Stanowisko laboratoryjne do symulacji obiektow na sterowniku

Politechnika Śląska
Wydział Automatyki , Elektroniki i Informatyki
Praca dyplomowa
Temat : „Stanowisko laboratoryjne do symulacji
obiektów na sterowniku SLC500.”
Promotor : Dr inż. J.Kasprzyk
Student : Tomasz Matuszczyk
Cel pracy
Celem pracy było stworzenie biblioteki programów dla
sterownika SLC 500 firmy Allen Bradley umożliwiających symulację
wybranych obiektów sterowania oraz wizualizację w pakiecie Fix32.
Obiekty można tworzyć poprzez dobór :
• współczynników wielomianu mianownika i licznika
transmitancji K(s) obiektu,
• dodatkowego różniczkowania lub całkowania,
• opóźnienia,
• nieliniowości typu strefa nieczułości lub nasycenie.
Istnieje także możliwość symulacji obiektu typu zbiornik.
Idea stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko laboratoryjne powinno składać się z dwóch
sterowników. Jednym z nich jest SLC 500 firmy Allen – Bradley
wyposażony w procesor wersji 5/03 lub wyższej oraz moduł analogowy
1746 – NIO4V. Sterownik ten ma za zadanie symulację obiektów. Drugi
sterownik (może być innej firmy) wykorzystany jest jako regulator. Jedyne
stawiane mu wymaganie, to posiadanie napięciowego (zakres -10 ÷ 10 V)
modułu analogowego z jednym wyjściem i jednym wejściem. W celu
wizualizacji otrzymywanych wyników potrzebny jest komputer PC o
parametrach pozwalających uruchomić system Fix 32 v. 6.15.
Możliwe jest także przeprowadzenie symulacji wraz z
regulacją za pomocą tylko jednego sterownika. Należy wtedy wybrać
sygnał wejściowy z modułu danego sterownika. Regulator PID znajduje
się w sterowniku wykonującym symulację obiektów. Aby układ taki
mógł działać, należy połączyć w module analogowym 1746 – NIO4V
wejście IN 0+ z wyjściem OUT 1 oraz wejście IN 1+ z wyjściem
OUT 0. Wejście do regulatora i jego wyjście jest specjalnie w tym
przypadku przesyłane przez moduł analogowy, w celu uzyskania
takiego samego efektu, jak przy połączeniu dwóch identycznych
sterowników SLC 500.
Stanowisko laboratoryjne z dwoma sterownikami
Komputer PC z uruchomioną
aplikacją systemu Fix
Łącze szeregowe RS 232
Wejście analogowe IN 0+
Wyjście analogowe OUT 0
Sterownik SLC 500 wykonujący
symulację obiektu
Sterownik działający jako regulator
Wyjście analogowe -10 ÷ 10 V
Wejście analogowe -10 ÷ 10 V
Stanowisko laboratoryjne z jednym sterownikiem
Komputer PC z uruchomioną
aplikacją systemu Fix
Łącze szeregowe RS 232
OBIEKT
Wejście analogowe IN 0+
Sterownik SLC 500 wykonujący
symulację obiektu oraz regulację
Wyjście analogowe OUT 0
REGULATOR
Sterownik SLC 500 wykonujący
symulację obiektu oraz regulację
Wyjście analogowe OUT 1
Wejście analogowe IN 1+
Dlaczego symulacja z wykorzystaniem sterownika ?
Symulację obiektów można wykonać przy pomocy Matlaba,
jednak takie rozwiązanie ma wady. Odpowiedź obiektu na zadane
wymuszenie nie jest otrzymywana w czasie rzeczywistym, wejście
obiektu pochodzi z pliku, a wyjście jest tylko liczbą przedstawioną na
wykresie. Przy zastosowaniu sterownika symulacja odbywa się w
czasie rzeczywistym. Wyjście obiektu podawane jest na moduł
analogowy, wejście obiektu jest odczytywane z końcówki modułu
wejściowego. Rozwiązanie z wykorzystaniem sterownika jest lepsze
dla celów dydaktycznych, a także pozwala na testowanie układów
regulacji, które są bliższe rzeczywistości.
Wybór dostępnych obiektów :
I rząd :
K (s) =
K (s) =
K ( s) =
k
1 + a1M * s
k *s
1 + a1M * s
k
s * (1 + a1M * s )
II rząd :
K (s) =
K (s) =
K (s) =
k * (1 + a1L * s )
1 + a1M * s + a 2 M * s 2
k *s
1 + a1M * s + a 2 M * s 2
k * (1 + a1L * s )
s * (1 + a1M * s + a 2 M * s 2 )
III rząd :
K (s) =
K (s) =
K (s) =
k * (1 + a1L * s )
1 + a1M * s + a 2 M * s 2 + a3M * s 3
k *s
1 + a1M * s + a 2 M * s 2 + a3M * s 3
k * (1 + a1L * s )
s * (1 + a1M * s + a 2 M * s 2 + a3M * s 3 )
Zbiornik
Zbiornik ma kształt stożka obciętego z dołu. Jego wysokość od
podstawy jest stała i wynosi 10 m. Zmianę pojemności uzyskuje się
przez modyfikację parametrów : A , Hp.
