Bankovní institut vysoká škola, a. s. Katedra matematiky, statistiky a informačních technologií
Automatizovaný systém řízení strojovny chlazení Bakalářská práce
Autor:
Zbyněk Frýdl Informační technologie, MPIS
Vedoucí práce:
Praha
Ing. Vít Fábera, Ph.D.
Leden 2012
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a v seznamu uvedl veškerou použitou literaturu. Svým podpisem stvrzuji, že odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí, a jsem seznámen se skutečností, že se práce bude archivovat v knihovně BIVŠ a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokoškolských prací. V Milevsku, dne 12.1.2012
Zbyněk Frýdl
Poděkování Děkuji mému vedoucímu práce panu Ing. Vítu Fáberovi, Ph.D. za odborné konzultace, pomoc, vstřícnost, čas a za další cenné rady při zpracování mé bakalářské práce.
Anotace Tato bakalářská práce se zabývá návrhem automatického systému řízení strojovny chlazení. Pozornost byla věnována především teoretickému rozboru, který se v jednotlivých kapitolách zaobírá funkčností současných automatizačních systémů a jejich architekturou. Praktická část se zabývá realizací vizualizačního systému strojovny chlazení v softwaru Promotic. Dále jsou graficky zobrazeny a zhodnoceny skutečně naměřené hodnoty úspory elektrické energie. Této úspory je dosahováno pomocí PID regulátoru, který přímo ovládá frekvenční měnič.
Annotation This Bachelor thesis deals with the project of the automatic control system of the cooling engine room. A close attention was paid to the theoritical analyses the chapters of which look into the functionality of the automation systems and their achitecture. The practical part deals with the realization of the visualization system of the cooling engine room in Promotic software. The actual measured values of energy savings are depicted graphically and evaluated. Such savings are achieved using PID regulator which controls the frequency converter directly.
Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 7 1. Úvod do automatického řízení ............................................................................................. 8 1.1 Historický vývoj automatizace ......................................................................................... 8 1.2 Základní pojmy ............................................................................................................... 10 1.3 Přínosy automatizace ...................................................................................................... 12 1.3.1 Spolehlivost automatizační techniky ........................................................................ 13 1.3.2 Bezpečnost automatizačního systému ...................................................................... 13 1.4 Trendy automatizace....................................................................................................... 14 2. Regulované soustavy .......................................................................................................... 15 2.1 Popis regulačního obvodu .............................................................................................. 15 2.2 Druhy regulovaných soustav .......................................................................................... 17 2.2.1 Vlastnosti členů regulačních obvodů....................................................................... 17 2.2.2 Soustavy ................................................................................................................... 18 2.2.2.1 Statické soustavy .............................................................................................. 18 2.2.2.2 Astatické soustavy ............................................................................................ 21 3. Regulátory ........................................................................................................................... 22 3.1 Rozdělení regulátorů....................................................................................................... 22 3.1.1 Spojité regulátory .................................................................................................... 23 3.1.1.1 Proporcionální regulátor (P - regulátor) ........................................................... 24 3.1.1.2 Integrační regulátor (I - regulátor) .................................................................... 25 3.1.1.3 Derivační regulátor (D - regulátor) ................................................................... 26 3.1.2 Nespojité regulátory ................................................................................................ 31 3.2 Stabilita regulačního obvodu .......................................................................................... 32 3.2.1 Nutná a postačující podmínka ................................................................................. 33 3.2.2 Nutná, ale nepostačující podmínka ......................................................................... 34 3.3 Kritéria stability .............................................................................................................. 35 3.3.1 Hurwitzovo kritérium stability ................................................................................. 36 3.3.2 Routhovo-Schurovo kritérium stability.................................................................... 37 4. Programovatelné automaty ............................................................................................... 38 4.1 Úvod ............................................................................................................................... 38 4.2 Popis konfiguračního provedení PLC ............................................................................ 41 5. Metody programování........................................................................................................ 45 5.1 Programový cyklus PLC................................................................................................. 45 5
5.2 Metody programování PLC ............................................................................................ 47 5.2.1 Rozdělení programovacích jazyků ........................................................................... 48 5.3 Rozdělení PLC pamětí .................................................................................................... 51 5.3.1 Zápisníková paměť .................................................................................................. 52 5.3.2 Zásobníková paměť.................................................................................................. 53 6. Vizualizace........................................................................................................................... 54 6.1 Vizualizace, obecný pojem ............................................................................................. 54 6.2 Vizualizace v automatizaci ............................................................................................. 54 6.3 Funkce vizualizace v systémech SCADA/HMI ............................................................. 55 6.3.1 Základní funkce SCADA/HMI ................................................................................. 56 6.4 Architektura průmyslového IS ....................................................................................... 57 6.4.1 Protokol OPC .......................................................................................................... 58 6.5 Vizualizační software ..................................................................................................... 61 7. Praktická část...................................................................................................................... 64 7.1 Technologie strojovny chlazení ...................................................................................... 64 7.1.1 Obecně ..................................................................................................................... 64 7.1.2 Praktický popis technologického systému ............................................................... 65 7.2 Popis vizualizace ............................................................................................................ 69 7.2.1 Skutečně vypočtené hodnoty PID regulátoru .......................................................... 69 7.2.2 Nastínění celého řízení ............................................................................................ 71 7.2.3 Programovací software Promotic ........................................................................... 72 7.2 Ekonomické vyhodnocení úspory elektrické energie ..................................................... 75
6
Úvod V současné době si nedovedeme již představit náš život bez techniky a počítačů. Tyto revoluční vymoženosti dvacátého a jednadvacátého století trvale ovlivnily náš všední den a setkáme se s nimi na každém kroku. Bez nich nemůže fungovat prakticky žádné průmyslové odvětví. Jsme obklopeni elektronikou, počítači, řídícími systémy a tyto všechny prvky se staly samozřejmostí a nutností. Stejně tak, jako si naši předci nedovedli představit tolik usnadněný život, jaký máme my dnes, tak si i my již nedovedeme představit, že bychom se vrátili v čase o sto let zpět. Automatizační systémy dnes řídí prakticky vše, co je přímo i nepřímo spojené s výrobními faktory. Můžeme zde zmínit např. průmyslové výrobní linky, centralizované velíny, průmyslové strojovny chlazení, dopravní semafory, úpravny pité vody, dopravníky, pračky, mikrovlnné digitální trouby atd. Pokud zde v úvodu rozebereme pojem automatizace, budeme se nejprve věnovat tomu, s jakými procesy je spojena. Výrobní procesy v jednotlivých odvětvích mohou probíhat ručně, mechanicky nebo automaticky. Mechanizací rozumíme zavedení mechanizačních prostředků do lidské společnosti; zbavuje člověka namáhavé, časově náročné a zdraví ohrožující práce. Člověku zůstává činnost řídící - ta je částečná, úplná, komplexní. Automatizace je mechanizace řízení, která nahrazuje řídící činnost člověka automatizačními prostředky. Jsou to taková zařízení, která sama zajišťují sled a vzájemnou návaznost činnosti stroje. Člověku zbývá pouze činnost kontrolní. Dalším rozvojovým prvkem v automatizaci je robotizace. Roboti se spíše používají v prostředí zdraví škodlivém, životu nebezpečném nebo zcela nepřístupném, případně při výrobě v naprosto čistém prostředí (výroba čipů). Dalším důležitým pojmem je vizualizace, která má nezpochybnitelné přednosti pro výrobní a technologické podniky. Vizualizační systémy nejen že transformují data do přijatelné (vizualizační) podoby, ale také umožňují vytváření výstupních sestav nezbytné pro výkonový management. Na základě těchto aktuálních a přesných informací mají organizace lepší konkurenci - schopnost. Součástí této bakalářské práce je i praktické zhodnocení úspory elektrické energie ve Strakonickém pivovaru. Této úspory je dosahováno pomocí PID regulátoru, který přímo ovládá frekvenční měnič. Kompresor Nh3 je plynule a efektivně regulován a tudíž nemusí být stále v činnosti. Tato úspora je z ekonomického hlediska velice žádoucí, protože její účinnost činí přibližně
30%. Dále se zde zabývám ukázkou vizualizažního systému (strojovny
chlazení) vytvořenou v softwarovém prostředí Promotic.
7
1. Úvod do automatického řízení Automatizací se rozumí náhrada fyzické práce člověka činností strojů. Již ve starém Řecku vznikl název automat „automátos“ = samohybný. Účelem automatizačních systémů je částečné nebo úplné odstranění lidské práce z výrobních procesů, které chceme automatizovat. Pro implementaci automatizačních systémů je mnoho důvodů, které lze rozdělit do několika skupin: a) vynucená automatizace -
nahrazení lidského faktoru z důvodu jeho chybovosti
-
řízení velkého množství procesů (elektrárny, průmyslové továrny)
-
lepší jakost výrobních produktů (přesné sváření, přesné a rovnoměrné barvení)
-
práce v extrémních podmínkách
b) automatizace z ekonomického hlediska -
snížení výrobních nákladů
-
snížení režijních nákladů (menší prostory pro technologii, sklady)
-
zvýšení produktivity práce a objemu výroby
-
flexibilní reakce na přání zákazníků
c) jiné důvody automatizace -
zvyšování komfortu člověka
-
lepší poskytování informací (o stavu stroje, technologie)
-
ekologické (monitorování nečistot, řízení optimálního spalování)
-
zábavní průmysl (hrací automaty, dětské hračky)
1.1 Historický vývoj automatizace Počátky automatizace jsou známy již ve středověku.
Tehdy
vznikaly
první
uměle
vytvořené „zázraky“, jako jsou samootevírající se vrata chrámu (viz obr. 1.1.) a další takto řešená zařízení, která využívaly jednoduchých fyzikálních zákonů (gravitace, tlak tekutin, roztažnost páry a teplého vzduchu).
8
Postupem času začaly vznikat místo jednoduchých strojů i první mechanismy, které začínaly vykazovat automatické chování. Příkladem je v mlýnech použitá regulace přísunu zrní mezi kameny v závislosti na jejich otáčkách. Autory těchto zařízení byli především hodináři, kteří začínali používat ve svých strojích (orloje, zvonkohry) jednoduché programovací prvky (válce s kolíčky, kotouče s otvory, zářezy atd.). S nástupem kapitalismu začala vzrůstat poptávka po těchto mechanických zařízeních, která by značně zvýšila produktivitu práce výrobních faktorů. Mezi první vynálezce, kteří začali využívat programování pomocí děrných štítků byl roce 1801 Joseph Marie Jacquard u svého stroje Tkalcovský stav. Bylo u něj možno „naprogramovat“ vzor látky pomocí pásu s otvory, který procházel „čtecím zařízením“. V průběhu první průmyslové revoluce vznikl velký převrat v technologiích a sociální ekonomice. Tento fakt zapříčinilo hromadné zavádění strojů do výrobních procesů. Se stále se zvyšujícím stupněm automatizačních systémů se začínaly projevovat i sociální problémy. I přes všechna tato úskalí se automatizace rozšířila do všech společenských oblastí. V první polovině 20. století se tak staly symbolem pro automatizační systémy symbolem centralizované velíny (např. u vodních a parních elektráren), automatizované výrobní linky, řízení provozu na nádražích. Práce v takovýchto velínech vyžadovala rychlé reakce, rozhodování a často i zásah do celé technologie. Toto s sebou neslo velké nároky na spolehlivost, což se stalo častým problémem. Za 2. světové války značně vzrost zbrojní průmysl, což mělo za následek větší implementaci automatizačních systémů do výrobních procesů. S tímto faktem souvisel i vznik kybernetiky, která popsala obecné principy automatického řízení. Tehdy vznikaly podmínky pro sestrojení prvních samočinných počítačů. Mezi první počítačové průkopníky se do historie nesmazatelně zapsal německý inženýr Konrád Zuse. Ten v roce 1936 sestrojil svoji prvotinu, kterou nazval Z1. Jednalo se o binární mechanický kalkulátor s plovoucí desetinou čárkou a omezenou programovatelností. Dalšími myšlenkovými otci prvních počítačů byly osobnosti jako J. Babage, Jonh von Neumann, Alan Turing a další. [1] Historicky první Turing-kompletní elektronkový počítač, jehož vývoj byl zahájen v roce 1943 se nazýval ENIAC. V roce 1946 byl dokončen a až do roku 1955 pracoval pro americkou armádu. ENIAC dokázal provádět podmíněné výpočty, iterace, odskakování do podprogramů. Program musel být nejdříve navrhnut na papíře a až poté nakonfigurován (buď pomocí přepínačů, později však pomocí děrných štítků). Toto „programování“ mělo značnou nevýhodu - trvalo řádově několik hodin, až týdnů. Do počátků éry samočinných počítačů se
9
člověk převážně zaobíral myšlenkou strojů za účelem usnadnění fyzické práce. Nyní však dovedl sestrojit stroj, který v podstatě dokázal napodobit duševní myšlení a tím i realizovat složité řídící systémy. Počítače 2. a 3. generace využívající tranzistory a integrované obvody, byly převážně využívané pro vědecké výpočty a hromadné zpracování dat. Tyto počítače nahradily stovky měřících přístrojů ve velínech a různých průmyslových zařízeních. [2] V období před nástupem mikroprocesorů existovaly tři nejnaléhavější problémy v oblasti počítačů. Tyto problémy byly po dlouhá léta noční můrou všech počítačových expertů - zvýšení rychlosti provádění operací, zvýšení kapacity paměti a zvýšení rychlosti přenosu dat. Lék na tyto obtíže se vyřešil s nástupem polovodičové technologie. Polovodiče ve formě tranzistorů a diod - integrované obvody dneška - byly teprve vzdálenou hudbou budoucnosti. S nástupem mikroprocesorů v 80. letech 20. století mohla být vskutku realizována „pružná“ automatizace. Ta měla za následek rychlou změnu řídícího programu pro danou automatizovanou funkci. Na tomto principu jsou založeny i dnešní programovatelné automaty, automatizované regulátory, CNC systémy a jiné výrobní stroje. Poslední etapou se staly PC pro průmyslovou automatizaci – ty způsobily značné snížení nákladů na automatizační systémy. S tímto faktem také souvisí postupná náhrada analogové automatizační techniky využívající spojité zpracování signálu technikou automatizačně číslicovou. Tyto systémy se staly běžnou součástí života a obklopují nás prakticky všude. Nejnázornějším příkladem je domácnost, kterou by jsme si bez těchto systémů dokázali už jen těžko představit (žehličky, pračky, mikrovlnné trouby, myčky nádobí, hudební centra, CD a DVD přehrávače, TV přijímače atd.). [1]
1.2 Základní pojmy Pro ulehčení své práce vytvářel člověk nástroje nebo sadu nástrojů za účelem vzniku více čí méně dokonalého stroje. Potřebnou hnací sílu obstarávaly lidské svaly nebo zvířata. Alternativou této energie se především stalo spalování uhlí – období mechanizace. Člověk začal ve větší míře využívat motory, které dodávaly potřebnou energii, těžiště jeho činnosti ve výrobním procesu se transformovalo do oblasti kontrolní, řídící a do udržovacích a vývojových prací. Na mechanizaci striktně navazuje automatizace. Stroj zde přebírá i většinu kontrolních a řídících činností. Automatizace umožňuje dosahovat větší produktivity práce
10
a výrobní kapacity. Odstraňuje subjektivní vlivy na výrobní proces (únava či nepozornost pracovníka). Velký význam má automatizace pro práce nebezpečné či zdraví škodlivé. [3] Komplexní automatizace – zcela mechanizovaný proces, který je automaticky řízen a člověk zastává funkci strategického řízení Částečná automatizace – zde jsou automatizovány jen vybrané procesy a funkce, přičemž ostatní části procesu zůstávají zcela neautomatizovány Řídící činnost – činnost člověka, která je úzce spjatá s jeho myšlením (logické usuzování, analyzování, rozhodování, zapamatování, tvorba a realizace složitých postupů) Řízení – posloupnost předem určených zásahů realizovaných řídící soustavou za účelem dosažení žádaného cíle. Automatické řízení lze technicky uskutečnit několika způsoby, které se zásadně liší principem působení řídícího systému na řízený proces. Z tohoto hlediska rozdělujeme automatické řízení na: -
direktivní řízení (řízení bez zpětné vazby, viz kapitola 3.1)
-
indirektivní řízení (řízení se zpětnou vazbou, viz kapitola 3.1)
-
logické řízení
-
spojité řízení
-
diskrétní řízení
-
fuzzy řízení
Logické řízení – řízení, které v řídící smyčce využívá dvouhodnotové veličiny ve formě vyjadřující hodnoty 0 a 1 (ventil je otevřen / zavřen, přepínač je sepnut / rozepnut). Algoritmus řízení lze z větší části zapsat logickými funkcemi a řídící obvody pracující na tomto principu jsou nazývány logické řídící obvody. Spojité řízení – řízení, kde je akční zásah spojitě nastavován. Stejně tak i údaje o řízeném systému jsou měřeny jako veličiny spojitě proměnné v čase, žádná z nich není ani dvouhodnotová ani diskrétní. Diskrétní řízení – diskrétní řídící systémy, které vytvářejí vztah mezi vstupy a výstupy na základě posloupností impulsů, snímaných v časovém sledu tzv. vzorkovací perioda. Mezi vzorkovacími okamžiky není regulovaná veličina měřena a ani akční veličina není upravována. Tato vzorkovací perioda je tím kratší, čím rychlejší je řízený proces. [4]
11
Fuzzy řízení – pozornost je zaměřena na člověka, který systém umí řídit, ale nemá žádný pojem o matematickém modelu řízeného systému. Člověk pak zastává funkci řízení na základě pravidel typu „jestliže klesá hladina, otevři trochu víc ventil vody“. Vstupním veličinám fuzzy regulátoru nejprve přiřadíme jazykové hodnoty (studená, vlažná, teplá), které kvantifikujeme pomocí funkce příslušnosti. Při fuzzy řízení se měřené hodnoty převedou na míry příslušnosti (číselné hodnoty z intervalu 0,1) k jednotlivý
fuzzy
množinám
kvantifikující
jazykové hodnoty, tzv. fuzzyfikace. [5]
Algoritmus – přesný návod či postup, kterým lze vyřešit daný typ úlohy. Algoritmus se nejčastěji vyskytuje při programování, kdy se jím myslí teoretický princip řešení problému. Obecně se může objevit algoritmus i v jiném vědeckém odvětví. Jakýmsi druhem algoritmu se může chápat i kuchařský recept. Obecně však platí, že algoritmus musí splňovat určité požadavky: -
konečnost
-
obecnost (hromadnost)
-
determinovanost
-
výstup [6]
Kybernetika – věda zabývající se dynamickými, samoučícími se řídícími systémy s dávkou inteligence, člověk je již vyčleněn z výrobního procesu. Novodobá kybernetika Norbert Wiener je věda o řízení a sdělování informace v živých organismech a strojích. K popisu nejčastěji využívá matematické postupy. [3]
1.3 Přínosy automatizace Přínosem je značné zkrácení výrobního procesu a možnost rychlé reakce na požadavky zákazníka. Vytvoření vizualizace pro danou aplikaci a tím přesné informování o stavu a průběhu celé výroby má přínos pro automatické řízení z těchto hledisek: a) Flexibilita a zvýšení jakosti -
odstranění lidského faktoru z výrobního procesu
-
spolehlivost a přesnost 12
b) Snížení výrobních nákladů a zvýšení produktivity -
kvalitnější organizace výrobních procesů
-
úspory materiálu a výrobních ploch
-
eliminování nekvalitní výroby
-
energetická úspora z důvodu přesného měření a regulace
-
využití nižší sazby elektrické energie (HDO)
-
odstranění drahé lidské práce
c) Zvýšení stability výrobního procesu -
dosažení vysoké a totožné kvality
-
dodržení stanovených termínů a nákladů
d) Optimalizace výrobních nákladů -
rychlé a přesné měření různých parametrů
-
vyhodnocení naměřených hodnot a provedení potřebné operace v reálném čase [1]
1.3.1 Spolehlivost automatizační techniky Pojem spolehlivost automatizační techniky musíme chápat v širším kontextu, zejména jako schopnost plnit bezpečně a pohotově požadované funkce. Tento aspekt musí být zohledňován ve všech fázích životního cyklu automatizačního systému, počínaje stanovením koncepce systému přes definici systému, formulování požadavků na systém, návrh systému, jeho integraci, evaluaci, validaci až po následný provoz a údržbu. Spolehlivost systému vyjadřuje míru, do jaké se uživatel může spolehnout, že systém funguje tak, jak je stanoveno, že je v daných podmínkách a v daném časovém úseku použitelný, a že je bezpečný. Spolehlivostí se zde rozumí kombinace bezporuchovosti, pohotovosti, udržovatelnosti a bezpečnosti. Používá se pro ni zkratka RAMS (Reliability, Availability, Maintainability, Safety), která charakterizuje dlouhodobou činnost systému.
