docZastosowanie pakietu LabView - Pomiary Automatyka Robotyka
download 
Reklamacja Transkrypt
Zastosowanie pakietu LabView - Pomiary Automatyka Robotyka
Pomiary Automatyka Robotyka 4/2006 Zastosowanie pakietu LabView do sterowania procesem gięcia szyb Przedstawione rozwiązanie jest oparte na zastosowaniu komputera klasy PC wyposażonego w kartę pomiarową. Z użyciem pakietu LabView opracowano aplikację spełniającą rolę sterowania procesem oraz będącą interfejsem użytkownika. Proponowane rozwiązanie charakteryzuje się niskim kosztem i dużą funkcjonalnością. Możliwe są zastosowania podobnych układów pomiarowych do sterowania procesami o średnim poziomie złożoności algorytmów sterowania Mariusz Rząsa * Zastosowanie w komputerach kart pomiarowych i odpowiedniego oprogramowania umożliwia stworzenie złożonych systemów sterowania i kontroli procesu przemysłowego przy stosunkowo małym nakładzie finansowym. Przykładem takiego rozwiązania jest opisany proces sterowania piecem do gięcia szyb (rys. 1). Gięcie szyb to proces przebiegający w kilku etapach. W najprostszej postaci, gdy chcemy zagiąć szybę cylindrycznie na zadany promień gięcia, pierwszy etap polega na podgrzaniu szyby do temperatury, w której szyba staje się plastyczna. W drugim etapie następuje gięcie szyby, podczas tego procesu bardzo ważne jest utrzymanie w piecu temperatury rzędu kilkuset ºC 700 T (°C) 300 ETAP 4 400 ETAP 3 ETAP 1 500 ETAP 2 600 200 100 t (min) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Rys. 1. Przykładowa charakterystyka zmian temperatury w procesie gięcia szyb z dokładnością do kilku ºC. Trzecim etapem jest proces odpuszczania szyby. Polega on na wygrzewaniu szyby po wygięciu w odpowiedniej temperaturze przez odpowiedni czas. Ostatnim etapem jest proces chłodzenia polegający na stopniowym schładzaniu szyby z odpowiednią szybkością. Szybkość chłodzenia musi być kontrolowana w czasie, ponieważ zbyt szybkie chłodzenie może spowodować pęknięcie szyby. Przy gięciu szyb w bardziej złożony sposób niż cylindryczne gięcie na jeden zadany promień liczba etapów znacznie wzrasta. Wyżej opisany proces gięcia szyb wymusza zastosowanie sterowników programowalnych. Zapropono- * dr inż. Mariusz Rząsa – Katedra Techniki Cieplnej i Aparatury Przemysłowej, Politechnika Opolska wane w artykule rozwiązanie nie wymaga zastosowania jakichkolwiek sterowników programowalnych. Całość programu znajduje się w komputerze wyposażonym w kartę pomiarową, która steruje urządzeniami wykonawczymi – cały proces sterowania odbywa się z poziomu komputera łącznie z panelem operatora. Rozwiązanie to znacznie upraszcza system sterowania. Budowa pieca do gięcia szyb Na rys. 2 przedstawiono budowę pieca do gięcia szyb. Pokrywa 1 stanowi główny element grzejny pieca. W dolnej części pokrywy znajdują się grzałki 3. Obok grzałek są zainstalowane termoelementy 4. Po załadowaniu wózka 2 szybami ułożonymi na formach następuje przejazd wózka pod pokrywę pieca, która po opuszczeniu na wózek rozpoczyna proces grzania komory. Końcowymi etapami procesu jest chłodzenie komory i szyb. Proces chłodzenia polega na wyłączeniu grzałek i uniesieniu pokrywy na odpowiednią wysokość. Szybkość chłodzenia jest regulowana poprzez odpowiednie zmienianie wysokości podniesienia pokrywy. 4 3 1 2 Rys. 2. Budowa pieca do gięcia szyb Rozkład temperatury w piecu podczas grzania przedstawia rys. 3. Nierównomierność rozkładu temperatury w komorze pieca jest spowodowana konwekcją ciepła do otoczenia przy ścianach pieca. Nierównomierność temperatury jest rzędu 10 ... 