level control using control systems Rockwell series CompactLogix

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Studijní program: Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Elektronické informační a řídicí systémy

Modelování a řízení úlohy pro kaskádní regulaci průtoku a výšky hladiny s využitím řídicích systémů Rockwell řady CompactLogix Modelling and control of a physical model for cascade flow/ level control using control systems Rockwell series CompactLogix Bakalářský projekt

Autor: Vedoucí práce: Konzultant:

Tomáš Snětivý Doc. Dr. Ing. Mgr. Jaroslav Hlava Doc. Dr. Ing. Mgr. Jaroslav Hlava

V Liberci 31. 5. 2010

Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Kaskádní regulace průtoku a výšky hladiny

ANOTAČNÍ ZÁZNAM AUTOR

Tomáš Snětivý

STUDIJNÍ OBOR

Elektronické informační a řídicí systémy

NÁZEV PRÁCE

Modelování a řízení úlohy pro kaskádní regulaci průtoku a výšky hladiny s využitím řídicích systémů Rockwell řady CompactLogix

VEDOUCÍ PRÁCE

Doc. Dr. Ing. Mgr. Jaroslav Hlava

POČET STRAN

31

POČET OBRÁZKŮ

16

STRUČNÝ POPIS

Bakalářský projekt se zaměřuje na kaskádní regulaci průtoku a výšky

hladiny

s pomocí

řídících

systémů

Rockwell

řady

CompactLogix. Dále se zabývá matematickým model úlohy vytvořený na základě matematicko-fyzikální analýzy, který je realizován pomocí programu Matlab/Simulink. Je také řešeno téma vizualizace systému.


Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).

Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé bakalářské práce a prohlašuji, že

so u h l a sí m

s případným užitím mé

bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.).

Jsem si vědom toho, že užít své bakalářské práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářského projektu a konzultantem.

Datum Podpis

3


Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářského projektu Doc. Dr. Ing. Mgr. Jaroslavu Hlavovi za metodické a cíleně orientované vedení při plnění úkolů a za veškerou pomoc při řešení a vypracování bakalářského projektu.

4


OBSAH ÚVOD ..................................................................................................................... 7 1

PROGRAMOVATELNÝ LOGICKÝ AUTOMAT .............................................. 8 1.1 HISTORIE PLC ............................................................................................... 8 1.2 KONSTRUKCE PLC......................................................................................... 9 1.3 PRVKY PROGRAMOVATELNÉHO AUTOMATU ..................................................... 10 1.3.1 CPU.................................................................................................... 10 1.3.2 Paměť typu RAM ................................................................................ 11 1.3.3 Paměť typu ROM................................................................................ 11 1.3.4 Binární vstupně výstupní jednotky ...................................................... 11 1.3.5 Analogové vstupně výstupní jednotky ................................................ 11 1.3.6 Čítače ................................................................................................. 12 1.3.7 Komunikační jednotky ........................................................................ 12 1.4 ČINNOST PLC.............................................................................................. 12 1.5 PROGRAMOVACÍ JAZYKY PLC ....................................................................... 13 1.5.1 Jazyk příčkového diagramu................................................................ 13 1.5.2 Jazyk funkčního blokového schématu ................................................ 14 1.5.3 Jazyk strukturovaného textu ............................................................... 15 1.5.4 Jazyk sekvenčně funkčního diagramu................................................ 15

2

SEZNAM KOMPONENTŮ ............................................................................ 16 2.1 PLC (1769-L32E COMPACTLOGIX) .............................................................. 16 2.2 ANALOGOVÝ VSTUPNĚ VÝSTUPNÍ MODUL (1769-IF4XOF2) ............................. 17 2.3 VZDÁLENÝ ANALOGOVÝ VSTUPNĚ VÝSTUPNÍ MODUL (1734-AENT)................... 17 2.4 DOTYKOVÝ PANEL (PANEL VIEW PLUS 600) .................................................... 17 2.5 ČERPADLO (AQUA 8) .................................................................................... 17 2.6 VENTIL (SCG202A053V)............................................................................. 18 2.7 PRŮTOKOMĚR (VISIO 2006 2F66) ............................................................... 18 2.8 PŘEVODNÍK FREKVENCE/NAPĚTÍ (PXF-20)..................................................... 18 2.9 TLAKOVÝ SNÍMAČ (DMP 331) ....................................................................... 18 2.10 VENTIL (RV 111 COMAR) ........................................................................... 19

5


3

MODEL ÚLOHY............................................................................................ 20 3.1 ZAPOJENÍ ÚLOHY.......................................................................................... 20 3.2 POPIS KASKÁDNÍ REGULACE .......................................................................... 20 3.3 DYNAMIKA ČERPADLA A VSTUPNÍHO VENTILU................................................... 21 3.4 MATEMATICKÝ POPIS .................................................................................... 22 3.5 MATEMATICKÝ MODEL................................................................................... 22 3.6 NASTAVENÍ MASTER REGULÁTORU ................................................................. 24