1.3.2 Bezpečnost automatizačního systému Programovatelná elektronická zařízení a systémy jsou ve stále větší míře nasazovány v aplikacích, ve kterých může jejich porucha způsobit materiální škody, zranění nebo ztráty na životech. A to ne pouze v zařízeních „tradičních“ rizikových oborů, jako jsou letectví, nukleární energetika, drážní zabezpečovací systémy, lékařské přístroje či náročné technologie,
13
ale stále více i v „obyčejných“ zařízeních, jako jsou mikrovlnné trouby, automobily atd. Do řídicích systémů jsou alokovány bezpečnostní funkce (safety function), které zaručí, že se řízené zařízení/systém uvedou do bezpečného stavu nebo zůstanou v bezpečném stavu (failsafe) při výskytu konkrétních nebezpečných událostí. Takto koncipovaný systém je nazýván systém se vztahem k bezpečnosti (safety-related system). [7]
1.4 Trendy automatizace Vlastní řízení nepřetržitě provozovaných technologických procesů bude směřovat ke stále širšímu využívání inteligentních čidel a akčních členů. Tím se bude zpětnovazební řízení přesouvat na nejnižší úroveň přímého distribuovaného řízení v provozu. Klasické řídicí systémy převezmou úlohu nadřazeného řízení technologických skupin a celků. S tím snad dojde k širšímu využití moderních poznatků teorie automatického řízení. Standardizace nebude využívána jen v oblasti komponent a nástrojů pro automatizaci, ale také pro řešení cílových úloh (viz např. současné požadavky na implementaci systémů s vlivem na bezpečnost řízených technologických zařízení). Se stále se zvyšující složitostí celé soustavy řízení bude hrát čím dál tím větší úlohu jak diagnostika vlastního řídicího systému, tak především řízených soustav. Častěji budou využívány komfortnější a komplexnější nástroje pro podporu projektování a údržbu životního cyklu řídícího systému. Při požadované vysoké míře spolehlivosti a bezpečnosti cílových automatizačních řešení bude pokračovat pronikání prostředků z oblasti IT do automatizace (hardware, software, internetové metody atd.). Realizovány budou také nové aplikační nástroje pro zpracování on-line i off-line velkého množství získávaných a uchovávaných výrobních dat. [8] Stále více se bude automatizace prosazovat v nevýrobních procesech: -
malá energetika
-
technika budov
-
dopravní systémy
-
přístupové a sledovací systémy
-
audiovizuální přístroje
-
měřící a monitorovací systémy [1] 14
2. Regulované soustavy 2.1 Popis regulačního obvodu Teorie automatického řízení se zabývá analýzou a syntézou regulačních obvodů se zápornou zpětnou vazbou. Systémy se zpětnou vazbou jsou takové systémy, se kterými je velikost regulované veličiny měřena a srovnávána se žádanou hodnotou. Tímto vznikne obvod, který je blokově znázorněn na obr. 2.1. a ve kterém jsou vyznačeny základní veličiny regulačního obvodu.
Popis jednotlivých členů: NČ – nastavovací člen => pro nastavení řídící veličiny (jedná se o převodník mezi tím, co zadá člověk, a tím, co se vstupuje do porovnávacího členu) PČ – porovnávací člen => porovnává skutečnou hodnotu y se žádanou hodnotou w regulované veličiny UČ – ústřední člen => zpracovává regulační odchylku e dle požadavku na regulační pochod AČ – akční člen => výkonový člen, který ovládá přítok energie do soustavy
-
P – pohon
-
RO – regulační orgán 15
RS – regulovaná soustava => je dána všeobecně tokem energie (tepelné, elektrické, tlakového vzduchu, atd.) a tokem hmoty (kapaliny, sypkého materiálu, atd.) MČ – měřící člen => slouží pro určení skutečné hodnoty regulované veličiny
-
SN – snímač => převede fyzikální veličinu na elektrický signál
-
A – adaptér => vytvoří napětí, např. 0 – 10V
Popis jednotlivých veličin: Regulovaná veličina (y) - je veličina, jejíž hodnota je regulací udržována v předepsaných podmínkách. Je zároveň rovna výstupní veličině řízeného systému a současně vstupuje do regulátoru. Řídící veličina (w) - někdy též označována jako žádaná hodnota. Je nositelem informace o tom, jaká hodnota regulované veličiny má být nastavena. Může to být číselný kód, napětí, nebo jiná informačně vhodná veličina. Regulační odchylka (e) - je definována jako rozdíl žádané hodnoty a regulované veličiny e(t) = w(t) – y(t). Vzniká změnou žádané hodnoty nebo když na systém působí poruchové veličiny. Regulační odchylku zpracovává ústřední člen regulátoru, pro který je odchylka vstupem. Akční veličina (u) - zasahuje do regulačního procesu tak, aby regulační odchylka byla minimální. Je to výstupní veličina řídícího systému a současně vstupní veličina řízeného systému. Akční orgán je většinou napájen výkonovým zesilovačem. Ústřední člen regulátoru určuje algoritmus řízení, což znamená, že v něm probíhají požadované matematické operace. Poruchová veličina (v) - může obecně působit v kterémkoli místě regulačního obvodu. Nejčastěji se však uplatňují vlivy poruch přímo v regulované soustavě. [9]
16
2.2 Druhy regulovaných soustav Regulovaná soustava je zařízení, které je přímo řízeno regulací. Regulace se provádí v regulačním obvodu, jehož základem je regulovaná soustava. Může to být zařízení zcela jednoduché - např. nádrž s vodou, i velmi složité - např. elektrárna. Regulace se provádí na základě signálu odebraného z regulované soustavy. Prostředkem pro získání signálu je snímač (čidlo), který převádí údaj o velikosti měřené veličiny na signál vhodný pro další zpracování (obvykle se jedná o signál elektrický). Signál ze snímače je v převodníku převeden na jednotný (unifikovaný) signál. To je signál, který se mění v předem stanovených mezích. Nejčastěji se používá: -
stejnosměrné napětí 0 až 10 V
-
stejnosměrný proud 0 až 20 mA nebo 4 až 20 mA
-
tlak vzduchu v rozmezí 20 až 100 kPa Úkolem regulačního technika bývá správné zvolení vhodného regulátoru. K tomu je
třeba znát dynamické vlastnosti regulované soustavy, tj. jak bude soustava reagovat na změny vstupního signálu, změny zatížení a další vlivy, které z hlediska regulace považujeme za poruchy. Nejnázornější a nejjednodušší vyjádření dynamických vlastností představuje přechodová charakteristika, což je odezva výstupního signálu na skokovou změnu signálu na vstupu. Výstupním signálem regulované soustavy je regulovaná veličina. Vstupní signál je akční veličina, kterou regulátor řídí činnost regulované soustavy. Základním parametrem soustavy v ustáleném stavu je přenos Ks. Tento přenos lze určit jako poměr velikosti
K Y X). [10]
výstupního a vstupního signálu ( s
2.2.1 Vlastnosti členů regulačních obvodů Vlastnosti všech členů regulačního obvodu se zejména projevují na kvalitě regulace. Nejvýrazněji se tyto vlastnosti uplatňují na regulovanou soustavu a ústřední člen regulátoru. Členy
regulačních
obvodů
se
vyhodnocují
podle
jejich
statických
(klidových)
a dynamických (pohybových) vlastností. -
statické vlastnosti - vyjadřují vlastnosti obvodu v ustáleném stavu. Zpravidla udávají závislost mezi dvěma veličinami, obvykle mezi velikostí výstupního a vstupního signálu
17
-
dynamické vlastnosti - vyjadřují závislost vstupních a výstupních veličin v neustáleném stavu (v okamžiku, kdy se tyto veličiny mění). K vyjádření dynamických vlastností regulované soustavy se nejčastěji používá matematické řešení, přechodová charakteristika, frekvenční charakteristika
2.2.2 Soustavy Důležitým kritériem pro klasifikaci regulovaných soustav je koeficient a0, který je označován jako součinitel autoregulace. Určuje zda bude mít regulovaná soustava statický nebo astatický charakter. -
a0
0, jedná se o statickou soustavu
-
a0 = 0, jedná se o astatickou soustavu [11]
2.2.2.1 Statické soustavy Po skokové změně vstupní veličiny se soustava ustálí v novém ustáleném stavu a určité hodnotě vstupní veličiny odpovídá určitá hodnota výstupní veličiny. Řečeno jinak, po vychýlení z rovnovážného stavu jsou schopny teoreticky vždy dosáhnout nového rovnovážného stavu bez působení regulace. [9] a) Regulované soustavy (bez-kapacitní) => statické 0. řádu Neobsahuje žádnou kapacitu, tedy nehromadí hmotu ani energii. Příkladem může být pákový mechanismus nebo velmi krátký úsek potrubí, kterým protéká nestlačitelná kapalina. Diferenciální rovnice
a0yt ut Přenos soustavy
Fp a1 Ks 0
=> zesílení soustavy [12]
18
Přechodová charakteristika Z přechodové charakteristiky vidíme, že změna signálu na vstupu se okamžitě projeví na výstupu soustava nevnáší do obvodu zpoždění. V charakterizována
ustáleném
stavu
je
soustava
svým přenosem Ks.
b) Regulované soustavy (jedno-kapacitní) => statické 1. řádu Tyto soustavy obsahují jednu kapacitu (RC, RL člen), která umožňuje hromadit energii nebo látku. Příkladem může být nádrž, která se plní vzduchem přes regulační ventil. Diferenciální rovnice
a1y t a0yt ut Přenos soustavy
Fp a p1 a 1 0
a0
Ks Fp Tp 1 Přechodová charakteristika Přechodová charakteristika ukazuje, že po skokové změně na vstupu začne výstupní signál ihned růst, přičemž rychlost změny se postupně zmenšuje, až se výstupní veličina ustálí na nové (konečné) hodnotě. Doba náběhu Tn (časová konstanta) - je doba, za kterou by soustava dosáhla konečnou hodnotu, kdyby změna probíhala počáteční rychlostí. Dobu
19
náběhu můžeme určit z přechodové charakteristiky jako subtangentu tečny vedené ke kterémukoli bodu charakteristiky => subtangenta je průmět tečny do vodorovné osy. Přechodová charakteristika má takový průběh, že doba náběhu určená z kteréhokoli bodu je vždy stejná. [10] c) Regulované soustavy (dvou-kapacitní) => statické 2. řádu Soustavy obsahující dvě kapacity řazené v kaskádě (dobu náběhu Tn a dobu průtahu Tu) => dvě místa, ve kterých se hromadí energie nebo hmota. Procházející signál soustavou nejprve přichází do první kapacity a až poté do kapacity druhé. Většina průmyslových soustav v praxi jsou soustavy 2.řádu – soustrojí pro regulaci otáček, výměníky tepla atd. Zdárným příkladem může být místnost vytápěná radiátorem ústředního topení. Tepelná energie (teplá voda) plní nejprve radiátor (první kapacita) a až z něj vydávané teplo zahřívá místnost (druhá kapacita). [13] Diferenciální rovnice
a2y t a1y t a0yt ut Přenos soustavy
Fp a p2a1p a 2 1 0 Fp
a0
Ks T p T1p 1 2 2 2
Přechodová charakteristika
Z přechodové charakteristice vidíme, že po skokové změně signálu na vstupu soustavy se výstupní veličina změní jen málo. Je to z toho důvodu, že se plní především první kapacita, která se začne na výstupu projevovat, až po uplynutí
20
určitého
času.
Přechodný
děj
v soustavě charakterizují dva parametry: doba průtahu Tu (vyjadřuje plnění první kapacity) a doba náběhu Tn (vyjadřuje plnění druhé kapacity). Součtem obou dob je doba přechodu Tp. Dobu průtahu a dobu náběhu můžeme určit pomocí tečny vedené inflexním bodem charakteristiky. Inflexní bod je takový bod, ve kterém dochází k přechodu křivky z konvexní na konkávní. [10]
d) Regulované soustavy (několika-kapacitní) => statické n-tého řádu Přechodové charakteristiky těchto soustav mají obdobný tvar jako přechodová charakteristika soustavy dvoukapacitní. Mají i stejné charakteristické veličiny - KS, Tu, Tn. Regulovatelnost statických soustav lze přibližně posoudit z poměru doby průtahu k době náběhu. -
dobře regulovatelné =>
-
regulovatelné =>
-
obtížně regulovatelné =>
-
nelze regulovat =>
u 0 T Tn 0,1 u 0,4 0,1 T Tn u 0,4 T Tn 1 Tu 1[11] Tn
2.2.2.2 Astatické soustavy Astatické soustavy nemají, na rozdíl od soustav statických, samoregulační schopnost. Po vyvedení soustavy z rovnovážného stavu se výstupní signál po odeznění přechodového děje mění konstantní rychlostí. Protože astatické soustavy nemají autoregulaci, je možné odstranit rozvážení soustavy vzniklé poruchovou nebo jinou vstupní veličinou (akční) jen pomocí připojeného regulátoru. Obdobně, jako soustavy statické, tak i soustavy astatické můžeme rozdělit podle počtu kapacit s tou výjimkou, že neexistuje astatická bezkapacitní soustava. [9]
21
3. Regulátory Regulátor je zařízení, které provádí regulaci, čili které prostřednictvím akční veličiny
působí
na
regulovanou soustavu tak, aby se
regulovaná
udržovala hodnotě
veličina
na
předepsané
(ve
zvláštních
případech to nemusí být konstantní hodnota) a regulační odchylka byla nulová nebo co nejmenší. Podle obr. 3.1. se regulační obvod skládá z regulované soustavy a regulátoru. Všechny členy tohoto obvodu s výjimkou regulované soustavy tedy zahrnujeme pod pojem regulátor. [14]
3.1 Rozdělení regulátorů 1. Podle energie s kterou pracují a) Mechanické regulátory – jsou většinou jednoduché přímé regulátory (regulátor hladiny ve splachovači, tlakový hrnec), které mají výhodu snadné opravy. Značnou nevýhodou se však stává malá přesnost a rychlost odezvy. b) Pneumatické regulátory – regulátory jsou vhodné do prostředí s nebezpečím výbuchu. Využívají ventilů, membrán, vzduchových válců atd. Výhodou u těchto regulátorů je snadné zjištění poruchy. Nevýhodou může být pružnost a cena stlačeného vzduchu. c) Hydraulické regulátory - tyto regulátory se používaly v těžkém průmyslu, dnes jsou nahrazovány elektrickými. d) Elektrické regulátory - jsou v dnešní době nejobvyklejší. Mají velkou přesnost, rychlost a jsou
dostatečně spolehlivé. Značnou výhodou je kompatibilita s výpočetní
technikou a poměrně nízká cena. Nevýhodou se stává citlivost na elektromagnetické rušení v síti.
