Excercise 4 - Jakub Możaryn

Institute of Automatic Control and Robotics
Faculty of Mechatronics
Automation Systems
laboratory
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
Autors : PhD. Eng. Danuta Holejko, PhD. Eng. Jakub Możaryn,
MSc. Eng. Kacper Malinowski, BSc. Eng. Michał Bezler
Warsaw, 2016
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
Identification of process in control system of level in tank
with free outflow of liquid
The aim of the exercise is to determine a mathematical model of the process of the
changes in the liquid level in the open tank, on the basis of experimentally determined static
and dynamic characteristics,. The process of obtaining a mathematical model is called the
identification of the object.
2. DESCRIPTION OF THE PROCESS INSTALATION
Experiments were conducted on laboratory stand presented in Fig. 1.
Controlled process is a change of liquid level in connected tanks Z1, Z2. Fig.5
presents installation diagram.
Depending on the configuration \of the valves V2 and V4 and the use of specially
constructed elastic tube there can be realized process with various properties (see Table 1).
Table 1. Properties of the process depending on the valves configuration.
No.
1.
2.
3.
4.
Type of the
process
1st
order
lag
system
without
delay
1st
order
lag
system with delay
2nd order lag
system without
delay
2nd order lag
system with delay
Valve
Valve setup
V2
Closed
V4
Liquid flows directly into tank Z1
V2
Closed
V4
Liquid flows into tank Z1 through
elastic tube W
V2
Open
V4
Liquid flows directly into tank Z1
V2
Open
V4
Liquid flows into tank Z1 through
elastic tube W
Process
value
Level H1
Level H1
Level H2
2
Automation Systems
Level H2
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
Figure 1. Installation scheme of the laboratory stand for designing the control system of
the liquid level in a tank.
Description :
Z1, Z2 – tanks,
V1, V3 - manual outflow valves
V2 - manual valve connecting tanks Z1 and Z2,
V4 - threeway valve ,
W- elastic tube,
T0 - transport delay introduced by elastic tube,
VE1- electromagnetic valve to cut-off the outflow from tank Z1.
VE2 - electromagnetic valve to cutt-off the water outflow at the pump plunging.
H1 , H2 - height of the liquid column in tank Z1, Z2,
PV – output signal from the liquid level sensor,
LT1, LT2 – liquid level sensors in tanks Z1, Z2,
Q - output signal from the flow sensor QT (Venturi flowmeter),
P- variable displacement pump,
CV - pump control signal (output signal from PLC controller),
P1, P2 - manual switches of electromagnetic valves to introduce disturbances.
3
Automation Systems
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
Components of the stand (Fig. 1) are: tanks Z1 and Z2, a pump P is controlled by
standard current signal that corresponds to a change of the pump capacity 0 - 6.5 [l / min],
LT1, LT2 are pressure transducers (measuring range 0-500 mmH20) for measuring a liquid
level in each of tanks (H1, H2), W is elastic tube, through which the liquid can flow into the
tank Z1 (it introduces the transport delay to the object). V 1, V2, V3, V4 are manually operated
valves, which are used to change the way that liquid flows. There are also two
electromechanical valves (VE1, VE2), used to introduce disturbances into the process. By ZK1
we denote leakage from the tank Z1 (opening the valve VE1), and by ZK2 we denote leakage
at pump outlet (opening the valve VE2).
Connection of the tanks is realized by using of shut-off valve V2. The controlled variable
is the height of the column of liquid in the tank Z1 (H1) or tank Z2 (H2). Requirement for a
system is to regulate it to keep at a preset constant value the height of water column despite
the disturbances acting on the object.
Disturbances are changes of the flow at the inlet or outlet of the tanks. These disturbances
are carried out by remote-controlled shut-off magnetoelectric valves VE1, VE2. Opening /
closinf of valves is realized using the P1 and P2 buttons located on the desktop stand. The
valve VE1 induces a step change in flow at the outlet from the tank Z1. It is the fault VE1.
The valve VE2 induces a step change in flow at the inlet to the tank Z1 (ie. liquid drop from
the pump). It is the fault VE2.
