Podst. Automatyki ćwicz. 9b - Instytut Automatyki i Robotyki

Prowadzący(a)
Grupa
Zespół
Lp.
Nazwisko i imię
1.
Instytut
Automatyki i Robotyki
2.
LABORATORIUM
PODSTAW
4.
data ćwiczenia
Ocena
3.
5.
AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA9b
1
Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach pionowych przy
wykorzystaniu sterownika Versa Max
1. Wstęp
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi rodzajami sterowania
automatycznego: w układzie otwartym i w układzie zamkniętym oraz doświadczalny dobór
nastaw regulatora PID w układzie zamkniętym przy wykorzystaniu sterowników PLC oraz
systemu typu SCADA.
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 laboratoryjnego:
Na stanowisku laboratoryjnym znajdują się dwa silniki indukcyjne M1 i M2
(zasilane przez przemienniki częstotliwości: U1 i U2). Zadanie silników polega na
przemieszczaniu poziomej belki po prowadnicach pionowych. Zamontowane wyłączniki
krańcowe GC sygnalizują połoŜenie belki: GC1- górne połoŜenie, GC2 – dolne. Na rys. 1
przedstawiono schemat elektro-mechaniczny stanowiska.
1
Opracowanie instrukcji do ćwiczenia : mgr inŜ. Łukasz Tabor
1
Rys. 1 Schemat elektro-mechaniczny stanowiska
Dodatkowo na wale obrotowym kaŜdego z silników zamontowano przetwornik obrotowoimpulsowy, który mierzy rzeczywistą prędkość obrotową silników. Stanowi on sygnał
sprzęŜenia zwrotnego. Regulacja w realizowana jest przez sterownik programowalny
Versa Max (oznaczony na stanowisku jako 1AZ). Porównuje on zadaną wartość prędkości
SP z prędkościami rzeczywistymi PV. Na podstawie odchyłek e = SP – PV wylicza
odpowiednie wartości sterowania, które są wysyłane do przemienników częstotliwości. W
sterowniku znajdują się dwa oddzielne bloki PID regulujące niezaleŜnie prędkości
obrotowe silników M1 i M2.
Przypadku otwartego układu sterowania do przemiennika wysyłana jest bezpośrednio
wartość prędkości zadanej
Zmiana rodzaju układu sterowania jak i zmiana nastaw dokonywana jest za pomocą
aplikacji: Modbus RTU uruchamianej na komputerze PC.
3. Przebieg ćwiczenia:
Ćwiczenie obejmuje sterowanie w układzie otwartym i zamkniętym przy wykorzystaniu
elementów wykonawczych dostępnych na stanowisku laboratoryjnym. Wykonujący
ćwiczenie wyznacza charakterystykę statyczną obiektu oraz dobiera nastawy regulatorów
podczas sterowania w układzie zamkniętym.
Uruchom gotową aplikację Modbus RTU w programie InTouch. W tym celu wybierz z
menu Start\Programy\Wonderware\InTouch. Na ekranie pojawi się okno dialogowe:
InTouch – Application Manager. Aby uruchomić aplikację dwukrotnie kliknij na jej
ikonę Modbus RTU.
Przejdź do ekranu Trendy historyczne (rys.2). W tym celu kliknij przycisk: Trendy
historyczne w menu na dole okna.
2
1
3
2
Rys. 2 Historyczne przebiegi czasowe parametrów eksploatacyjnych
Na ekranie trendów historycznych znajdują się:
1 – okno główne trendów, na którym rysowany jest przebieg czasowy, w tym
wypadku są to wartości prędkości obrotowej : zadanej SP, bieŜącej silnika
pierwszego PV1,bieŜącej silnika drugiego PV2.
2 – suwaki do przesuwania się wzdłuŜ osi czasu
3 – panel sterowania
przyciski: Start, Stop słuŜą do uruchamiania i zatrzymywania silników,
przyciski: Góra, Dół słuŜą do zmiany kierunku przesuwu belki,
suwak i zadajnik liczbowy umoŜliwiają przesłanie zadanej wartości prędkości
PoniŜej panelu sterowania znajdują się przyciski:
OdświeŜ wykres – odświeŜa widok w oknie trendów,
Trendy: Odchyłki – umoŜliwia wyświetlanie w oknie trendów wartości odchyłek:
e1 = SP – PV1, e2 = SP – PV2.
PID – otwiera okno PID pozwalające na zmianę nastaw regulatora PID (P, PI)
oraz wybór układu sterowania (zamknięty/otwarty).
Aby w oknie trendu historycznego obserwować aktualny przebieg zmiennej wpisz
odpowiedni przedział czasu w oknie dialogowym Historical Trend Setup (okno otwierane
jest po dwukrotnym kliknięciu w obszarze obiektu: trendy) przedstawionym na rys. 3.
