Ćwiczenie PA9 „Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze

PODSTAWY AUTOMATYKI
- laboratorium
Ćwiczenie PA9
„Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku
ze sterownikiem PLC SIMATIC”
Instrukcja laboratoryjna
Opracował : mgr inŜ. Łukasz Tabor
„Człowiek - najlepsza inwestycja”
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Warszawa 2009
Ćwiczenie PA9
„Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem
PLC SIMATIC”
Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem
PLC SIMATIC
Celem ćwiczenia jest przedstawienie realizacji układu regulacji automatycznej
ciśnienia w zbiorniku buforowym powietrza. Układ ten będzie zrealizowany przy
wykorzystaniu cyfrowego regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku SIEMENS S7300. Do wizualizacji procesu zostanie wukorzystany program InTouch firmy Wonderware.
1. WPROWADZENIE
We współczesnych instalacjach przemysłowych do sterowania procesami powszechnie stosuje się sterowniki programowalne. Posiadają one moduły wejść/wyjść zarówno analogowych jak i cyfrowych, które zbierają informacje z obiektów oraz wysyłające sygnały
sterujące. Sterowanie jest realizowane zgodnie z algorytmem dobranym przy wykorzystaniu
szerokiego wachlarza funkcji dostępnych w bibliotekach sterownika podczas programowania. Do obserwacji zachowania zmiennych procesowych wykorzystuje się stacje inŜynierskie,
którymi mogą być komputery klasy PC czy panele sterujące z uruchomionym systemem
SCADA.
2. OPIS STANOWISKA
Stanowisko umoŜliwia realizację układu regulacji automatycznej ciśnienia. W skład
układu regulacji wchodzą: zbiornik ciśnienia, inteligentny zawór sterujący, przetwornik pomiarowy, oraz sterownik programowalny. Wielkość wyjściowa z obiektu regulacji (ciśnienie), jest przetwarzana na sygnał elektryczny 4-20mA poprzez przetwornik pomiarowy i trafia do jednostki nadrzędnej (sterownik). Stanowisko wyposaŜone jest w dodatkowe elementy
kontrolne takie jak przyciski, lampki i przełączniki.
Rys.1 Uproszczony ideowy schemat funkcjonalny stanowiska
2
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA9
„Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem
PLC SIMATIC”
2.1 Sterownik i instalacja elektryczna
Do zasilania jednostki nadrzędnej i wszystkich modułów rozszerzających uŜyto zasilacza stabilizowanego zasilanego z sieci 120/230VAC o wydajności prądowej 2A.
Jednostką nadrzędną jest sterownik PLC SIEMENS z rodziny SIMATIC S7-300. Sterownik
CPU 313C-2 DP charakteryzuje się zintegrowanymi szesnastoma wejściami i szesnastoma
wyjściami cyfrowymi oraz, interfejsem Profibus-DP master/slave. Na stanowisku konieczny
jest odczyt wartości ciśnienia z czujnika, dlatego teŜ zastosowano moduł rozszerzający SM
331. Posiada on dwa optycznie izolowane wejścia analogowe z przetwornikiem analogowocyfrowym o rozdzielczości 12 bitów. Kolejnym elementem sterownika jest modułowa stacja
rozproszonych wejść/wyjść ET 200M ze standardem komunikacyjnym Profibus-DP. Przeznaczona jest ona dla układów z większą liczbą sygnałów, których akwizycja zachodzi w
pewnym oddaleniu od sterownika. Moduł I/O stanowi moduł SM 332 z ośmioma optycznie
izolowanymi wyjściami, wykorzystującymi protokół HART do komunikacji z pozycjonerem
SIEMENS SIPART PS2. Zastosowanie tego protokołu pozwala na podłączenie do nadrzędnej sieci przemysłowej, oraz zdalną konfigurację i diagnostykę z centralnego stanowiska inŜynierskiego.
Pomiar ciśnienia w zbiorniku następuje poprzez przetwornik pomiarowy FESTO
SDE-1 o zakresie pomiarowym 0..10bar i niepewnością pomiaru 2%. Komunikacja ze sterownikiem odbywa się za pomocną sygnału 4-20mA. Konfiguracja, programowanie i wizualizacja urządzeń i zjawisk na stanowisku odbywa się za pomocą komputera PC (pełniącego
rolę stacji inŜynierskiej). Do wejść cyfrowych sterownika PLC dołączone są elementy kontrolne w postaci dwóch przycisków START i STOP oraz lampki sygnalizacyjnej.
