu un aspect comun și o navigare asemănătoare pentru a ajuta la viteza de dezvoltare a aplicațiilor HMI și a timpului de instruire. FactoryTalk View este parte a suitei scalabile și unificate de soluții de monitorizare și control, concepute pentru a realiza aplicații de sine stătătoare la nivel de mașină, via nivelul de supraveghere al aplicațiilor HMI într-o rețea. Această suită vă oferă un mediu de dezvoltare comun, posibilitatea reutilizării aplicațiilor, și o arhitectură astfel încât să puteți crește productivitatea, reduce costurile de operare, și îmbunătăți calitatea.
FactoryTalk View include instrumentul de dezvoltare bazat pe PC, FactoryTalk View Studio, precum și FactoryTalk View Machine Edition și FactoryTalk View Site Edition.
FactoryTalk ® View Machine Edition (ME) este un software HMI pentru mașini și procese mici. FactoryTalk View Machine Edition permite o interfață pentru operatori avansați pe mai multe platforme, inclusiv Microsoft ® Windows ® CE .
FactoryTalk View Machine Edition vă oferă:
– Arhitectură bazată pe componente;
– Crearea unui singur tag;
– Conectivitate;
– Lista extinsă de caracteristici ale produsului.
3. Sisteme numerice de reglare automată (SNRA)
3.1. Reprezentarea sistemică a SNRA
Prin sistem numeric de reglare automată (SNRA), se înțelege un sistem de reglare în care dispozitivul de conducere este implementat printr-un echipament numeric.
Un sistem numeric de reglare automată (SNRA) este denumit și sistem de conducere cu calculator de proces. Se consideră o structură standard de sistem condus cu calculator numeric de proces a cărui schemă de principiu este prezentată în Fig. 3.1.
Un calculator de proces este un calculator capabil să lucreze în timp real. Acesta conține interfețe de intrare și ieșire analogice și numerice având un sistem de operare în timp real capabil să realizeze achiziții de date, calcule și comenzi în timp real.
Putem privi un calculator de proces ca o cutie neagră având câteva terminale analogice (continue în timp). Schema de principiu a unui sistem numeric de reglare automată (SNRA) este redată în Fig. 3.1.
Figura 3.1 Sistem numeric de reglare automată
Terminalele etichetate sunt porturile analogice ale calculatorului. De exemplu, asa cum se arată în Fig. 3.1 pentru acest sistem de reglare, sunt utilizate două semnale de intrare analogice, porturile 5 și 6, și un semnal analogic de ieșire, portul 10. La aceste porturi sunt conectate:
– marimea prescrisă, v(t), numită și " referinta ",
– marimea masurată, y(t), numită și " marime de reactie",
– marimea de comandă, u(t), numită și " marime de executie".
Instalația reglată conține elementul de execuție, instalația tehnologică și traductorul.
Prin doua convertoare analog-numerice (CAN) se convertesc mărimile de intrare v(t), y(t) care sunt funcții continuale de timp, în șiruri de numere vkN , ykN,
vkN=KAN * v(kT), v(kT)=v(t)|t=kT (3.1)
ykN=KAN * y(kT), y(kT)=y(t)|t=kT (3.2)
unde KAN este factorul de conversie analog-numerică.
Se utilizează același argument timp k sau kT pentru toate variabilele, considerând că achizițiile sistemului și toate calculele numerice se fac foarte repede și toate se execută exact la momentul t = kT.
Rezultatul algoritmului numeric, notat prin se aplică așa-numitului convertor numeric-analogic (CNA). CNA va furniza o tensiune constanta pe porțiuni:
u(t)=KNA * , ∀ t ϵ (kT, (k+1)T) (3.3)
unde K este factorul de conversie numeric-analogic.
Structura descrisă mai sus și ilustrată în Fig. 3.1, constituie asa-numitul "sistem în circuit închis" sau "sistem în buclă închisă".
În această structură, informația este reprezentată în două moduri:
– Prin numere, sau șiruri de numere, în interiorul algoritmului numeric;
– Prin funcții de timp pentru instalația reglată.
Pentru a obține un comportament bun al sistemului în buclă închisă trebuie gestionate simultan numere și funcții continuale de timp. Există diferite moduri prin care sistemul de operare gestionează resursele hardware și softwre ale echipamentului astfel încât ieșirea y(t) să fie cât mai apropiată de referința v(t).
3.2 Convertorul analog-numeric
CAN transformă un semnal analogic într-un șir de numere reprezentat de un număr de biti.
Daca convertorul are p biți și semnalul analogic, de exemplu y, ia valori de la Ymin până la Ymax, atunci
y ϵ [Ymin , Ymax), yn ϵ [ 0, 2p -1 )
Rezultă ca factorul de conversie analog-numerică este: KAN= (3.4) Structura fizică a unui CAN este o problemă de hardware, bine definită și cunoscută.
Din punct de vedere al comportării ca obiect orientat, în orice CAN avem două tipuri de fenomene:
– conversia pe axa timp,
– conversia în amplitudine.
Conversia pe axa timpului exprimă conversia unei funcții continuale de timp într-un șir de numere.
De exemplu, din y(t) se obține șirul (secvență) yk=y(kT). Acesta este așa numitul process de eșantionare
cu perioada de eșantionare T.
Variabila yk din șir are aceeași dimensiune cu y(t). Dacă, de exemplu, y(t) este o tensiune cu valori într-un anumit domeniu, atunci si y este de asemenea o tensiune cu valori în același domeniu.
Cele două fenomene, conversia pe axa timpului și conversia în amplitudine ale unui CAN se pot reprezenta printr-o schemă de principiu cu un singur bloc, ca în Fig. 3.3.
Figura 3.2 Simbolul fizic al esantionării Figura 3.3 CAN-Schema bloc
3.3 Convertorul numeric-analogic
CNA convertește un șir de numere într-o funcție de timp, constantă pe porțiuni, u(t) definită în relația (3.3).
