Dezvoltare Si Implementare de Algoritmi de Reglare Pentru Platforma Experimentala Astank 2

Reglare debit. Conducere PID.

Reglare debit.

Debitul reprezintă cantitatea de fluid care trece într-o unitate de timp prin secțiunea unui canal, a unei conducte sau printr-o albie. Debitul se exprimă ca debit de volum, debit de masă și debit de greutate.[]

În funcție de intervalul de timp în care se urmărește curgerea debitului se pot enumera debit instantaneu (momentan) și debit mediu.[]

În cazul de față se folosește debitul de volum, iar unitățile de măsură prin care poate fi exprimat volumul sunt: l/s, l/min,/l/h, m3/s, m3/min.

Pentru a regla automat debitul într-o instalație sunt necesari anumiți pași. Pașii sunt:

-modelarea procesului de curgere

-calculul modelului dinamic al conductei scurte/lungi

-proiectarea sistelului pentru reglare

-implementarea regulatorului

Sistemul de reglare automată a debitului este reprezentat în figura:

c.n. Sistem de reglare automată a debitului

unde:

F- debitul de apă;

F0-valoarea de referință a debitului.

Conductele pot fi de două tipuri, scurte sau lungi, cele scurte având lungimea aproximativ egală cu diametrul conductei, iar conductele lungi au lungimea mult mai mare ca diametrul.

În cadrul calculului modelului dinamic al unei conducte scurte (L≈D) tronsonul de conductă se echivalează cu o rezistență hidraulică, fiind valabilă relația:

știind că:

F – debitul fluidului ce trece prin conductă;

S – aria secțiunii conductei;

α – coeficient de debit;

– căderea de presiune pe tronsonul de conductă;

ρ – densitatea fluidului.

În regim staționar de curgere forțele care acționează se echilibrează, iar comportarea acestor forțe este descrisă de relația:

unde:

– forța de apăsare asupra lichidului din conductă;

– forța de reacțiune datorată restricției.

În regim dinamic, viteza de variație în timp a impulsului din sistem compensează cu diferența dintre cele două forțe:

M – masa de lichid din conductă;

v – viteza de curgere.

Înlocuind ecuațiile M=ρLS și în relația de mai sus se obține:

Liniarizând în jurul unui punct static de funcționare, se obține:

Se obține relația:

Neglijând termenul pătratic și extragând condițiile de regim staționar, ecutația de mai sus devine:

Prin normare la valorile de regim staționar y(t) – mărime reglată și m(t) – mărime de execuție se obține:

Modelul liniarizat obținut are forma:

unde:

V0 – volumul de fluid din conductă

Funcția de transfer rezultată în urma aplicării transformatei Laplace asupra relației de mai sus este:

unde:

KP – factor de amplificare;

TP – constanta de întârziere.

Funcția obținută este o funcție de transfer de ordinul I, iar timpul de răspuns este rapid.

Dumitru Popescu, Dan Stefanoiu, Ciprian Lupu, Catalin Petrescu, Bogdan Ciubotaru,

Catalin Dimon – Automatica Industriala Ed. Agir, BUCURESTI 2010

Conducere PID.

Legea de reglare de tip proporțional este cea mai simplă lege de reglare și este definită sub forma:

unde KR > 0 și este constant.

c.n. Structura convențională a unui SRA

Funcția de transfer a regulatorului de tip P este:

Legea de reglare de tip PI are relația:

unde KR, Ti >0 și constante.

Relația regulatorului de tip PI se poate scrie sub forma:

Funcția de transfer a legii PI este:

Regulatorul PI nu are un singur parametru de reglare cum are regulatorul de tip P. Pe langă parametrul KR, regulatorul de tip PI îl are și pe Ti, iar prin ajutarea acestui parametru se modifică efectul acțiunii de integrare.

Legea de reglare de tip proporțional-derivativă este dată de relația:

cu parametrii KR, Td >0 și constanți.

Funcțiia de transfer a regulatorului de tip PD este:

Td este constanta de timp atașată componentei derivative

Legea de reglare proporțional-integral-derivativă (PID) este cea mai cunoscută lege de reglare. Această lege de reglară are formula:

sau

unde:

– factor de proporționalitate;

– factorul intregral;

– factorul derivativ.

Funcția de transfer a regulatorului de tip PID este:

sau

Această lege de reglare evidențiază un sistem care nu poate fi realizat fizic. De aceea, pentru a putea fi realizabil fizic, se folosesc variante diferite ale acestei legi de reglare.

Una dintre variante a legii de reglare folosește constanta de timp αTd pentru a filtra componenta derivativă:

cu α<<1.

A doua varintă folosește un algoritm PID cu filtrare. Pentru această variantă se realizează o combinație a componentelor P, PI și PD cu filtrare:

Prin filtrarea componentei derivative se asigură realizabilitatea algoritmilor și se atenuează efectul componentei derivative asupra semnalelor de tip zgomot.

Alegerea și acordarea regulatoarelor pentru procese rapide.

Procesele rapide sunt descrise prin modele matematice cu o bună precizie și sunt caracterizate prin valori ale constantelor de timp dominante mai mici de 10 secunde și constante de tip parazite. Vom considera modele matematice de forma:

Criteriul modulului.

SRA debit.

unde T1, T2 sunt constante de timp dominante și TΣ este suma constantelor parazite de timp, iar aceasta este mult mai mică ca minimul dintre T1 și T2. Algoritmul recomandat de tip PID are forma:

iar funcția de transfer a căii directe este:

Capitol 3

Prezentare instalație. Tehnologii folosite.

Prezentare instalație.

Introducere.

ASTANK 2 este o platformă integrată de cercetare si didactică care face posibilă aplicarea unei game largi de experimente. Instalația este folosită pentru o multitudine de experimente hidraulice și de presiune.

Bazinul din partea dreptă a instalației are formă de paralelipiped dreptunghic și poate fi folosit pentru modelarea proceselor de umplere/golire. La baza bazinului se găsește o conductă cu robinet manual prin care se face evacuarea fluidului. Bazinul din partea stângă are o formă de paraleliped dreptunghic în partea de sus, apoi unul dintre pereți este înclinat în partea de jos. Peretele înclinat aduce în plus, față de celălalt bazin, un grad mare de complexitate în modelare si control.