Przepływ q1 przyjmuje wartości większe od zera, nie ma
możliwości wyssania cieczy ze zbiornika. Przepływ q2 może być
traktowany jako zakłócenie w przypadku pracy w pętli zamkniętej
z sprzężeniem zwrotnym.
Sterownik Allen Bradley SLC500
Biblioteka programów
umożliwiających symulację obiektów
została napisana w języku drabinkowym
przy pomocy oprogramowania
RSLogic 500.
Charakterystyczną cechą sterowników firmy Allen-Bradley jest plikowa
organizacja programów i danych. Dlatego też stworzony program posiada
jeden plik główny, z którego następują skoki do podprogramów.
Działanie aplikacji w czasie rzeczywistym
Dla tego typu sterownika nie ma możliwości ustalenia stałego
okresu skanowania, niezależnie od długości programu. Pierwszą próbą
zapewnienia działania aplikacji w czasie rzeczywistym było
wykorzystanie do tego celu czasomierza typu TON (Timer On delay).
Minimalna podstawa czasu dla tego bloku wynosi 0.01 sekundy.
Czasomierz po odliczeniu do ustalonej wartości wystawiał na wyjście
DN jedynkę, po czym był w następnym cyklu resetowany i zliczanie
zaczynało się od nowa.
Wartość jeden na wyjściu DN była warunkiem koniecznym do wykonania
obliczeń, po których następowało wystawienie nowej wartości
odpowiedzi obiektu na zadane wymuszenie. Rozwiązanie z czasomierzem
nie sprawdziło się. Sterownik zawsze spóźniał się w stosunku do czasu
rzeczywistego. Satysfakcjonujące wyniki zostały uzyskane po
zastosowaniu przerwań czasowych STI (Selectable Timed Interrupts).
Polega to na tym, że co określony okres czasu sterownik przerywa
wykonywanie głównego programu i wykonuje skok do wybranego
podprogramu.
Komunikacja na drodze sterownik ⇔ komputer PC
Procesor sterownika ma wbudowany kanał komunikacji
RS 232. Dzięki temu do połączenia go z komputerem PC nie trzeba
używać dodatkowych modułów komunikacyjnych. System Fix
komunikuje się z sterownikiem przy pomocy drivera ABH. Minimalny
czas przekazywania danych wynosi 0.1 sekundy, czyli teoretycznie
obraz powinien być uaktualniany z częstotliwością 10 Hz. W praktyce
można przyjąć, że odświeżanie następuje z częstotliwością 3 Hz.
Fully Integrated Control System
Sterownik nie posiada interfejsu użytkownika, dlatego należało
wykonać wizualizację przy pomocy innego oprogramowania. Wybrany
został system Fix 32 v. 6.15, ponieważ posiada on grafikę czasu
rzeczywistego oraz bibliotekę drajwerów WE/WY dla sterowników firmy
Allen Bradley. Inną jego zaletą jest możliwość pracy bez klucza (w trybie
Demo przez okres dwóch godzin). Wszystkie opcje konfiguracji są
dostępne z poziomu aplikacji Fix–a.
Obliczenia numeryczne
Do rozwiązywania równań różniczkowych zwyczajnych,
opisujących wybrane obiekty została wykorzystana metoda Rungego-Kutty.
Rząd metody – czwarty zapewnia satysfakcjonującą dokładność obliczeń.
Procesor sterownika radzi sobie z nakładem obliczeniowym. Czas wykonania
cyklu waha się od 5 ms do 11 ms. Biorąc pod uwagę czasy przekazywania
danych pomiędzy sterownikiem a komputerem PC oraz możliwości systemu
wizualizacji Fix 32 można stwierdzić, że obliczenia numeryczne nie
przerastają możliwości sterownika. Szybsze wypracowanie wyników
obliczeń nie jest w tym przypadku konieczne, lepszy procesor nie zostałby
wykorzystany.
Oprócz numerycznego rozwiązywania równań różniczkowych zwyczajnych
w pracy zaistniała potrzeba zastosowania różniczkowania oraz całkowania
numerycznego.
Różniczkowanie numeryczne odbywa się z wykorzystaniem operatora różnicy
wstecznej ∇, suma skończona
D≈
1
1
(∇ + * ∇ 2 ) .
h
2
Przy całkowaniu numerycznym został wykorzystany wzór trapezów.