2.2 Instalacja pneumatyczna
Do zasilania układu spręŜonym powietrzem wykorzystano spręŜarkę firmy JUN-AIR
o ciśnieniu maksymalnym 8 bar. Za regulację ciśnienia (R) w instalacji odpowiada reduktor
firmy FESTO typ LFR-KC. Posiada on ręczny zawór odcinający, filtr, manometr oraz automatyczny odbiór kondensatu. Urządzeniem wykonawczym, poprzez które regulowany jest
dopływ powietrza do zbiornika jest zawór kulowy BELIMO typ R305K z siłownikiem
pneumatycznym FESTO VZPR (zespół ten oznaczony jest na rysunku jako V). Dołączony do
nich jest uniwersalny pozycjoner SIPART PS2 współpracujący z napędami liniowymi i kątowymi o dowolnej charakterystyce. Skok lub kąt obrotu mechanizmu sprzęgającego moŜna
płynnie regulować w bardzo szerokim zakresie – od 3 do 130 mm lub od 30° do 100°. Zbiornik ZB firmy FESTO typ CRVZS-10, w którym regulujemy ciśnienie ma pojemność 10 litrów. Na jednym z jego końców został umieszczony zawór regulujący spust powietrza ze
zbiornika.
PoniŜszy schemat pneumatyczny przedstawia budowę instalacji pneumatycznej.
3
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA9
„Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem
PLC SIMATIC”
Rys.2 Schemat instalacji pneumatycznej
3. DOŚWIADCZALNY DOBÓR NASTAW REGULATORA PID
Metodologię postępowania podczas doświadczalnego doboru nastaw studenci poznali
na wykładzie. Umieszczono tu jedynie wzory wykorzystywane w ćwiczeniu.
Metoda Zieglera-Nicholsa
kr
Ti
Td
P
0.5kkr PI
0.45kkr 0.85Tosc PID 0.6kkr 0.5Tosc 0.12Tosc
Tab.1. Nastawy regulatora wg. reguły Zieglera-Nicholsa.
Rodzaj regulato- krkobτ/T
Ti/τ
ra
χ=0%,min tr
P
0.3
PI
0.6
0.8+0.5T/τ
PID
0.95
2.4
χ=0%,min tr
P
0.7
PI
0.7
1+0.3T/τ
PID
1.2
2
Tab.2. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej.
Rodzaj przebiegu przejściowego
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
4
PODSTAWY AUTOMATYKI
Td/τ
0.4
0.4
Ćwiczenie PA9
„Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem
PLC SIMATIC”
4.1 Środowisko programowe
Po uruchomieniu programu InTouch, w oknie wyboru aplikacji naleŜy uruchomić
wcześniej przygotowaną wizualizację klikając dwukrotnie na „PW_Wizualizacja”. Po ukazaniu się listy okien do wyboru naleŜy wybrać „pid” oraz „trendy_biezace”, kliknąć OK i
uruchomić aplikację przechodząc w tryb RUNTIME.
Rys.3. Wybór okien wizualizacji
UkaŜe się panel sterowania regulatora oraz wykres trendów bieŜących. MoŜna z tego poziomu zmieniać reŜim regulatora, nastawy punkt pracy itp. Wyświetlana jest takŜe aktualna wartość ciśnienia w zbiorniku.
Po kliknięciu na wykres moŜna wybrać wyświetlane sygnały a takŜe inne parametry trendu
jak czas odświeŜania, grubość linii, zakresy itp.
Po kliknięciu przycisku „Trendy historyczne” moŜliwy jest podgląd przeszłych przebiegów.
Rys.4. Widok trendów bieŜących.
5
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA9
„Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem
PLC SIMATIC”
Rys.5. Widok trendów historycznych.
Poruszać się po wykresie moŜna przy pomocy strzałek i przycisków „Zoom In” i „Zoom
Out” bądź po kliknięciu na obszarze wykresu przez wybór punktu początkowego i długości
okna.
MoŜliwy jest takŜe eksport widocznych przebiegów do pliku csv.
4.2. Badanie charakterystyk statycznych
Zmieniając wartość wyjścia regulatora (CV) w trybie „manual” obserwuj na wyświetlaczu pozycjonera rzeczywiste otwarcie zaworu (CVy) oraz ciśnienie w zbiorniku (PV) w
stanie ustalonym. Zanotuj wyniki.
CV [%]
CVy [%]
PV
[bar]
0
5
10
…
…
15
17
19
…
…
40
50
65
80
100
Tab.3. Charakterystyki statyczne
Uwaga – Wartości CV w tabeli są przykładowe. Ze względu na silną nieliniowość charakterystyk, oraz niewielką sprawność spręŜarki naleŜy odcinek charakterystyki, dla którego następują duŜe zmiany ciśnienia przy małych zmianach sterowania zbadać dokładniej (np. co
2%). Natomiast gdy badana charakterystyka stanie się bardziej płaska naleŜy badać ją rzadziej (np. co 10-15%).