22
2. Podle způsobu napájení a) Přímé (direktní) - energii potřebnou pro svou činnost odebírají přímo z regulované soustavy. Většinou se jedná o jednoduché mechanické nebo elektromechanické regulátory s omezenou přesností. Výhodou těchto regulátorů je jejich jednoduchost a velká spolehlivost. Příkladem může být - bimetalový termostat nebo tlakový hrnec. b) Nepřímé (indirektivní) - pro svou činnost potřebují pomocný zdroj energie. Jsou značně složitější, ale mají větší přesnost a stabilitu. Patří jsem zejména spojité regulátory (PID). 3. Podle charakteru přenášeného signálu a) Spojité - výstupní veličina se mění plynule (spojitě) v čase (lineární). Spojité regulátory reagují na spojitou změnu regulované veličiny
(tj. vstupní veličiny regulátoru) spojitou
změnou akční veličiny (tj. výstupní veličiny regulátoru). Jejich výstupní signál se může spojitě měnit v určitém rozmezí hodnot. b) Nespojité - výstup se mění skokem, podle počtu pevných poloh se rozdělují na dvou a více polohové (nelineární). Nespojité regulátory reagují na spojitou změnu regulované veličiny skokovou změnou akční veličiny. Podle toho, kolik hodnot může jejich výstupní signál nabývat, máme regulátory dvoupolohové, třípolohové atd. [10]
3.1.1 Spojité regulátory Jsou to takové regulátory, u kterých je výstupní veličina spojitého regulátoru (akční veličina) spojitou funkcí jejich vstupní veličiny (regulační odchylka). Z toho vyplývá, že regulovaná veličina neustále ovlivňuje akční veličinu, která může nabývat libovolné hodnoty od x = 0 až po x =
xmax. Regulátory jsou převážně konstruovány tak, aby bylo možné jejich
vlastnosti volit, a tím je co nejefektivněji přizpůsobit dané regulované soustavě. Volba vlastností daného regulátoru spočívá v tom, že můžeme volit závislost mezi výstupní a vstupní veličinou regulátoru. Spojité regulátory mají i některé nevýhody, např. regulátory P a PD pracují s trvalou regulační odchylkou v ustáleném stavu. [9]
23
3.1.1.1 Proporcionální regulátor (P - regulátor) Nejjednodušší závislostí výstupní a vstupní veličiny regulátoru je přímá úměrnost. Regulátor, který v rovnovážném stavu danou závislost splňuje, se nazývá proporcionální regulátor. Proporcionální regulátor funguje tak, že vynásobí regulační odchylku konstantou zesílení a výsledek použije jako akční veličinu. To má za následek, že čím větší je regulační odchylka, tím větší bude akční veličina. V podstatě regulátor typu P funguje pouze jako zesilovač. Tomu odpovídá rovnice:
ut KRet .
Protože platí e(t) = w(t) – y(t), pak regulátor pracuje tak, že roste-li hodnota regulované veličiny, klesá hodnota akční veličiny, a naopak. Pro danou regulovanou soustavu je součinitel přenosu konstantní a nelze jej měnit. U regulátoru (na rozdíl od regulované soustavy) máme možnost součinitel přenosu měnit (můžeme jej nastavovat). Tím je dána i možnost ovlivňovat vlastnosti regulátoru. [15] Statické
vlastnosti
proporcionálního
regulátoru
jsou
dány
jeho
statickou
charakteristikou. Z ní lze určit, že se zvětšujícím se součinitelem přenosu regulátoru se zvětšuje jeho citlivost a přesnost, ale jeho stabilita značně klesá. Přitom v praxi od regulátoru vyžadujeme, aby byl co nejcitlivější, ale zároveň i stabilní. Při nastavování KR musí být kompromis mezi těmito protichůdnými hledisky. Zesílení je v praxi často nahrazováno pásmem proporcionality =>
pp K1 100 % [9] R
Ideální P - regulátor
Fp
24
R1 R2 R1
2 1 R R1
R2 K R1 R
3.1.1.2 Integrační regulátor (I - regulátor) Vzhledem k tomu, že hodnota výstupní veličiny je úměrná integrálu vstupní veličiny, nazýváme tento regulátor integrační regulátor. Ten dokáže oproti proporcionálnímu regulátoru P úplně odstranit regulační odchylku e v ustáleném stavu. K úplnému odstranění regulační odchylky e však dochází za určitý čas, proto se integrační regulátory používají tam, kde četnost poruch není příliš častá, nebo kde regulovaná soustava má velkou setrvačnost (odolnost proti dlouhodobým poruchám). [15] Statické vlastnosti integračního regulátoru lze ovlivnit nastavením jeho integrační časové konstanty Ti a jeho součinitele přenosu KR, který je konstantní. Ze statické charakteristiky integračního regulátoru lze vyčíst, že se zmenšující se integrační časovou konstantou se zvětšuje citlivost a přesnost regulátoru, zatímco jeho stabilita se naopak zmenšuje. Dynamické vlastnosti integračního regulátoru se nejčastěji vyjadřují přechodovou charakteristikou. Z přechodové charakteristiky je zřejmý astatismus (nestabilita) integračního regulátoru. Integrační časovou konstantu Ti lze definovat jako dobu, za kterou výstupní veličina integračního regulátoru dosáhne stejné hodnoty, jaké by dosáhla, kdyby přenos regulátoru byl pouze proporcionální a pásmo proporcionality by bylo 100% . Tento regulátor je především vhodný pro regulaci statických regulačních soustav I. řádu, není však vhodný pro soustavy vyšších řádů. Jako samotný ho lze použít pro regulaci průtoků a regulaci tlaku plynu a páry. V praxi se zejména používá v kombinaci s proporcionálním regulátorem a tímto spojením tvoří nejčastěji používaný typ regulátoru v technice elektrických pohonů. [9] Ideální I - regulátor
1 1 1 1 1 i F p pC Ri pCi Ri pCiRi pTi
25
3.1.1.3 Derivační regulátor (D - regulátor) Derivační regulátor reaguje již při malé změně regulované veličiny, jestliže se tato veličina mění velkou rychlostí. Statické vlastnosti derivačního regulátoru můžeme ovlivňovat pouze nastavením jeho jediné charakteristické veličiny, tj. derivační časová konstanta Td. Jeho součinitel přenosu KR je konstantní a nelze jej měnit. Ze statické charakteristiky derivačního regulátoru lze vyčíst, že se zvětšující se derivační časovou konstantou se zvětšuje citlivost a přesnost regulátoru, zatímco jeho stabilita se značně zmenšuje. [14] Dynamické vlastnosti derivačního regulátoru se nejčastěji vyjadřují pomocí přechodové charakteristiky. Derivační časová konstanta Td je doba, za kterou výstupní veličina derivačního regulátoru dosáhne stejné hodnoty, jaké by dosáhla, kdyby přenos regulátoru byl pouze proporcionální a pásmo proporcionality by bylo 100%. Derivační regulátor se používá pro zrychlení regulačního pochodu a tím i ke zlepšení jakosti regulačního pochodu. Vzhledem k tomu, že tento regulátor nereaguje na ustálenou hodnotu regulační odchylky, ale pouze na změnu její rychlosti, neplní hlavní úkol regulátoru, tj. neodstraňuje regulační odchylku (nelze jej používat samostatně). Proto musí být vždy používán
pouze
v kombinaci
s proporcionálním
nebo
proporcionálně
integračním
regulátorem. V tomto spojení má derivační regulátor funkci zrychlování regulace (předvídavost) a zvyšování stability, což hraje velký význam při odstraňování krátkodobých a četných poruch. [9] Ideální D - regulátor
d pRC pT F p R1d R1d pC d d d 1 pCd
26
4. PID – regulátor PID regulátory jsou bezkonkurenčně nejpoužívanějšími regulátory pro průmyslové aplikace. Dokonce se uvádí, že až 95% všech regulačních algoritmů je typu PID, ale velká část z nich využívá pouze proporcionální a integrační složku. Přes nepochybnou jednoduchost PID regulátorů jsou s nimi v průmyslu velké problémy, a to zejména s jejich optimální nastavením, které je složité kvůli derivační složce. Velká část vynikajících odborníků zabývajících se automatickým řízení se skutečně domnívá, že moderní teorie řízení nabízí lepší a efektivnější řešení než-li klasické, již skoro 100 let staré, PID regulátory, a že pouze konzervativní průmysl tato nová řešení nedokáže využít. Reálná situace v řízení procesů tomu však nenasvědčuje. Výrobci regulátorů vyvíjejí stále novější a důmyslnější produkty vybavené nejrůznějšími funkcemi, jako jsou např. automatické nastavování parametrů nebo diagnostika funkce regulátoru, avšak jádrem těchto produktů stále zůstávají tytéž PID algoritmy. Zdá se, že v mnohamiliónové populaci PID regulátorů dochází k evoluci, kterou dominantně řídí praxe a nikoliv teorie. To má za následek velký počet vzniku různých variant regulátorů, a jen zřídka jsou dostatečně přesně popsány v příslušných uživatelský příručkách. Často není vůbec jasné, jaký je přesný význam zadávaných parametrů a jak bude regulátor reagovat v nestandardních režimech. [15] PID regulátor obsahuje proporcionální, integrační a derivační složku, které prostřednictvím akční veličiny působí na regulovanou soustavu tak, aby se regulovaná veličina udržovala na předepsané hodnotě a regulační odchylka byla nulová nebo co nejmenší. Požadavkem na optimální nastavení PID regulátoru pak může být (a je) kladeno více cílů, často i protichůdných. Mezi takto definované cíle může patřit např. sledování žádané hodnoty, potlačení působení poruch, necitlivost na šum, stabilita odezvy, atd. Optimální nastavení PID regulátoru může být tedy určitý kompromis mezi jednotlivými požadavky. Často se zde setkáváme např. s nastavením, které musí řešit požadavek rychlé reakce PID regulátoru na změny v regulačním obvodu při dodržení minimálního přeregulování s dobrou stabilitou odezev. Ve většině případů plně postačí využít regulátor typu PI (derivační složka je deaktivována). Typickým příkladem je regulace teploty. V následující tabulce je vidět vliv jednotlivých parametrů PID regulátoru na regulační činnost.
27
Vliv zvětšování hodnot konstant na rychlost a stabilitu odezvy Konstanta Proporcionální (K) Integrační (Ti) Derivační (Td)
Rychlost odezvy Zvyšuje Snižuje Zvyšuje
Stabilita odezvy Snižuje Zvyšuje Snižuje
Tab. 1 Vliv konstant na rychlost a stabilitu odezvy [1]
Vliv parametrů PID na regulaci Na základě Proporcionální, Integrační a Derivační konstanty PID regulátoru se počítá výsledná akční veličina (akční zásah). Konstanty společně ovlivňují celý průběh regulačního pochodu. V řídicích systémech je akční veličina PID regulátoru vypočítána pomocí tohoto vztahu (tento vztah je používán firmou Amit): t y K x T1 x dt Td ddx i 0 y
Pro lepší pochopení PID regulátoru lze demonstrovat jeho funkčnost na následujícím příkladu - regulátor má za úkol regulovat teplotu mikropájky, která bude dodávat výkon. Aby PID regulátor věděl, jak velký výkon má dodávat, bude také měřit teplotu (na jakou teplotu má páječku rozehřát) => žádaná hodnota. -
proporcionální konstanta (K) Regulátor odečte hodnotu měřené teploty od hodnoty teploty žádané a rozdíl
(regulační odchylku) vynásobí konstantou (proporcionální konstanta K). Výsledek je výkon, jakým bude páječka rozehřátá (např. v procentech). Čím víc se bude měřená teplota blížit k teplotě žádané, tím bude výkon nižší a naopak. Nastavíme-li konstantu na hodnotu 1, bude, např. při rozdílu teplot 10 °C, výkon 10 %. Zvětšováním konstanty K lze trvalou regulační odchylku zmenšit, ale vzniká nebezpečí nestability regulačního obvodu => regulovaná veličina kmitavě nebo i nekmitavě narůstá, což může vést až k poškození zařízení (tento fakt se eliminuje použitím integrační složky Ti). -
Integrační konstanta (Ti) Integrační část PID regulátoru vynásobí regulační odchylku konstantou a přičte ji ke
své hodnotě. Toto znamená, že pokud bude měřená teplota nižší než požadovaná, integrační složka se bude zvyšovat a naopak. Čím bude regulační odchylka narůstat, tím rychleji se 28
integrační složka začne měnit. Pokud bude regulátor pouze integrační, bude páječka topit nejdříve málo a výkon se bude postupně zvyšovat. Jakmile požadovanou teplotu překročí, bude se výkon snižovat, až se ustálí na požadované hodnotě => výkon, který je třeba pro udržení ustálené teploty (dodáváme stejný výkon, jakým se páječka ochlazuje). Jestliže u PID regulátoru budeme podíl integrační složky zmenšovat (zvětšováním konstanty Ti), budeme tlumit kmitavost regulačního obvodu a naopak. Do jisté míry toto lze eliminovat přidáním derivační složky. -
Derivační konstanta (Td) Derivační složkou PID regulátoru vynásobíme rychlost změny odchylky konstantou
Td. Jestli že měřená teplota klesá, pak derivační složka zvyšuje výkon. Čím rychleji měřená teplota klesá, tím vyšším výkonem bude derivační část PID regulátoru topit a naopak. Tento fakt se projeví právě v okamžiku, kdy s rozehřátou páječkou začneme pájet. To zapříčiní pokles teploty a derivační složka na to musí okamžitě reagovat zvýšením výkonu. Ale v případě rychlého růstu teploty musí derivační složka PID regulátoru výkon snižovat. Tento pokles nebo naopak nárůst derivační složky vyvolá buď rychlejší nebo pomalejší reakci na změnu žádané hodnoty v regulačním obvodu. Postup při návrhu regulátoru -
určení parametrů soustavy Parametry je nejlepší a též nejjednodušší určit z naměřené přechodové
charakteristiky soustavy. Změříme dvě odezvy na skok vstupu soustavy a parametry určíme průměrem ze dvou měření: 1. skok 0 .. 50 % akčního zásahu, např. otevření ventilu 2. skok 50 % ..100 % akčního zásahu, např. otevření ventilu U každého z těchto dvou měření je nezbytně nutné dbát na to, aby byl systém v klidu, tj. aby se regulovaná veličina neměnila. Na konci každého měření by se měla regulovaná veličina opět ustálit. Zesílení soustavy je pak dáno vztahem:
Ks
y u 29
-
y => je rozdíl teplot na začátku a na konci měření u => je rozdíl hodnot na konci a na začátku měření (při 50 %) Časová konstanta Ts se určí jako doba, za kterou výstup dosáhne 63 % své ustálené
hodnoty. -
Určení parametrů regulátoru Integrační časová konstanta Ti se zvolí totožná, jako je naměřená časová konstanta
soustavy Ts . Zesílení je pak dáno vztahem:
Kr K1 s Nastavení těchto parametrů regulátoru by mělo zapříčinit, že regulovaný systém bude mít mírně přetlumený charakter, tj. výsledná odezva na skok žádané hodnoty bude bez překmitu. Pokud bychom zesílení ještě zmenšovali, nastalo by výrazné zatlumení celého systému. Druhým extrémem je stálé zvyšování zesílení až k narůstání kmitů, které mohou vést k nestabilitě systému. Integrační časovou konstantu obvykle není zapotřebí jakkoliv dolaďovat (dvojnásobná integrační časová konstanta => dlouho dotahuje; poloviční integrační časová konstanta => nežádoucí překmity). Pokud jsou všechny konstanty nastaveny správně, má PID regulátor takovýto charakter: [16]
Obr. 3.5. Správně zvolené konstanty PID regulátoru [13]
30
3.1.2 Nespojité regulátory Za nespojité regulátory jsou většinou považovány dvoupolohové (dvoustavové) nebo třípolohové (třístavové) regulátory. Akční člen dvoustavových regulátorů je zpravidla tvořen buďto elektromechanickým (relé, spínač, stykač) nebo elektronickým zařízením (triak, tyristor). Akční člen třípolohových regulátorů zpravidla tvoří (relé nebo stykač). Dvoupolohové regulátory mají pouze dva stabilní stavy výstupu (u), kterým je ovlivňován akční člen. Bude-li skutečná hodnota regulované veličiny (y) pod předem nastavenou regulační hodnotou (w) o hodnotu necitlivosti
h,
bude akční veličina (u)
nabývat jednoho ze dvou možných stavů (sepnuto nebo rozepnuto). Překročí-li skutečná hodnota regulované veličiny hodnotu žádanou o hodnotu necitlivosti
h, bude mít akční
veličina (u) opačný stav než v předchozím případě. Přepínání stavů se děje s určitou hysterezí (H). U některých dvoustavových regulátorů je nastavena vyšší spínací hystereze => zhorší se tím sice přesnost regulace, ale menší četnost spínání značně prodlouží životnost regulátoru. Regulační pochod kterékoliv dvoustavové regulace je vždy na mezi stability. [9] Průběh dvoustavové regulace
Obr. 3.6. Dvoustavová regulace [14]
31
3.2 Stabilita regulačního obvodu Stabilita je jedním ze základních požadavků a tím i nevyhnutelnou podmínkou, aby byla zajištěna správné funkce regulačního obvodu. Definice stability regulačního obvodu Regulační obvod je stabilní tehdy, jestliže po vychýlení regulačního obvodu z jeho ustáleného stavu odeznění vnější sily, které tuto odchylku způsobily a regulační obvod se během časového horizontu znovu vrátí do svého rovnovážného stavu. Z hlediska stability rozlišujeme regulační obvod na stabilní, nestabilní a na mezi stability. Průběhy těchto přechodových charakteristik jsou znázorněny na obr. 3.7. [17]
Obr. 3.7. Průběhy přechodových charakteristik [15]
Uzavřený regulační obvod musí být vždy a ve všech případech stabilní. Abychom této stability dosáhli, musíme zohlednit parametry regulované soustavy, která jsou dány její konstrukcí, a v mnoha případech tudíž nestabilní. K dosažení stability musíme měnit parametry regulátoru, případně volit jiný vhodnější typ regulátoru. Nyní se objevuje problém, jak poznáme, zda-li je námi navrhovaný regulační obvod stabilní anebo nestabilní. Pro toto posouzení máme dvě podmínky -
nutná a postačující podmínka stability
-
nutná, ale nepostačující podmínka stability [18]
32
3.2.1 Nutná a postačující podmínka Mějme jednoduchý regulační obvod, který je vyobrazen na obr.3.8. Přenos řízení
a
přenos
poruchy
regulačního obvodu je dán
tohoto těmito
rovnicemi:
FO y FR . FS Fw w 1 FR . FS 1 FO
Fz yz 1 FFS. F R S m b . pm 1 b . p2 b . p b b . p m Fp a . pn am1. pn 1 a 2. p2 a1. p a0 n n1 2 1 O
Ap an . pn an 1 . pn 1 a2 . p2 a1 . p aO
=>
polynom
jmenovatele
obou
přenosů (charakteristický polynom)
Nutnou a postačující podmínkou stability regulačního obvodu je, aby kořeny charakteristického polynomu
Ap
pn
přenosů uzavřeného regulačního obvodu ležely v záporné
části komplexní roviny (měly zápornou reálnou část). Jestliže existuje alespoň jedna dvojice komplexně sdružených kořenů
Ap
na
imaginární ose (tedy s nulovou reálnou částí), je obvod na mezi stability. Jestliže všechny kořeny
Ap
jsou reálné, je regulační pochod aperiodický. Jestliže se
objeví alespoň jedna dvojice komplexně sdružených kořenů (s nenulovými imaginárními částmi), je regulační pochod kmitavý. [9]
33
Tato situace je znázorněna na obr. 3.9.