The control value of the object is a standard signal 4 - 20 mA from the controller Simatic
PLC S7-1200 (Siemens). This signal is converted by a electronic circuit to the voltage signal
0 - 10 V and operate the pump, the output of which varies in the range: 0 - 6.5 l / min at the
inlet to the tank Z1. This pump acts as an actuator in the control system. In addition, a flow
measurement is carried out using a Venturi flowmeter. The flow changes from 0 to 6.5 L /
min causes a pressure difference across the Venturi flowmeter in the range from 0 to 500 mm
H2O. Applied differential pressure transducer converts the pressure difference across the
orifice to a standard signal range of 4 - 20 mA.
Information on the current value of the controlled variable (height H1 or H2 of the liquid
column) is provided by electrical transducers with the range of 0 - 500 mm H2O and the
output signal 4 - 20 mA (measuring the height of the liquid column is carried out using the
indirect method by measuring hydrostatic pressure).
4
Automation Systems
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
3.Course of exercise
Identification of the described process will be conducted in the control system presented in
the scheme at Fig.6.
Identification of the process will be conducted on the basis of the measurement of the static
characteristics in the full range of possible changes in the controlled variable and the time
response of the process to introduced step input signal for a chosen operationg point selected
from static characteristic. This will be therefore an experiment in which intentional impact on
the process will take place through the control signal set by the operator.
Measurements of static and dynamic properties of the object will be carried out in a fixed
set point open control system of liquid level (in manual mode). Static and dynamic properties
would be represented by the relationship between the controlled variable, which is the height
H1 of the liquid column in the tank Z1 processed to a measured signal PV, the control signal
CV and between the controlled variable and the introduced disturbances. These compounds
will be represented by the transfer function of a process Gob (s) and the transfer functions of
disturbances GZ1 (s), GZ2 (s). These transfer functions will represent the dynamic properties
od the system in the vicinity of the operating point of the process.
5
Automation Systems
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
Figure 6. Electrical scheme of the control system of the liquid level in a tank.
The laboratory stand include:




tanks connected in series,
SIMATIC S7-1200 PLC (Programmable Logic Controller) with the analog inputs /
outputs modul and power supply 24V,
HMI display with a color touch screen,
desktop PC with TIA Portal software.
6
Automation Systems
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
3.1.Visualization
During the exercise the student communicates with the PLC via the operator diplay
(SIMATIC HMI KPT600).
On the Home screen, select an object tank (Zbiornik) and the single close-loop
structure of a control system (Jednoobwodowy). After pressing the "Start" button, user god to
the object visualization pressing the buttom "Tank" (Zbiornik).
Figure 7. Visualisation of the stand
In the next step user should go to the screen with object identification (button
"Identyfikacja obiektu", Fig. 8).
Figure 8. Screen for identification of a process.
7
Automation Systems
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
From this screen ("Identyfikacja obiektu", Fig. 8), it is possible to set (in percents)
control signals on both analog outputs (in this proscess do not use analog output 1).
Visualisation, in the form of plots the changes of the input and output values, is carried
out on a PC using software TIA PORTAL. The home screen of this visualisation is shown in
Fig. 9.
Figure 9. Start screen in TIA Portal simulation.
The start screen (Fig. 9) contains information about the entered structure. When
pressing "Regulator główny" button, user will be send to the screen with monitoring of the
input and output variables (Fig. 10).
8
Automation Systems
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
Figure 10. Screen with monitoring of the input and output variables
Over plots there is a graph showing the active disturbances in the form of a bar chart:
 Red rolor - valve VE1,
 Orange color - valve VE2,
 Green color - "SP step function".
1. Start / Stop button allow user to stop or resume monitoring of the input / output values.
2. The „Zwiększ przedział czasu” ("Increase the time interval") and ("Decrease time
interval") buttons allow user to modify the currently displayed time interval ranging from
15sec to 16min
3. The fields below the text „Oś” ("Axis") allow scaling of the Y-axis of the graph.
Increasing the scope is performed immediately. In the case of reducing the scope of
the scale the changes will be visible after some time.
4. . The "skok SP" ("SP step") button allows user to generate the step function of a setpoint,
together with the monitoring of it in the upper graph.