Zanotuj parametry pracy okładu:
- ciśnienie zasilania:
- dławienie na wylocie zbiornika:
bar
obr
6
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA9
„Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem
PLC SIMATIC”
4.3. Wyznaczanie nastaw regulatora metodą Zieglera-Nicholsa
Z wykorzystaniem przygotowanej wizualizacji przeprowadź eksperymentalny dobór
nastaw regulatora wg. Reguły Zieglera-Nicholsa. Wzmocnienie krytyczne i czas oscylacji
wyznacz w punkcie największego wzmocnienia dynamicznego obiektu.
Kkr
Tosc[s]
Wyznaczone nastawy regulatorów:
regulator
K
Ti
Td
P
PI
PID
Tab.4. Nastawy regulatora wg. reguły Zieglera-Nicholsa
4.4. Wyznaczanie nastaw regulatora metodą tablicową
Z wykorzystaniem przygotowanej wizualizacji przeprowadź identyfikację obiektu.
Skok na wejściu obiektu zadaj w punkcie największego wzmocnienia dynamicznego obiektu.
Przeprowadź skok „w dół” i „w górę”.
Transmitancja zastępcza dla skoku „w dół”:
regulator
K
Ti
Td
P
PI
PID
Tab.5. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej – skok „w dół”.
Transmitancja zastępcza dla skoku „w górę”:
regulator
K
Ti
Td
P
PI
PID
Tab.6. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej – skok „w górę”.
7
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA9
„Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem
PLC SIMATIC”
4.5. Badanie zamkniętego układu regulacji
Po wyznaczeniu nastaw i konsultacji z prowadzącym przeprowadź test działania układu dla
zmian SP:
a) z 40 na 60 % Pz
b) z 20 na 10% Pz
c) z 75 na 85% Pz
Pz – ciśnienie zasilania
Zanotuj czas regulacji oraz odchyłkę statyczną. Skopiuj otrzymane przebiegi przy pomocy
zrzutu ekranu bądź przez eksport do pliku csv.
est[bar]
tr[s]
regulator wariant
P
a)
b)
c)
PI
a)
b)
c)
PID
a)
b)
c)
Tab.7. Wskaźniki jakości przebiegów regulacji
5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA
W sprawozdaniu z ćwiczenia naleŜy zamieścić:
• Charakterystyki statyczne
o PV(CV)
o PV(CVy)
o CVy(CV)
• Kkr,Tosc oraz wyznaczone nastawy dla metody Zieglera-Nicholsa
• Transmitancję zastępczą obiektu oraz wyznaczone nastawy dla metody tablicowej
• Parametry odpowiedzi oraz przebiegi ilustrujące działanie regulatorów
• Odpowiedzi na pytania:
o Jaki charakter ma charakterystyka PV(CV)? (jaką krzywą przypomina
– wzór)
o Czy jest ona korzystna dla celów regulacji?
8
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA9
„Badanie układu regulacji ciśnienia w zbiorniku ze sterownikiem
PLC SIMATIC”
o Jaką funkcję naleŜałoby wstawić na wyjściu regulatora aby zlinearyzować PV(CV)?
o Który regulator naleŜałoby zastosować w układzie?
o Czy dla wszystkich wariantów układ był stabilny? – JeŜeli nie to jakie
mogą być powody takiego stanu?
6. PRZYKŁADOWE PYTANIA KONTROLNE
I.
II.
Transmitancja regulatorów: P, PI, PDidealny, PDrzeczywisty, PIDidealny, PIDrzeczywisty
Narysować odpowiedź ww. regulatorów na:
a) zakłócenie skokowe e = 1(t) * est
b) zakłócenie liniowo narastające e = a * t
Na odpowiedziach zaznaczyć nastawy regulatorów.
III.
Narysować odpowiedź regulatora o transmitancji G(s) = 2[1+1/(2s)] na sygnał:
IV.
Na czym polega dobór nastaw regulatora PID metodą Zieglera-Nicholsa (rysunek +
opis)
V.
Na czym polega dobór nastaw regulatora PID metodą tablicową – obiekt statyczny,
identyfikacja metodą odpowiedzi skokowej (rysunek + opis)
6. LITERATURA
[1].
śelazny Marek, Podstawy Automatyki, WPW Warszawa 1973
9
PODSTAWY AUTOMATYKI