Obr. 3.9. Stabilní a nestabilní oblast v komplexní rovině [17]
Ze začátku je třeba říci, že pro charakteristický polynom prvního a druhého stupně je postačující
podmínkou
stability
regulačního
obvodu
kladnost
jejich
koeficientů
Ap A1 . p A0, kde musí být A > 0; A > 0. To samé musí platit i pro charakteristický polynom druhého řádu Ap A2 . p2 A 1. p A 0, i zde musí platit A > 0, A > 0, A > 0. =>
0
1
0
1
2
Je zcela evidentní, že analytický výpočet polohy kořenů pro charakteristický polynom vyššího než druhého stupně by byl obtížný (pro stupeň vyšší než čtyři dokonce nemožný). Je ale třeba si uvědomit, že při posuzování stability nemusíme určit přesnou hodnotu kořenů, ale zajímá nás pouze odpověď na otázku, ve které polorovině komplexní roviny kořeny leží. Na tuto otázku dávají odpověď kritéria stability. [18]
3.2.2 Nutná, ale nepostačující podmínka Podle tvaru charakteristického polynomu přenosu
Fp
můžeme jednoznačně
rozhodnout o tom, zda je či není systém stabilní a to hned ze dvou hledisek -
je-li charakteristický polynom
Ap maximálně druhého stupně a jsou-li všechny jeho
koeficienty kladné, je systém vždy stabilní.
34
Tomuto tvrzení odpovídá přenos:
Fp 4p23p2p2 1 -
nejsou-li všechny koeficienty charakteristického polynomu kladné nebo některý člen
polynomu dokonce chybí (počínaje nejvyšší mocninou), je systém vždy nestabilní. Tomu to tvrzení odpovídá přenos:
Fp 4p32p 22p Je-li charakteristická rovnice vyššího než druhého stupně a jsou–li všechny její koeficienty kladné (nutná podmínka), nelze o stabilitě jednoznačně
rozhodnout. Z toho
důvodu je nutné vypočítat všechny reálné kořeny a zjistit, jaký mají charakter (obecná podmínka stability). Tento úkol je poměrně náročný, protože pro rovnice vyšších stupňů je numerické řešení příliš obtížné. Abychom se vyhnuli vyčíslování kořenů, používáme tzv. kritéria stability, umožňující rozhodnout o stabilitě bez numerického vyčíslování kořenů. [9]
3.3 Kritéria stability Vypočtení kořenů charakteristické rovnice vyššího než druhého stupně je dosti náročná záležitost i za použití výpočetních technik. Z toho důvodu byla zavedena matematická kritéria, která umožňují z charakteristické rovnice určit, zdali mají kořeny záporný nebo kladný charakter. Těmi to technikami určíme stabilitu obvodu, aniž bychom museli danou rovnici pracně řešit. Kritéria stability můžeme v zásadě rozdělit na algebraická, která vychází z koeficientů charakteristického polynomu, a frekvenční, vycházející z frekvenčních vlastností regulačního obvodu. Zde uvedeme pouze dvě nejznámější (nejpoužívanější) algebraická kritéria stability. [17]
35
3.3.1 Hurwitzovo kritérium stability Kritérium vychází z koeficientů charakteristického polynomu přenosu uzavřeného regulačního obvodu. Podmínkou stability uzavřeného regulačního obvodu je, aby všechny koeficienty polynomu
Ap
byly kladné (nutná a postačující podmínka). Systém je stabilní
tehdy, pokud Hurwitzův determinant a všechny jeho subdeterminanty jsou kladné. Obecný Hurwitzův determinant
a1 a0 0 0 0 3 a2 a1 0 0 DH a a5 a4 a3 a2 a1 0 0 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 00 Hurwitzův determinant pro rovnici třetího stupně
Ap a3 . p3 a2 . p2 a1 . p a0 a1 a0 0 a1 a0 D3 a3 a2 a1 a3 a2 0 0 a3 0 0
D1 a1 0 D2 a1 .a2 a0 .a3 0 D3 a1 .a2 .a3 a3 .a3 .a0 0
Praktický příklad pro vyřešení stability uzavřeného regulačního obvodu
Fp 3p3 2pp2 12p 1 2 1 02 1 D3 3 1 2 3 1 0 0 30 0
D1 2 D2 2 3 1
=> systém je nestabilní
36
3.3.2 Routhovo-Schurovo kritérium stability Vycházíme opět z charakteristického polynomu přenosu uzavřeného regulačního obvodu. Podle daného algoritmu provádíme postupnou redukci charakteristické polynomu na rovnici nižšího stupně, než se dostaneme ke kvadratické rovnici. Aby se mohla stabilita regulačního obvodu vyšetřovat, musí být splněna nutná, ale nepostačující podmínka stability. Postup při řešení Schurova algoritmu -
vypíšeme koeficienty charakteristického polynomu
Ap
seřazené podle mocniny
sestupně -
každý druhý koeficient zleva podtrhneme
-
potržené koeficienty vynásobíme takovým číslem K a výsledek násobení sepíšeme o jeden sloupec vlevo, aby se první pod sebou ležící hodnoty po rozdílu vynulovaly
-
odečteme pod sebou ležící čísla, potržené opíšeme a redukci opakujeme až ke kvadratickému polynomu (tj. až nám zůstanou pouze tři koeficienty)
Systém je stabilní, jsou-li po redukci čísla ve všech řádcích kladná. Praktický příklad pro vyřešení stability uzavřeného regulačního obvodu
Ap p6 3p5 5p4 12p3 6p2 9p 1 1 3 1 0 3 3 0
5 4 1 1 1 0
12 6 9 1K 3 12 3 9 1K 9 3 3 3 6 1K 2 3 1 6 1K 3 3 0 1 3 1
=> systém je stabilní [9]
37
1 3 3 1 3 3
4. Programovatelné automaty 4.1 Úvod Programovatelné automaty (Programable Logic Controlers PLC) jsou nejvýznamnější součástí pro řízení technologických procesů, výrobních linek a strojů. Tohoto uznání dosáhli již v první polovině 80. let. Tato technika (PLC) zůstala podstatně dlouhou dobu pozadu v programátorském komfortu za řídícími počítači. Na druhou stranu přináší nesporné výhody. Mezi ty nejpodstatnější patří spolehlivost, hospodárnost, flexibilita programovatelných úloh, vestavěná diagnostika, nízké náklady na kabeláž => rychlejší uvedení do provozu, snazší údržba, vysoká stabilita jednoduchého operačního systému. [19] Mluvíme-li o programovatelných automatech , máme na mysli hardwarové zařízení, které vykonává nespojitou řídící činnost (obvykle nespojitých procesů) automaticky podle předepsaného programu. Současné programovatelné automaty však mají z praktických důvodů též část, která je schopná řídit analogové procesy. Z obecného hlediska lze říci, že řídící systémy realizují algoritmy své činnosti při řízení systému dvojím způsobem: a) paralelně – algoritmus řízení (program) je dán HW zapojením logických obvodů, takže blokové schéma lze znázornit podle obr. 4.1. Z hlediska řadiče je lze rozdělit do dvou skupin (pevně programovatelné, přeprogramovatelné).
38
b) sériově – algoritmus jejich činnosti (program) je realizován řešením sériové sekvence instrukcí, takže blokové schéma lze znázornit dle následujícího obr. 4.2.
Rozdělení logických řídících systémů a) řídící počítače – užívající univerzální výpočetní prostředky (mikroprocesory, jednočipové počítače) => ŘP b) programovatelné automaty – číslicově pracující elektronické systémy konstruované pro využívání v průmyslových aplikacích. Využívají programovatelnou paměť pro vlastní ukládání uživatelsky orientovaných instrukcí a speciálních funkcí (logických, sekvenčních, časovacích, čítacích, komunikačních) za účelem řízení strojů či technologických procesů na základě digitálních, analogových vstupů a výstupů. Jak programovatelná řídící jednotka, tak periferní zařízení jsou konstruovány pro jednoduché začlenění do systému průmyslového řízení. Z toho plyne, že algoritmus řízení systému při použití PLC se mění pouhou změnou programu uloženého v jeho paměti. Vstupem PLC jsou spojité nebo logické signály, které určují průběh regulované nebo žádané veličiny a výstupem jsou signály určené k ovládání akčních členů. Programovatelné automaty je možno třídit z několika hledisek, např. dle výkonnosti, aplikační oblasti, vnějšího provedení a počtu I/O. Na menší systémy je možno pohlížet jako na kompaktní (např. Schneider Elektric, Siemens). Na větší systémy jako na modulární (Allen Bradley, Schneider Elektric, Teco).
39
Začlenění PLC do řídícího systému je možné znázornit na blokovém schématu obr.4.4. Porovnání PLC a ŘP a) Porovnání – základním požadavkem na PLC je vysoká spolehlivost, bezpečný
která provoz
zajišťuje technologií
(energetika, doprava, hutnictví). Z toho
důvodu
jsou
PLC
konstruovány tak, aby přežily i ty nejobtížnější podmínky a mohly v nich bez problému pracovat. S tímto faktem souvisí i odolnost proti vlivům okolního prostředí (teplota, vlhkost, prašnost). Bezprostřední důraz je kladen na velkou odolnost vůči rušení. b) Diagnostika – provoz PLC vyžaduje snadnou a především rychlou identifikovatelnost a odstranitelnost závad. Stav funkčnosti PLC proto bývá zřetelně indikován, čím lze určit poruchu i nekvalifikovanou osobou. c) Rychlost – PLC jsou speciálně navrženy pro řešení logických úloh => proto jsou tyto aplikace rychlejší než řídící počítače. d) Architektura – modularita PLC spolu s požadavkem komunikace s měřícími a akčními členy vyžaduje sběrnicové provedení. e) Cena – z hlediska SW a HW jsou PLC značně jednoduší a tím pádem i o mnoho levnější než řídící počítače. f) Paměť – PLC si na rozdíl od počítače při poruše (neodstranitelná chyba, výpadek napájení) musí zapamatovat poslední stav, aby při obnově mohl pokračovat dál ve své činnosti, což klade velké nároky na velikost paměti. [20]
40
4.2 Popis konfiguračního provedení PLC Skutečnou sestavu volí vždy uživatel tak, aby co nejpřesněji přizpůsobil svůj PLC požadavkům řešené úlohy. V některých případech mohou určité typy modulů chybět, jiné se zas mnohonásobně opakovat. V krajním případě muže být PLC využíváno čistě jako binární (logický) systém, s použitím dvouhodnotových vstupů a výstupů, nebo naopak jako výhradně analogový (monitorovací systém). Sestavy mohou mít čistě ryzí charakter vstupů, kdy je PLC degradován na systém pro měření a předzpracování dat. PLC muže např. vyhodnocovat soubor analogových a binárních snímačů z monitorované technologie, analyzovat je nebo předávat nadřazenému systému řízení. Obdobně muže být PLC v roli výstupního systému, např. jako ovladač sady svítících segmentových zobrazovačů nebo jako soubor elektrických spotřebičů a jiných akčních členů. Popřípadě mohou být i aplikace PLC bez fyzických vstupů a výstupů, kdy PLC funguje jen jako inteligentní a programovatelný komunikační adaptér pro připojení cizího systému do sítě (připojení operátorských panelů, snímače čárových kódů atd.). Z hlediska konstrukčního provedení uživatelské koncepce lze programovatelné automaty rozdělit do dvou skupin (modulární a kompaktní). [21] a) Modulární PLC Konstrukce těchto automatů je založena na principu nosného rámu, v němž jsou umístěny jednotlivé karty CPU a napájení. Rám též může obsahovat i další volné pozice pro zásuvné periferní jednotky. Pro propojení jsou v rámu již standardně rozvedeny napájecí a systémová sběrnice, takže přídavné periferie lze v něm libovolně rozmísťovat. Pokud by však počet pro danou aplikaci nestačil, můžeme použít rozšiřující moduly v dalších rámech v počtu omezeném pouze adresovým prostorem procesoru. Výhody - libovolná rozšiřitelnost automatů - lepší komfort z hlediska programování - větší volnost ve volbě konfigurace - binární vstupy a výstupy - speciální a inteligentní moduly
41
Příklad konstrukce -
Firma Allen-Bradley nabízí ve svých řadách nosné rámy ve čtyřech velikostech, a to
pro (4, 7, 10 a 13 modulů). Na první pozici se vždy umisťuje modul CPU, který se vyrábí v různých výkonnostních provedeních. Pokud pro danou aplikaci nepostačí ani 13 pozic v největším rámu, je možno k základnímu rámu připojit jeden nebo dva rozšiřující rámy až do celkového počtu 30 pozic. -
Pro automaty od firmy Teco lze do jedné ze čtyř variant plochého zadního rámu
zasouvat libovolné moduly v počtu (4, 6, 8 a 11 modulů). U jiných variant muže být jeden systém tvořen několika rámy (základní a rozšiřovací moduly). Rozšiřovací moduly mohou být připojeny na vzdálenosti stovek metrů. Místo rozšiřovacích modulu mohou být připojeny podsystémy tvořené kteroukoliv z variant horizontálního i vertikálního uspořádání komunikace mezi systémy. Moduly binárních vstupů a výstupů Většina binárních vstupů je galvanicky oddělena po 16 nebo 32 vstupech na modulu. Stejnosměrné vstupy jsou v rozsahu (12, 24 a 48V) se společným vodičem pro napětí kladné nebo záporné polarity. Střídavé vstupy bývají v rozsahu (24, 48, 115 a 230V). Rovněž i všechny binární výstupy jsou galvanicky oddělené a mají releové nebo tranzistorové provedení. Tyto výstupy jsou řešeny jak pro stejnosměrné, tak i pro střídavé napájení v rozsahu (24 až 250V). Galvanické oddělení významně přispívá k potlačení průniku rušivých signálů do systému ze strany vstupních a výstupních svorek. Existuje i kombinovaný modul binárních vstupů a výstupů, který muže být využit na optimální doladění sestavy. Na binární vstupy se zejména připojují tlačítka, přepínače, koncové spínače a jiné spínače s dvouhodnotovým charakterem signálu (dotyková čidla, snímače teploty, tlaku nebo kapalin). Binární výstupy jsou především určeny k buzení (cívek relé a stykačů) k ovládání signálek nebo k řízení frekvenčních měničů. Analogové moduly Analogové
moduly
vyhovují
všem
standardním
požadavkům
a
dovolují
bezproblémové připojení běžně používaných snímačů a akčních členů. Univerzální analogový 42
modul prakticky dovoluje připojit libovolné typy snímačů a převodníků, u kterých může měřit napěťové nebo proudové signály v širokém rozsahu hodnot. U specializovaných modulů pro určité typy čidel, např. termočlánky, odporové teploměry apod. je potlačena univerzálnost, ale jsou optimálně přizpůsobeny svému určení a poskytují tak levnější a kvalitnější řešení. Analogové moduly s galvanickým oddělením dovolují zvýšit odolnost systému proti rušení, v některých situacích jsou principiálně nenahraditelné. Analogové vstupní moduly slouží pro připojení snímačů (teploty, vlhkosti, tlaku, hladiny, síly, polohy, rychlosti). Analogové výstupní moduly jsou určené pro ovládání akčních členů či zařízení se spojitým vstupním signálem např. (servopohony, frekvenční měniče, ručkové měřicí přístroje atd.). Speciální a inteligentní moduly Do toho to sortimentu spadají komunikační moduly, adaptéry a modemy pro různá rozhraní. Mohou jsem patřit i přídavné paměťové moduly pro zálohování obsahu nebo rozšíření kapacity paměti pro uživatelský program. Existují i poněkud kuriózní moduly, které dodávají pro svůj kompaktní PLC i modul pneumatických výstupů, z něhož místo vodičů vystupují pneumatické hadičky. b) Kompaktní PLC Konstrukce kompaktních automatů je dána jejich použitím při řízení menších systémů, tj. pevně daná konfigurace integrovaných modulů s přesně definovaným počtem signálů. Tyto automaty jsou vhodné pro řízení (klimatizací a technické vybavení budov, jednoúčelových strojních zařízeních, mycí linky automobilů atd.). Nejnovější modely již umožňují přizpůsobit sestavu daného PLC, požadavkům konkrétní aplikace. Pro bližší představu lze zdůraznit, že popisované automaty bývají vyzbrojeny šestnácti binárními vstupy, výstupy a čtyřmi analogovými vstupy, výstupy, které umožňují připojení až do 32 podřízených stanic v síti. Programová vybavenost je totožná s modulárními PLC (textový nebo grafický editor). c) Uspořádání systémů řízení s PLC Velkou předností PLC je schopnost komunikace jak s podřízenými, tak i nadřízenými systémy pomocí různých typů linek. Připojení ke COM portům PC je většinou realizováno
43
vstupem RS 232. Obvykle se pro řízení celého systému využívá třívrstvá architektura. Pro tento popis použijeme decentralizovaný řídící systém od firmy Allen-Bradley. -
Nejvyšší vrstva komunikace Nebo-li též vrstva informační, která je realizována po standardní síti Ethernet TPC/IT.
