WPROWADZENIE Podstawowe parametry RF-537

I
WPROWADZENIE
Celem projektu było opracowanie, wdrożenie do produkcji i wdrożenia obiektowe
uniwersalnego adaptacyjnego regulatora PID do automatyzacji procesów technologicznych w
energetyce, ciepłownictwie, hutnictwie, przemyśle maszynowym, chemicznym, materiałów
budowlanych i innych. Ze względu na funkcjonalność i mikrokontroler (80C537) przyjęto
nazwę Regulator funkcjonalny RF-537. Regulator został opracowany w dwu wersjach podstawowej i rozszerzonej, różniących się zakresem funkcji i pojemnością pamięci (64/128K
EPROM). W wersji podstawowej jest on konwencjonalnym regulatorem PID przeznaczonym
do regulacji jednoobwodowej, stosunku i kaskadowej, z wyjściem ciągłym, 2- lub 3pozycyjnym. W wersji rozszerzonej staje się regulatorem adaptacyjnym mogącym
jednocześnie prowadzić sterowanie logiczno-sekwencyjne i przetwarzać pomocnicze
pomiary. Zegar RTC pozwala uzależnić funkcjonowanie od czasu rzeczywistego. Wersja
rozszerzona jest wersją docelową. RF-537 może pracować zarówno indywidualnie, jak i
wchodzić w skład kompleksowych systemów sterowania. Nie wymaga specjalizowanych
driverów komunikacyjnych.
Podstawowe parametry RF-537
Poniższe zestawienie pozwala bliżej zorientować się w podstawowych parametrach
regulatora.
• Konstrukcja sprzętowa: mikrokontroler 80C537; pamięci 64/128K EPROM, 2/4K
EEPROM, 8/32K RAM (2 wersje); panel czołowy - wskaźnik 4-cyfrowy, identyfikator
(1 cyfr.), 5 przycisków, linijka LED-owa, LED-y pojedyncze; komunikacja - RS-485, RS232C; wymiary - 144×72×270 mm
• Wejścia/wyjścia obiektowe: 4 wejścia analogowe 0/4...20 mA, 2 wyjścia analogowe
0/4...20 mA, 8 wejść binarnych 24V/10mA, 6 wyjść binarnych - w tym 2 przekaźnikowe
30V/1A i 4 napięciowe 24V/0.4A, 1 wyjście watch-doga 24V/1A
• Wersja podstawowa: 13 struktur regulacyjnych (jednoobwodowe, stosunku, kaskadowe), 5
wariantów określania wielkości zadanej, sterowanie ciągłe, 2- lub 3-pozycyjne, współpraca
ze stacyjkami zewnętrznymi i regulatorem redundancyjnym, kontrola siłownika, protokół
komunikacyjny TRANS
• Wersja rozszerzona: samonastrajanie, adaptacja, programowa zmiana nastaw, programator
20-etapowy dla procesów okresowych, zegar czasu rzeczywistego RTC, 16 grup bloków
funkcyjnych (arytmetyczne, logiczne, przerzutniki, komparatory itp.), protokoły MODBUS
i PROFIBUS
• Symulator RF-537: pełna symulacja komputerowa regulatora (konfiguracja,
parametryzacja, obsługa), symulator obiektowy - wybór struktury, transmitancji i
parametrów obiektu, przesyłanie danych konfiguracyjnych i parametrów do RF-537
• Konfigurator graficzny: wizualizacja obwodów wejścia/wyjścia, struktur regulacyjnych,
bloków PID itp., zmiana przełączników konfiguracyjnych i parametrów, przesyłanie
danych do RF-537.
Symulator służy do nauki obsługi i konfiguracji RF-537, testowania skonfigurowanych
struktur, analizy sterowania adaptacyjnego itp. Widok skonfigurowanych schematów
generowanych przez konfigurator graficzny ułatwia zrozumienie funkcjonowania regulatora
zastępując w znacznym stopniu instrukcję.