4

PROGRAMOVÁ ČÁST ................................................................................. 25 4.1 VYPOČET VÝŠKY VODNÍ HLADINY.................................................................... 25 4.2 VÝPOČET PRŮTOKU ...................................................................................... 26 4.3 PIDE BLOK ................................................................................................. 27 4.4 PROGRAM PRO REGULACI VODNÍ HLADINY....................................................... 27 4.5 VIZUALIZACE ................................................................................................ 27

ZÁVĚR ................................................................................................................. 29 SEZNAM LITERATURY....................................................................................... 30 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK ................................................ 32 SEZNAM OBRÁZKŮ ........................................................................................... 33

6


Úvod

Programovatelný logický automat, který je spíše znám pod zkratkou PLC (Programmable Logic Controller) je používané pro řízení procesů v reálném čase. PLC je zařízení, které bylo vymyšleno, aby nahradilo nezbytné sekvenční reléové obvody při řízení strojů. Pro PLC je charakteristická jeho univerzálnost, protože jak už z názvu vypovídá, řídí procesy na základě uživatelského programu. Rozsah použitelnosti těchto systémů také není zanedbatelný. První PLC zpracovávaly pouze dvojkovou logiku řízení. Později s rozvojem polovodičových součástek se rozšířila použitelnost také na zpracování analogových signálů, matematických funkcí až po možnost realizace složitých systémů řízení obsahující zpracování binárních signálů, analogových hodnot, komunikaci s jinými systémy, přenos dat, archivaci naměřených hodnot, vlastní diagnostiku, tiskové výstupy atd. Dlouhou dobu zaostával v programátorském komfortu za řídícími počítači a minipočítači, na druhou stranu vykazoval nesporné výhody. Mezi ně patří vysoká spolehlivost, nižší náklady na kabeláž, snadná údržba, jednoduché ladění programů a stabilita operačního systému. Dnešní moderní PLC se stále více podobají osobním počítačům. Ať už se jedná o zařízení s barevnými displeji nebo dokonce s vlastním operačním systémem. Tímto směrem se výrobci PLC uchylují hlavně z důvodů zjednodušení programování a zpřehlednění řídících procesů.

7


1 Programovatelný logický automat Nadcházející kapitola popisuje stručně historii PLC. Dále pojednává o jeho konstrukci a jednotlivých částech. Také zde popisuje provedení programu a nejzákladnější typy způsobu programování. 1.1

Historie PLC

Myšlenka použití počítačů v přímém řízení je jen o málo mladší než samy počítače. Pokusy o konstrukci počítačů použitelných v automatizaci, a tedy vyhovujících požadavkům na činnost v reálném čase, se datují již od konce 50. let minulého století. Stále rostoucí výkonnost a spolehlivost počítačů při současně klesající ceně a požadavcích na provozní podmínky vedly na začátku 70. let k situaci, kdy bylo možné reálně uvažovat o efektivním a masovém uplatnění počítačů

v

automatizaci.

V

té

době

bylo

také

projektováno

mnoho

automatizovaných systémů vybavených počítači. Stále však šlo o etapu pokusů a ověřování. Podle výsledků statistických šetření – provedených tehdy ústavem INORGA – bylo v oboru těžkého strojírenství a hutnictví na celém světě zhruba 60 % projektů počítačově automatizovaných systémů neúspěšných. Od této doby však počet aplikací i počet úspěšných projektů a dokončených děl plynule rostl. V cestě širšímu uplatnění počítačů v přímém řízení stála relativně velká cena počítačových systémů. Bylo co zlepšovat i ve spolehlivosti, výkonnosti a dalších parametrech důležitých pro aplikace. Všechny tyto problémy v jisté míře přetrvávají dodnes, ale již nejsou hlavní překážkou aplikací. Do popředí však neustále, a v současné době čím dál tím více, vystupuje otázka ekonomické efektivnosti. Hospodárnost ale byla v 70. letech dvacátého století důvodem, který vedl ke konstrukci specializovaných počítačových systémů, jež se i v tehdejších podmínkách již dokázaly efektivně uplatnit v automatizaci v průmyslu. Zmíněné specializované počítače nalezly uplatnění ve specifické oblasti automatizace v ovládacích obvodech automatizovaných strojů a zařízení 8


založených na řízení typu ano-ne.Univerzální počítačové systémy byly příliš drahé a pro daný úkol zbytečně složité. To platilo pro technické i pro programové vybavení. V této situaci se na trhu objevily specializované logické procesory a specializované programové vybavení orientované pouze na realizaci ovládacích funkcí. Takové počítačové systémy byly tehdy vyvíjeny a některé z nich i použity v celkem úspěšných projektech i v našem státě – např. počítač PPC4, vyvinutý v ČKD. Postupem času však výrazně poklesla cena stále zdokonalovaných univerzálních procesorů, které postupně nahradily jednoúčelové přístroje dosud používané ve speciálních aplikacích. V průběhu 80. let dosáhl vývoj úrovně srovnatelné s dnešním stavem. [1] 1.2