De asemenea, cele două bazine pot fi conectate pentru a creea un sistem MIMO, printr-o conductă. Robinetul care se află pe conductă trebuie să fie deschis pentru ca bazinele sa fie interconectate.

Instalația are echipamente de protecție pentru a preveni eventuale deversări din bazine sau funcționarea în gol a pompelor.

Panoul frontal.

ASTANK 2 este un echipament destinat folosirii în laborator. Semnalele de la senzori și elementele de acționare sunt disponibile pe panoul frontal conectând la acesta conectorii izolatori de 4 mm. Semnalele analogice au fost convertite de la 0-10 V în semnale necesare pentru a le putea folosi mai departe.

Pe panoul frontal se găsește și interfața convertizorului de frecvență. Interfața ușureaza accsesul la statusul convertizorului de frecvență și la configurarea acestuia.

(imagini panou frontal)

Instalația propriu-zisă.

Instalația ASTANK 2 are două bazine plasate la aceeași înălțime, bazinele fiind folosite la procese independente sau cuplate de umplere/golire.

(imagine ASTANK2- detaliata)

Interconectarea bazinelor se face prin deschiderea robinetului RC.

Curgerea apei din cele două bazine se face prin curgere liberă. Curgerea apei este o funcție de coloana de apă din bazin și dimensiunile conductei la golire și poate fi afectată de deschiderea sau închiderea robineților R11 și R12. Deschiderea mai mare a robineților duce la curgerea mai rapidă a lichidului/apei și va rezulta un proces rapid. De altfel, deschiderea mai mică a robineților va produce o curgere lentă a apei și procesul rezultat este unul lent. Relația dintre nivelul de apă si curgerea apei din bazin este neliniară.

Nivelele din cele două bazine pot fi vizualizate fără a folosi vreun senzor, ele fiind gradate. Dar pentru a putea controla nivelul din bazine avem nevoie de senzori, iar în acest caz au fost folosiți senzori de presiune amplasați la baza bazinelor, LT1 și LT2.

Apa este pompată în bazile cu ajutorul unei pompe principale sau folosind pompele auxiliare. Pompa principal este comandată de un convertizor de frecvență și poate varia caracteristica debit-presiune schimbând frecvența la intrarea motorului pompei. Pompele auxiliare deplasează un debit constant de fluid și au fost proiectate să introducă perturbații în sistem atunci când are loc un proces de umplere/golire.

Debitul din cele două bazine poate fi controlat independent. Mai întai, robineții R11 și R22 pot izola una dintre ramuri de cealaltă sau pot acționa ca perturbații. Apoi, reglarea de debit se poate face acționând electrolvalvele proporționale FC1 și FC2. De asemenea, volumul de lichid curs într-o unitate de timp poate fi măsurat cu ajutorul traductoarelor de debit, FT1 și FT2.

Două traductoare de presiune au fost amplasate unul, PT1, la orificiul de evacuare al pompei principale, adică unde este conectată pompa cu conducta de lungime 1 m, iar celălalt, PT2, la capătul celălalt al conductei. Ele permit măsurarea căderii de presiune datorate gravitației și frecării lichidului cu peretele interior al conductei.

Bazinele.

ASTANK 2 are două bazine de apă interconectate și un rezervor. Apa este trasă din rezorvor de către pompa principală și pompele auxiliare și se revarsă în cele două bazine. Apa curge înapoi în rezervor datorită gravitației.

Bazinul din dreapta, numerotat cu 2, are forma de paralelipiped dreptunghic cu mărimile din interior 150mm x 140 mm x 500mm (lungime, lățime, înălțime). Poate susține un volum de apă de aproximativ 9.5 L

Bazinul din stânga, numerotat cu 1, are aceeași forma ca și celălalt bazin, doar în partea de sus, iar în partea de jos se continua cu un perete înclinat la 75 de grade. Secțiunea inferioară are dimensiunile 140mm x 80mm (lungime, lățime). Înălțimea bazinului este aceeași ca la bazinul 2. Volumul de apă suportat de acest bazin este de aproximativ 8.2 L.

(imagini bazine cu marimi.)

Rezervorul are un volum de aproximativ 19 L. Este mult mai mare decât cele două bazine pentru a nu permite pompelor să tragă aer în momentul când ambele bazine sunt pline.

(imagine rezervor)

Senzori de nivel și presiune.

ASTANK 2 este echipat cu 4 senzori de presiune. Doi senzori de presiune sunt utilizați ca și senzori de nivel, LT1 și LT2, și sunt montați la baza bazinelor. Nivelul de apă poate fi determinat din diferența de presiune a coloanei de apă.

Ceilalți doi senzori de presiune sunt poziționați pe conducta comună de alimentare a celor două bazine, PT1 se află la orificiul de evacuare a apei din pompa principală și capătul de jos a conductei si PT2 se află la capătul superior al conductei.

Senzorul de nivel al apei este SIEMENS SITRANS P210 cu diafragma din oțel inoxidabil, cu element sensibil piezo-rezistiv și cu o gamă de operare de 0-0.1 bari, cu o precizie de ± 0.25% și o caracteristică liniară ±1%.

Senzorii de presiune sunt de asemenea din familia SIEMENS SITRANS P210 cu diafragma din oțel inoxidabil și cu element sensibil piezo-rezistiv. Aceștia au o gamă de operare de 0-1.6 bari, o precizie de ±0.25% și o caracteristică liniară ±1%.

Ambele perechi de senzori au ieșiri de 4-20 mA ce sunt accesibile ca semnale de 2-10 V pe panoul frontal utilizând conectorii LT1 și LT2, respectiv PT1 și PT2.

Traductoare de debit.

Cele două ramuri ce alimentează bazinele sunt echipate cu traductoare de debit volumic. Modelul este KOBOLD DPL-1P20 cu o gamă de la 0.4-12 L/min.

Au o caracteristică liniară ±1 % și o precizie de ±2.5 %.

Modulele electronice incluse în traductoare oferă ieșiri de 4-20 mA ce sunt accesibile ca semnale de 2-10 V pe panoul frontal, la conectorii FT1 și FT2.

Electrovalve.

Ramurile ce alimentează bazinele sunt echipate și cu elemente de execuție, electrovalve proporționale cu solenoid. Acestea sunt BURKERT 6024 cu modulul electronic de control 8605.