Rys. 3 Konfiguracja trendu historycznego
3
3.1 Sterowanie w układzie otwartym, wyznaczenie charakterystyki statycznej
Uruchom przesuw belki dla regulatorów pracujących w trybie ręcznym. Na ekranie PID
powinien być wyświetlony klawisz z opisem: Manual (rys.4).
Rys. 4 Konfiguracja regulatora PID
Wciśnij przycisk Start zmieniaj zanotuj PV dla róŜnych wartości wyjściowych
regulatorów.
CV[%]
10
20
30
40
50
60
70
80
90
PV1[obr/min]
PV2[obr/min]
100
Jaki charakter mają zaleŜności PV(CV)?
Czy belka prowadzona jest w sposób stabilny?
3.2
Sterowanie w układzie zamkniętym
Ustal początkowe nastawy obu regulatorów:
Wartość wzmocnienia proporcjonalnego kp2 = 1 = 100%,
Wartość wzmocnienia akcji całkującej ki3 = 0 (akcja całkująca wyłączona), przy czym
ki=kp/Ti , gdzie Ti – stała czasowa akcji całkującej.
Pozostaw domyślną wartość okresu próbkowania: Tp4 = 100ms
2
Wartość wzmocnienia proporcjonalnego - określa zmianę sygnału ustawiającego CV
odpowiadającą zmianie uchybu o 100 jednostek bezwymiarowych PV. Powodowana przez współczynnik
zmiana sygnału nastawiającego będzie wynosić: CV = K p ⋅ Uchyb/100 . Wartość współczynnika mieści się w
zakresie: 0 do 327,67 %
Współczynnik wzmocnienia akcji całkującej - określa zmianę sygnału ustawiającego w przypadku stałej
wartości uchybu, równej 1 jednostce PV. Powodowana przez współczynnik zmiana sygnału wyjściowego
CV będzie wynosić:, CV = K i ⋅ Uchyb ⋅ dt gdzie dt oznacza przyrost czasu obliczany poprzez odjęcie od
3
bieŜącego czasu sterownika czasu, który upłynął od momentu ostatniego wykonania algorytmu PID.
Najczęściej oznacza czas trwania cyklu sterownika (średnio 50 ms) lub okres próbkowania( dla Tp>50ms).
Wartość współczynnika mieści się w zakresie: 0..32767 powtórzeń/s.
4
Odstęp czasowy (podawany w jednostkach 10ms) pomiędzy dwoma kolejnymi wykonaniami bloków
funkcyjnych PID. Przyjmuje wartość z zakresu: od 10ms do 10,9 min.
4
Uruchom przesuw belki w układzie sterowania zamkniętego. Na ekranie PID powinien być
wyświetlony klawisz z opisem: Automat (rys.4). Wciśnij przycisk Start i ustaw wartość
prędkości zadanej na 100 obr/min.
Dobierz odpowiednie wartości nastaw dla regulatorów (P, PI) zgodnie z regułą
Zieglera-Nicolsa.
Uruchom układ sterowania z nowymi nastawami, najpierw dla regulatora P, a następnie PI.
Zoptymalizuj działanie układu poprzez doświadczalne dobranie optymalnych nastaw
regulatorów.
Układ zamknięty dla kp=1, Ti=0
SP[obr/min]
PV1 [obr/min]
100
200
PV2 [obr/min]
e1 [obr/min]
e2 [obr/min]
Obliczone wartości nastaw dla regulatorów (P, PI) zgodnie z regułą Zieglera-Nicolsa
kkryt=
Regulator P
kp=
Tosc=
SP[obr/min]
PV1 [obr/min]
PV2 [obr/min]
PV1 [obr/min]
PV2 [obr/min]
e1 [obr/min]
e2 [obr/min]
e1 [obr/min]
e2 [obr/min]
Regulator PI
kp=
ki =
Parametry odpowiedzi skokowej:
k=
Regulator P
kp=
T=
SP[obr/min]
τ=
Regulator PI
kp=
ki =
Który z regulatorów powinien zostać uŜyty w układzie?
5
Pytania kontrolne:
1. Co to jest układ automatyki?
2. Narysuj schemat otwartego układu regulacji.
3. Narysuj schemat zamkniętego układu regulacji.
4. Jaka jest podstawowa róŜnica pomiędzy zamkniętym i otwartym układem
regulacji?
5. Na czym polega dobór nastaw regułą Zieglera-Nicolsa?
6. Na czym polega identyfikacja obiektu przy pomocy odpowiedzi skokowej?
7. Jaka jest podstawowa zaleta układu z regulatorem PI w porównaniu do układu z
regulatorem P?
8. Transmitancje oraz odpowiedzi skokowe podstawowych regulatorów (P, PI, PD,
PID)
Literatura:
[1]. śelazny Marek, Podstawy Automatyki, WPW Warszawa 1973
6