În CNA există de asemenea două fenomene:
– conversia pe axa timp,
– conversia în amplitudine.
În orice CNA fizic, numărul
W= ϵ [Wmin ,Wmax] , (3.5)
generat de ANRA, este păstrat într-o memorie ca o combinație finită de biți, de exemplu q biți, pe durata unei perioade de eșantionare.
Rezultatul poate fi interpretat ca fiind o funcție continuală de timp (t) denumită "extrapolată de ordinul zero" a șirului de numere wkN, ca în relația urmatoare:
(t)= , ϵ [Wmin ,Wmax] , ∀ t ϵ (kT,(k+1)T) (3.6)
Acest proces de memorare se numește "proces de reținere" sau "proces de extrapolare de ordinul zero" pe o durată egală cu perioada de eșantionare.Comanda de memorare presupune transferul combinației de biți de pe magistrala de date.
În orice moment de timp t, pe fiecare linie a magistralei există o tensiune electrică ale carei valori semnifică, conform unei anumite logici, doua simboluri binare, de exemplu {0, 1} care sunt asignate valorilor unui bit. Combinația valorilor acestor biți, într-un anumit format, reprezintă un număr wN . Deci, cu această convenție în oricare moment de timp t ϵ ℝ pe magistrala "există" un număr wN(t)
care uneori nu are nici-o semnificație fizică (de exemplu, în tranzițiile de la o stare la alta). Dar, în numite intervale de timp, conform macroinstrucțiunii de conversie numeric-analogică, microprocesorul depune pe magistrală tensiunile corespunzatoare variabilei numerice W.
Procesul de eșantionare-reținere este reprezentat într-o schemă de principiu ca în Fig. 3.4 a, ansamblul fiind reprezentat printr-un "Simbol Fizic pentru Eșantionare-Reținere " SFER, ca în Fig. 3.4 b.
Dacă se ignoră fenomenul de eșantionare al numerelor wN(t) de pe magistrala de date, considerat implicit, atunci extrapolatorul de ordinul zero care convertește șirul de numere dat de ANRA, , în funcția constantă pe porțiuni (t), se reprezintă printr-un simbol fizic ca în Fig. 3.4 c.
Figura 3.4
3.4 Implementarea si analiza unui sistem pur discret de ordinal întâi
Se considera o ecuație cu diferențe de ordinul întâi
yk=a * yk-1 + b * uk , k ≥ 1 (3.7)
care reprezintă relația intrare-ieșire a unui SDT având ca mărime de intrare șirul uk și ca marime de ieșire șirul y.
Această relație poate fi materializată printr-un program ce rulează pe un k calculator pentru k ≥ 1.
În afară coeficienților a și b, care sunt parametri structurali, trebuie cunoascută și condiția inițială
Yk-1|k=1=y0.
Necesitatea condiției inițiale ilustrează faptul că sistemul este unul dinamic.
Bineînteles, se poate înlocui k prin k+1 și relatia (3.7) devine echivalentă cu (3.8):
yk+1-a * yk = b * uk+1 , k ≥ 0 (3.8)
Prin rularea unui asemenea program se poate obține un șir de numere yk numai dacă sunt date numerele de intrare uk și valoarea inițială y0.
Prin această rulare, adică rezolvarea numerică a ecuației cu diferențe (3.7), se obține șirul de valori yk, care este solutția ecuației, dar care nu permite întelegerea tuturor posibilitaăților acestui sistem pur discret.
Din această cauză este necesară o abordare analitică.
Relatia (3.7) este o "relație pur recursivă: rezultatul actual este dependent de rezultatele anterioare, de intrarea actuală și de cele anterioare", și este utilaă pentru o implementare numerică direct.
Relația (3.8) exprimă forma generală a unor ecuații cu diferențe și este mai potrivită pentru o tratare analitică, deoarece totul este definit pentru k ≥ 0.
3.4.1 Abordarea analitica
În cazul de față, aceasta presupune obținerea transformatei Z a raspunsului.Aplicând transformarea Z ecuatiei (3.8) și folosind teorema anticipării în real se obține:
z * [Y(z) – y0] – a * Y(z) = b * [z* U(z) –u0].
Transformata Z a șirului de ieșire se poate exprima sub forma:
(3.9)
Observăm ca ieșirea este suma a doi termeni:
(i) – Termenul forțat Yf (z)
(ii) – Termenul liber YIb(z)
i. Termenul fortat,
Yf (z)= ℤ
este dependent numai de intrare, sau mai precis, nu este dependent de condițiile inițiale:
Yf (z)=H(z) * U(z) , H(z)=b * (3.10)
unde operatorul
H(z)=CIN (3.11)
este denumit “functie de transfer z”.
Prin notația CIN se înțelege “ în Condiții Inițiale Nule”.
Funcția de transfer Z este raportul dintre transformata Z a mărimii de ieșire și transformata Z a mărimii de intrare ce determina acea ieșire, în condiții inițiale nule, dacă și numai dacă acest raport este același pentru oricare mărime de intrare.
Se observă ca funcția de transfer (3.10) are un pol în z = a. O multime de proprietăți ale sistemului analizat sunt dependente de polii funcției de transfer, în cazul nostru de valorile lui a.
ii. Termenul liber,
YIb (z)= ℤ (3.12)
este dependent numai de condițiile inițiale, mai precis nu depinde de maărimea de intrare:
YIb (z)= * (y0 –b * u0) (3.13)
Aici termenul liber pare ca depinde de doua conditii initiale: y0 și u0 , chiar dacă ecuația cu diferențe (3.8), de la care s-a pornit și care este echivalentă cu (3.7), este de ordinul întâi, deci termenul său liber trebuie să depindă numai de o singură condiție inițialî (ca ți număr minim de informații necesare pentru restabilirea univocității intrare-ieșire, conform definiției noțiunii de stare a unui sistem dinamic).
Totusi, se poate începe rularea programului pe baza relatiei (3.7) cu o singură condiție inițială.