Electrovalvele sunt utilizate pentru căderi de presiune de 0-0.7 bari. Semnalele de control sunt în gama 0-10 V ce corespund la deschideri de 0-100%, iar conectorii de pe panoul frontal sunt FC1 și FC2.

Electrovalvele au o caracteristică liniară mai mică de 7% și un timp de răspuns mai mic de 50 ms.

Modulul de control poate fi configurat astfel încât să asigure operarea eficientă a valvelor. Acesta modifică valoarea curentului în bobina actuatoare astfel încât valva urmărește o poziție dorită a pinului. Poate fi parametrizat pe interfața cu taste a modulului.

Pompa principală și convertizorul de frecvență.

Pompa principală alimentează bazinele și este o pompa centrifugală care are cuplaj magnetic. Cuplajul magnetic ajută la reducerea efectului de uzură datorat pornirilor și opririlor frecvente și operărilor cu debit scăzut specific mediilor de laborator.

Pompa este un MARCH MAY MMP-2 care furnizează o presiune maximă de 1.4 bari și un debit maxim de 20 L/min.

Motorul pompei este alimentat de un convertizor de frecvență SIEMENS SINAMICS G110. În această configurație este posibilă variația puterii mecanice a pompei prin modificarea frecvenței alimentării electrice.

Convertizorul este controlat prin semnalele P și FC ale panoului frontal. Ieșirea convertizorului de frecvență este pornită sau oprită prin semnalul digital P de 24 V. De asemenea, frecvența dorită a convertizorului este setată folosind conectorul FC care este un semnal analogic de 0-10 V. P și FC sunt disponibile pe panoul frontal al instalației.

Pompe auxiliare.

ASTANK 2 dispune de câte o pompă auxiliară pentru fiecare bazin ce pot fi utilizate ca perturbații în experimente.

Acestea pot fi pornite sau oprite folosind semnalele digitale de 24 V P1 și P2 de pe panoul frontal.

Pompele auxiliare sunt pompe cu debit constant, dar ieșirile lor pot fi ajustate prin închiderea sau deschiderea robineților RP1 și RP2.

Comutatoare.

Panoul frontal este echipat cu 5 porturi digitale, S1-S5. Când acestea sunt pornite porturile oferă un semnal de 24 V.

Acestea nu sunt conectate intern la nicio componentă din ASTANK 2, ci sunt menite a fi utilizate cu un automat programabil sau alt element de control pentru a declanșa începutul unei secvențe. De asemenea, pot fi conectate la conectorii pompelor (P, P1 sau P2) și pot fi folosite drept comutatoare pornit/oprit.

Tehnologii folosite.

Realizarea acestui proiect a necesitat utilizarea de echipamente hardware și software specializate pentru implementarea aplicației de reglare, atât la nivel de dezvoltare al acesteia, cât și la nivel de echipament țintă, pe care se va rula efectiv această aplicație, echipament ce va avea rol de decizie (control) în cadrul schemei de reglare.

Componentele hardware principale sunt:

automatul programabil Siemens S7-1200;

display-ul touch-screen Siemens KTP600 PN Basic.

Componentele software folosite sunt:

Siemens TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal), cu cele două subcomponente de bază: STEP 7 și WinCC;

Mathworks Matlab (versiunile 2011, 2012 și 2013).

În cele ce urmează vor fi detaliate fiecare din aceste elemente, accentul fiind pus pe rolul fiecăruia în contextul proiectului de față.

Automate programabile. Descriere generală.

Automatul programabil este cel mai folosit echipament la nivel industrial pentru controlul proceselor. Un automat programabil sau PLC (programmable logic controller) este un computer industrial ce poate fi programat pentru a putea executa funcții de control.

Fig. 3.X. Un automat programabil (Siemens).

Un PLC este proiectat cu multiple intrări și ieșiri, să reziste în anumite medii cu temperaturii mari sau joase, nu este perturbat de semnale electrice și rezistă la vibrații și șocuri de lovire.

Un automat programabil este un computer digital proiectat pentru folosirea în controlul altor aparate. Spre deosebire de un computer personal, automatul programabil este construit astfel încât să fie utilizat într-un domeniu industrial și este un echipament cu interfețe de intrări/ieșiri speciale și are un limbaj de programare specific controlului.

Automatul programabil face legatura între mai multe dispozitive. Spre deosebire de modul traditional de control, în care dispozitivele erau conectate doar cu fire, cabluri, automatul programabil conține un program, salvat în memoria automatului. Această conexiune între dispozitive și automat programabil se numește legatură software.

Legatura software reprezintă un avantaj extraordinar al automatului programabil. Dacă se dorește modificarea funcționării unuia dintre dispozitive trebuie schimbat doar programul care este salvat în memoria automatului programabil. Această schimbare este ieftină și nu necesită schimbarea fizică a vreunui dispozitiv sau înlocuirea firelor de conexiune.

Automatul programabil oferă o multitudine de avantaje. Acestea sunt:

-fiabilitate crescută. Odată ce programul a fost scris și testat, el poate fi ușor de descărcat pe alt automat programabil. Programul înlocuiește multe dintre firele externe care în mod normal ar fi făcut conexiunea între dispozitive.

-flexibilitate mare. Este mult mai ușor ca un program să fie creat și apoi modificat într-un automat programabil decât să fie folosite o mulțime de fire pentru a face conexiunea între mai multe dispozitive. Cu ajutorul unui automat programabil relația între intrări și ieșiri este determinate de utilizatorul programului.

-preț scăzut. Automatele programabile au fost proiectate inițial pentru a înlocui releele logice de control, și prețul a fost considerabil mult mai mic. Este mult mai ieftin să fie instalat un automat programabil decât să fie folosite o mulțime de relee.

– capabilitate de comunicare. Un automat programabil poate comunica cu alte controlere sau echipamente de calculatoare pentru a rezolva împreună funcții de supervizare și control, monitorizare dispozitivelor și parametri proceselor, descărcare și încărcare programelor în memoria automatelor.