Tato síť je díky své rychlosti určená pro přenos velkého množství dat na krátké vzdálenosti. Prostřednictvím této síti je k centrální PLC připojen nadřazený systém pro sběr dat a monitorování řízeného procesu. -
Druhá vrstva komunikace Též označováno jako bezprostřední řízení (regulace a vlastní technologické řízení).
Je realizovaná sítí ControlNet, která je novou generací těchto sítí. Mezi její výhody patří vysoká přenosová rychlost 5 Mb/s a nová metoda přístupu „NUT“ (Network Update Time). Princip této metody spočívá v přidělování časových intervalů v mezích 2 – 100 ms. Tento model obsluhy sítě je označován jako Producer/Consumer (odesílatel/příjemce). Předností této metody je kromě dodržování intervalu přenosu dat i možnost většího počtu spojení, tj. více uzlů může souběžně přijímat dat, která jsou vysílána jedním uzlem (sdílení dat) => větší efektivnost než starší metoda klient-server. -
Třetí, nejnižší vrstva Běžně nazývána jako technologická. Tato vrstva zabezpečuje sběr dat z měřících,
akčních členů a reprezentuje jí sběrnice DeviceNet, která je novou otevřenou sběrnicí pro přenos dat na nejnižší úrovni řízení (měřící a akční členy). Pro komunikaci s danými periferiemi využívá komunikačního protokolu CAN (Controller Area Network). Mezi její přednosti patří vysoká spolehlivost a odolnost vůči rušení při komunikaci až se 64 uzly. Využívá architekturu producer/consumer s komunikacemi master/slave. Díky své otevřenosti je protokol první a druhé vrstvy modelu ISO/OSI k dispozici každému výrobci, což má za následek velké využívání ve stovkách firem zabývající se výrobou snímačů a akčních členů. [20]
44
5. Metody programování Funkce PLC je určena programem, který je uložen v operační paměti systému. Jedním ze základních aspektů při vzniku PLC bylo vytvoření „jednoduchého“ programovacího prostředí, které by v zásadě umožnilo vytvářet uživatelské programy i technikům „neprogramátorům“. Z toho důvodu vzniklo několik skupin programovacích „jazyků“. Mezi nejjednodušší patří jazyk vycházející ze symbolů liniových schémat (Ladder Diagram). Obtížnější formou je pak jazyk blokových schémat, používající normované značky hradel (AND, OR a klopné obvody R-S). Nejnovějším jazykem je ST (strukturovaný text), který je blízký Pascalu a jazyku logických instrukcí. Základní režim práce programovatelných automatů je cyklický, který provádí řízení programu. Tímto faktorem se v důsledku liší od počítačů pro vědecko-technické výpočty i od řídicích počítačů a mikropočítačů. Tento fakt je dán tím, že původním záměrem PLC byla náhrada reléové a bezkontaktní logiky. Programovatelné automaty simulují tento jev rychlým sériovým zpracováním vstupního vzorku, který vysílají na výstup ve stejném okamžiku. Tím je zaručen obsah všech logických funkcí mezi vstupním, vnitřním a výstupním signálem řídícího programu. Dále je předpoklad, že programy jsou řízeny jednoduchým operačním systémem, který zaručuje naskenování vstupu (popisující daný řídicí systém) a vyslání výstupního signálu na výstup. [20]
5.1 Programový cyklus PLC Pro program PLC je typické, že nepracuje s aktuálními hodnotami vstupu a výstupu, ale pouze s jejich obrazy, které jsou uloženy v zápisníkové paměti. Aktualizace jejich hodnot - předání obrazu výstupu k řízenému objektu a sejmutí aktuálních vstupních hodnot od řízeného objektu se provede pouze ve fázi otočky cyklu.
45
-
čtení vstupů X – ze vstupních modulů je načten stav vstupních signálů a je zapsán do
paměti -
řešení instrukcí programu – program jednotlivě vyhodnocuje podmínky, které na
základě stavu vstupních, výstupních a vnitřních proměnných nastaví a do paměti výstupu zapíše nově vzniklé proměnné. -
zápis do výstupu Y – podle hodnot průběžně zapisovaných do paměti výstupů se po
ukončení programového cyklu nastaví všechny moduly, které aktivují akční členy -
servisní služby – závěrečná fáze nastavuje a vyhodnocuje aktualizované parametry
=> řídí komunikaci s ostatními zařízeními v síti a vynuluje registr posledního skenu (PLC je znovu připraven na další cyklus) [19] Algoritmus programovatelného automatu je popsán posloupnými instrukcemi, které jsou uloženy v uživatelské paměti programu. Centrální jednotka (CPU) postupně přistupuje k této paměti, ze které čte jednotlivé instrukce, provádí příslušné operace s daty v zápisníkové paměti a zásobníku. V okamžiku, kdy jsou provedeny veškeré instrukce potřebné pro vykonání algoritmu, provádí centrální jednotka aktualizaci výstupních proměnných do výstupních periferií a aktualizaci vstupních periferních jednotek do zápisníkové paměti, tj. cyklus programu. Provázání mezi vstupy, vnitřními proměnnými, výstupy a programem je patrné na obr. 5.2. [22]
Obr. 5.2. Schéma zpracování signálu programovatelným automatem [23]
46
Důvody používání skenovacího principu činnosti -
odolnost proti rušení – poruchové signály působí mimo interval cyklu (vůbec se
neprojeví) -
znovuspustitelnost programu – obnova programu od posledního stavu před výpadkem
napájení či jiné poruchové události -
vzájemná nezávislost operací – chyba v jedné části programu neovlivňuje jeho
následující úsek -
nepřekročení doby cyklu – skenovací princip bezprostředně zabezpečuje periodické
vykonávání programu (při jeho překročení systém indikuje chybu – hlavní chyba) -
snadná programovatelnost – pohodlné a přehledné upravování programu, snadná
identifikovatelnost řádku vyžadujícího úpravy („zmrazení“ systému v určitém časovém okamžiku) [20]
5.2 Metody programování PLC Původním záměrem PLC byla především náhrada logických (kontaktních, bezkontaktních) řídicích systémů, z toho důvodu vycházejí programovací jazyky jako přímý přepis logických funkcí do řídícího programu. Základní
vlastností
programovatelných
automatů
stále
zůstává
snadná
programovatelnost. Technik z příslušného oboru (strojírenství, potravinářství, tepelná technika atd.) by měl danou problematiku programu zvládnout během několika týdnů. Tato vlastnost společně s vysokou spolehlivostí nízkými náklady (ve srovnání s klasickými řídícími počítači) předurčila velké rozšíření programovatelných automatů do výrobního procesu. V oblasti PLC bohužel není ujednocen universální programovací jazyk, jako je tomu u personálních počítačů, ale každý z výrobců PLC má svůj vlastní. Reakcí na tuto situaci je snaha o normalizaci programování PLC, což přináší norma IEC 1131 (definuje podmínky, požadavky na vlastnost programování)
47
-
nezávislost na technickém vybavení – zabránění opakovanému vývoji odladěného
programu pro tutéž aplikaci, akorát s jiným druhem PLC (reusable software) -
jednotný programátorský přístup – ušetření časových a finančních nákladů na
zapracování a přeškolování pracovníků (odproštění od orientace pouze na jednoho výrobce PLC ) -
možnost odladění softwaru již ve fázi návrhu – předejde se situacím, kdy by
programová chyba při testování či startovací fázi mohla poškodit technické zařízení (offline programování) -
strukturovanost a modularita – řídící systém je začleněn do složitějšího celku, který
může obsluhovat podsystémy, popřípadě i několik podsystémů paralelního zpracování (více úloh současně) [20]
5.2.1 Rozdělení programovacích jazyků a) Textové jazyky -
Jazyk logických instrukcí IL (Instruction List) Používá se též označení jako jazyk mnemokódů. Tento způsob programování se
rozšířil především v Německu a ve střední Evropě, kde je kombinovaný s programováním pomocí funkčních bloků (FBD) a Ladder Diagramem (LD). Způsob programování představuje úroveň blízkou Assembleru. Příklad dvoutlačítkového ovládání motoru Tlačítkem Start se má motor uvést do chodu a má zůstat sepnutý i po uvolnění tlačítka. Tlačítkem Stop se má motor zastavit. Startovací tlačítko je připojeno na vstupní svorku X0.0, tlačítko Stop je připojeno na vstupní svorku X0.1, stykač motoru je připojen na výstupní svorku Y0.0. Zápis programu pro PLC Tecomat LD OR ANC WR
X0.0; Y0.0; X0.1; Y0.0;
načtení vstupní hodnoty tlačítka „Start“ (svorka X0.0) přídržný kontakt stykače – motor ve stavu „zapnuto“ načtení a negování hodnoty vstupního tlačítka „Stop“ (svorka X0.1) rozběh motoru (sepnutí stykače)
48
-
Jazyk strukturovaného textu ST (Structured Text) Úlohy automatického řízení se řeší použitím algoritmického jazyka, obdobně jako se
řeší matematické rovnice. Patří do kategorie vyšších programovacích jazyků pascalovského typu obsahující prostředky pro výběr (IF, THEN, ELSE, CASE OF) a pro iterační smyčku (FOR, WHILE, REPEAT). Zápis programu pro PLC Tecomat VAR_INPUT Start
: BOOL;
Stop
: BOOL;
END_VAR VAR_OUTPUT Motor
: BOOL;
END_VAR IF
(Start OR Motor) AND not Stop Then Motor := True; ELSE Motor := False;
END_IF; b) Grafické jazyky -
Jazyk liniového schématu LD (Ladder Diagram) Svou grafickou podobou připomíná žebřík, proto se též občas nazývá žebříkové,
liniové, reléové nebo kontaktní schéma. Připomíná síť spínacích a rozpínacích kontaktů, cívek elektromagnetů (relé, stykače), která jsou zleva a zprava ohraničené napájecími sběrnicemi. Mezi těmito sběrnicemi („napájení“ a „uzemnění“) jsou zleva doprava „proudové“ cesty. Pro funkce a funkční bloky vřazené do „kontaktního“ schématu musí být deklarován nejméně jeden binární vstup a výstup. Znázornění programu pro PLC Tecomat Jazyk liniového schématu principiálně vychází z grafické analogie obvodového schématu.
49
Obr. 5.3. Programovací jazyk LD [24]
-
Jazyk blokového schématu FBD (Function Block Diagram) Využívá značky pro kreslení blokových schémat v elektrotechnice (symbolické
značení prvků číslicové techniky) => svým provedením odpovídá obvodům číslicové techniky. Tento programovací jazyk obsahuje: -
bistabilní prvky (RS klopné obvody)
-
prvky pro detekci náběžné a sestupné hrany (R_TRIG, S_TRIG)
-
čítače (CTU, CTD)
-
časovače (TON, TOF)
Znázornění programu pro PLC Tecomat
Obr. 5.4. Programovací jazyk FBD [25]
-
Jazyk sekvenčních blokových schémat SFC (Sequential Function Chart) Běžně označován GRAFCET, pocházející z francouzského označení vzhledem
k francouzskému původu metody. Jazyk používá dva základní prvky („krok“ a „přechod“) a činnost řídícího systému je popsána množinou sekvenčních kroků, které na sebe navazují a jsou odděleny přechody. Kroky reprezentují akce, které se mohou vykonávat (i paralelně)
50
a vyznačují se obdélníky. Podmínky jsou definovány přechody, které se musí splnit před začátkem dalšího kroku a vyznačují se silnou vodorovnou čarou. Znázornění programu pro PLC Tecomat
Obr. 5.5. Programovací jazyk SFC [26]
Bylo demonstrováno ovládání rozběhu motoru pěti různými programovacími jazyky pro PLC. Programátor má volnost výběru programovacího jazyka s ohledem na složitost průmyslové aplikace. Pro logické řízení je značně výhodné programovat v jazyce LD a FBD, narozdíl od programu, který bude obsahovat matematické operace – pro tento typ je vhodnější použít jazyk ST. [22]
5.3 Rozdělení PLC pamětí Základní jednotkou pro PLC je Centrální Procesorová Jednotka CPU. V podstatě se jedná o jádro PLC, které určuje výkonnost celého řídícího systému. Centrální procesorová jednotka může být buď jednoprocesorová, tak i víceprocesorová (matematické koprocesory, komunikační procesory, vstupně-výstupní procesory). Operační rychlost CPU je posuzována podle doby programového cyklu (doba zpracování 1 000 logických instrukcí, tj. 1 1 )
10 až10ms
51
CPU lze rozdělit na paměťové prostory -
systémová paměť – systémový program (operační sytém), tato paměť je typu
EPROM (obsah této paměti je mazatelný ultrafialovým zářením a před novým naprogramováním je nutné paměť smazat) -
paměť dat – obvykle však označována jako zápisníková paměť, která osahuje
(systémové, uživatelské a zápisníkové registry, čítače a časovače, registry pro obraz vstupů a výstupů). Paměť je typu RAM (většinou míněna paměť s možností opakovaného zápisu a čtení informace, která tzv. volatilní, tj. při výpadku napájení je její obsah ztracen. Tyto paměti jsou velmi rychlé, ale podstatně dražší než jiné typy pamětí při přepočtu ceny za jeden bit => slouží tedy k ukládání údajů, které PLC potřebuje pro zpracování právě prováděné operace) -
uživatelská paměť – tato paměť slouží pro uložení uživatelského programu (soubor
tzv. procesů) a je většinou typu EEPROM (elektronicky mazatelná nevolatilní paměť, která má omezenější počet zápisů než paměť typu flash a před novým naprogramováním je nutno obsah celé paměti smazat elektrickým signálem) [20]
5.3.1 Zápisníková paměť Zápisníkovou pamětí nebo-li zápisníkem se rozumí část paměťového prostoru, který je využíván jak pro čtení, tak i pro zápis uživatelských dat. Přístup na libovolnou část zásobníku umožňují tak zvané instrukce PLC. Tato paměť je rozdělena do několika částí a každá část má svůj význam. Struktura zápisníkové paměti -
X obrazy vstupů (vstupní registry)
X0……X127
-
Y obrazy výstupů (výstupní registry)
Y0……Y127
-
S systémové registry
S0……S63
-
R uživatelské registry
R0……R8191
Systémový program má přístup k zápisníkové paměti výhradně ve fázi otočky cyklu uživatelského programu. Vstupy jsou fyzicky snímány do oblasti X a hodnoty z oblasti Y jsou fyzicky zapsány do výstupních periferií.
52
Rozdělení operandů -
bitové - nesou pouze dvouhodnotovou informaci - příklad instrukce s bitovým operandem LD X0.4 (instrukce načte do akumulátoru bit číslo 4 nultého vstupního registru)
-
slabikové - nesou informaci o šířce osmi bitů - příklad instrukce se slabikovým operandem WR Y0 (instrukce zapíše do akumulátoru 8 bitů nultého výstupního registru)
-
slovní - nesou informaci v šířce šestnácti bitů (dvou slabik) - přiklad instrukce se slovním operandem LD SW0 (instrukce načte dvojici systémových registrů S0, S1 do akumulátoru)
5.3.2 Zásobníková paměť -
Při řešení uživatelského programu pracuje PLC se zásobníkem
-
Zásobník má osm úrovní, které jsou označeny
-
Úroveň
A0 ažA7
A0 je označována jako akumulátor (vrchol zásobníku) => využívá jí většina
instrukcí -
Zásobník je cyklický (představa bitové paměti)
-
Celá paměť je šestnácti bitová a je rozdělena do dvou po osmi bitech
Struktura zásobníkové paměti
A0H A1H A2H A3H A4H A5H A6H A7H
A0L A1L A2L A3L A4L A5L A6L A7L
Dolní a horní byte dané vrstvy zásobníku
umožňují
rozdělit
některé
programové instrukce. Horní vrstva se označuje písmenkem H (High) a spodní vrstva se označuje písmenkem L (Low). K dispozici máme celkem osm takovýchto zásobníků (A až H). Tyto zásobníky můžeme
aktivovat
těmito
(NXT, PRV, CHG). [22]
Tab. 2 Zásobníková paměť [2]
53
instrukcemi
6. Vizualizace 6.1 Vizualizace, obecný pojem Podle Komenského zásady je proces zapamatování nejvýraznější při současném zapojení více smyslů. Výzkum ukazuje účinnost jednotlivých smyslů na proces zapamatování následovně: sluch (10 - 20 %), zrak (30 - 40 %), ale pokud vytvoříme kombinaci těchto dvou smyslů je účinnost zapamatování až 70 %. Smyslové receptory člověka tedy hrají velmi důležitou roli při předávání informací. Zrak i sluch tvoří vlastně základ vizualizace.
Termín vizualizace má svůj původ v latinském slově vider (viděti). Pojem „vizualizace“ je tedy možno definovat jako operaci transformující určitý jev (objekt, proces), či jeho strukturu do podoby umožňující jeho zrakové vnímání, tj. činnost, která daný jev zviditelňuje. Druh tohoto jevu
nehraje při vizualizaci téměř žádnou roli (např. řízení
válcovací stolice, řízení vodní elektrárny atd.). [23]
6.2 Vizualizace v automatizaci Výrobní
a
technologické
podniky
stále
čelí
spousta
požadavkům.