Konstrukce PLC

Z pohledu konstrukce můžeme PLC rozdělit na dva základní typy a to na modulární nebo kompaktní systém. Kompaktní systém (obr. 1) je levný a používá se spíše pro jednodušší aplikace. Variabilnost konfigurace je u něj malá. Obvykle má pouze omezený počet digitálních vstupu, digitálních výstupu a někdy též rychlé čítače, nebo analogový vstup či výstup. Určitou variabilitu umožňuje též použití výměnných násuvných modulu, které se zasouvají do patic na desce plošného spoje. [2]

Obr. 1. Kompaktní PLC Modulární systém (obr. 2) Je vhodný pro náročnější aplikace. Umožňuje výrazně vetší variabilnost konfigurace. Základem je rám, v jehož levé části je zdroj. V zadní části rámu je vedena interní sběrnice, na níž jsou konektory pro připojení modulu. Délka rámu je různá podle počtu slotů pro zasunutí modulu. Jako první se vpravo od modulu zdroje za souvá modul CPU a pak následují další vstupní/výstupní 9


moduly. K základnímu rámu, ve kterém je CPU je možno u některých PLC připojit plochým kabelem další rozšiřovací rámy. Ty už mají pouze v/v moduly a CPU je společná v základním rámu. [2]

Obr. 2. Modulární PLC 1.3

Prvky programovatelného automatu

Typické PLC z hlediska vnitřního uspořádání obsahuje centrální výpočetní jednotku, systémovou paměť, uživatelskou paměť, binární vstupy/výstupy, analogové vstupy/výstupy a několik dalších modulů jako čítače, komunikační moduly atd..

1.3.1 CPU Centrální procesorová jednotka je jádrem celého programovatelného automatu a určuje jeho výkonnost. Bývá jednoprocesorová ale i víceprocesorová. U víceprocesorových systémů bývají někdy použity matematické koprocesory, vstupně výstupní procesory a někdy též komunikační procesory. Důležitým charakteristickým parametrem centrální výpočetní jednotky je operační rychlost posuzovaná podle tzv. doby cyklu, což je doba zpracování 1000 logických instrukcí. Podle typu jednotky se pohybuje řádově od desítek milisekund až k desetinám milisekund u nejrychlejších jednotek. [3]

10


1.3.2 Paměť typu RAM Umožňuje přístup k libovolné části v konstantním čase bez ohledu na její fyzické umístění. Je závislá na napájení, při výpadku napájení ztratí svůj obsah. slouží k ukládání řídicího programu a hodnot vstupních, výstupních a pomocných proměnných. [3] 1.3.3 Paměť typu ROM Její obsah je dán při výrobě, není závislý na napájení a nelze ji později přepsat. Obsahuje systémové programy pro činnost automatu, které uživatel nemůže měnit nebo mazat. [3] 1.3.4 Binární vstupně výstupní jednotky Binární vstupní jednotky slouží k připojování prvků pro tvorbu vstupů s dvouhodnotovým charakterem výstupního signálu, což mohou být např. tlačítka, přepínače, senzory doteku nebo přiblížení, dvouhodnotové senzory tlaku, hladiny, teploty apod. K binárním výstupním jednotkám se obvykle připojují nejrůznější akční členy s dvouhodnotovým charakterem vstupního signálu. Mohou to být např. různá optická i akustická signalizační zařízení nebo cívky relé, stykačů, solenoidových

ventilů,

elektromagneticky

ovládaných

pneumatických

či

hydraulických rozvaděčů apod. [3] 1.3.5 Analogové vstupně výstupní jednotky Analogové vstupní a výstupní jednotky zprostředkovávají kontakt PLC se spojitým prostředím. K analogovým vstupům lze připojit například snímače teploty, vlhkosti, tlaku, síly, hladiny, rychlosti, ale i většinu inteligentních přístrojů s analogovými výstupy. Důležitou součástí analogové vstupní jednotky je A/D převodník, který převádí analogové napěťové nebo proudové signály na číselné hodnoty. Analogové výstupní jednotky slouží pro ovládání různých akčních členů se spojitým charakterem vstupního signálu, jako např. spojité servopohony, frekvenční měniče, ale třeba i ručkové měřicí. [3]