– timp de răspuns mai rapid. Automatul programabil este proiectat să funcționeze la viteze mari și să ruleze aplicații în timp real. El operează în timp real, acest lucru înseamnă că un eveniment ce are loc în proces va conduce la execuția unei operații sau a unei ieșiri. Dispozitivele ce procesează mii de operații pe secundă și obiecte ce se situează doar o fracțiune de secundă într-o stare ce activează un senzor necesită un timp de răspuns foarte mic din partea automatului programabil.

– ușor de depanat. Automatele programabile au funcții de diagnoză și suprascriere ce permit utilizatorilor să găsească ușor problemele și să corecteze atât software cât și hardware problemele apărute. Pentru a găsi și rezolva problemele, utilizatorii pot afișa un ecran cu programul de control în monitorizarea și rezolvarea în timp real a execuției.

Părțile componente ale unul automat programabil

Un automat programabil cuprinde mai multe părți:

-Unitatea Centrală de Procesare (UCP);

-Intrări și ișiri (I/O);

-Sursă de alimentare;

-Dispozitiv de programare.

Unitatea centrală de prelucrare este ‘creierul’ automatului programabil. Un procesor constă de obicei dintr-un microprocessor pentru implementarea logicii și controlul comunicației între module. Procesorul necesită memorie pentru salvarea rezultatelor obținute în urma efectuării operațiilor logice. Memoria este necesară pentru programe EPROM sau EPROM cu memorie RAM. Unitatea centrală de prelucrare controlează toată activitatea automatului programabil și este proiectată astfel încât utilizatorul să aibă acces la programul dorit.

Programul automatului programabil este executat ca parte a unui proces repetitiv. Odată ce execuția programului este completă, statusul ieșirilor este actualizat. Procesul repetitiv este rulat în continuu atât timp cât automatul programabil este în funcțiune.

Intrările și ieșirile formează interfața prin care dispozitivele sunt conectate la controller. Scopul interfeței este de a condiționa diferitele semnale primite de la sau trimise de la dispozitivele de câmp externe. Dispozitivele de intrare cum ar fi butoanele, limitatoarele și senzorii sunt conectate la terminalele de intrare. Dispozitivele de ieșire, cum ar fi motoarele, valve solenoid sunt conectate la terminalele de ieșire. Pentru a izola electric componentele interne de terminalele de intrare/ieșire, automatul programabil are un izolator optic.

Sursa de alimentare furnizează curent continuu către circuitele interne ale unității centrale de prelucrare și altor module ce sunt conectate la aceasta. Pentru automate programabile ce au mai multe module, sursa de alimentare nu furnizează energie, modulele necesitând o sursă externă de alimentare.

Dispozitivul de programare este folosit pentru a descărca programul dorit în memoria procesorului. Programul poate fi descărcat folosind logica ladder de relee, care este una dintre cele mai populare limbaje de programare. În loc de cuvinte , limbajul ladder folosește simboluri grafice care arată rezultatul lor propus.

Sisteme de automate programabile.

Industria automatizărilor a crescut considerabil și prin urmare si automatele programabile evoluează de la an la an. Multe din companiile care produc automate programabile vin cu soluții de automatizare specifice fiecărui proces ce urmează a fi dezvoltat.

Cele mai utilizate automate programabile sunt cele produse de : Siemens, Allen Bradley, Mitsubishi, General Electric, Omron.

Automatul programabil S7-1200.

Automatul S7-1200 permite controlul unei varietăți de dispozitive, în vederea obținerii unui anumit grad de automatizare pentru procesul de interes. Acesta reprezintă o foarte bună soluție pentru controlul unei game largi de aplicații datorită designului compact, configurației flexibilie și a setului puternic de instrucțiuni.

UCP-ul (unitatea centrală de prelucrare) conține un microprocesor, o sursă de alimentare integrată, circuite I/O, precum și circuite on-board analogice, toate în aceeași carcasă de protecție. Odată încărcat programul pe automat, UCP-ul conține logica necesară monitorizării și controlului echipamentelor din aplicație. UCP-ul monitorizează intrările și modifică ieșirile în funcție de logica aplicației, ce poate include logică booleană, număratoare, temporizatoare, operații matematice complexe și comunicații cu alte dispozitive inteligente.

UCP-ul dispune de un port PROFINET pentru comunicația într-o rețea tip PROFINET. Module adiționale sunt disponibile pentru comunicația PROFIBUS, GPRS, RS485 sau RS232.

Figura 1.1. Automatul programabil S7-1200.

Legendă:

Alimentare;

Slotul cardului de memorie;

Conectori pentru fire;

LED-uri pentru starea I/O integrate.

Conector PROFINET (la baza UCP-ului).

Acest automat programabil dispune de o serie de facilități de securitate pentru a proteja accesul atât la UCP, cât și la programul de control:

fiecare UCP oferă protecție prin parolă (ce permite accesul la funcțiile UCP-ului);

"know-how protection" (ascunderea codului dintr-un anumit bloc);

protecția copiilor (restricția programului la un anume card de memorie sau UCP).

Fiecare UCP oferă conexiuni dedicate pentru HMI și suportă până la trei dispozitive HMI. Numărul total de HMI-uri este afectat de tipul display-ului respectiv. De exemplu, se pot folosi până la trei panouri SIMATIC Basic conectate la UCP, sau până la două panouri SIMATIC Comfort plus un panou adițional Basic.

Modelele diferite de UCP furnizează o diversitate de funcționalități și capabilități ce permit crearea unor soluții eficiente de control pentru aplicații variate.

Tabelul 1.1. Caracteristici S7-1200 1214C.

Familia de automate programabile S7-1200 oferă posibilitatea conectării plug-and-play a unei mari varietăți de echipamente (module) de extensie, precum mărirea numărului de I/O sau conectivitatea la alte protocoale de comunicație. Figura 1.2. prezintă grafic astfel de tipuri de dispozitive, ce pot extinde funcționalitatea automatului programabil.

Figura 1.2. Module de extensie pentru S7-1200.

Legendă:

Modul de comunicație (CM), procesor de comunicație (CP) sau adaptor TS.

UCP.

Placă pentru semnale (SB), placă de comunicație (CB) sau placă de baterie (BB).

Modul de semnale (SM).

HMI Touch Panel.

HMI KTP600 Basic color este un display TFT, combinat cu un touch panel ce permite implementarea unei interfețe grafice cu utilizatorul, în vederea operării unei aplicații dezvoltate pe un dispozitiv de decizie (în cazul de față, pe automatul programabil S7-1200).