Mezi
nejvýznamnější patří zvyšování objemu výroby při snižování výrobních nákladů. Vysoká a stejnorodá kvalita produktů se považuje za samozřejmost. Globální konkurence dnešní doby navíc přináší nutnost rychlé reakce na nové obchodní příležitosti. Požadavky na větší variabilitu produktů tak vyžadují flexibilnější výrobní prostředí, než jak tomu bylo v minulých dobách. Ke splnění těchto požadavků je nezbytné vědět, co vše se ve složitých výrobních organizací vlastně odehrává. Už to nejsou pouze technologické stroje, které masivně vyrábějí, ale i software, který je ovládá a umožňuje z nich získat informace o jejich chování. Správnost těchto informací je velmi důležitá především pro optimalizaci výrobních procesů. Aktuální a přesné technologické informace jsou jedním z klíčů k prosperitě. Sběr a ukládání procesních dat je pouze prvním krokem. Pro efektivní zpracování těchto surových dat je zapotřebí, aby byla vhodně vizualizovaná a tím se přeměnila na prakticky využitelné
54
informace. Teprve takto získané informace o výrobním podniku mohou vést k zvyšování kvality výroby, snižování výrobních nákladů a zvyšování produkce. Přínosy vizualizace pro uživatele -
názorná grafická vizualizace chodu technologického procesu v reálném čase
-
informace o nestandardních nebo výstražných stavech technologického procesu
-
dodržování předepsaných výrobních postupů
-
doložení skutečné historie výroby
-
identifikace prostojů nebo snížení výkonnosti výrobních zařízení
-
identifikace komunikačních poruch v průmyslových sítích (Ethernet)
-
okamžitý přístup k výrobním informacím souhrnným reportům [24] Pro monitorování, řízení a vizualizaci technologických procesů jsou PLC vybaveny
ovládacími panely a datovými terminály, které tvoří rozhraní mezi člověkem a strojem => MMI (Man Machine Interface). Jejich provedení se realizuje v širokých mezích, počínaje pasivními zobrazovacími jednotkami sloužícími pro identifikaci jen několika datových údajů pře inteligentní datové terminály pro zobrazení textů a numerických dat až po výkonné grafické terminály s dotykovou obrazovkou konče. Pomocí grafického vyjádření sledovaných parametrů získá obsluha přesný přehled o průběhu řízených dějů. Používaný vizualizační SW umožňuje nejen signalizaci poruch či dosažených stavů, ale i vyhodnocování trendů, výpočty bilancí a animaci řízeného děje. [25]
6.3 Funkce vizualizace v systémech SCADA/HMI Vytvoření rozsáhlého a přitom kvalitního, výkonného, uživatelsky přívětivého a hlavně bezchybného průmyslově měřícího a řídícího systému je záležitostí nesmírně pracnou a časově náročnou. Použití programového vývojového prostředí, které lze souhrnně označit jako SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), případně v rozšířeném pojetí SCADA/HMI přináší řadu výhod ve srovnání s tradičními zakázkovými uživatelskými programy vyvíjenými standardními algoritmicko-programátorskými prostředky.
55
Hlavní společné rysy pro programové systémy SCADA/HMI bez ohledu na operační systém ve kterém jsou používány lze shrnout takto: -
zobrazení
procesních
informací
v reálném
čase
pro
operativní
sledování
a monitorování -
zobrazování a správa trendů procesních veličin, zejména ve tvaru časových průběhů
-
zobrazení statistických informací pro monitorování a řízení kvality procesu
-
správa hlášení přicházejících z procesu a procesních stanic, tj. signalizace vzniku výstrahy a alarmu, potvrzení stavu hlášení,možnost jejich třídění podle závažnosti a možnost přiřazení různých typů zvukových signalizací, archivace a dokumentace této činnosti
-
možnost ovládání (dálkového řízení), pro zadání nového požadovaného stavu technických prvků pro zasahování do řídicího procesu v případě mimořádných nepředvídatelných událostí, nastavení provozních a havarijních mezních hodnot a jejich přenos na procesní stanice, ruční ovládání akčních členů, přestavování parametrů regulačních obvodů, řízení sekvenčních procesů
-
možnost spojení do sítí LAN, WAN po různých přenosových médiích (jednotná telefonní síť, systém GSM, rádiové sítě atd. [20]
6.3.1 Základní funkce SCADA/HMI Základní funkce vizualizace technologických procesů se realizují především SCADA/HMI systémy, které zajišťují tyto funkce: -
sběr dat (data acquisition) – z procesů pro monitorování, dálkové supervisní řízení (remote supervisory control), ovládání, dohled, dispečink a obsluhu
-
zprostředkování animovaných pohledů
-
správa hlášení a trendů
Terminologie týkající se systémů SCADA/HMI -
monitorování, sledování – sledování činností systémů, pro ověření správné funkce
-
dozor – činnost, která zabezpečuje spolehlivost a ochranu
-
operátor – osoba, která sleduje chod technologického procesu [26]
56
6.4 Architektura průmyslového IS Současné modely průmyslových IaŘS (informační a řídicí systém) jsou z převážné většiny hierarchické (pyramidové) s prvky fyzické a logické distribuce. V současné době se hierarchické vztahy mění spíše v síťové. Firmy na světové úrovni automatizace navrhují své vlastní modely, které jsou přizpůsobené jejich záměru a výrobě. Pyramida IaŘS na obr. 6.1. představuje jednu z variant vnímání CIM
(Computer Integrated Manufacturing)
s nadřazenými úrovněmi SCADA, MIS a ERP (Enterprise Resource Planning).
Obr. 6.1. Architektura průmyslového IS [27]
Další velmi podstatnou skutečností je to, že výrobní proces se přímo týká průmyslového procesu v reálném čase (on line). Reálný čas je daný příslušnou úrovní řízení, ve které vystupuje člověk. S další vývojem IaŘS se HMI po informační stránce značně mění. Závisí na konkrétní realizaci vizualizační úrovně, jestli jsou všechny funkce integrované do jednoho systému nebo jsou distribuované do modulů, které je možné pomocí otevřenosti integrovat do požadovaných celků. Typickými vlastnostmi nejmodernějších otevřených vizualizačních systémů jsou: -
oddělení řízení procesní úrovně od vizualizační
-
příznivé grafické rozhraní pro vizualizaci na různých úrovních (např. operátor, dispečer, vedoucí zakázky a výroby)
-
samotné databáze a vznik datových skladů (DW – Data Warehouse)
-
vizualizace aktuálních výrobních zdrojů
-
aplikační www servery, klienti pro vzdálenou vizualizaci
57
Typická architektura průmyslového informačního systému, která využívá protokol OPC (Object Linking and Embedding for Process Control) má tři úrovně řízení viz obr. 6.1. -
Nejnižší úroveň řízení technologického procesu Tato úroveň se skládá z programovatelných automatů PLC (Programmable Logic
Controller), které jsou propojeny s technologickým procesem pomocí průmyslových sítí (Ethernet, Profibus, DeviceNet). Vedle těchto řídicích jednotek se na této úrovni nacházejí komunikační a datové servery. Jedná se o PC, který uchovává technologická data v databázi a zprostředkovává připojení do místní sítě LAN. -
Druhá úroveň řízení technologického procesu Na této úrovni se nachází řízení výrobních procesů. Veškeré výrobní procesy jsou
řízeny takzvanými průmyslovými počítači, na kterých je spuštěna aplikace typu SCADA/HMI (Supervisory Contro and Data Acquisition / Human-Machine Interface). Tato aplikace zprostředkovává informace o probíhajícím technologickém procesu v grafické podobě operátorům v nadřazeném řídícím pracovišti (velínu). -
Třetí úroveň řízení technologického procesu Nejvyšší stupeň řízení je označován jako řízení podniku. Tuto činnost zajišťují
podnikové integrované informační systémy typu
ERP (Enterprise Resources Planning)
využívající programy typu MES (Manufacturing Execution Systems) a různé ekonomické softwary. Na této úrovni se protokol OPC využívá k vytvoření společného komunikačního rozhraní mezi OPC serverem, který zpracovává technologická data a OPC klientem, který tato data vizualizuje nebo reportuje. [27]
6.4.1 Protokol OPC OPC je komunikační protokol, jehož cílem je vytvořit jednotné komunikační rozhraní mezi hardware a software produkty průmyslové automatizace. Uživatelé mohou díky OPC začlenit do svých projektů hardware a software různých výrobců bez ohledu na komunikační rozhraní těchto komponent. Jedinou podmínkou je
58
existence OPC rozhraní pro obě strany, neboli existence příslušného OPC Serveru pro použitý hardware a rozhraní OPC Klient u použitého software. V praxi to znamená, že můžeme se zařízením např. PLC Siemens Simatic S7/S5, PLC Mitsubishi, Allen Bradley, atd. přenášet data do vizualizačních programů jako je např. InTouch, Control Web, Promotic atd. Všechny tyto části totiž spolu navzájem komunikují přes komunikační standard - protokol OPC. Přenos dat bez protokolu OPC Dříve jste museli mít pro každé hardware zařízení nainstalován speciální ovladač (driver) v počítači za účelem čtení/zápisu dat z tohoto zařízení. V případě instalace více hardware
ovladačů
docházelo
často
k
vzájemnému
ovlivňování
komunikace,
k nekompatibilitě s daným operačním systémem apod. Při změně nebo doplnění nového zařízení byla nutná úprava řídícího systému (přeprogramování na nový ovladač). Přenos dat pomocí protokolu OPC S OPC protokolem nám tyto starosti, které byly vysvětleny v předcházejícím odstavci odpadají. Jediné komunikační rozhraní mezi všemi HW/SW systémy je OPC. Jediný společný komunikační kanál je zpravidla naše podniková IT síť (Ethernet LAN). Do této sítě můžete bez omezení přidávat jak další zdroje signálu (OPC Servery), tak další klientské PC stanice pro zpracování těchto dat (OPC Klienty).
Obr. 6.2. Přenos dat pomocí protokolu OPC [28]
59
OPC server / OPC klient Komunikační protokol OPC je založen na architektuře Klient - Server. Hovoříme-li o OPC, hovoříme primárně o dvou typech programů - o OPC Serveru a OPC Klientu. Oba programy jsou software aplikace, takže si nepleťme OPC Server s výkonným serverem. -
OPC Klient Je software, který přijímá data z OPC Serveru ve formátu OPC a prezentuje tato data
pro uživatele v podobě vizualizace, grafů, reportů apod. (zpravidla aplikace SCADA/HMI), neboli programy pro vizualizaci, monitoring a řízení procesů průmyslové automatizace.
Obr. 6.3. OPC Klient [29]
-
OPC Server Je software, který komunikuje s připojeným zařízením jeho komunikačním
protokolem (např. Modbus, MPI, PPI, atd...), získaná data převádí do formátu OPC a poskytuje je nadřazeným aplikacím ve formátu OPC. [28]
Obr. 6.4. OPC Server [30]
60
6.5 Vizualizační software Na našem trhu je zastoupena velká škála programových systémů, které podporují řízení technologických procesů s vizualizací. Ve většině případů se jedná o systémy pracující v operačním systému Windows nebo UNIX. V následujícím přehledu se pokusím popsat nejpoužívanější zástupce vizualizačních programů na našem spotřebitelském trhu: -
Control Web Je zřejmě vůbec prvním vizualizačním programem, který podporoval připojení
informačního systému DB-Net. Tento asi nejznámější a nejrozšířenější český vizualizační nástroj vyvinula firma AMiT s.r.o. v roce 1997. Control Web plně podporuje 32 bitové aplikace pro operační systémy MS Windows. Jedná se o objektově orientovaný grafický generátor umožňující monitorování, řízení, bilancování a trendování technologických procesů. Velkou předností tohoto vizualizačního nástroje je snadně konfigurovatelná objektově orientovaná grafika s vlastním grafickým editorem. [29]
Obr. 6.5. Ukázka prostředí ControlWeb [31]
61
-
AISYS Systém AISYS® je určen pro automatizaci a informatizaci podnikové energetiky
a technologických celků (umožňuje měření a regulaci všech druhů energetických a technologických veličin). Tento systém je koncipován jako stavebnice a umožňuje snadné rozšiřování počtu vstupů a výstupů jednoduchou montáží. Systém AISYS® nabízí počítačovou vizualizaci a archivaci na vysoké profesionální úrovni a jako nadstavbu vyšší počítačové vyhodnocování dat dle požadavku uživatele (spotřeby, statistické přehledy, prognózy, grafy, energetická náročnost na jednotku výroby, bilance, fakturace apod.) [30]
Obr. 6.6. Ukázka prostředí AISYS [32]
-
LabVIEW Vývojové prostředí LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering
Workbench), někdy nazývané též jako G-jazyk (grafický jazyk), je vhodné nejen k programování systémů pro měření a analýzu signálů, řízení a vizualizaci technologických procesů různé složitosti, ale také k programování složitých systémů, jako je třeba robot. S určitou nadsázkou lze říci, že prostředí LabVIEW nemá omezení své použitelnosti. Hlavním cílem virtuální instrumentace je nahradit dočasně nebo i trvale prostorově, finančně a mnohdy i časově náročné využití technických prostředků (hardware) řešením virtuálním (zdánlivým) za přispění programových prostředků (grafickými a vizuálními) a zprostředkovat tak uživateli maximální názornost. Toto řešení umožňuje rychlé navrhování
62
nových aplikací i provádění změn v konfiguraci, což je u realizace skutečnými nástroji za pomoci reálných součástek často velice nákladné nebo přímo nemožné. [31]
Obr. 6.7. Ukázka prostředí LabVIEW [33]
-
Promotic Promotic je softwarový objektově orientovaný nástroj typu SCADA/HMI pro tvorbu
aplikací v průmyslové automatizaci. Tento software slouží k vizualizaci, řízení a sběru dat z technologických procesů v nejrůznějších oblastech průmyslu. Vizualizační systém promotic vyvíjí a dodává ostravská firma Microsys, spol. s r.o. a to již od roku 1991. První verze tohoto systému běžely na platformě MS DOS. V roce 1995 byl uveden zcela přepracovaný systém fungující na MS Windows. Aktuální verze systému Promotic je kompatibilní se všemi verzemi Windows od XP výše. [32]
Obr. 6.8. Ukázka prostředí Promotic [34]
63
7. Praktická část Součástí této bakalářské práce je i praktická část. Tato část se zabývá technologickým popisem a ukázkou vizualizačního okruhu strojovny chlazení ve Strakonickém pivovaru. Dále v této kapitole uvedu význam PID regulace týkající se úspory elektrické energie a její grafické znázornění.
7.1 Technologie strojovny chlazení 7.1.1 Obecně Systémy potravinářského chlazení jsou si velice technicky podobná zařízení. Standardně se skládají z těchto šesti částí – kompresory, kondenzátory, sběrače čpavku, expanzní nádoby, výměníky pro přenosová média (ledová voda, solanka) a zařízení pro přímý odpar NH3. Z velké většiny výrobních závodů má každá z těchto částí historicky své vlastní lokální řízení, celý systém obvykle ovládají operátoři ručně. Takovéto řešení je důsledkem prováděných rekonstrukcí chlazení v průběhu minulých let, kdy hlavním kritériem bylo minimalizovat náklady. Současné nároky na bezpečnost provozu, stálost výstupních parametrů a především na energetickou a personální náročnost však nutí provozovatele ke změně požadavků na řízení a obsluhu chladicích systémů. Takové požadavky je ale vzhledem k fyzikálním principům a technologické složitosti chladicích systémů obtížné realizovat. Uspokojení požadavků je prakticky možné jen na základě zásadních změn v koncepci celého řízení. Provozovatelé si ale v některých případech neuvědomují, že rozsah rekonstrukce, která bude vyhovovat takovýmto požadavkům, nepředstavuje pouze výměnu lokálních regulátorů a lokálních řídicích jednotek za nové řídicí systémy se sofistikovanějšími aplikačními softwary, ale že se jedná o komplexní projekt (analýza systému chlazení z hlediska bezpečnosti a úspornosti, návrh a implementace řízení provozu kompresorů a kondenzátorů).