Explicația este următoarea: Dacă se analizează (3.8) se observă că
k= –1 rezultă y0 –b * u0=a * y-1 (3.14)
dependent de o singura conditie initiala.
Dacă se pornește integrarea (3.8) de la, k= –1 (pentru a utiliza u0 ca prin număr de intrare), y0
este dependent de intrarea u0 și de condiția inițială pură y-1.
Dacă se pornește de la k=0, prima ieșire ce se poate calcula este y care depinde de y0 și de intrarea u0.
Concluzie: În relatia (3.13) obținutaă prin aplicarea transformarii Z (teorema anticipării în real) valoarea u0 nu trebuie interpretată ca și o condiție initială suplimentară. Relatia (3.13) este numai o expresie a termenului liber.
3.5 Descrierea intrare-iesire a sistemelor liniare pur discrete în timp (SLITD)
3.5.1 Relația intrare-ieșire a SLITD monovariabile
Pentru așa-numitele sisteme liniare invariante în timp discret cu o singură intrare și o singură ieșire (sisteme monovariabile) sau, pe scurt "SLITD", relația intrare-ieșire este o ecuație cu diferențe ordinară cu coeficienți constanți, de forma:
(3.15) Dacă:
m< n, sistemul este un sistem strict propriu (strict cauzal),
m = n, sistemul este un sistem propriu (cauzal),
m > n, sistemul este un sistem impropriu (ne-cauzal).
Un sistem impropriu nu poate fi realizat fizic ca algoritm on-line si nici ca program pe calculator.
Ecuația cu diferențe este o relație între termenii unui șir în care necunoscută este termenul general al șirului.
3.5.2 Exemplu: SLITD impropriu de ordinul întâi
Sistemul descris prin ecuația cu diferențe
yk – 2 * yk-1 = 3 * uk + 7 * uk+1 (3.16)
nu poate fi realizat fizic, deoarece valoarea actuală a ieșirii, yk, este dependentă de
valoarea viitoare a intrarii, uk+1, care este necunoscută. Acest sistem abstract nu poate descrie un sistem fizic real (algoritm on-line sau algoritm în timp real).
Daca expresia lui u este cunoscută apriori pentru orice k, de exemplu se cunoaște că
uk =f(k) , ∀ k ≥0
atunci se poate implementa relația recursivă discretă:
yk – 2 * yk-1 = , =3 * f(k) + 7 * f(k+1)
Relația de mai sus nu reprezintă un sistem orientat intrare-ieșire, cu intrarea șirul de numere
uk ϵ Ω, un element oarecare al unei clase de intrari admise Ω.
3.5.3 Exemplu: SLITD propriu de ordinul doi
Se consideră un sistem de ordinul doi, particularizând în (3.15) n = m =2,
a2 * yk+2 + a1 * yk+1 + a0 * yk = b2 * uk+2 + b1 * uk+1 + b0 * uk, k ≥0 (3.17)
Această ecuație cu diferențe poate fi implementată pe calculator într-o formă recursiva. În acest scop se exprimă valoarea ieșirii cu indicele cel mai mare în funcție de celelalte variabile din ecuația cu diferențe, astfel:
yk+2= * yk+1 – * yk + * uk+2 + ….+ uk
Dacă se notează k +2=j și apoi se înlocuiește j prin k, după care se fac notațiile:
α=, βi=,i=0,1,2
atunci (3.17) devine:
yk= α1 * yk-1 + α0 * yk-2 + β2 * uk + β1 * uk-1 + β0 * uk-2 (3.18)
Pentru a realiza un program pe calculator trebuie cunoscute valorile:
α1, α0, β2, β1, β0,y1,y0,u1,u0.
3.6 Discretizarea sistemelor continue
3.6.1. Formularea problemei de discretizare
Se consideră că există un sistem continuu în timp cu intrarea u(t) și ieșirea y(t) ambele funcții continuale.
Problema discretizării înseamnă determinarea unui model discret în timp care să realizeze cea mai bună aproximare a sistemului continuu.
Ca la orice sistem discret în timp, intrarea în modelul discret trebuie să fie un șir de numere uk , deci trebuie furnizat la intrarea modelului discret un șir de numere egale cu valorile intrării u(t) numai în anumite momente de timp,
uk =u(kt) (3.19)
Ieșirea modelului discret este de asemenea un șir de numere yk.
Problema discretizării unui sistem continuu se poate formula astfel: Care este cel mai bun model discret în timp astfel încât eroarea ek
ek =y(kT+) – yk (3.20)
dintre valorile mărimii de ieșire a sistemului continuu din anumite momente de timp y(kT+), și valorile
șirului de numere yk generat la ieșire de modelul discret, corespunzatoare momentelor kT, adică, să fie minima
O imagine grafică a procesului de discretizare este prezentata în Fig 3.5.
Figura 3.5 Procesul de discretizare
Calitatea de eroare minimă este exprimată printr-un criteriu de calitate J, o funcție scalar pozitivă, dependentă de valorile erorii pe un interval de evaluare k ϵ [k0,kf] de forma:
J= J (e[k0,kf]) ≥0 , ek=0 , ∀ k ϵ [k0,kf] echivalent cu J=0 (3.21)
3.6.2. Metode directe de discretizare
3.6.2.1. Principiul metodelor directe de discretizare
Un sistem continuu de tip diferenițal poate fi reprezentat printr-un sistem de ecuații integro diferențiale. O ecuașie integro-diferențială reprezintă o relație dintre o funcție de timp y(t) ce trebuie determinată, derivatele acestei functii y(i)(t), i=1,2 și integralele acestei funcții y(-1)(t), i=1,2 pe un interval de observare, de exemplu:
y(-1)(t) = y(-1)(t0) + (3.22) unde y(i)(t), y(-i)(t), sunt interpretate ca fiind nume de noi funcții, adică ieșirile din operatorii de derivare și integrare ce au la intrare funcția y(t).