II
Charakterystyka oprogramowania
Struktury regulacyjne. W RF-537 są one następujące (por. [1]): FSP - regulacja
stałowartościowa, 2SP - dwie wielkości zadane, DSP - zależne wielkości zadane, DDC bezpośrednie sterowanie cyfrowe, RDN - rezerwa redundancyjna, ESP - regulacja nadążna,
FRTO - stałowartościowa regulacja stosunku, ERTO - nadążna regulacja stosunku, FSPC kaskadowa regulacja stałowartościowa, ESPC - nadążna regulacja kaskadowa, FCRT kaskadowa stałowartościowa regulacja stosunku, ECRT - kaskadowa nadążna regulacja
stosunku, PIND - wskaźnik procesowy. Wyjście ciągłe, 2- lub 3-pozycyjne może być
ustawiane automatycznie (z PID), ręcznie, zdalnie - ze stacyjki SSR, sterownika PLC lub
komputera, albo przełączane na wartość bezpieczną. Za pośrednictwem wejść binarnych RF537 może kontrolować pracę siłownika.
Samonastrajanie. Celem samonastrajania i adaptacji jest uzyskanie przebiegów przejściowych
o zadanym kształcie i minimalnym czasie trwania. Kształt jest określony przez zadane
przeregulowanie OVS* i tłumienie DMP* dla odpowiedzi na zakłócenie skokowe. Taki sam
cel ma algorytm EXACT Foxboro [2]. Strojenie standardowe jest prowadzone metodą
sterowania przekaźnikowego, jak u Hägglunda-Ĺströma [3]. Rozpoczyna się od krótkiego
okresu pasywnej obserwacji obiektu, gdzie regulator ocenia poziom szumu (3 minuty). RF537 automatycznie dobiera amplitudę przekaźnika, histerezę oraz typ działania regulatora (PI
lub PID). Nastawy są określane z warunku R(jω0)G(jω0)=0.5⋅exp(-j135°) (zmodyfikowana
metoda Zieglera-Nicholsa [3]), który daje przebiegi bliskie aperiodycznym krytycznym.
Podczas strojenia precyzyjnego regulator pobudza obiekt krótkimi impulsami, po czym
obserwując przebiegi przejściowe (rejestracja w RAM) tak koryguje nastawy, aby przebiegi
uzyskały zadany kształt (OVS*, DMP*) i trwały jak najkrócej. Tę samą metodę zastosowano
w adaptacji. Samonastrajanie dostarcza również danych do programowej zmiany nastaw
(parabola poprowadzona przez 3 punkty).
Adaptacja. Jest prowadzona nowym algorytmem „kroczenia po powierzchni” [4, 5]. RF-537
ma zapisane w pamięci EPROM mapy przeregulowania OVS, tłumienia DMP oraz względnej
częstotliwości naturalnej OMN (=ωnTi) jako funkcje nastaw PID. Powierzchnie te
jednoznacznie określają optymalny punkt, w którym przebiegi uzyskują zadany kształt
(OVS*, DMP*) i minimalny czas. Regulator na podstawie wartości OVS, DMP, OMN
charakteryzujących ostatnio zarejestrowany przebieg (RAM) wykonuje krok w kierunku tego
-τs
punktu. Mapy OVS, DMP, OMN są wyznaczone dla obiektu k0 e /(Ts+1), gdzie τ=T, tzn.
opóźnienie jest równe stałej czasowej. Wrażliwość takiego „wzorcowego” obiektu na zmiany
nastaw jest większa niż dla τ<T co powoduje, że dla typowych obiektów (τ<T) RF-537
ostrożnie (monotonicznie) dochodzi do punktu optymalnego, zwiększając stopniowo czułość.
W przypadku obiektów z dominującym opóźnieniem (τ>T) różnice wrażliwości z wzorcem
są nieduże, więc zbieżność, choć nie monotoniczna, pozostaje zadowalająca. Badania
porównawcze pokazały, że pod względem zbieżności algorytm „kroczenia” zachowuje się
podobnie jak EXACT Foxboro [2,4,5, 6].