64
7.1.2 Praktický popis technologického systému Strojovna chlazení pivovarského objektu ve Strakonicích je realizována čtyřmi čpavkovými kompresory o výkonu 150 kW. Tyto kompresory jsou rozděleny do dvou chladících okruhů. V každém z těchto okruhů je použito jiné chladící médium (první okruh – ledová voda, druhý okruh - solanka). Pro bližší pochopení funkce strojovny chlazení využiji druhý okruh chlazení (kompresory K3, K4). Celý technologický systém druhého okruhu je realizován těmito prvky: -
kompresor NH3
-
chladič
-
chladící nádoba (zásobník solanky)
-
sběrač čpavku (odpařovač)
-
kondenzátor
Obr. 7.1. Technologie chlazení [35]
Z obr. 7.1. je vidět průběh celé technologie. Jednotlivá potrubí jsou od sebe odlišena barevným označením, které odpovídá příslušným normám. Druhy jednotlivých potrubí v systému jsou: -
sací potrubí (žluté označení)
-
potrubí nástřiku čpavku (fialové značení)
-
potrubí čpavkových pár (červené značení)
-
potrubí chladícího média (zelené značení) 65
Úkolem
tohoto
chladícího
systému je udržovat konstantní teplotu chladícího média (v našem případě solanky) na požadované teplotě -8 C. Je zřejmé, že studenou vodu nemůžeme chladit na teplotu -8 C, protože voda při 0 C a hustotě 1000 kg/ 3zamrzá. Tím
m
pádem je zde použita solanka (roztok
m
CaCl2), která má maximální bod tuhnutí -52 C při hustotě 1279 kg/ 3. Abychom dosahovali požadované teploty chladícího média (-8 C), musíme udržovat tlak čpavku v chladiči (sací potrubí) na 2,6 bar a roztok CaCl2 musí mít hustotu 1150 kg/ 3, tomu
m
odpovídá bod tuhnutí -13,3 C. Toto lehké předimenzování je především kvůli ztrátám. Pokud by jsme udržovali tlak čpavku místo 2,6 bar na 2 bar a roztoku CaCl2 by jsme nezvýšili hustotu, tak by nastal nežádoucí jev (zamrzání solanky). Pokud by solanka zamrzla, tak by nemohla absorbovat chlad z chladiče, a tudíž by mohlo dojít k zvyšování kapalného čpavku v chladiči (nežádoucí efekt – možnost zničení kompresoru). Proto se musí hlídat koncentrace solanky. Pokud tento systém chceme uvést do chodu, musíme jako první spustit kompresor NH3, který nám odsaje zbytkové páry ze sacího potrubí (chladiče). Pokud by se tak nestalo a dříve než kompresor bychom uvedli do chodu nástřikový ventil (umístěn před vstupem do chladiče), nastalo by prudké zvýšení tlaku v chladiči z důvodu neodsávání zbytkových čpavkových pár. Největší nebezpečí není prudké zvýšení tlaku, ale nasání kapalného čpavku kompresorem. Pokud by kompresor nezačal odsávat (uzavřený stav), za nějakou dobu by se vyrovnal tlak v chladiči a kapalný čpavek by se mohl přesunout až na vstup chladiče (místo kde do chladiče vstupuje sací potrubí). Tento jev je zcela nežádoucí a proto na rozhraní sacího potrubí a chladiče je umístěno teplotní čidlo SH (pokud by mělo stejnou teplotu jako je teplota čpavku při 2,6 barech, tj. -12,2 C, bylo by jasné, že se kapalný čpavek dostal až na jeho rozhraní – nutnost odstavení kompresoru). Po odsání zbytkových čpavkových pár (doba cca 2 minuty) dojde k sepnutí nástřikového ventilu, který začne „nastříkávat“ čpavek do chladiče (hlídání nástřiku řeší systém AKM). Po nástřiku se čpavek smíchá s atmosférickým tlakem, což způsobí jeho „odpařování“ (tomu odpovídá tlak zhruba 10 barů, tj. 25 C). Kompresor odsává čpavkové 66
páry a tím snižuje tlak čpavku na požadovanou úroveň. Tato úroveň je určena dle požadavku teploty chladícího media (pro náš případ tj. -8 C, čemuž odpovídá tlak čpavku 2,6 bar). Pokud kompresor na jedné straně nasaje čpavkové páry, musí je zas na druhé straně „vytlačit“. K výtlaku (odpadního tepla) slouží potrubí čpavkových par, které dosahuje teplot zhruba 70 až 80 C. Toto potrubí se musí prudce zchladit, aby se čpavkové páry vysrážely zpět na kapalný čpavek. K této prudké změně teploty dochází v kondenzátoru. Kondenzátor musí být v každé průmyslové strojovně chlazení umístěn co nejvýše (z důvodu odtékání vysráženého čpavku zpět do sběrače). Na rozhraní potrubí čpavkových pár a kondenzátoru je umístěno čidlo tlaku. Pokud bude tlak na tomto rozhraní činit 8 bar, zapne se čerpadlo, které bude vhánět chladnou vodu do děrovaného potrubí umístěného nad kondenzátorem. Ochlazování je způsobeno rozprašující se vodou z dalšího uzavřeného chladícího systému (princip je podobný jako u chladících věží elektráren). Pokud by tlak stále vzrůstal až na úroveň 8,5 bar, musel by být k čerpadlu připnout pomocný ventilátor (pomocné dochlazení). Tento ventilátor je řízen frekvenčním měničem s PID regulací. Oba systémy chlazení (čerpadlo, ventilátor) vypnou při dosažení tlaku 7,5 bar. Po ochlazení kondenzátoru a zpětném vysrážení čpavku zpět do sběrače je možno opakovat celý cyklus (uzavřený obvod). Pokud bychom chtěli strojovnu chlazení vypnout (z důvodu dostatečného nachlazení), musíme nejprve uzavřít nástřikový ventil a až po 30 sekundách vypnout kompresor. Tento chladící okruh je využíván například pro udržování konstantní teploty pivních sklepů. Pomocí chladícího žebrování (ve kterém cirkuluje solanka) a ventilátoru je studený vzduch vháněn do sklepů (princip je podobný jako u vyhřívání automobilů). Požadovaná teplota pivních sklepů činí 2 C.
67
Bezpečnostní teplotní čidlo (teplota SH) – předaná teplota médiu (solance) -
pokud budeme chtít udržovat tlak na 2,6 bar, tj. -12,2 C
-
teplota, kterou naměří čidlo, bude -8 C
-
potom teplota SH bude [(-8) – (-12,2)] = 4,2 C
-
pokud by teplota SH překročila 10 až 15 C, musel by nástřikový ventil více „nastříkávat“ čpavek (z důvodu malého množství čpavku v chladiči)
Bezpečnostní systém při úniku čpavku -
první stupeň – pokud je koncentrace čpavku ve vzduchu 100 ppm, rozsvítí se bezpečnostní signalizace a zapnou se odvětrávací ventilátory, které odvádějí čpavek ven ze strojovny
-
Druhý stupeň - pokud je koncentrace čpavku ve vzduchu 300 ppm a více, začne houkat siréna, celá strojovna chlazení vypne a musí se zahájit evakuace pracovníků z průmyslového objektu
68
7.2 Popis vizualizace 7.2.1 Skutečně vypočtené hodnoty PID regulátoru -
Změříme 2 odezvy na skok vstupu soustavy a parametry určíme průměrem ze dvou měření
-
Na začátku měření je tlak v potrubí ustálen na hodnotě 5 bar (teplota 4,1 C)
-
První měření (0 .. 50 % akčního zásahu) – měříme čas, za který kompresor dosáhne 50 % svého výkonu (1,6 až 1,8 min) a tlak, který vytvoří (2 bar)
-
Druhé měření (50 % ..100 % akčního zásahu) – tento čas bude menší než u prvního měření z důvodu nějakého výkonu při začátku měření (do 1 min) a ustálený tlak v potrubí činí 1,2 bar
Zesílení soustavy je dáno tímto vztahem:
Ks
y u
Pro výpočet
ya uje použita opačná logika z důvodu odsávání čpavkových par.
y= 5 1,2 3,8bar u= 5 2 3bar Ks uy 33,8 1,26 Časová konstanta Ts - čas, za který kompresor dosáhl 100 % výkonu
Ts 1,6 1 2,6min156s Ti 63%Ts 100s Zesílení Kr je dáno tímto vztahem:
Kr K1 1,126 0,8 s
69
Parametry PID regulátoru jsou: K = 0,8 Ti = 100 s Td = 0 s Tyto parametry jsou podobné soustavě (regulovaná topná větev). 7.2.1.1 Ukázka nastavení PID regulátoru přímo z řídícího programu PLC 0, ;MinY 100, ;MaxY -2000, ;MinU 2000, ;MaxU 200, ;dMaxU 100, ;OutCyCle 0, ;DefOut 200, ;gW 5000, ;Pbnd 1000, ;RelCool 100, ;Ti 0, ;Td 0, ;EGap 10000, ;DGap 10000, ;IGap
Minimalni merena hodnota Maximalni merena hodnota Minimalni povoleny akcni zasah Maximalni povoleny akcni zasah Maximalni povoleny prirustek akcniho zasahu Delka vystupni cyklu (0.1 s) Implicitni hotnota vystupu pri chybe mereni Zadana hodnota v intervalu merene veliciny <MinY,MaxY> Pasmo proporcionality 1 - 30000 Pomocne pasmo proporcionality pro zapornou odchylku Integracni konstanta (0.1 s) Derivacni konstanta (0.1 s) Symetricke pasmo necitlivosti 0 - 10000 Symetricke pasmo odchylky, ve kterem pusobi derivacni slozka Symetricke pasmo odchylky, ve kterem pusobi integracni slozka
Výkon čpavkového kompresoru je řízen na základě zde probraného PID regulátoru. Hodnoty pro reálný kompresor jsou uvedeny v ukázce nastavení PID regulátoru. Tyto hodnoty jsou klíčové pro chování celého zařízení a jejich zpřístupnění v rozhraní vizualizace (Promotic) není doporučeno ani s použitím hesla. Nastavení PID regulátoru je provedeno fixně přímo v řídícím programu PLC. Vizualizace v průmyslovém provozu zobrazuje všechny potřebné stavy celé technologie řízení. Vizualizace v krajním případě umožňuje obsluze měnit hodnotu řídící proměnné. Na tuto změnu poté reaguje příslušný PID regulátor (změna regulace). Z velké části data potřebná pro vizualizaci (proměnné) jsou generována řídícím automatem (TECOMAT NS950). Přenos těchto citlivých dat je realizován prostřednictvím průmyslové sériové komunikace (mezi PLC a PC s vizualizačním softwarem). Tento způsob předávání dat je výhodný hned z několika důvodů. Tím hlavním je fakt, že řídící PC a programovatelný
70
automatu jsou na sobě zcela nezávislé, a proto mohou být rozmístěny tak, jak to nejvíce vyhovuje technologii a lidem obsluhujícím tento systém.
7.2.2 Nastínění celého řízení -
roztok CaCl2 (solanka) a zásobník roztoku solanky je chlazen čpavkovým okruhem
-
zdrojem chladu pro okruh je čpavkový kompresor
-
Výkon je řízen dle požadavku technologie na chlad správně nastaveným PID regulátorem
-
kromě nastavení PID regulátoru je nutné ovládat i veškerá podpůrná zařízení
-
o řízení PID regulátoru i dalších zařízení se stará program v PLC
-
PLC je propojené s vizualizací, běžící na PC ve strojovně chlazení
-
Vizualizace
co
nejpřehledněji
informuje
o
stavu
celé
technologie
a zprostředkovává požadavky obsluhy PLC automatu PLC je zcela nezávislé na vizualizaci a je schopné celou technologii řídit i bez ní. Takovýto stav je využit pouze v krajním případě a vyžaduje osobní dohled nad řídicí technologií. V bezporuchovém režimu vizualizace neustále komunikuje s PLC tak, aby zobrazovala aktuální data (refresh dat je 30 s). Blok dat v PLC (jejich struktura) -
vybrána pouze část jen pro jeden kompresor, struktura je obdobná i pro další prvky technologie
-
nejprve jsou nadefinovány konstanty
-
poté je nadefinována struktura dat
-
následně jsou tyto struktury přiřazeny konkrétním zařízením
-
pro každé zařízení lze v PLC zjistit adresu paměti, kde jsou potřebná data uložena
-
stejná struktura dat se posléze nadefinuje v PROMOTICU
-
v části komunikace se zadá adresa paměti, ze které se hodnota bude číst, resp. zapisovat (podle druhu operace)
71
7.2.2.1 Ukázka nadefinování proměnných (jen malá část) #struct Str_hodnoty
word word word word word word
Skut, Zad, Sire, Min, Max, Stav
#reg Str_hodnoty
Komp_Tlak, Sol_Tlak, Sol_Teplota, Sol_SH, LV_Tlak, LV_Teplota,
#struct Str_kompresor byte kOvl, byte kStat, word[4] kTm, byte kZona, byte kPorKom, word kSaciTlak,
7.2.3 Programovací software Promotic Grafická ukázka uživatelského rozhraní
Obr. 7.4. Uživatelské rozhraní [38]
72
Popis postupu v softwaru Promotic -
je využit element Comm
-
pro komunikaci mezi PLC a PC (na kterém je spuštěna vizualizace) je využíván implementovaný protokol firmy TECO a.s. Kolín, který je obsažen ve všech starších řadách řídících automatů (NS950, TC600, TC500 a dalších)
-
řízení sériové komunikace probíhá v režimu master – slave
-
v našem případě je master vizualizační aplikace Promotic, slave je řídící systém PLC NS950
-
formát protokolu není potřeba příliš řešit, neboť PLC tak Promotic jej plně podporují
-
díky této znalosti stačí pouze nadefinovat parametry komunikace, jako je rychlost kom. port a podobně
-
komunikace je nezbytně nutná pro vizualizaci celé technologie, protože PLC přes ní posílá data, která jsou ve vizualizačním softwaru Promotic přiřazena jednotlivým komponentám
-
poté je zapotřebí vytvořit blok čtených dat o příslušné délce pomocí metody PmCommMsg
-
po úspěšném přijetí dat jsou tato data zpracována a jednoduchým skriptem kopírována do datové struktury v Promoticu (tento skript zpřehlední přijatá data, která by bez přítomnosti tohoto skriptu musela být vizualizovaná přímo)
-
takto uložená data jsou využívána přímo ve vizualizaci a také jsou ukládána do trendů pro pozdější kontrolu stavu technologie
-
nakonec je spuštěna nová komunikace, která probíhá nepřetržitě
Detailnější popis postupu Vizualizační aplikace Promotic jako master inicializuje komunikaci a zašle požadavek o data. V tomto požadavku je třeba správě nastavit adresu vnitřní paměti PLC (začátek bloku dat, které požadujeme) a počet čtených bytů. Pokud je vše správně nastaveno odešle PLC odpověď obsahující požadovaná data. V samotném PLC jsou použity proměnné různých typů, jako např. BYTE, WORD, REAL, apod. Na straně vizualizace potřebujeme tyto proměnné v tom samém nebo kompatibilním typu. Ovšem po komunikaci obdržíme pouze blok x bytů, abychom z těchto bytů získali opět
73
potřebné proměnné musíme je vhodně upravit. Úprava se provádí po přijeté každé zprávy v události objektu PMCommMsg – EndOfTransfer do níž zapíšeme patřičný skript v jazyce VBScript. Tento skript se musí postarat o správné přiřazení hodnoty ve struktuře Promotic, kterou musí sestavit z přijatých dat. Pokud je výsledná proměnná ve formátu BYTE, není ji třeba potřeba více upravovat a stačí pouze její zkopírování do datové struktury. Je-li jiného formátu je nutná konverze např. pro formát INTEGER je nutné spojit patřičné 2 byty z přijaté zprávy a uložit jako jednu výslednou proměnnou. K tomu je použita jednoduchá uživatelská funkce BW, nebo Bwb pokud je výsledná hodnota bez znaménka. Pro použití reálných čísel (single) byl použit formát integer a výsledná celočíselná hodnota byla dělena tak, aby obsažená hodnota souhlasila se skutečnou (např. 23,2 °C je v PLC reprezentováno číslem 232, tj. při zpracování v Promoticu je nutné složit dva byty do wordu a následně jej dělit deseti, čímž vzniká výsledná hodnota typu SINGLE). Ukázka skriptu, který rozčlení přijatá data od programovatelného automatu do předem vytvořené datové struktury v Promoticu (pro lepší pracování s daty). Výpis funkce BW: Převed dvou byte na word signed Dim A A = (A2 * 256 + A1) If A > 32768 Then BW= CInt (-1 - (65535-A)) Else BW=A End If Výpis funkce Bwb: Převod byte na signed int If A1 > 127 Then BWb = (-1 - (255-A1)) Else BWb = A1 End If
74
7.2 Ekonomické vyhodnocení úspory elektrické energie Tabulka skutečně naměřených hodnot
šoupě 40% 60% 80% 100% kW kW kW kW
100% motor 80% motor 60% motor 40% motor 50 Hz 40 Hz 30 Hz 20 Hz 355,6 355,6 348,9 314,9 417,5 424,1 431,2 383,0 499,3 471,9 499,3 451,5 588,2 547,5 581,6 561,2 211,6 169,3 124,6 75,0 248,4 201,9 154,0 91,2 297,1 224,7 178,3 107,5 350,1 260,7 207,7 133,6
Z tabulky je vidět závislost výkonu kompresoru na otevírání šoupěte motoru. Tabulka je rozdělena na dvě části vždy po čtyřech hodnotách. -
První čtveřice hodnot udává chladící výkon kompresoru [např. výkon motoru 80 % (frekvence 40 Hz), při otevření šoupěte na 100 % => chladící výkon kompresoru činí 547,5 kW]
-
Druhá čtveřice hodnot udává spotřebu kompresoru v závislosti na jeho výkonu a otevření šoupěte [např. výkon motoru 60 % (frekvence 30 Hz), při otevření šoupěte na 80 % činí 178,3 kW]
Této úspory elektrické energie je dosahováno pomocí PID regulátoru, který je přímo spjatý s frekvenčním měničem. PID regulace efektivně reguluje čpavkový kompresor, který udržuje tlak čpavku v chladiči o příslušné velikosti. Tato velikost je přímo závislá na požadované teplotě chladícího media (solanky). Před implementací frekvenčního měniče s PID regulací byl čpavkový kompresor neustále v provozu. Výkon kompresoru byl nepřetržitě 100 %, což mělo za následek nepříznivé přechlazování chladícího media. Toto přechlazování způsobovalo značné energetické ztráty, které dosahovaly neuvěřitelných hodnot (viz graf níže). Závislost úspory na spotřebě elektrické energie celková spotřeba Kč 3 990 089,5 celková spotřeba kW 1813677,1 celková úspora Kč 1 844 572,9 celková úspora kW 838281,5
75
Grafické znázornění finanční úspory
úspora 4500000,0Kč 4000000,0Kč 3500000,0Kč 3000000,0Kč 2500000,0Kč 2000000,0Kč 1500000,0Kč 1000000,0Kč 500000,0Kč - Kč
Řada1
celková celková celková celková spotřeba spotřeba úsporakč úsporakw kč kw
Z grafu je vidět celková finanční úspora, která dosahuje okolo 40 % celkových finančních nákladů. Tato úspora by se samozřejmě lišila podle potřeby chlazení v daném průmyslovém objektu. Ze zkušeností však vyplývá, že průměrná úspora elektrické energie v každém průmyslovém objektu dosahuje okolo 30 % (s použitím PID regulátoru).