11


1.3.6 Čítače Čítačové jednotky jsou určeny k čítání pulsů, jejichž perioda je srovnatelná nebo kratší, než je smyčka programu programovatelného automatu. Bývají k dispozici v provedení pro připojení univerzálních signálů, inkrementálních snímačů nebo absolutních snímačů. Všechny programovatelné automaty jsou také vybaveny softwarovými čítači, které se s výhodou používají v situacích, kdy není za potřebí použití čítačových jednotek. [3] 1.3.7 Komunikační jednotky Důležitou vlastností PLC systémů je schopnost komunikovat se vzdálenými moduly vstupů a výstupů, s podsystémy, se souřadnými i nadřízenými systémy, s operátorským panelem a s jinými inteligentními přístroji, s počítači a jejich sítěmi a tak vytvářet distribuované systémy. V drtivé většině používají moderní PLC ethernetové rozhraní nebo seriové rozhraní RS 232. [3] 1.4

Činnost PLC

PLC pracuje v cyklu jak je vidět na obrázku (obr. 3). Funguje na principu, že na začátku každého cyklu si uloží do paměti stav všech vstupů. Dále se spustí program a prochází popořadě jednotlivé instrukce. Po ukončení programu aktualizuje stav výstupů na základě provedeného programu. Nakonec se provádí část řežije. Kde se provádí komunikace a servisní služby jako například aktualizace systémových registru a proměnných časovačů, nulování watchdog timeru atd. [2]

12


Obr. 3. Činnost PLC

1.5

Programovací jazyky PLC

V rámci normy IEC 61131-3 jsou doporučovány čtyři programovací jazyky s přesně definovanou sémantikou a syntaxí: LD, FBD, IL a ST. Jako pátý programovací jazyk se často uvádí sekvenční funkční diagram – SFC, který však není v normě zařazen mezi jazyky, ale mezi tzv. společnými prvky, neboť tvoří jakousi nadstavbu pro strukturování celé aplikace. Dále existuje např. nabídka tzv. inženýrských nástrojů STEP7, kam patří S7-Graph, S7-HiGraph a CFC. To jsou však spíše grafické nástroje pro programování, nikoli jazyky s přesně definovanou syntaxí a sémantikou. [4] 1.5.1 Jazyk příčkového diagramu Grafický jazyk LD (Ladder Diagram) (obr. 4) je někdy také nazýván jazykem kontaktních schémat a je založen na grafické reprezentaci reléové logiky. Organizační jednotka programu je vyjádřena sítí propojených grafických prvků. Síť v jazyku LD je zleva i zprava ohraničena svislými čarami, které se nazývají levá a pravá napájecí sběrnice. Mezi nimi je tzv. příčka, která může být rozvětvena. Každý úsek příčky, vodorovný nebo svislý, může být ve stavu on nebo off. Do příček mohou být včleněny kontakty (spínací, rozpínací apod.), cívky (cívka, negovaná cívka apod.) a dále funkce a funkční bloky. [4]

13


Obr. 4. Ukázka příčkového diagramu

1.5.2 Jazyk funkčního blokového schématu Druhým grafickým jazykem je FBD (Function Block Diagram) (obr. 5), který vyjadřuje chování funkcí, funkčních bloků a programů jako soubor vzájemně provázaných grafických bloků podobně jako v elektronických obvodových diagramech. Jde o systém prvků, které zpracovávají signály. Často se zde používají standardní funkční bloky, jako jsou např. bistabilní prvky (paměti s dominantním vypnutím nebo sepnutím, semafor), prvky pro detekci náběžné a sestupné hrany, čítače, časovače a komunikační bloky definované v normě IEC 1131-5. Podle potřeby jsou doplňovány speciální bloky a každá firma nabízí ve svém programovacím prostředí poněkud odlišný soubor bloků (např. spínací hodiny týdenní, roční, generátory impulzů, komparátory apod.). [4]

Obr. 5. Ukázka funkčního blokového schématu

14


1.5.3 Jazyk strukturovaného textu Textový jazyk ST (Structured Text) (obr. 6)je výkonný vyšší programovací jazyk, který má kořeny v jazycích Pascal a C. Syntaxe jazyka je dána povolenými výrazy a příkazy. Vyhodnocením výrazu vyjde hodnota v některém z definovaných datových typů. Výraz se skládá z operátorů a operandů. Operandem může být konstanta, proměnná, funkce nebo jiný výraz. Operátory pro jazyk ST jsou definovány pro sedmnáct typů operací (vyhodnocení funkce, negace, násobení, booleovské funkce AND, XOR a OR apod.). Je definováno deset typů příkazů (přiřazení, vyvolání funkce, návrat, výběr apod.). Příkazy jsou odděleny středníkem a může jich být více na jednom řádku. Jazyk ST je vhodným nástrojem pro definování komplexních funkčních bloků, které pak mohou být použity v libovolném programovacím jazyku. [4]