O ecuație integro-diferențială poate conține și o funcție cunoscută u(t) ce intervine împreună cu derivatele sau integralele ei, u(i)(t), u(-i)(t).
Evident u(t) poate fi interpretată ca fiind intrarea unui sistem continuu ordonat cauzal, cu relația intrare-ieșire:
(3.23)
Pentru operatorii de derivare și de integrare de diferite ordine, privite ca și sisteme continue, folosind structura din Fig. 3.5, se deduc modele discrete ale căror mărimi de intrare sunt șirurile de valori
yk=y(kT) și respectiv uk=u(kT) și care generează șirurile de numere
(3.24)
Consierând că realizează aproximările
(3.25)
Trebuie menționat că modelele discrete ale operatorilor de derivare și de integrare pot fi sisteme recursive cu răspuns la impuls de durata infinită (IIR) sau sisteme nerecursive de tip medie alunecătoare ponderată (FIR), astfel ca șirurile (3.24) pot depinde de valorile curente și anterioare ale mărimilor yk, respectiv uk.
În general, metodele directe de discretizare presupun substituirea argumentelor din (3.23) ce reprezintă funcții continuale, prin șirurile (3.24). Se obține astfel un model discret cu necunoscuta șirul y, de forma:
(3.26)
Aplicarea operatorilor de derivare și integrare este reprezentată în domeniul complex s, generat de transformarea Laplace, prin operația de înmulțire algebrică cu variabilele s, respective s/1.
Din condiția de echivalentă dintre un operator continuu și modelul său discret se obține o relație între variabila complexă s, specifică transformatei Laplace, și variabila complexa z, specifică transformatei Z:
(3.27)
Forma expresiei depinde de operatorul continuu și de metoda de aproximare. Din această cauză, pentru a putea prezenta în mod independent diferitele metode de discretizare, numele funcției
este legat de numele metodei prin indici inferiori, o combinație sugestivă de litere.
3.6.2.2 Caracteristicile relațiilor de substituție pentru procesul de discretizare
Se consideră relația de substituție (3.27), reluată (3.28)
(3.28)
prin care funcția de transfer continuă H(s) este transformată într-un model discret cu funcția de transfer z,
unde :
(3.29)
Se stabilesc șase caracteristici generale ale procesului de discretizare ce vor fi dezvoltate pentru fiecare metodă de discretizare directă. Aceste caracteristici permit efectuarea unui studiu comparativ al avantajelor și dezavantajelor fiecarei metode de discretizare.
1. Transferul polilor si zerourilor
Dacă funcția de transfer H(s) are un pol sau zerou s=s1atunci, cu excepția unor cazuri degenerate, funcția de transfer discretizată are un pol sau zerou în punctul z=z1 soluție a ecuației:
(3.30)
2. Domeniul de stabilitate
Ecuația (3.30) permite analiza stabilității modelului discretizat .
Se determină domeniul de stabilitate din planul complex s în care se pot afla polii funcției de transfer continuă H(s) astfel încât modelul discretizat să fie asimptotic stabil:
(3.31)
Prin se înțelege expresia soluției ecuației în necunoscuta z, adică:
(3.32)
3. Transformata axei imaginare din planul s
Punctele de pe axa imaginară din planul complex s, date prin relația
(3.33)
se transformă în punctele
(3.34)
care se exprimă și prin
(3.35)
Prin eliminarea parametrului real se obțin curbe în planul complex z,
(3.26)
în coordonate polare:
(3.27)
sau în coordonate carteziene:
(3.28)
Procedura se poate generaliza considerând diferite curbe din planul s:
(3.29)
4.Comportarea în regim stationar
Se știe că, pentru sisteme continue, comportarea în regim staționar poate fi caracterizată prin diferite limite când , iar pentru sisteme discrete limitele
sunt evaluate pentru .
Se presupune că expresia H(s) are limita în punctual s=0, chiar dacă aceasta este . Aceeasi condiție se impune și pentru .
Pentru a obține rezultate echivalente în regim stationar pentru modelul continuu și pentru cel discret, trebuie ca prin substituția (3.28) cele doua limite să fie corespondente, adică:
(3.30)
3.6.2.3 Discretizarea sistemelor folosind aproximarea operatorului de derivare prin diferență înapoi (BD)
Discretizarea bazată pe aproximarea derivatei prin diferență înapoi este referită "BD" (Backward Difference).
Se consideră derivata a unei funcții , generată de un operator continuu, H(s)=s, cu valoarea în momentul t=kT.
Această valoare a derivatei este aproximată prin numarul obtinut din valorile
printr-o operație discretă de diferența înapoi:
(3.31)
Aplicând transformarea Z, (3.31) poate fi exprimată în domeniul complex z, prin:
(3.32)
unde modelul discretizat al operatorului de derivare H(s)=s, este exprimat printr-o funcție de transfer z, G(z) dată de:
(3.33)
Se acceptă deci corespondența:
(3.34)
Unde expresia este acum notată si este
(3.35)
O funcție de transfer H(s) a unui sistem continuu este aproximată prin moelul discret
(3.36)
3.6.2.4 Discretizarea sistemelor folosind aproximarea operatorului de derivare prin diferență înainte (FD)
Discretizarea bazată pe aproximarea derivatei prin diferență înainte este referită "FD" (Forward Difference).
Folosind exact procedura de la cazul anterior, valoarea derivatei este aproximată prin numarul obținut din valorile printr-o operație discretă de diferența înainte:
(3.37)
Aceasta poate fi exprimată în domeniul complex z, aplicând transformarea Z prin
(3.38)
unde modelul discretizat, prin această metodă ,al operatorului de derivare H(s)=s , este exprimat printr-o functie de transfer z, G(z) data de:
(3.39)
Adică se acceptă corespondența:
(3.40)
Unde expresia este notată și este
(3.41)
O funcție de transfer H(s) a unuisistem continuu este aproximată prin modelul discret
(3.42)
3.6.2.5 Discretizarea sistemelor folosind substituția Tustin (TU)
Substituția Tustin este o procedură de discretizare directă a funcțiilor de transfer continue, bazată pe aproximarea operației de integrare printr-o sumă de trapeze, realizată de un operator integrator continuu H(s) unde:
(3.43)
reprezentata în domeniul complex ca în Fig.3.6.
se obține un model discret G(z) al acestui integrator din care se extrage relația de substituție a variabilei s folosită în procedura de discretizare directă.