Acesta dispune de un display touch de 5.7 inch cu șase taste tactile adiționale. Este disponibil în două versiuni:

KTP600 Basic color DP pentru conexiuni DP MPI/PROFIBUS;

KTP600 Basic color PN cu o interfață Ethernet.

Figura 1.3. HMI KTP600 Basic color.

Figura 1.4. Descriere HMI KTP600 Basic color.

\

Legendă:

Orificii pentru cleme de prindere.

Display/touch screen.

Sigiliu de montaj.

Ghidaj pentru etichetare.

Taste funcționale.

Conexiune pentru masă funcțională.

Interfață PROFINET.

Conector de alimentare.

Informații produs.

Numele interfeței.

Domeniul de aplicație: panou pentru sarcini HMI (Human-Machine Interface) de complexitate redusă, dar cu cerințe ridicate privind vizualizarea, utilizând rețele PROFIBUS sau PROFINET, în concordanță cu varianta aleasă; este folosit în special în combinație cu SIMATIC S7-1200 (ca în cazul proiectului de față), dar poate fi utilizat și împreună cu alte tipuri de controllere.

Avantaje:

funcționalități de bază pentru medii PROFIBUS sau PROFINET;

preț relativ redus față de panourile din seria 170;

poate fi folosit oriunde în lume, având 32 de limbi configurabile (din care 5 sunt comutabile on-line).

Display-ul TFT de 5.7 inch oferă 256 de culori. Rezoluția de 320 x 240 de pixeli permite reprezentarea unor ecrane de operare mai puțin complexe la o dimensiune convenabilă, incluzând reprezentarea în culori. Panoul poate fi operat printr-un touch-screen analogic rezistiv și prin șase taste adiționale, configurabile de utilizator, ce oferă în momentul actuării feedback tactil. Poate fi configurat folosind mediile WinCC Basic (TIA Portal) sau WinCC flexible Compact. KTP600 permite funcționalități clasice HMI, precum alarme, curbe de trend etc.

Date tehnice

Tabelul 1.2. Date tehnice HMI KTP600 Basic color PN.

Simatic STEP 7.

STEP 7 este pachetul software standard utilizat în configurarea și programarea automatelor programabile Siemens SIMATIC.

Acest pachet standard suportă toate fazele necesare procesului de dezvoltare a unei sarcini de automatizare, precum:

definirea și gestionarea proiectelor;

configurarea și atribuirea parametrilor la echipamente hardware sau de comunicație;

gestionarea simbolurilor;

crearea și dezvoltarea programelor pentru PLC-urile din familia S7 (asemenea automatului S7-1200, utilizat în proiectul de față);

încărcarea programelor pe automatele programabile;

testarea sistemului de automatizare;

diagnoza defectelor instalației.

Pachetul standard STEP 7 include o serie de aplicații (utilitare) în cadrul software-ului:

editorul de simboluri;

SIMATIC Manager;

configurare hardware;

NETPRO Communication Configuration;

limbaje de programare: LAD, FBD, STL;

diagnoză hardware.

SIMATIC Manager

SIMATIC Manager gestionează toate datele ce aparțin unui proiect de automatizare – indiferent de automatul programabil folosit (S7/M7/C7). Utilitarele necesare editării datelor selectate sunt pornite în mod automat de către SIMATIC Manager.

Figura 1.5. SIMATIC Manager

Editorul de simboluri

Acesta are rolul de a gestiona simbolurile și are următoarele funcții disponibile:

setarea de denumiri simbolice și comentarii pentru semnalele de proces (intrări / ieșiri), biți de memorie și blocuri;

funcții de sortare;

import/export din/către alte programe Windows.

Tabelul de simboluri creat de acest utilitar este disponibil tuturor celorlalte utilitare. Orice schimbare a proprietăților unui simbol va fi recunoscută în mod automat de celelalte componente ale STEP 7.

Hardware de diagnoză

Aceste funcții oferă o perspectivă de ansamblu asupra stării automatului programabil. O astfel de perspectivă de ansamblu poate afișa simboluri ce indică prezența sau absența unei defecțiuni. Un click dublu pe modulul defect conduce la afișarea unor informații detaliate asupra defecțiunii. Aceste informații depind de natura modului:

informații generale despre modul (de exemplu: număr de serie, versiune, denumire etc.) și starea acestuia ("Defect", de exemplu);

afișarea defecțiunilor propriu-zise ( e.g. defecțiune de comunicație (de canal));

afișarea mesajelor din buffer-ul de diagnoză.

Pentru UCP-uri, următoarele informații adiționale sunt afișate:

cauzele defecțiunii în procesarea programului dezvoltat de utilizator;

durata ciclului (a celui mai lung, cel mai scurt și a ultimului ciclu);

posibilități de comunicație MPI și sarcină (încărcare);

date despre performanțe (numărul posibilelor I/O, memorie de biți, contoare, temporizatoare și blocuri).

Limbaje de programare

STEP 7 (pachetul standard) suportă următoarele limbaje de programare:

Ladder Logic (LAD) – o reprezentare grafică a limbajului de programare STEP 7; sintaxa pentru instrucțiuni este similară unei diagrame logice ladder, ce permite urmărirea fluxului de putere dintre diferite linii, trecând prin diferite contacte, elemente complexe sau ieșiri.

Statement List (STL) – o reprezentare textuală a limbajului de programare STEP 7, similar codului mașină; într-un program scris în Statement List, instrucțiunile individuale corespund pașilor prin care UCP-ul execută programul; pentru a ușura procesul de programare, Statement List a fost extins pentru a include câteva concepte de limbaje de programare de nivel înalt (precum accesul structurat la date sau parametri ai blocurilor).

Function Block Diagram (FBD) – o reprezentare grafică a limbajului de programare STEP 7 ce utilizează blocurile logice familiare din logica booleană; funcții complexe (de exemplu, funcțiile matematice) pot fi reprezentate direct în conjuncție cu blocurile logice.

Alte limbaje de programare sunt disponibile ca pachete opționale (nu sunt disponibile în pachetul standard).