Obr. 6. Ukázka strukturovaného textu

1.5.4 Jazyk sekvenčně funkčního diagramu SFC (Sequential Function Chart) (obr. 7) popisuje sekvenční chování řídicího programu. Je odvozen ze symboliky Petriho sítí, ale liší se od nich tím, že grafická reprezentace se zde převádí přímo do souboru výkonných řídicích prvků. SFC strukturalizuje vnitřní organizaci programu a umožňuje rozložit úlohu řízení na zvládnutelné části a zachovat přitom přehled o chování celku. Sekvenční funkční diagram se skládá z kroků a přechodů. Každý krok reprezentuje stav řízeného systému a má k sobě přiřazen blok akcí. Přechod je spojen s podmínkami, které 15


musí být splněny, aby mohl být deaktivován krok, který přechodu předchází, a naopak aktivován krok, který následuje. Každý prvek, tzn. přechod i blok akcí, může být naprogramován v libovolném jazyku definovaném v normě, včetně vlastního SFC. K základním strukturám SFC patří lineární sekvence, alternativní větvení se spojením alternativních větví a paralelní souběh více větví s jejich následnou synchronizací. [4]

Obr. 6. Ukázka sekvenčně funkčního diagramu

2 Seznam komponentů Tato kapitola se zaměří na popis jednotlivých komponentů. 2.1

PLC (1769-L32E CompactLogix)

CompactLogix je určen pro menší až středně velké aplikace. Počet lokálně připojených modulů je 16 a velikost jeho paměti je 750 KB. Komunikovat může buď přes ethernet nebo pomoci seriového portu RS-232. Velkou předností tohoto systému je cenová dostupnost, protože využívá vstupně/výstupní moduly řady 1769. CompactLogix je členem rodiny řídicích systémů řady Logix, pro kterou je charakteristická

společná

instrukční

sada

RSLogix5000. [5]

16

a

jednotný

vývojový

software


2.2

Analogový vstupně výstupní modul (1769-IF4XOF2)

Tento modul slouží k získávání analogových hodnot ze senzorů nebo k ovládání různých ventilů a čerpadel. Normální pracovní rozsah je od 0 do +10V nebo od 0 do 20 mA. Modul je napájen jako ostatní moduly ze zdroje 24V. Obsahuje čtyři napěťové a proudové vstupy a dva napěťové a proudové výstupy. Má v sobě 8 bitový A/D převodník. Ačkoliv vypadá jako 16 bitový převodník. Z obrázku (obr. 8) je vidět, že dolních 7 bitů se nevyužívá a 15. bit je využit na znaménko. [6]

Obr. 8 A/D převodník

2.3

Vzdálený analogový vstupně výstupní modul (1734-AENT)

Chová se podobně jako předchozí analogový modul, s tím rozdílem, že nemusí být pevně přidělán k PLC, ale může vzdáleně komunikovat s PLC přes ethernetové rozhraní. [6] 2.4

Dotykový panel (Panel view plus 600)

Tento dotykový LCD panel je postaven na technologii TFT. Rozměry displeje jsou 112 x 84 mm s rozlišením 320 x 240 a 18 bitovou barevnou hloubkou. Panel lze ovládat pomocí USB myši nebo dotykově. Pro komunikaci s panelem je možné využít ethernet nebo seriovou linku RS232. [7] 2.5

Čerpadlo (Aqua 8)

Úloha je vybavena čerpadlem Aqua 8 o výtlačné výšce 3 metry a průtoku 7 litrů za minutu. Obsahuje nastavitelný tlakový spínač. Z důvodu, že čerpadlo potřebuje k napájení 12V a analogový modul je schopný dodat pouze 10V, je proto použit maxon DC Servo Control LSC 30/2 pro vytvoření tohoto jmenovitého napětí.

17


2.6

Ventil (SCG202A053V)

V této úloze se používá pro regulaci přítoku. Je řízen napětím 0 až 10V. Jeho průtoková charakteristika je znázorněna na obrázku (obr. 9). [8]

Obr. 9 Průtoková charakteristika ventilu

2.7

Průtokoměr (VISIO 2006 2F66)

Průtokoměr slouží k měření množství přítoku. Funguje na principu vodou roztáčeného rotoru, který generuje pulzy. Při průtoku jednoho litru vody vygeneruje průtokoměr 6900 pulzů. Průtokoměr schopný měřit průtok od 0,5 do 5 litrů za minutu. S přesností 3% z měřené hodnoty. [9] 2.8

Převodník frekvence/napětí (PXF-20)

Převodník je použit pro převod jednotlivých pulzů z průtokoměru na napětí, které posíláme do modulu s analogovým napěťovým vstupem. Přičemž rozsah frekvence je od 0 do 500 Hz, tomu odpovídá napětí 0 až 10V. [10] 2.9

Tlakový snímač (DMP 331)

Tlakový snímač DMP 331 slouží ke sledování výšky vodní hadiny. Čidlo je napájeno stejnosměrným napětím 14 až 36V a výstupním signálem je napětí v rozsahu 0 až 10 V. Pracovní rozsah čidla je 0 až 0,1 baru s přesností 0,5% z rozsahu. [11]

18


2.10 Ventil (RV 111 COMAR) Ventil řady RV 111 je vhodný pro použití v zařízeních, kde je regulovaným médiem voda nebo vzduch. Průtoková charakteristika je znázorněna na obrázku (obr. 10). Tato LDM spline charakteristika je dána rovnicí (1.).