5. The text next to the "Cofnij" ("Undo") button allows user to enter the value of the SP later
activated the "Skok SP" ("SP step") button. After entering any of the values, do not
change the value of this field before resetting the value by pressing "Cofnij"
(""Undo") button.
6. The "Cofnij" ("Undo") button resets the step function activated by "skok SP" ("SP step")
button.
9
Automation Systems
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
To print the chart, the course of the changing values should be stopped by START /
STOP button, the user should press the button on a computer keyboard PrtSc and then paste
saved screen into graphical editor.
3.2. Identyfikacja eksperymentalna właściwości statycznych obiektu regulacji
Identyfikacja właściwości statycznych obiektu sprowadzać się będzie do pomiaru
charakterystyk statycznych obiektu jako związku w stanie ustalonym wielkości regulowanej
od sterowania w pełnym zakresie działających zakłóceń. Charakterystyki te są istotne do
określenia możliwych punktów pracy obiektu i dopuszczalnych sterowań. Charakterystyki
statyczne wykonywane będą dla trzech oddzielnych przypadków:
1. Zawory VE1 i VE2 zamknięte => brak zakłóceń
2. Zawór VE1 – otwarty, VE2 – zamknięty => zakłócenie VE1
3. Zawór VE1 – zamknięty , VE2 – otwarty => zakłócenie VE2.
Wyniki pomiarów należy zamieścić w odpowiednich komórkach tablicy 2.
Każdy z tych przypadków wymaga przeprowadzenia takiej samej procedury, którą
przedstawiono poniżej:
a) Sprawdzić położenie zaworów VE1 i VE2 poprzez skontrolowanie stanu
przełączników P1 i P2, bądź lampek kontrolnych na wizualizacji komputerowej.
b) Ustawić na panelu HMI sygnał sterujący pompą CV na wartość 0%
c) Odczytać i zapisać bieżącą wartość PV poziomu wody.
d) Odczytać poziom wody H1 wykorzystując skalę umieszczoną na ściance zbiornika.
e) Wykonać punkty od c) do e) zmieniając wartość sygnału sterującego pompą CV
zgodnie z tablicą 2.
Procedurę powtórzyć dla kolejnych dwóch przypadków.
.Wyniki pomiarów zamieścić w tablicy 2.
Tablica 2. Wyniki pomiarów charakterystyki statycznej obiektu regulacji
0
20
30
40
50
60
70
80
CV[%]
H1[cm]
1.
PV[%]
H1[cm]
2.
PV[%]
H1[cm]
3.
PV[%]
10
Automation Systems
100
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
3.3. Identyfikacja właściwości dynamicznych obiektu regulacji
Celem identyfikacji będzie określenie parametrów transmitancji zastępczych: obiektu i
zakłóceniowych. Identyfikacja ta zostanie przeprowadzona metodą eksperymentu czynnego w
którym wykorzystano metodę odpowiedzi skokowej generując skokowe zmiany sygnału
sterującego CV i wielkości zakłócających. Metoda ta pozwala na wyznaczenie parametrów
założonej transmitancji obiektu na podstawie prostych konstrukcji graficznych. Z
otrzymanych z badań odpowiedzi obiektu na zakłócenia skokowe określać się będzie
transmitancje operatorową obiektu względem sterowania Gob.(s) , oraz transmitancje
operatorowe obiektu G z1.(s), G z2.(s) względem zakłóceń .
3.3.1.Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu regulacji na zmianę sterowania
CV (zwiększenie wydajności pompy) w układzie otwartym. Określenie
parametrów transmitancji Gob(s)
Badania przeprowadzić stosując poniższą procedurę:
a) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte
b) Na panelu HMI ustawić CV=50%
c) Odczekać aż PV osiągnie ustaloną wartość
d) Zmienić wartość CV z 50% na 60%
e) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const
f) Zapisać cały przebieg przejściowy na komputerze dobierając odpowiedni przedział
czasu. Zaleca się przyjąć ok. 300 sek.
g) Po zatrzymaniu przebiegu na monitorze przyciskiem STOP, wcisnąć na klawiaturze
komputera przycisk prtsc ,wkleić zapamiętany ekran do edytora graficznego i
wydrukować dwie kopie przebiegu przejściowego ( do obróbki wykresu stosując
metodę stycznej (rys.9) i siecznej rys.4).