Configurare hardware

Acest utilitar este folosit pentru a configura și atribui parametri către hardware-ul unui proiect de automatizare. Următoarele funcții sunt disponibile:

pentru a configura un automat programabil se selectează rafturi dintr-un catalog electronic și sunt dispuse modulele selectate în sloturile corespunzătoare din aceste rafturi;

configurarea sistemului I/O distribuit este identică cu configurarea I/O-ului central;

în timpul atribuirii parametrilor către UCP pot fi selectate proprietăți precum comportamentul la demarare (startup) sau monitorizarea timpilor de cicli; multicomputing este suportat; datele introduse sunt stocate în bocuri de date de sistem;

în timpul atribuirii parametrilor modulelor, toti parametri configurabili sunt setați utilizând ferestre de dialog; atribuirea parametrilor la module este făcută în mod automat în timpul demarării UCP-ului; aceasta înseamnă, de exemplu, că un modul poate fi schimbat fără atribuirea de noi parametri;

atribuirea parametrilor la module de funcții (FMuri) și la procesoare de comunicații (CPuri) se face, de asemenea, în utilitarul de configurare hardware în aceeași manieră ca la celelalte module; ferestre de dialog specifice fiecărui modul și reguli există pentru fiecare FM sau CP; sistemul previne intrări incorecte prin oferirea doar a opțiunilor valide în ferestrele de dialog.

NetPro (Configurarea rețelei)

Folosind NetPro, este posibil transferul ciclic al datelor (bazat pe timp) prin MPI, cu următoarele caracteristici:

selectarea nodurilor de comunicație;

introducerea sursei de date și a target-ului de date într-un tabel; toate blocurile (SDB-urile) sunt generate automat și încărcate pe toate UCP-urile automat;

Transferul de date bazat pe evenimente este posibil:

setarea conexiunilor de comunicație;

selectarea comunicației sau blocurilor de funcții din biblioteca integrată de blocuri;

atribuirea parametrilor la comunicațiile sau blocurilor de funcții selectate, în limbajul de programare ales.

Programele din UCP

Un UCP va rula în principal două programe diferite:

sistemul de operare;

programul utilizatorului.

Sistemul de operare

Fiecare UCP are un sistem de operare integrat ce organizează toate funcțiile UCP-ului și secvențele neasociate cu un task specific de control. Toate task-urile sistemului de operare include următoarele:

gestionarea restartului;

actualizarea tabelului (atribuit procesului automatizat) de intrări și ieșiri;

apelarea programului utilizatorului;

achiziția de informații despre întreruperi și apelarea rutinelor de tratare a acestora;

recunoașterea erorilor și tratarea acestora;

gestionarea zonelor de memorie;

comunicația cu dispozitivele de programare și alți parteneri de comunicație.

Pot fi influențate reacțiile UCP-ului în anumite zone prin modificarea parametrilor sistemului de operare (setările implicite ale sistemului de operare).

Programul utilizatorului

Odată dezvoltat programul, acesta este încărcat pe UCP. El conține toate funcțiile necesare automatizării procesului dorit. Sarcinile programului include:

specificarea condițiilor de restart (de exemplu, inițializarea semnalelor cu o valoare anume);

precesarea datelor de proces (de exemplu: generarea legăturilor logice între semnale binare, achiziția și evaluarea semnalelor analogice, specificarea semnalelor de ieșire binare, valoarea semnalelor de ieșire analogice);

reacția la întreruperi;

tratarea perturbațiilor în ciclul normal de program.

Tipuri de blocuri din programul utilizatorului.

Pachetul standard STEP 7 permite structurarea proramului dezvoltat în secțiuni individuale, ermetice. Acest aspect are următoarele avantaje:

programe de mari dimensiuni sunt ușor de înțeles;

secțiunile individuale de program pot fi standardizate;

organizarea programului este simplificată;

este mai facilă modificarea programului;

depanarea (debugging) este simplificată, întrucât pot fi testate secțiuni separate;

punerea în funcțiune este mult mai ușoară.

Tipuri de blocuri

Există mai multe tipuri de blocuri ce pot fi folosite într-un program STEP 7, enumerate în tabelul 1.3. .

Tabelul 1.3. Tipuri de blocuri utilizate în STEP 7.

OB-urile, FB-urile, SFB-urile, FC-urile și SFC-urile conțin secțiuni de program și sunt, drept urmare, cunoscute și ca blocuri logice. Numărul permis de blocuri pentru fiecare tip și lungimea permisă a blocurilor depind de UCP.

Blocuri de organizare (OB)

OB-urile reprezintă interfața dintre sistemul de operare și programul-utilizator. Apelate de către sistemul de operare, acestea controlează execuția ciclică și bazată pe întreruperi a programului, precum și demarează PLC-ul și gestionează erorile. Acestea pot fi programate pentu a determina comportamentul UCP-ului.

Funcții (FC)

Funcțiile reprezintă blocurile ce sunt programate direct de utilizator. O funcție este un bloc logic "fără memorie". Variabilele temporare ce aparțin unui FC sunt salvate în stiva locală de date. Aceste date sunt pierdute odată ce execuția FC-ului este finalizată. Pentru a salva datele permanent, funcțiile pot folosi blocuri de date partajate.

Din moment ce FC-urile nu dețin o memorie proprie, trebuie mereu specificați parametri exacți. Nu pot fi atribuite valori inițiale pentru datele locale ale unui FC.

Un FC conține o secțiune de program care se execută mereu când FC-ul este apelat de un alt bloc logic. Pot fi folosite funcții pentru următoarele scopuri:

pentru a returna o valoare a funcției către blocul ce îl apelează (de exemplu: funcții matematice);

pentru a executa o funcție tehnologică (de exemplu: o singură funcție de control ce constă într-o operație logică binară).

Blocuri de funcții (FB)

Blocurile de funcții (FB) aparțin în clasa blocurile ce sunt programate direct de către utilizator. Un bloc funcție este un bloc "cu memorie". Îi este atribuit un bloc de date drept memorie (bloc de date instanță). Parametri ce sunt transferați către FB și variabilele statice sunt salvate în DB-ul instanță. Variabilele temporare sunt salvate în stiva locală de date.

Datele salvate în DB-ul instanță nu sunt pierdute după terminarea execuției FB-ului. Datele salvate în stiva locală de memorie, însă, sunt pierdute la terminarea execuției. Pentru a evita apariția erorilor la lucrul cu FB-uri, se recomandă aprofundarea tipurilor de date permise în momentul transferului parametrilor.