(1.)

Elektrický pohon ANT5 slouží k ovládání ventilu. Je řízen z analogového modulu napětím 0 až 10V. Doba přenastavení ventilu je 32s. V nouzové situaci je možné využít manuální přenastavení pomocí ručního kolečka. [12]

Obr. 10 Průtoková charakteristika ventilu

19


3 Model úlohy Tato část je zaměřena na zapojení a matematický popis úlohy. 3.1

Zapojení úlohy

Schéma zapojení úlohy je vidět na obrázku (obr 11.). Na přítokové části je zapojeno čerpadlo Aqua 8, následuje solenoidový ventil SCG202A053V pro regulaci přítoku. Za tímto ventilem je zapojen průtokoměr VISIO 2006 2F66. Na dně nádrže je připojen tlakový senzor DMP 331 pro snímání výšky vodní nádrže. V odtokové časti je připojen ventil RV111.

Obr. 11 Schéma zapojení úlohy

3.2

Popis kaskádní regulace

Hlavní regulovanou veličinou v této úloze je výška hladiny. Vedlejší regulovaná veličina je přítok vody do nádrže. Akční veličinou je v tomto případě solenoidový 20


ventil SCG202A053V. Vstupní poruchou je výkon čerpadla. Druhou poruchovou veličinou je otevření odtokového ventilu RV111. 3.3

Dynamika čerpadla a vstupního ventilu

Na obrázku (obr. 12) je znázorněna dynamika čerpadla. Na začátku děje se skokově změní ovládací napětí na čerpadle z 0 na 10V. V čase 5s snižuji napětí na čerpadle viz.(obr. 12).

Obr. 12 Dynamika čerpadla

Obdobně jsem postupoval při měření dynamiky na vstupním ventilu, s tím rozdílem, že v čase 5s měním ovládací napětí na ventilu (obr. 13).

21


Obr. 13 Dynamika přítokového ventilu

3.4

Matematický popis

Výška hladiny se rovná rozdílu přítoku a odtoku vody viz. rovnice (2.). Kde S představuje obsah podstavy nádrže, h(t) je výška hladiny, q(t) je přítok, kv je průtoková charakteristika ventilu viz.(str. 19 rovnice (1.)), g představuje tíhové zrychlení. (2.) 3.5

Matematický model

Z důvodu nutnosti vytvořit matematický model, který bylo třeba vyzkoušet a od simulovat, byla použita k propojeni úlohy s počítačem karta PCI-1710. Díky tomu bylo možné vytvořit matematický model (obr. 14) z rovnice (2.) v programu Matlab/Simulink. Z bloků RT in získáme aktuální hodnotu v napětí z jednotlivých senzorů. Vstup RT in(hladina) jde do Gain5, kde se přepočítá signál z voltů na metry. Obdobně tomu je u bloku RT in(průtok), zde přepočítáváme napětí na m3/s. Gain11 a Gain2 slouží 22


na přepočet z metrů na centimetry. Poslední část modelu simuluje odtokový ventil. Ovládací napětí odtokového ventilu jde do třípolohového regulátoru, ten simuluje zpožděnou reakci ventilu na změnu ovládacího napětí. Gain12 znázorňuje zpoždění ventilu při změně ovládacího napětí. V bloku Fcn2 je rovnice kv ventilu viz .(str. 19 rovnice (1.)). Gain14 slouží k přepočtu z m3/h na m3/s. Z modelové simulace vychází, že použité trubky ovlivnily hodnotu kv ventilu viz. Gain13.

Obr. 14 matematický model úlohy

Výsledek simulace je znázorněn na dalším obrázku (obr. 15). Průběh simulace byl následující. Zpočátku bylo nastaveno na čerpadle napětí 10V a na odtokovém ventilu napětí 8V. Otevření ventilu na požadovanou hodnotu trvalo 25s. V čase 40s bylo na čerpadle sníženo napětí na 7V. V čase 60s bylo nastaveno napětí 10V na výstupním ventilu.

23


Obr. 15 Simulace modelu

3.6

Nastavení master regulátoru

Nastavení

master

regulátoru

vychází

z rovnice

(2.).

zlinearizovali a získali konečný tvar(3.). Z rovnice nám vyšlo

Tuto

rovnici

jsme

(hodnota integrační

složky). (3.)