Bloki funkcyjne. Regulator RF-537 jest wyposażony w 16 grup bloków funkcyjnych
służących następującym celom: (1) niestandardowe przetwarzanie zmiennych procesowych
dla PID, (2) wielkość zadana zmieniana programowo, zależna od czasu rzeczywistego, wejść
analogowych, binarnych itp., (3) sterowanie logiczno-sekwencyjne urządzeń
współpracujących z obiektem, np. pomp, silników, (4) przetwarzanie sygnałów dla komputera
nadrzędnego. Bloki pozwalają na pełne wykorzystanie zasobów sprzętowych regulatora
zbliżając go do sterowników wielofunkcyjnych [7]. Wśród bloków przeważają proste matematyczne, logiczne, przerzutniki, komparatory, timery. Blokami złożonymi są: kalkulator
III
przepływu, aproksymacje wieloodcinkowe, programator 20-etapowy, zegar RTC. Wśród
bloków wejściowych i wyjściowych znajdują się nadajnik i odbiornik komunikacyjny. Ręczne
oddziaływanie na bloki z pominięciem PID, np. włączenie/zatrzymanie/zerowanie
programatora, odbywa się za pomocą 2 klawiszy „wirtualnych”.
Komunikacja. RF-537 może prowadzić komunikację według protokołów TRANS, MODBUS
i PROFIBUS, przy czym protokołem podstawowym jest MODBUS. Uporządkowanie
sygnałów analogowych i binarnych (adresy) jest takie samo jak w sterownikach PLC
Modicon [8], dzięki czemu z regulatorem można komunikować się korzystając z typowych
driverów komunikacyjnych MODBUS RTU. Podobnie postąpiono w przypadku
PROFIBUSa, gdzie RF-537 emuluje regulator Digitric P Hartmanna-Brauna [9]. RF-537
można bezpośrednio włączyć do systemów sterowania, w których pakietami SCADA są FIX,
InTouch, Wizcon.
Prace badawczo-rozwojowe i wdrożenia
Prace badawczo rozwojowe obejmowały wykonanie prototypów regulatora w wersji
podstawowej i rozszerzonej, opracowanie oprogramowania dla obydwu wersji (z gruntownym
przetestowaniem), opracowanie symulatora, konfiguratora oraz podręcznika użytkownika. W
pracach tych wykorzystano następujące narzędzia programowe: OrCAD - projekty płytek
drukowanych, Borland C, C++ - symulator regulatora i konfigurator graficzny, Keil 100 oprogramowanie użytkowe RF-537 (rodzina 8051), Matlab-Simulink - badanie algorytmów
samonastrajania i adaptacji. Problemami, których rozwiązanie wymagało szczególnego
nakładu pracy były: (1) doprowadzenie oprogramowania wersji rozszerzonej do na tyle
zoptymalizowanej formy, aby mieściło się w 128K EPROM, (2) opracowanie logiki
ekspertowej zapewniającej wymaganą odporność adaptacji w warunkach przemysłowych,
przy dopuszczeniu szerokich zmian dynamiki obiektu.
Prace wdrożeniowo-inwestycyjne objęły zakup urządzeń i materiałów do produkcji,
wytworzenie serii informacyjnych w wersjach podstawowej i rozszerzonej, wdrożenie
produkcyjne oraz wdrożenia obiektowe. Wdrożenie produkcyjne obejmowało opracowanie
dokumentacji, harmonogramu produkcji i montażu, stanowiska testująco-diagnostycznego,
normatywów zapasów magazynowych i inne. Zdolność produkcyjna ZPDA-ZAP wynosi
obecnie ok. 300 sztuk rocznie. Na wdrożenia obiektowe składało się opracowanie projektów,
wykonanie szaf i pulpitów sterowniczych, wykonanie instalacji pomiarowej i zasilania,
montaż urządzeń automatyki, uruchomienie systemów oraz szkolenia.