Figura 3.6 Substituția Tustin
Operația de integrare realizată de (3.43) este aproximată prin sumele
(3.44)
care, prin scădere, permit obținerea unei relații recursive,
(3.45)
Aplicând transformarea Z relației (3.45), rezultă
(3.46)
ce aproximează, prin această metodă operatorul de integrare H(s)=.
Astfel se acceptă corespondența
(3.47)
unde expresia este acum notată și este
(3.48)
O funcție de transfer oarecare H(s) a unui sistem continuu este aproximată prin modelul discret
(3.49)
3.6.3 Metode de discretizare bazate pe asigurarea comportării exacte pentru un tip dat de semnale de intrare
3.6.3.1 Formularea problemei
Se urmăreste obținerea unui model discret cu funcția de transfer D(z) astfel ca valorile în momentele t=kT ale raspunsului y(t) al sistemului continuu H(s) la o intrare data u(t) adică
(3.50)
să fie identice cu valorile șirului de numere yk , generat de sistemul discret D(z) ca răspuns la șirul de valori uk=u(kT)
(3.51)
unde
(3.52)
Din indentitatea
(3.53)
cu expresiile din (3.50) și (3.51) se obține
de unde,
(3.54)
Trebuie remarcat că răspunsul modelului discret coincide cu răspunsul moelului continuu în momentele de eșantionare numai pentru acel tip de intrare
3.6.3.2 Discretizarea prin răspuns echivalent la intrare impuls
(3.55)
(3.56)
deci funcția de transfer z, H(z) , este modelul discretizat echivalent la impuls unitate.
3.6.3.3 Discretizarea prin răspuns echivalent la intrare treaptă unitate
(3.57)
(3.58)
Rezultă ca modelul discret al unui sistem continuu ce are la intrare un extrapolator de ordinul zero (ZOH) este identic cu modelul discretizat la treapta unitate.
3.6.3.4 Discretizarea prin răspuns echivalent la intrare rampă unitate
(3.59)
(3.60)
Se poate arăta că dacă modelul discret al unui sistem continuu ce are la intrare un extrapolator de orinul întâi (FOH) este identic cu modelul discretizat echivalent la rampă unitate.
Un extrapolator de ordinal întâi transformă un șir de numere
(3.61) într-o funcție continuală alcatuită din rampe cu pantele egale cu diferență înainte,
(3.62)
3.6.4 Modele discrete pentru legile de reglare de tip PID
3.6.4.1 Formularea problemei de discretizare
Legile e reglare de tip PID (Proporțional-Integrator-Derivator) sunt de departe cele mai utilizate legi de reglare în aplicații practice.
Experiența operatorilor umani de sisteme este formată pe utilizarea unor legi de tip continuu, în timp ce implementările pe echipamente numerice a structurilor re reglare impugn algoritmi discreți.
Din această cauză este importantă analoza legăturii dintre legile continue de reglare și modelele lor discrete.
O lege de reglare PID continua,cu intrare u(t) și o ieșire y(t) în general realizează explicit sau echivalent o sumă de trei component,
(3.63)
Componenta proportional (P)
(3.64)
Componenta integrală (I)
(3.65)
Componenta derivativă (D) în două variante :
Componenta derivativă ideală (Did) :
(3.66)
Componenta derivativă reală (Dre) :
(3.67)
unde ,,, sunt respectiv, factorul de proporționalitate, constanta de timp de derivare și constanta de timp parazită.
Privită ca un sistem orientat, o lege de reglare PID este descrisă printr-o funcție de transfer ideală,PIDid:
(3.68)
respectiv reală PIDre:
(3.68)
Mărimea de intrare u(t) poate fi eroarea sistemului de reglare sau o altă mărime intermediară în funcție de configurația sistemului e reglare .
Dacă =0, componenta derivativă este decuplată iar dacă =, componenta integral este decuplată.
În funcție de aceste decuplări se pot utiliza alte variante de legi de reglare:P,PI,PDid,PDre.
3.6.5 Modele discrete pentru legea PID-real
Pentru obținerea modelelor discrete,este mai ușor să se reprezinte funcția de transfer a legii de reglare PID-real,
(3.69)
ca o sumă de componente, P,I și Dreal
(3.70)
unde
(3.71)
(3.72)
(3.73)
În care ieșirea finală este
(3.74)
Oricare model discret este de forma
(3.75)
unde ,,, reprezintă modelele discrete ale componentelor continue,respective ,,.
4 Prezentarea intalației Quanser cu două rezervoare
În această secțiune sunt detaliate convențiile de urmat în timpul editării lucrării.
4.1 Prezentarea rezervoarelor cuplate
4.1.1 Descrierea sistemului
Instalația este prezentată în figura de mai jos și este alcatuită din două rezervoare suprapuse și o pompa de apă. Cele două rezervoare sunt montate în partea din față a instalație și au aceeași secțiune transversală. Apa din rezervorul 1 poate (rezervorul de sus) să curgă în rezervorul 2 (rezervorul de jos ) și apoi să curgă în rezervorul de apă principal, dar apa din rezervorul 1 poate să curgă și în rezervorul principal, dacă robinetul de golirea este deschis. Curgerea din cele două rezervoare se face prin orificii, ele pot fii configurate la diferite dimensiuni, la o presiune atmosferica normală. Pompa trage apa din bazinul principal și o duce vertical până la orificile “OUT1” și “OUT2”, printr-o bifurcație. Nivelul de apă din fiecare tanc este măsurat folosind senzori de presiune, localizați la baza fiecărui tanc. În plus fiecare tanc îi este adaugată o scară verticală (în centimetri).