(4.)

(5.) Jako pracovní bod jsem si zvolil výšku hladiny 36cm a průtok 2 l/min. Po dosazení do rovnice (4.) vyjde

. Pomocí Simulinku jsem si vytvořil regulační

24


obvod a hledal nejvhodnější zesílení. Nejlepší vlastnosti obvod vykazoval při zesílení 10. Výsledná simulace je vidět na obrazku (obr. 16).

Obr. 16 Průběh na master regulátoru

4 Programová část Tato část se zaměří na popis vytvořeného programu. 4.1

Vypočet výšky vodní hladiny

Z tlakového senzoru získáme analogovou hodnotu, která se v analogovém modulu přepočítá na digitální hodnotu. Pro další použití je třeba získanou digitální hodnotu převést na výšku hladiny v centimetrech. K tomu využijeme následující rovnici (6.).

(6.) Proměnná dig představuje digitální hodnotu ze senzoru. Umax je maximální napětí na výstupu senzoru. digmax je maximální digitální hodnota na analogovém modulu.

25


Pmax představuje maximální měřitelný tlak pomocí senzoru. ρ je hustota vody a g je tíhové zrychlení. Na závěr převádím hodnotu na centimetry. Na obrázku (obr. 17) je vidět názorná ukázka programu. Na vstup A je přivedena digitální hodnota z tlakového senzoru, která je pomocí bloku MUL vynásobena s konstantou (6.).

Obr. 17 Přepočet výšky vodní hladiny

4.2

Výpočet průtoku

Při výpočtu průtoku postupujeme podobně jako při výpočtu vodní hladiny. S tím rozdílem, že se zde navíc převádí frekvence na napětí a až poté na digitální hodnotu. Z měření jsem zjistil, že při frekvenci 500Hz je na výstupu měniče nižší napětí než daných 10V. Změna napětí se lineárně měnila se změnou frekvence. Z této závislosti jsem vytvořil rovnici pro přepočet frekvence na napětí (7.). (7.)

Pro přepočet z digitální hodnoty na průtok slouží rovnice (8.). Konstanta ppm udává počet vytvořených pulzů při průtoku jednoho litru vody čidlem.

(8.)

26


4.3

PIDE Blok

PIDE Blok je vlastně vylepšený PID blok, který upravuje a vylepšuje jeho vlastnosti. Využívá rychlý algoritmus PID, což je vhodné pro adaptivní zesílení nebo pro více smyčkové programy. Řízení instrukcí může být přepínáno mezi programovým a operativním módem. Obsahuje větší podporu pro zachytávání chyb a přetečení hodnot. Má v sobě zabudovanou ochranu před wind up efektem. PIDE blok pracuje následovně, na vstup SPProg je připojena žádaná hodnota, do vstupu PV je většinou připojena analogová hodnota ze senzoru. Na základě hodnot na vstupech PGain, IGain, Dgain nastaví akční veličinu (vystup CVEU). 4.4

Program pro regulaci vodní hladiny

Pro vytvoření programu jsem použil software Rslogix 5000 enterprise. Jako programovací jazyk jsem si zvolil Function Block Diagram. Program je velice jednoduchý a obsahuje pouze dva PIDE bloky. Příklad programu je vidět na obrázku (Obr. 18).

Obr. 18 Program

4.5

Vizualizace

Pro vytvoření vizualizace na panelu view plus 600 jsem použil program RS VIEW STUDIO od firmy Rockwell. Grafické rozhranní je znázorněno na obrázku (Obr.19). Výška hladiny a průtok je zobrazován pomocí textového pole. Pro čitelnější znázornění výšky hladiny jsem použil prvek bargraf. 27

K nastavení


různých hodnot jsem použil tlačítko s funkcí vložení číselné hodnoty do proměnné. Po kliknutí na tlačítko se objeví numerická klávesnice, kde je možné nastavit hodnotu, která se pošle do příslušné proměnné.

Obr.19 Vizualizace úlohy

28


Závěr Cílem této práce bylo seznámit se s problematikou kaskádního řízení s využitím řídícího systému firmy Rockwell řady CompactLogix a vytvoření vizualizace úlohy. Pro zjednodušení experimentů a simulací na modelu jsem se rozhodl propojit úlohu s počítačem a využít program Matlab/Simulink. Při realizaci této úlohy jsem musel řešit několik problémů. První problém nastal při měření objemu nádrže. Bylo to z důvodu neznalosti tloušťky plexiskla a přívodních potrubí. Přesný průměr nádrže jsem určil naplněním známého množství vody do nádrže. Při porovnávání objemů nádrží jsem zjistil, že zásobní nádrž má menší objem než nádrž pro řízení vodní hladiny. Při simulování jsem pozoroval, že proud přitékající vody ovlivňuje hodnotu na tlakovém snímači a to přímo úměrně s výkonem čerpadla. Z matematického modelu mi vyšlo, že použité potrubí snižuje hodnotu kv odtokového ventilu o 19%. Další problém vznikl, při simulaci modelu přítoku, protože jsem neznal tlakovou ztrátu a průtokovou rovnici ventilu. Bohužel tento problém se mi nepodařilo vyřešit. Na závěr jsem s pomocí modelu odsimuloval nastavení master regulátoru. Další částí mé práce bylo téma vizualizace. Cílem bylo zjednodušit a zpřehlednit ovládání úlohy. K vytvoření vizualizace jsem použil program RS view studio od firmy Rockwell. Pro zobrazování hodnot jsem použil textová pole, pro zadávání požadovaných hodnot tlačítka s funkcí vložení číselné hodnoty do proměnné.