76
Závěr Tématem mé bakalářské práce byl automatizovaný systém strojovny chlazení. Důvodem pro volbu mého tématu bylo delší zaobírání se touto problematikou již v minulosti. Převážnou část mého studia jsem věnoval právě zmiňované automatizační technologii. Tyto těžce nabyté teoretické znalosti se snažím uplatnit i při mé součastné práci. Dalším neopomenutelným pozitivem bylo umožnění porozumět této problematice v praxi. Toto porozumění v oblasti čpavkového chlazení mi nabídla firma Unitronics, s.r.o., která se tímto druhem chlazení zabývá řadu let. Firma disponuje bohatě nabitými zkušenostmi, o které se byla ochotna podělit. Této vstřícnosti jsem využil při zpracování mé praktické části. Bylo mi umožněno (v menší míře) se na tomto projektu podílet přímo v průmyslovém objektu. Musím s radostí konstatovat, že čas strávený touho problematikou nebyl zbytečný a také pevně doufám, že mé znalosti byly správně pochopeny v praktické části. Bakalářskou práci jsem rozdělil na dvě části (teoretickou část a praktickou). Tímto rozdělením jsem chtěl dosáhnout bližšího porozumění problematiky automatizačního řízení. V teoretické části byla popsána automatizační technologie od jejího vzniku (starověk) až po dnešní současnost. Nedílnou součástí celé automatizační techniky jsou regulátory. Regulátory od své nejjednodušší podoby (mechanické) až po dnešní složité regulátory (elektrické). V současné době jsou nejpoužívanější PID regulátory, proto jim v práci byla věnována velká pozornost. Dále jsem zde popsal vznik a vývoj programovatelných automatů, které bezpochybně změnily naše životy. U programovatelných automatů není pouze popsána funkčnost, ale i jejich programovatelnost z hlediska uživatelského komfortu. Poslední teoreticky popisovanou kapitolou byla vizualizace. Dnešní vrcholový management se bez systémů SCADA/HMI neobejde. Tyto systémy poskytují informace nezbytně nutné pro vytvoření strategických cílů organizace. Strategie je nedílnou součástí všech dnešních prosperujících podniků. Hraje významnou roli při udržení konkurenceschopnosti. V praktické části je popsána celá technologie čpavkového chlazení. Jsou zde shrnuty jednotlivé prvky, které daný systém používá při dosažení žádané teploty chladícího média (např. solanky). Toto chladící medium slouží zejména pro udržování konstantní teploty pivních sklepů. Čpavkové strojovny chlazení mají vysokou účinnost, ale musí být efektivně regulovány. Pokud kompresory čpavku nejsou řízeny frekvenčním měničem s PID regulací, vznikají značné energetické ztráty.
77
Mým úkolem bylo vypočítat a graficky zhodnotit rozdíl řízení čpavkového kompresoru bez implementace a s implementací PID regulátoru a také matematicky vypočítat skutečné parametry PID regulátoru pro daný kompresor dle doporučení firmy Amit s.r.o. Dále jsem se podílel na vývoji vizualizace (uživatelského rozhraní) v softwaru Promotic pro Strakonický pivovar. Řízení a vizualizaci jsem nevytvořil sám, pouze jsem asistoval při její realizaci a snažil se získat co nejvíce informací a zkušeností. Rozsah prací na této akci byl obrovský, takže nebylo v mých silách vše stoprocentně pochopit. Přesto si myslím, že jsem se naučil a dozvěděl spoustu věcí, které snad využiji i ve své praxi. Celý projekt reálně funguje, z tohoto důvodu si myslím, že věnování času tomuto nebylo zbytečné. Pokud by mi škola dovolila zabývat se touto problematikou i při magisterském studiu (diplomová práce), byl bych jen rád.
78
Seznam použité literatury Knižní publikace: [9] Ing. Rudolf Voráček, Ing. František Andrýsek, Ing. Zdeněk Brýdl, Ing. Luděk Kohout, Ing. Ladislav Šmejkal. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. [20] Doc. Ing. Pavel Beneš, CSc., Ing. Jan Chlebný, Bc. Jindřich Král, Ing. Josef Langer, Ing. Marie Martinásková. Prostředky automatizační techniky. Brno: CP Books, a.s., 2005. [19] Ing. Ladislav Šmejkal, Ing. Marie Martinásková. PLC a automatizace. Praha: BEN – Technická literatura, 2002.
Elektronické publikace: [1] Ing. Josef Madaj. Automatizační systémy. Chomutov: SPŠ a VOŠ, 2005. [3] Ing. Miroslava Odstrčilíková. Automatizace. Brno: Střední průmyslová škola elektrotechnická, 2003. [4] Doc. Ing. Ivan Švarc, CSc. Základy automatizace. Brno: VUT Fakulta strojního inženýrství, 2002. [5] Doc. Ing. Osvald Modrlák, CSc. Fuzzy řízení a regulace. Liberec: Technická univerzita Katedra řídicí techniky, 2004. [14] Prof. Ing. Petr Vavřín, DrSc., Ing. Petr Blaha, PhD. Řízení a regulace. Brno: VUT Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2004. [15] Doc. Ing. Miloš Schlegel, CSc. Průmyslové PID regulátory. Plzeň: Katedra kybernetiky, 2001 [16] Nastavení PID. Amit, spol. s.r.o., www.amit.cz, 2010. [18] Jiří Tůma, Renata Wagnerová, Radim Farana, Lenka Landryová. Základy automatizace. Ostrava: Ediční středisko VŠB – TUO, 2007. [21] Doc. Ing. František Zezulka, CSc., Ing. Zdeněk Bradáč, Ing. Petr Fiedler, Ing. Pavel Kučera, Ing. Radek Štohl. Programovatelné automaty. Brno: VUT Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2003. [22] Programování PLC dle normy IEC 61 131-3 v prostředí Mosaic. Manuál programování Teco. www.tecomat.com, 2008. [24] Výrobní inteligence v průmyslové automatizaci. Pantek, s.r.o., www.pantek.cz, 2011.
79
Internetové odkazy: [2] Historie počítačů [online]. 2011 [poslední cit. 2011-09-24]. Dostupný z WWW:< eniak - http://www.kyberman.wz.cz/files/1_Historie_pocitacu.pdf > [6] Algoritmy [online]. 2011 [poslední cit. 2011-09-30]. Dostupný z WWW:< http://www.algoritmy.net > [7] Budoucnost automatizační techniky [online]. 2011 [poslední cit. 2011-09-27]. Dostupný z WWW:< http://www.automatizace.cz/article.php?a=586 > [8] Trendy automatizační techniky [online]. 2011 [poslední cit. 2011-09-30]. Dostupný z WWW:< http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=34396 > [10] Regulované soustavy [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-05]. Dostupný z WWW:< http:// www.sse-lipniknb.cz/7ucivo/Automatizace/Aut1.doc > [11] Spojité řízení [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-17]. Dostupný z WWW:< http://www. skola.spectator.cz/6_SEMESTR/.../spojitá%20regulace.ppt > [12] Statické soustavy [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-20]. Dostupný zWWW:http://coptel.coptkm.cz/index.php?action=2&doc=20863&docGroup=4343&cmd=0 &instance=2 > [13] Klasifikace regulovaných soustav [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-23]. Dostupný z WWW:< http://web.vscht.cz/kadleck/archiv/mrt_fpbt/prednasky/3-FPBT06Soust_Reg_B.pdf > [17] Kritéria stability [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-30]. Dostupný z WWW:< http://rtp.webzdarma.cz/rizeni04.php > [23] Názornost vizualizace [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-30]. Dostupný z WWW:< http://www.pulib.sk/elpub2/FHPV/Pavelka2/pdf_doc/serafin.pdf > [25] Systém SCADA/HMI [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-10]. Dostupný z WWW:< http://homen.vsb.cz/~got75/vizualizace/intouch.pdf > [26] Systém SCADA/HMI [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-10]. Dostupný z WWW:< http://www.automatizace.cz/article.php?a=2717> [27] SCADA/HMI [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-26]. Dostupný z WWW:< http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=32372> [28] Protokol OPC [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-15]. Dostupný z WWW:< http://www.foxon.cz/index.php?main_page=faq_info&fcPath=29&faqs_id=91> [29] ControlWeb [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-20]. Dostupný z WWW:< http://www.controlweb.cz >
80
[30] AISYS [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-22]. Dostupný z WWW:< http://www.aisezlin.cz/index.php?id=46 > [31] LabVIEW [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-25]. Dostupný z WWW:< http://czech.ni.com/labview > [32] Promotic [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-20]. Dostupný z WWW:< http://www.promotic.eu/cz/promotic/scada-pm.htm >
Zdroje použitých obrázků: [1] Ing. Josef Madaj. Automatizační systémy. Chomutov: SPŠ a VOŠ, 2005. str. 4 [2] Fuzzy logika [online]. 2011 [poslední cit. 2011-09-20]. Dostupný z WWW:< http://cs.wikipedia.org/wiki/Fuzzy_logika > [3] Ing. Rudolf Voráček, Ing. František Andrýsek, Ing. Zdeněk Brýdl, Ing. Luděk Kohout, Ing. Ladislav Šmejkal. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 6 [4] Ing. Rudolf Voráček, Ing. František Andrýsek, Ing. Zdeněk Brýdl, Ing. Luděk Kohout, Ing. Ladislav Šmejkal. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 3 [5] Ing. Rudolf Voráček, Ing. František Andrýsek, Ing. Zdeněk Brýdl, Ing. Luděk Kohout, Ing. Ladislav Šmejkal. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 7 [6] Regulované soustavy [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-05]. Dostupný z WWW:< http:// www.sse-lipniknb.cz/7ucivo/Automatizace/Aut1.doc > [7] Ing. Rudolf Voráček, Ing. František Andrýsek, Ing. Zdeněk Brýdl, Ing. Luděk Kohout, Ing. Ladislav Šmejkal. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 46 [8] Přechod. Charakt. Soustavy 2. řádu [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-05]. Dostupný z WWW:< http://www.tzb-info.cz/2079-automaticke-regulace-vytapeni > [9] Ing. Rudolf Voráček, Ing. František Andrýsek, Ing. Zdeněk Brýdl, Ing. Luděk Kohout, Ing. Ladislav Šmejkal. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 6 [10] Ing. Rudolf Voráček, Ing. František Andrýsek, Ing. Zdeněk Brýdl, Ing. Luděk Kohout, Ing. Ladislav Šmejkal. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 72 [11] Ing. Rudolf Voráček, Ing. František Andrýsek, Ing. Zdeněk Brýdl, Ing. Luděk Kohout, Ing. Ladislav Šmejkal. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 72 [12] Ing. Rudolf Voráček, Ing. František Andrýsek, Ing. Zdeněk Brýdl, Ing. Luděk Kohout, Ing. Ladislav Šmejkal. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 73 [13] Nastavení PID. Amit, spol. s.r.o., www.amit.cz, 2010. str. 8
81
[14] Ing. Rudolf Voráček, Ing. František Andrýsek, Ing. Zdeněk Brýdl, Ing. Luděk Kohout, Ing. Ladislav Šmejkal. Automatické řízení. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 105 [15] Průběhy přechod. Charakt. [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-20]. Dostupný z WWW:< http://rtp.webzdarma.cz/rizeni15.php > [16] Blokové schéma regulátoru [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-21]. Dostupný z WWW:< http://rtp.webzdarma.cz/rizeni03.php > [17] Oblast komplexní roviny [online]. 2011 [poslední cit. 2011-10-21]. Dostupný z WWW:< http://rtp.webzdarma.cz/rizeni04.php > [18] Doc. Ing. Pavel Beneš, CSc., Ing. Jan Chlebný, Bc. Jindřich Král, Ing. Josef Langer, Ing. Marie Martinásková. Prostředky automatizační techniky. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 203 [19] Doc. Ing. Pavel Beneš, CSc., Ing. Jan Chlebný, Bc. Jindřich Král, Ing. Josef Langer, Ing. Marie Martinásková. Prostředky automatizační techniky. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 203 [20] Doc. Ing. Pavel Beneš, CSc., Ing. Jan Chlebný, Bc. Jindřich Král, Ing. Josef Langer, Ing. Marie Martinásková. Prostředky automatizační techniky. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 204 [21] Doc. Ing. Pavel Beneš, CSc., Ing. Jan Chlebný, Bc. Jindřich Král, Ing. Josef Langer, Ing. Marie Martinásková. Prostředky automatizační techniky. Brno: CP Books, a.s., 2005. str. 204 [22] Programování PLC dle normy IEC 61 131-3 v prostředí Mosaic. Manuál programování Teco. www.tecomat.com, 2008. str. 3 [23] Programování PLC dle normy IEC 61 131-3 v prostředí Mosaic. Manuál programování Teco. www.tecomat.com, 2008. str. 1 [24] Programování PLC dle normy IEC 61 131-3 v prostředí Mosaic. Manuál programování Teco. www.tecomat.com, 2008. str. 5 [25] Programování PLC dle normy IEC 61 131-3 v prostředí Mosaic. Manuál programování Teco. www.tecomat.com, 2008. str. 5 [26] Programování PLC dle normy IEC 61 131-3 v prostředí Mosaic. Manuál programování Teco. www.tecomat.com, 2008. str. 5 [27] Architektura průmyslového IS [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-10]. Dostupný z WWW:< http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=32372 > [28] Přenos dat pomocí protokolu OPC [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-15]. Dostupný z WWW:< http://www.foxon.cz/index.php?main_page=faq_info&fcPath=29&faqs_id=91> 82
[29] OPC Klient [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-15]. Dostupný z WWW:< http://www.foxon.cz/index.php?main_page=faq_info&fcPath=29&faqs_id=91> [30] OPC Server [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-15]. Dostupný z WWW:< http://www.foxon.cz/index.php?main_page=faq_info&fcPath=29&faqs_id=91> [31] ControlWeb [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-20]. Dostupný z WWW:< http://www.controlweb.cz > [32] AISYS [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-22]. Dostupný z WWW:< http://www.aisezlin.cz/index.php?id=46 > [33] LabVIEW [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-25]. Dostupný z WWW:< http://czech.ni.com/labview > [34] Promotic [online]. 2011 [poslední cit. 2011-11-20]. Dostupný z WWW:< http://www.promotic.eu/cz/promotic/scada-pm.htm > [35] Technologie chlazení (vlastní tvorba) [36] Čpavkové kompresory (vlastní foto) [37] Kondenzátor (vlastní foto) [38] Uživatelské rozhraní (vlastní tvorba)
Zdroje použitých tabulek: [1] Nastavení PID. Amit, spol. s.r.o., www.amit.cz, 2010. str. 4 [2] Programování PLC dle normy IEC 61 131-3 v prostředí Mosaic. Manuál programování Teco. www.tecomat.com, 2008. str. 9 [3] Naměřené hodnoty (vlastní tvorba)
83
Seznam obrázků Obr. 1.1. Počátky automatizace .................................................................................................. 8 Obr. 1.2. Fuzzy logika .............................................................................................................. 12 Obr. 2.1. Blokové schéma regulačního obvodu ....................................................................... 15 Obr. 2.2. Blokové schéma akčního členu ................................................................................. 15 Obr. 2.3. Blokové schéma měřícího členu................................................................................ 16 Obr. 2.4. Přechodová charakteristika 0. řádu ........................................................................... 19 Obr. 2.5. Přechodová charakteristika 1. řádu ........................................................................... 19 Obr. 2.6. Přechodová charakteristika 2. řádu ........................................................................... 20 Obr. 3.1. Blokové schéma regulátoru ....................................................................................... 22 Obr. 3.2. Základní zapojení proporcionálního členu ................................................................ 24 Obr. 3.3. Základní zapojení integračního členu........................................................................ 25 Obr. 3.4. Základní zapojení derivačního členu......................................................................... 26 Obr. 3.5. Správně zvolené konstanty PID regulátoru ............................................................... 30 Obr. 3.6. Dvoustavová regulace ............................................................................................... 31 Obr. 3.7. Průběhy přechodových charakteristik ....................................................................... 32 Obr. 3.8. Blokové schéma regulátoru ....................................................................................... 33 Obr. 3.9. Stabilní a nestabilní oblast v komplexní rovině ........................................................ 34 Obr. 4.1. Blokové schéma paralelního řídicího systému .......................................................... 38 Obr. 4.2. Blokové schéma seriového řídicího systému ............................................................ 39 Obr. 4.3. Blokové schéma PLC ................................................................................................ 39 Obr. 4.4. Blokové schéma řízení PLC ...................................................................................... 40 Obr. 5.1. Programový cyklus PLC ........................................................................................... 45 Obr. 5.2. Schéma zpracování signálu programovatelným automatem ..................................... 46 Obr. 5.3. Programovací jazyk LD ............................................................................................ 50
84
Obr. 5.4. Programovací jazyk FBD .......................................................................................... 50 Obr. 5.5. Programovací jazyk SFC ........................................................................................... 51 Obr. 6.1. Architektura průmyslového IS .................................................................................. 57 Obr. 6.2. Přenos dat pomocí protokolu OPC ............................................................................ 59 Obr. 6.3. OPC Klient ................................................................................................................ 60 Obr. 6.4. OPC Server ................................................................................................................ 60 Obr. 6.5. Ukázka prostředí ControlWeb ................................................................................... 61 Obr. 6.6. Ukázka prostředí AISYS ........................................................................................... 62 Obr. 6.7. Ukázka prostředí LabVIEW ...................................................................................... 63 Obr. 6.8. Ukázka prostředí Promotic ........................................................................................ 63 Obr. 7.1. Technologie chlazení................................................................................................. 65 Obr. 7.2. Čpavkové kompresory ........................................................................................... 66 Obr. 7.3. Kondenzátor .............................................................................................................. 67 Obr. 7.4. Uživatelské rozhraní .................................................................................................. 72
Seznam tabulek Tab. 1 Vliv konstant na rychlost a stabilitu odezvy ................................................................. 28 Tab. 2 Zásobníková paměť ....................................................................................................... 53 Tab. 3 Naměřené hodnoty ...................................................................................................... 75
85