Un FB conține un program ce este mereu executat când FB-ul este apelat de către un alt bloc logic. Blocurile de funcții fac mult mai facilă programarea funcțiilor complexe ce se repetă în mod frecvent.

Diferențe între FB și FC

FB – o copie a parametrilor reali ai DB-ului instanță este utilizat la accesarea parametrilor. Dacă un parametru de intrare nu este transferat sau un parametru de ieșire nu este accesat la apelarea unui FB, valorile mai vechi (ce sunt încă stocate în DB-ul instanță) vor fi folosite.

FC – nu au memorie proprie. Atribuirea de parametri formali către FC-uri nu este opțional, cât esențial. Parametri FC sunt accesați prin adrese (pointeri către ținte din memorie). Când o adresă a zonei de date (un bloc de date) sau o variabilă locală a blocului apelant sunt utilizați ca parametri, o copie a parametrilor reali este salvată temporar în zona de date locală a blocului apelant pentru a se realiza transferul parametrului.

Blocuri de date instanțe

Un DB-instanță este atribuit fiecărei apelări de FB ce transferă parametri. Parametri actuali și datele statice ale FB-ului sunt salvate în DB-ul instanță. Variabilele declarate în FB determină structura DB-ului instanță. "Instanță" semnifică o apelare a unui FB. Daca, de exemplu, un FB este apelat de cinci ori într-un program-utilizator S7, vor fi cinci instanț ale acestui bloc.

Înainte de crearea unui DB-instanță, FB-ul corespondent trebuie să existe deja. Se specifică numărul FB-ului la crearea unui DB-instanță.

Blocuri de date partajate (DB partajate)

În contrast cu blocurile logice, blocurile de date nu conțin instrucțiuni STEP 7. Sunt utilizate pentru a stoca date-utilizator. Cu alte cuvinte, blocurile de date conțin variabile folosite de programul-utilizator. Blocurile de date partajate sunt utilizate pentru a stoca date-utilizator ce pot fi accesate de toate celelalte blocuri.

Dimensiunea unui bloc de date poate varia. Dimensiunea maxima admisibilă depinde în totalitate de UCP.

Pot fi structurate blocuri de date partajate în orice manieră, astfel încât să fie respectate cerințele utilizatorului.

Blocuri de funcții de sistem (SFB) și funcții de sistem (SFC)

Nu este necesară programarea directă a utilizatorului pentru fiecare funcție. UCP-urile STEP 7 oferă blocuri preprogramate ce pot fi apelate de utilizator în programul dezvoltat.

Un bloc de funcție de sistem (SFB) este un bloc de funcție intregrat în UCP-ul STEP 7. SFB-urile sunt parte a sistemului de operare și nu sunt încărcate ca parte a programului. Asemenea FB-urilor, SFB-urile sunt blocuri "cu memorie". Trebuie, de asemenea, create DB-uri instanță pentru SFB-uri și trebuie încărcate pe UCP ca parte a programului.

UCP-urile STEP 7 oferă următoarele SFB-uri:

pentru comunicație via conexiunile configurate;

pentru funcții integrate speciale (de exemplu: SFB29 "HS_COUNT" pentru UCP-ul 312 IFM si UCP-ul 314 IFM).

O funcție de sistem (SFC) este o funcție preprogramată ce este integrată în UCP-ul S7. Poate fi apelat SFC-ul în program. SFC-urile sunt parte a sistemului de operare și nu sunt încărcate ca parte a programului. Asemenea FC-urilor, SFC-urile sunt blocuri "fără memorie".

UCP-urile STEP 7 oferă următoarele funcții:

de copiere;

de verificare a programului;

gestionarea ceasului și a timpului de rulare (run-time);

transferul seturilor de date;

transferarea evenimentelor de la un UCP la alte UCP-uri în modul "multicomputing";

gestionarea momentului zilei și întreruperilor cu întârziere;

gestionarea erorilor sincrone, întreruperilor și erorilor asincrone;

informații despre datele de sistem statice si dinamice ( de exemplu: diagnoză);

module de adresare;

I/O distribuit;

comunicații globale de date;

comunicații via conexiuni neconfigurate;

generarea mesajelor referitoare la un bloc.

Capitol 4

Implementarea structurii de conducere.

Caracterizare și modelare traductoare și elemente de execuție.

Introducere.

ASTANK 2 poate fi configurat cu un bazin independent sau cu ambele bazine cuplate. Experimentele pot fi proiectate într-o gamă de complexitate ce pornește de la reglare de nivel și debit SISO, reglare nivel și debit în cascadă până la scenarii de conducere multivariabile.

Apa este pompată în bazine cu ajutorul unei pompe principale sau a unor pompe auxiliare. Pompa principală este comandată de un convertizor de frecvență și poate obține caracteristici variabile de debit-presiune schimbând frecvența. Acest convertizor de frecvență aduce un grad de flexibilitate mai mare în controlul debitului și presiunii în sistem. Pompele auxiliare pompeaza apă în bazine la debit constant și au fost adăugate sistemului pentru a introduce perturbații in procesele de umplere/golire ale sistemului.

(imagini configurații tanks)

Senzorii și elementele de execuție au un rol important în măsurare și acționarea asupra sistemului. ASTANK 2 are atât senzori de presiune cât și senzori de debit.

-limitatori de nivel și senzori: nivelul de apă din bazine este măsurat cu ajutorul senzorilor de presiune aflați la baza bazinelor. Senzorul SITRANS P210 a fost ales pentru acuratețe și fiabilitate, avâng gama de 0-0.1 bari. Presiunea măsurată este translatată în înălțimea coloanei de apă. Fiecare bazin are câte un limitator de nivel, implementat la nivel hardware pentru a preveni revărsare apei sau funcționarea în gol a pompelor.

-senzori de presiune: SITRANS P210 este un senzor de presiune cu gama 0-1.6 bari. Au fost folosiți doi astfel de senzori, unul amplasat la orificiul de evacuare a apei din pompa principal iar celălalt la capătul conductei de lungime 1m. Acești doi senzori sunt folosiți în identificarea curbei debit-presiune și în optimizarea energiei folosite.