29


Seznam literatury [1]

Jiří Cendelín, Historie programovatelných automatů a jejich současné efektivní použití [online]. [20. 5. 2011] .Dostupné z

[2]

Zdenek Vondra, Základy programování PLC [online]. [20. 5. 2011] Dostupné z <www.spsejecna.org/skola/documents/Vysledky_proektu/PLC_zakl.pdf>

[3]

Marie Martinásková, Ladislav Šmejkal. Řízení programovatelnými utomaty. Praha : Vydavatelství ČVUT, 1998.

[4]

Marie Martinásková, Programovací jazyky pro PLC [online]. [20. 5. 2011]. Dostupné z

[5]

1769 CompactLogix Controllers User Manual [online]. [30. 5. 2011]. Dostupné z <www.aschome.com/PDFs/CompactLogix1769L32-L35.pdf>

[6]

Compact 8-Bit Low Resolution Analog I/O Combination Module [online]. [30. 5. 2011]. Dostupné z

[7]

PanelView Plus 400 & 600 Family [online]. [30. 5. 2011]. Dostupné z

[8]

PROPORTIONAL SOLENOID VALVE POSIFLOW [online]. [30. 5. 2011]. Dostupné z
[9]

Turbine meter type vision, PDF soubor

[10]

Frequency Input to Analogue Signal Converter [online]. [30. 5. 2011]. Dostupné z

[11]

Průmyslový snímač tlaku [online]. [30. 5. 2011]. Dostupné z

30


[12]

Regulační ventily LDM COMAR line [online]. [30. 5. 2011]. Dostupné z < http://www.marinfo.cz/files/Typova_reseni/BCP2_LDM-ventilyRV%20Comar%20line.pdf>

31


SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK PLC

Programmable Logic Controller

CPU

Central processing unit

RAM

Random access memory

ROM

Read Only Memory

LD

Ladder diagram

FBD

Function Block Diagram

ST

Structured Text

SFC

Sequential Function Chart

32


Seznam obrázků Obrázek 1

Kompaktní PLC, Zdroj: http://www.eatonelektrotechnika.cz/pictures/sortiment/21_526_plc.jpg

Obrázek 2

Modulární PLC, Zdroj: http://www.eatonelektrotechnika.cz/pictures/sortiment/21_574_obr_2 1_574_3.jpg

Obrázek 3

Činnost PLC, Zdroj: www.spsejecna.org/skola/documents/Vysledky_proektu/PLC_zakl.pd f

Obrázek 4

Ukázka příčkového diagramu, Zdroj: http://www.automation-drive.com/ladder-diagram

Obrázek 5

Ukázka funkčního blokového schématu, Zdroj: www.contactandcoil.com/tag/function-block/

Obrázek 6

Ukázka strukturovaného textu, Zdroj: http://www.messung.com/PLC_14_nexgen2000plus_programming. asp

Obrázek 6

Ukázka sekvenčně funkčního diagramu, Zdroj: http://images.xoila.com/index.php?p=Sequential+function+chart&re s=1

Obrázek 8

A/D převodník, Zdroj: http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/docume nts/um/1769-um008_-en-p.pdf

Obrázek 9

Průtoková charakteristika solenoidov0ho ventilu, Zdroj: http://www.ascojoucomatic.com/images/site/upload/_en/pdf1/00021g b.pdf

Obrázek 10 Průtoková charakteristika ventilu, Zdroj: http://www.marinfo.cz/files/Typova_reseni/BCP2_LDM-ventilyRV%20Comar%20line.pdf 33


Obrázek 11

Schéma zapojení úlohy

Obrázek 12

Dynamika čerpadla

Obrázek 13

Dynamika přítokového ventilu

Obrázek 14

Matematický model úlohy

Obrázek 15

Simulace modelu

Obrázek 16

Průběh na master regulátoru

Obrázek 17

Přepočet výšky vodní hladiny

Obrázek 18

Program

Obrázek 19

Vizualizace úlohy

34

level control using control systems Rockwell series CompactLogix

Recommend Documents