Egzemplarze informacyjne regulatora RF-537, łącznie 23, zostały skierowane do
następujących przedsiębiorstw i firm specjalistycznych: Poznań - Zakłady Gazownicze,
AUPOMA,
PIECOBIOGAZ;
Katowice
Zakłady
Remontowe
Energetyki,
ENERGOAPARATURA; Ostrów Wlkp. - Zakłady Automatyki Przemysłowej, Gorzów Elektrociepłownia, Częstochowa - Zakłady STRADOM, Działoszyn - Kombinat WARTA,
Odolanów - Zakład KRIO. Na razie były to regulatory w wersji podstawowej. Jednak ze
względu na taką samą liczbę sygnałów obiektowych w obydwu wersjach, przejście z
oprogramowania podstawowego na rozszerzone wymaga tylko wymiany pamięci i
krosowania.
RF-537 a regulatory zachodnie
W poniższym zestawieniu podano, do którego spośród regulatorów znanych firm można
porównać RF-537 pod względem określonych cech funkcjonalnych:
IV
• struktury regulacyjne, wielkości zadane, wejścia/wyjścia SIPART DR20/22 Siemens [1]
• samonastrajanie, programowa zmiana nastaw
ECA400 SattControl [3, 10]
• adaptacja
763 Series Foxboro [2, 11]
• bloki funkcyjne, technika konfiguracji
SIPART DR24 Siemens [1],
Digitric P Hartmann-Braun
[9] (zob. [7]).
Ogólnie biorąc RF-537 jest uniwersalnym adaptacyjnym regulatorem PID, który dzięki
dodatkowym blokom funkcyjnym może również prowadzić sterowanie logiczne i przetwarzać
pomiary. Regulator zawiera programator 20-etapowy i zegar RTC.
Pod względem sprzętowym regulator RF-537 odpowiada obecnemu poziomowi techniki
mikroprocesorowej. Tym niemniej w ZPDA-ZAP i Politechnice Rzeszowskiej powstaje
stopniowo odpowiednia baza w celu przejścia za ok. 3 lat na procesor 16-bitowy (80C166) i
dostosowanie RF-537 do standardów EU IEC.
Dalsza część sprawozdania jest w rzeczywistości instrukcją obsługi regulatora RF-537.
Literatura
1.
(a) Kompaktregler. Katalog MP 31, 1993; (b) Der Kompaktregler SIPART DR22. E684,
1989; (c) SIPART DR24 Multi-Function Unit. 6DR 2400, 1991. Siemens AG, Karlsruhe
2. Kraus T.W., Myron T.J.: Self-tuning PID controller using pattern recognition approach.
Control Engineering, v. 31, 106-111, 1984
3. Hägglund T., Ĺström K.J.: Industrial adaptive controllers based on frequency response
techniques. Automatica, v. 27, 599-610, 1991
4. Świder Z., Trybus L.: Samonastrajanie i adaptacja w regulatorze przemysłowym RF-537.
AUTOMATION’97, Warszawa, 221-232, 1997
5. Świder Z., Trybus L.: Adaptive control algorithm of the RF-537 controller. 3rd IFAC
Symp. SICICA’97, Annecy, 205-210, 1997
6. Ĺström K.J., Hägglund T., Hang C.C., Ho W.K.: Automatic tuning and adaptation for
PID controllers - a survey. Control Engineering Practice, v. 1, 699-714, 1993
7. Trybus L.: Regulatory wielofunkcyjne. WNT, Warszawa, 1992
8. Modicon MODBUS Protocol. Modicon, Jan., 1991
9. Compact controller Digitric P derial interface. Hartmann-Braun AG, 42/61-26-2 EN,
Frankfurt
10. Controller ECA400. User Guide. SattControl Instruments AB, Solna, 1991
11. 763 Series Single Station Micro Plus Controller. Foxboro, 1993