Figura 4.1 Instalația Quanser cu două rezervoare
4.1.2 Tipuri de configurații
În figurile următoare sunt ilustrate mai multe moduri de configurare a sistemului
Configurația 1
Sistemul are o singură intrare și o singură ieșire (SISO).Pompa aduce apa în tancul 1, din rezervorul principal.
Tancul 2 nu este folosit. Controlerul este proiectat să regleze sau să urmărească nivelul în tancul 1.
Figura 4.2 Configurația 1
Configurația2
Sistem cu o singură intrare și o singură ieșire (SISO). Pompa aduce apă în rezervorul 1, din rezervorul principal, iar apa din rezervorul 1 curge în rezervorul 2.
Controlerul este proiectat să regleze nivelul sau să urmărească nivelul în rezervorul 2. Figura 4.3 Configurația 2
Configurația 3
Sistem cu o singură intrare și o singură ieșire (SISO).
Pompa aduce apa atât în tancul 1, cât și în tancul 2 și apa din tancul 1 curge în tancul 2.
Controlerul este proiectat și regleze nivelul în tancul 2.
Figura 4.4 Configurația 3
Configurația 4
Prin adaugarea a două instalații Quanser, putem realiza o configurare mai complexă în care să avem mai multe intrări și mai multe ieșiri (MIMO). O asemenea configurarea este ilustrată în figura alăturată.
Figura 4.5 Configurația 4
4.2 Date tehnice
4.2.1 Componente
În figurile urmatoare sunt identificate componetele ce alcătuiesc instalația Quanser și numerotate printr-un id.
Cadrul ansamblului
Tancul 1
Tancul 2
Bazinul principal de apa
Pompa
Tub flexibil
Orificiul “Out1”
Orificiul “Out2”
Furtun și cuplă “Out1”
Furtun și cuplă “Out2”
Ieșire mica
Ieșire medie
Ieșire mare
Ieșire simplă
Robinet
Bifurcați de debiți
Senzor de presiune
Circuitul de calibrare și condiționare de semnal
Conector motor 4-PIN
Conector senzor de presiune 6-PIN
Scara de nivel (în cm)
Figura 4.6 Instalația Quanser,date tehnice
Figura 4.7 Instalatia Quanser,identificarea elementelor
4.2.2 Descrierea componentelor
• Cadrul ansamblului
Dimensiunile sunt urmatoarele
Înălțimea ansamblului: 0.915m
Lățimea ansamblului: 0.305m
• Tancurile de apă
Instalația are două tancuri create din Plexiglas de aceeași dimensiune
• Pompa
Instalația are o poma cu un motor de 12 V de curent continuu
• Senzorul de presiune
Nivelul în fiecare tanc este măsurat printr-un senzor de presiune. Un astfel de senzor de nivel este situat în partea de jos a fiecărui tanc și furnizează citiri liniare de nivel. Cu alte cuvinte, tensiunea de ieșire a senzorului crește proporțional cu presiunea aplicată. Mărimea de ieșire este procesată printr-o placă de condiționare de semnal și crează un semnal DC de 0 până la 5V.
4.3 Parametri modelului
Următorul tabel prezintă parametri principali asociați instalației. Anumiți parametri din acest tabel sunt utilizați pentru modelul matematic al instalației, precum și la obținerea ecuaților de stare
Tabel 4.1 Parametri modelului
4.4 Elemente de ansamblu
•Rezervorul principal
Rezervorul principal de apă trebuie să fie umplut cu apă până la trei sferturi. Asigurați-vă că tubul flexibil, cel de la pompă, se află în apa din bazin. Se recomandă să folosiți apă distilată, pentru rezervorul principal, cu scopul de a nu afecta tuburile de pexiglas prin depunerea de săruri pe acestea.
•Tuburile de ieșire
Așa cum am aratat anterior o singură instalație se poate configura în trei tipuri experimentale diferite, corespunzătoare sistemului 1, 2 și 3.
În tabelul următor vom evidenția detaliile de configurare pentru cele patru tipuri
Tabel 4.2 Detaliile pentru configurații
• Cablurile necesare
Denumire:
5-PIN-DIN la RCA
Descriere:Acest cablu conectează ieșirea analogică de la automat la amplificatorul de putere UPM
Figura 4.8 5-PIN-DIN la RCA
Denumire:
6-PIN-DIN la 6-PIN DIN
Descriere: Acest cablu conectează ieșirea la celor doi senzori din instalație cu intrarea de la a amplificatorul UPM
Figura 4.9 6-PIN-DIN la 6-PIN DIN
Denumire:
6-PIN-DIN cu 4xRCA
Descriere: Acest cablu conectează ieșirea de la amplificatorul de putere la pompa
Figura 4.10 6-PIN-DIN cu 4xRCA
Denumire:
4 PIN-DIN la 6-PIN-DIN
Descriere: Acest cablu conectează ieșirea de la amplificatorul de putere la pompa
Figura 4.11 4 PIN-DIN la 6-PIN-DIN
• Modul de alimentare universal 1503
Modulul de alimentare universal este un amplificator de putere necesar pentru a conduce fiecare motor Quanser.Acesta este compus din:
– Sursă de alimentare ±12V;
– 4 senzori de intrare analogical;
– Ieșire analogică de putere amplificată.
Toate porturile menționate mai sus furnizează puncte de test peste conexiunile standard pentru a furniza acces complet la semnale.Aceste puncte de test pot fi monitorizate din exterior dacă utilizatorul doreste (exemplu: prin intermediul unui osciloscop).
Modelul 1503 al modulului de alimentare universal are o tensiune maximă de ieșire de 15V, și un curent continuu de 3A.