-traductoare de debit si electrovalve: pe fiecare braț de alimentare cu apă a bazinelor sunt amplasate câte un traductor de debit și o electrovalvă. Traductorul de debit KOBOLD DPL-1P20 este capabil să măsoare cu acurațete debitul scăzut și are gama 0.4-12L/min. Electrovalva/ valva de control este o electrovalvă proporțională sau electrovalvă cu solenoid, comanda fiind dată de o bobină electromagnetică. Modelul de electrovalvă folosit este unul Burkert, cu gama 0-0.7 bari.

-convertizor de frecvență: pompa principală deplasează apă din rezervor în cele două bazine. Are un cuplaj magnetic ce acomodează pornirile și opririle frecvente. Pompa este comandată de convertizorul SIEMENS SINAMICS G110, iar cu ajutorul acestuia se pot varia rotațiile motorului pompei.

-pompe auxiliare: pentru fiecare bazin este folosită câte o pompa care deplasează un debit de apă constant. Pompele sunt folosite în special pentru a introduce perturbații sistemului în cadrul unor experimente de control cu reacție negativă

Traductorul de presiune.

Este necesară, astfel, calibrarea traductorului de presiune pentru a realiza conversia din unități CAN în unități specifice nivelului (cm). Pentru acest lucru a fost măsurată ieșirea traductorului pentru doua nivele diferite de apă (tabelul 1) și ținând cont de caracteristica liniară, au fost determinați a și b astfel încât:

. (ec. 1)

Tabel 1.1. Date pentru calibrarea traductorului de presiune LT2.

Valorile a și b obținute sunt a = 0.0045854, respectiv b = -27,3495597, folosind funcția "solve" din Matlab, astfel asigurând faptul ca ieșirea traductorului de presiune reprezintă direct nivelul din bazinul paralelipipedic.

Electrovalva.

s A fost realizată achiziția datelor pentru a putea permite construirea caracteristicii statice a electrovalvei, în două configurații: prima, cu o valoare a convertizorului FC de 60%, respectiv a doua cu o valoare de 70%. Datele asociate acestor experimente sunt prezentate în tabelele 2, respectiv 3.

Tabel 1.2. Date caracteristică statică pentru pompă FC=60%

Tabel 1.3. Date caracteristică statică pentru pompă FC=70%

Reprezentarea grafică a celor două tabele constă în figurile 2, respectiv 3.

Fig. 1.1. Caracteristica statică FC=60%.

Fig. 1.2. Caracteristica statică FC=70%.

Eroare de histerezis medie, în ambele cazuri, a fost calculată folosind formula enunțată de ecuația 2:

(ec. 2)

, unde N este numărul de măsurători făcute în ambele cazuri. Reprezintă media aritmetică a tuturor erorilor de histerezis obținute pentru fiecare experiment.

Astfel, erorile medii de histerezis obținute au următoarele valori:

(ec. 3)

, valori ce corespund datelor prezente în catalogul electrovalvei, ce indică un histerezis mai mic de 7%.

Comportarea dinamică a electrovalvei este indicată în figurile 4-8, unde au fost aplicate următoarele trepte ale intrării FC2 (comanda electrovalvei): 20, 40, 60, 80, 100, cu treceri prin zero înainte de fiecare treaptă și a fost așteptată stabilizarea ieșirii (FT2 – debitul) în jurul unei valori de regim staționar.

Fig. 4 Răspunsul FT2 (debit) la intrare FC2=20%.

Fig. 5. Răspunsul FT2 (debit) la intrare FC2=40%.

Fig. 6. Răspunsul FT2 (debit) la intrare FC2=60%.

Fig. 7. Răspunsul FT2 (debit) la intrare FC2=80%.

Fig. 8. Răspunsul FT2 (debit) la intrare FC2=100%.

Modelul analitic

Modelarea analitică a electrovalvei corespunde echivalarea acesteia cu un element de întârziere de ordinul 1:

(ec. 4),

, unde KEV este determinată din caracteristica statică:

(ec. 5)

, iar constanta de timp TEV este determinată ținând cont timpul de răspuns din catalog (aproximativ 50 ms), astfel încât aceasta este TEV = 0.01 (secunde).

Funcția de transfer a electrovalvei, obținută pe cale analitică este, prin urmare:

. (ec. 6)

Convertizorul de frecvență și pompa principală.

s Convertizorul de frecvență este dispozitivul care permite varierea turației motorului pompei principale, astfel încât debitul de lichid antrenat în rețeaua de pompare să poată fi modificat.

În practică, un astfel de dispozitiv este folosit pentru pentru acționarea motoarelor electrice, în aplicații unde este necesară varierea turației lor. Pe lângă acest aspect, folosirea unor astfel de dispozitive înlătură șocurile de curent care apar la pornirea directă a motoarelor, prin creșterea treptată a turației până la turația nominală și de asemenea conduc la importante economii de energie electrică.

Caracteristica sa statică a fost obținută pe cale experimentală aplicând trepte de 20, 40, 60, 80, 100 [%] la intrare și urmărind valorile de stabilizare ale debitului, în condițiile în care electrovalva FC2 a fost ținută la o valoare de 100%.

Fig. 10. Caracteristica statică a convertizorului de frecvență.

Caracteristica statică este cvasi-liniară, cu legea de evoluție liniară descrisă de ecuația 8:

(ec. 8)

Caracteristicile dinamice pentru aceleași trepte ale mărimii de comandă FC[%] sunt prezentate de figurile 11-15.

Fig. 11. Caracteristica dinamică pentru FC=20%.

Fig. 12. Caracteristica dinamică pentru FC=40%.

Fig. 13. Caracteristica dinamică pentru FC=60%.

Fig. 14. Caracteristica dinamică pentru FC=80%.

Fig. 15. Caracteristica dinamică pentru FC=100%.

Traductorul de debit.

Traductorul de debit este modelabil matematic sub forma unei amplificări (costante de amplificare), ce poate fi determinată folosind relația 9:

(ec. 9)

, unde ∆Q reprezintă variația debitului (volumului de lichid), iar valoarea de la numărător reprezintă variația ieșirii analogice a traductorului, exprimată procentual, la două citiri diferite, efectuate la două valori (trepte) de comandă diferite.

Astfel, putem spune ca valoarea constantei de amplificare a traductorului de debit este:

. (ec. 10)