Figure 9. Przykład konstrukcji
graficznej do określania
parametrów transmitancji
operatorowej obiektu
wyznaczonych metodą stycznej
Otrzymany przebieg będzie miał postać jak na rys.9 Zgodnie z rys.9, dla badanego
obiektu można przyjąć model matematyczny opisany transmitancją (2) :
11
Automation Systems
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
Gob (s ) 
PV (s )
k
 ob e T0s
CV (s ) Tz s  1
(6)
Z zarejestrowanego przebiegu należy odczytać wartości parametrów zastępczej
transmitancji operatorowej obiektu :Tz ,T0, kob. Parametry te należy odczytać stosując metodę
stycznej (rys.9) oraz metodę siecznej (rys.4).
Przedstawione transmitancje zostaną zastosowane do doboru nastaw regulatora
w układzie regulacji poziomu cieczy w zbiorniku.
3.3.2. Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu dla zakłócenia wywołanego
zwiększeniem odpływu cieczy (skokowa zmiana otwarcia zaworu VE1).
Określenie parametrów transmitancji zakłóceniowej G z1(s)
Wykonać następujące czynności:
a) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte
b) Na panelu HMI ustawić CV=50%
c) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const.
d) Przełącznikiem P1 (rys.6) wprowadzić zakłócenie VE1
e) Poczekać na ustalenie się poziomu
f) Zapisać cały przebieg przejściowy, który posłuży do wyznaczenia parametrów
założonej transmitancji:
PV (s )
k
(7)
 1
e T0s
 f (s )
T1s1
f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1. Wg danych katalogowych f = 30.4 %
PV
Na zarejestrowanym wykresie odczytać PV i obliczyć w ten sposób wartość k1 
f
G z1(s )
3.3.3. Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu wywołanej zmianą otwarcia zaworu
VE2 („zrzut” z pompy). Określenie parametrów transmitancji zakłóceniowej
Gz2(s)
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Należy wykonać następujące czynności:
Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte
Na panelu HMI ustawić CV=50%
Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const
Przełącznikiem P2 (rys.5) wprowadzić zakłócenie VE2
Poczekać na ustalenie się poziomu
Zapisać cały przebieg przejściowy, który posłuży do wyznaczenia transmitancji:
Gz 2 (s ) 
k2
 PV (s )

e T0 s
 f (s )
T2 s 1
12
Automation Systems
(8)
Excercise 4
„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”
f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1, wg danych katalogowych f = 30.4 %.
Z zarejestrowanego wykresu odczytać PV i obliczyć podobnie jak w p.3.3.2 wartość k2.
4. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA
Sprawozdanie winno zawierać takie elementy jak: opis przebiegu ćwiczenia ,
schematy, wykresy otrzymane z rejestratora z naniesioną obróbką danych, wykresy wykonane
na podstawie pomiarów itp. oraz odpowiedzi na pytania poniżej:
1) Określ parametry transmitancji obiektu stosując metodę siecznej oraz stycznej.
2) Określ przebieg odpowiedzi skokowej obiektu obliczony na podstawie przyjętych
transmitancji i dokonaj porównania z przebiegiem rzeczywistym.
3) Narysuj schemat blokowy badanego obiektu regulacji oraz przeprowadź jego analizę.
4) Narysuj charakterystykę statyczną obiektu i przeprowadź analizę właściwości
statycznych obiektu,
5) Określ na podstawie charakterystyki statycznej obiektu możliwe punkty pracy układu
regulacji
6) Porównaj wartość wzmocnienia obiektu kob otrzymaną z charakterystyki statycznej
obiektu oraz z charakterystyki skokowej. Skomentuj otrzymane wyniki.
7) Określ na podstawie schematu blokowego obiektu jaki winien być kierunek działania
regulatora w układzie zamkniętym.
5. LITERATURA
1.Kościelny W.J.: Materiały pomocnicze do nauczania podstaw automatyki dla
studiów wieczorowych, WPW, 1997, 2001.
2. Węgrzyn S.: Podstawy automatyki. PWN 1980
3. Żelazny M.: Podstawy automatyki . PWN, 1976
13
Automation Systems