Figura 4.12 Modul de alimentare universal 1503
Modelul upm 1503 se inscrie in categoria de module de alimentare liniare.Motoarele folosite in sistemele Quanser sunt motoare de curent continu. Ele pot fi, fie motoare cu conducere directă sau motoreductoare. Motoreductoarele au o cutie de viteze internă,,care poate fi ușor diferențiată de motorul in sine prin examinare. Motoarele sunt conduse de ieșirea amplificatorului (Upm).
Motoarele cu conducere prin tensiune sunt controlate utilizând UPM 1503. Circuitul obținut cu cablurile furnizate este prezentat in figura de mai jos. Conectorul motor pentru folosit pentru motoare care utilizează modulul de alimentare UPM 1503 este unul DIN cu 4 pini care este conectat la motor după cum urmeaza in figura 2.
Figura 4.13 Schemă UPM 1503
4.5 Calibrarea senzorului de nivel
Senzorul de nivel este calibrat de producător, dar poate este necesară o reajustare când pronim instalația.
Tensiunea de la senzor este proporțională cu nivelul apei și este măsurată de UPM pe canalul S1 pentru tancul 1 și pe canalul S2 pentru tancul 2, care ar trebui să fie 0 atunci când tancul este gol și între 4.0 și 4.2 V atunci când nivelul rezervorului de apă este de 25 cm (așa cum se vede pe scara rezervorului).
4.5.1 Procedura de calibrare
În scopul de a rula cu succes procedura de calibrare, se asigură mai întâi că instalația este conectat așa cum este descris anterior. De asemenea configurați instalația la configurația 2 cu orificile de ieșire corespunzătoare și alimentările de la pompă coerspunzătoare.
Asigurați-vă că tubul flexibil de la “out 1” este în rezervorul 1. Nu conectați un tub la “out 2”.
Pentru a executa corect procedura de calibrare trebuie îndepliniți următori pași:
– Se golește tancul1 și se ajustează “Tank 1 Offset”, de pe instalație, până când tensiunea V_L1 este 0V.
– Se umple tancul 1 și se ajustează “Tank 1 Gain”, de pe instalație, până când tensiunea V_L1 este între 4.0 și 4.2 V .
Acestă procedură se realizează și pentru tancul 2.
4.6 Modelarea matematică a instalației
• Debitul de ieșire din rezervorul 1, , poate fi exprimat astfel:
(4.1) unde reprezintă aria secțiuniei transversale al orificiului de ieșire, iar reprezintă vitezele de
scurgere a lichidului din rezervorul 1.
Aria este calculată cu urmatoarea formulă:
(4.2)
Viteza de curgere poate fi exprimată după cum urmează:
Acum debitul se poate scrie:
(4.3)
Folosind ecuația de bilanț de masă în regim dinamic pentru rezervorul 1, se obține următoarea ecuație diferențială de ordin 1:
(4.4)
Înlocuind în ecuația (4.4) , , , cu expresiile date de ecuația (4.2) și respectiv ecuația (4.3) rezultă următoarele:
(4.5)
• La echilibru toți termenii derivatelor în raport cu timpul sunt zero și ecuația (4.5) devine:
(4.6)
Din ecuația (4.6) deducem , ce reprezintă tensiunea de comandă a pompei la echilibru, este în funcție de și :
(4.7)
• Debitul de ieșire din rezervorul 2, , poate fi exprimat astfel:
(4.8)
unde reprezintă aria secțiuniei transversale al orificiului de ieșire, iar reprezintă vitezele de scurgere a lichidului din rezervorul 2.
Aria se este calculată cu urmatoarea formulă:
(4.9)
Acum debitul se poate scrie:
(4.10)
Folosim și ecuația de debit de la primul tancul ce reprezintă intrarea pentru tancul 2
(4.11)
Folosind ecuația de bilant de masă în regim dinamic pentru rezervorul 2, se obține următoarea ecuație diferențiale de ordin 2:
(4.12)
Înlocuind în ecuația (4.4) , , , cu expresile date de ecuația (4.10) și respectiv ecuația (4.3) rezultă următoarele:
(4.13)
• La echilibru toți termenii derivatelor în raport cu timpul sunt zero și ecuația (4.13) devine:
(4.14)
Configurația 1
Unde și
;
Configurația 2
; ; ;
rezultă ; (0;1)
Funcția de transfer H(s) devine :
Funcția de transfer a regulatorului este :
Se egalează numitorul lui cu:
Și rezultă:
; ;
Configurația 3
;
rezultă devine
Funcția de transfer H(s) devine :
Se egalează numitorul lui cu:
Și rezultă:
; ;
4.7 Legea de reglare utilizată
Legea de reglare utilizată în pentru reglarea de nivel în cadrul acestui proiect este legea de reglare Proporțional Intergator PI. Am ales această lege de reglare deoarece am constatat un răspuns optim prin utilizarea ei și așa cum a rezultat prin identificare instalației, funcția de transfer, a fiecărui rezervor, este o funcție de transfer de ordin 1, iar pentru funcțile de transfer de ordin 1 este recomandată o lege de reglare de tipul PI.
4.7.1 Legea de reglare PI
Funcția de transfer a legi de reglare PI este:
Unde: = factorul de proporționalitate,
= constanta de timp de integrare []=sec.
Răspunsul la intrare treaptă u(t)=U 1(t-), reprezentat în figura următoare:
În figura următoare este evidențiat modul de determinare a paremetrilor , pe diferitele porțiuni, dar și răspunsul unui element PI la intrări constante pe porțuni.
Raportul / și se poate calcula cunoscând două puncte ale unei porțiuni a răspunsului, y(), y() și valoarea constantă U a intrării care a determinat acel răspuns liniar.
4.7.2 Acordarea regulatoarelor PI
4.7.2.1 Acordarea regulatoarelor PI cu timp continuu cu metoda alocării polilor
În figura următoare prezintă schema de reglare a unui proces de ordinul I, comandat printr-un regulator PI cu timp continuu. Funcția de transfer a procesului este exprimată în forma cea mai generală care include și cazul proceselor pur integratoare având funcția de transfer: H(s) = b / s
r* ε y
Figura 4.14 Reglarea unui proces de ordin I cu un regulator PI cu timp continuu
Acordarea regulatoarelor prin metoda alocării polilor implică:
– Alegerea valorilor dorite pentru rădăcinile numitorului (polii) funcției de transfer în buclă
închisă (s) pe baza performanțelor dorite pentru sistemul de reglare
– Contruirea polinomului dorit pentru numitorul funcției de transfer cunoscând
rădăcinile acestuia (s).
– Determinarea coeficienților regulatoarelor prin rezolvarea sistemului de ecuații care se
obține identificând polinomul dorit cu numitorul (s) .
În cazul acordării regulatoarelor PI funcția de transfer echivalentă este de ordin II.
Pozițiile poliilor se impun astfel încât să corespundă în planul s unui sistem de ordinul II definit prin factorul de amortizare ξ și prin pulsația naturală ω:
Tipic, alegerea ξ și ω se face ținând cont de suprareglajul maxim acceptat și banda de
trecere dorită pentru sistemul rezultant. Egalând numitorii funcției de transfer de mai sus și cu cei ai funcției de transfer în buclă închisă și rezultă un sistem de 2 ecuații ale cărui necunoscute sunt ,:
din acestă ecuație rezultă următorul sistem:
Având soluția
și
Dacă în urma procesului de acordare și rezultă negativi, atunci trebuie impusă o bandă de trecere dorită ω mai mare, astfel încât să se respecte condiția 2ξω-a>0. Acestă condiție arață că dacă un proces are banda proprie de trecere a, sistemul de reglare nu poate avea o banda de trecere oricât de mică, ea terbuie să fie minim ω. Astfel spus, un proces rapid nu poate se poate controla ca un proces lent.
4.7.2.2 Acordarea regulatoarelor PI cu timp discret cu metoda alocării polilor
În figura următoare este prezentată o schemă de reglare a unui proces de ordin I, comandat printr-un regulator PI cu timp discret.
Figura 4.15 Reglare unui proces de ordinul I cu regulator PI cu timp discret
Echivalentul discret al funcției de transfer pentru procesul controlat se obține cu relația următoare, unde T este perioada de eșantionare.
În cazul procesului descris prin funcția de transfer, în subcapitolul anterior, echivalentul în discret este :
Funcția de transfer a regulatorului PI discret se obține alegând un echivalent discret pentru
integratorul 1/ s . Uzual se folosesc:
= sau =
În cele ce urmează pentru integrator am ales:
=
deci:
Unde = și =T sunt coeficienții proporționali și integratori ai regulatorului discret.
Prin aplicarea metodei alocării polilor, întotdeauna se vor obține coeficienții și și ce conduc la plasarea corecta a polilor sistemului rezultat, indiferent de care din variantele se alege. Altfel spus, schimbând metoda de echivalare, se vor obține alte valori pentru care însă conduc la același numitor al funcției de transfer echivalente. Din acest motiv s-a ales prima varianta fiind mai simplă de implementat.
Polii din funcția de teansfer de mai sus, se impun astfel încât să corespundă în planul s unui sistem de ordinul II definit prin factorul de amortizare ξ și prin pulsația naturală ω, având polii
=0 =
Ținând cont că unui punct din planul complex Laplace, îi corespunde în planul complex Z
punctul unde T = pasul de eștantionare, echivalentul discret pentru polii este:
Prin urmare polinomul dorit pentru funcția de transfer în buclă închisă este:
unde
Egalând numitorul funcției de transfer discretă cu ecuația de mai sus rezultă un sistem de 2 ecuații ale cărui necunoscute sunt, cu soluția:
Rezultă:
=()/
=()/+
Coeficienții trebuie să fie . Dacă în urma procesului de acordare rezultă negativ, trebuie impusă o bandă de trecere dorită ω mai mare.
5. Concluzii
În concluzie, am reușit să ne îndeplinim scopul propus, așa cum l-am specificat în primul capitol al acestui proiect și anume controlul instalației Quanser cu două rezervoare, cu ajutorul unui automat programabil. Acest control al instalației a fost realizat și cu ajutorul software-ul RSLogix 5000, unde am realizat cu regulatorul PI reglarea nivelului atât în rezervorul 1, cât și în cel de-al II-lea rezervor.
6. Bibliografie
[Qua. 97a]-Coupled Water Tanks- Instructor Manual
[Qua. 97b]-Coupled Water Tanks- Student Handout
[Qua. 97c]-Coupled Water Tanks -User Manual
[CPD]-Curs Automate programabile Popescu Dorin
[SDT]-Sisteme discrete in timp ,Constantin Marin, Editura Universitaria Craiova
7. Referințe Web
1. http://www2.hawaii.edu/~gurdal/EE351L/upm.pdf
2. http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii/m2/Cerbulescu%20Claudia%20-%20Automate%20Programabile/SIsteme
3. http://users.utcluj.ro/~cteodor/Lucrari/Automatizari_L7.pdf
4. http://retele.elth.ucv.ro/Bratu%20Cristian/MAP/005%20-%20Curs%20005%20-%20MAP%20-%20Automate%20programabile.pdf
5. http://www.rockwellautomation.com
6. http://www.rockwellautomation.com/rockwellsoftware/performance/view/viewme.html
7. https://www.rockwellautomation.com/rockwellsoftware/design/rslinx/overview.page
8. http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/pp/9324-pp001_-en-p.pdf
CD / DVD
Index
B L
Bibliografie………………………………….71 Lista figurilor……………………………………………xii
Lista tabelelor……………………………………………xiv
C R
Cuprins………………………………………..ix Referințe web……………………………………………72
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Controlul Instalatiei Quanser “two Tank Module” Folosind Sistemul 1768 Compactlogix (ID: 138471)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.