15 °C. Taka różnica temperatury może już powodować braki – szyby ułożone w formach przy ściankach pieca nie uzyskują zadanego promienia gięcia. System sterowania procesem 10 Rzasa_19.indd 10 4/20/2006 11:11:41 AM Pomiary Automatyka Robotyka 4/2006 grzania musi więc skorygować powstającą różnicę. Wymusza to zastosowanie nad każdą grzałką czujnika temperatury i wprowadzenie wielosekcyjnego regulatora temperatury. Każda sekcja regulatora obejmuje jedną parę termoelementów i odpowiednią grzałkę, natomiast wartość zadana, będąca funkcją przyrostu temperatury, jest wyliczana na podstawie średniej wartości temperatury w całej komorze pieca. 500 Elementem wykonawczym podnoszenia pokrywy pieca jest siłownik napędzany silnikiem elektrycznym. Sterowanie silnikiem jest oparte na regulatorze krokowym [2]. Wartością mierzoną w tym regulatorze jest szybkość obniżania się temperatury, wyliczana na podstawie uśrednionych wartości ze wszystkich czujników temperatury umieszczonych w piecu. Proponowane rozwiązanie nie wymaga stosowania czujników położenia pokrywy pieca. T (°C) Algorytm regulacji temperatury 480 460 440 420 l (m) 400 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Rys. 3. Rozkład temperatury w komorze pieca W przypadku procesu chłodzenia tolerancje nierównomierności temperatury nie są już tak istotne i można było zastosować regulator uwzględniający jedynie wartość średnią temperatury w piecu, a szybkość obniżania się temperatury reguluje się szczeliną uchylenia pieca. System regulacji i pomiaru System sterowania procesem oraz całość systemu regulacji znajduje się w oprogramowaniu komputera. Całość systemu sterowania spełnia karta pomiarowa. W modelowym rozwiązaniu zastosowano kartę PCI 726 firmy Eagle. Do wejść analogowych podłączono termoelementy mierzące temperaturę w poszczególnych sekcjach pieca. Znacznym uproszczeniem systemu pomiarowego jest zastosowanie prostych przetworników temperatury na napięcie, bez układów korekty charakterystyki termoelementów. Korekcję charakterystyki zrealizowano numerycznie, wprowadzając do oprogramowania odpowiednią funkcję [1]. Procedury regulatora dwustanowego do sterowania grzaniem również wpisano w algorytm programu, co umożliwia zredukowanie modułu sterowania. Moduł sterowania grzałką stanowi klucz tyrystorowy odpowiedniej mocy. Regulator temperatury spełnia dwie funkcje istotne z punktu widzenia technologicznego. W pierwszym etapie, po zamknięciu pokrywy pieca jest istotne, aby możliwie szybko osiągnąć zadaną temperaturę w piecu. Jednakże, gdy temperatura jest bliska temperaturze plastyczności szyby jest istotne, aby uzyskać możliwie równomierny rozkład temperatury w przekroju poprzecznym pieca. Ponieważ nagrzewanie przy ściankach pieca przebiega wolniej niż w części środkowej, zastosowano układ regulacji wielosekcyjnej: każda grzałka jest sterowana z oddzielnego bloku regulatora. Moc grzałki jest regulowana współczynnikiem otwarcia tyrystora. Algorytm regulacji zakłada, że: grzałka jest włączona ciągle, gdy temperatura sekcji jest niższa od temperatury zadanej więcej niż o 50 °C grzałka jest włączana cyklicznie w zależności od odchyłki regulacji, gdy temperatura sekcji znajdzie się w przedziale ±50 °C od temperatury zadanej. Okres jednego cyklu wynosi 2 s. W cyklu czas włączenia grzałki jest proporcjonalny do odchyłki regulacji zgodnie z zależnością: W = ON ⎧ e ≤ −50°C ⎪ ⎪ ⎧ ⎛T e ⎞ ⎪ ⎪t ≤ ⎜⎝ 2 + 50°C ⎟⎠ ⎪ ⎪ f (t ) = ⎨−50°C < e < 50°C ⎨ ⎪ ⎪t > ⎛ T + e ⎞ ⎪ ⎪⎩ ⎜⎝ 2 50°C ⎟⎠ ⎪ W = OFF ⎪ e ≤ −50°C ⎩ W = ON W = OFF gdzie: e – odchyłka regulacji, W – wyjście dwustanowe sterowania grzałką, T – czas cyklu regulatora. Powyższą funkcję regulacji zaimplementowano w pakiecie LabView (rys. 5). Różnica pomiędzy war- Przetwornik 0–10 V Moduł sterowania grzałką Sekcja 1 Moduł sterowania podnoszenia pokrywy Rys. 4. Budowa systemu sterowania piecem Rys. 5. Aplikacja algorytmu regulacji w LabView 11 Rzasa_19.indd 11 4/20/2006 11:12:00 AM Pomiary Automatyka Robotyka 4/2006 tością zadaną a mierzoną jest porównywana w bloku wyboru przedziału. Wartości graniczne tego bloku zdefiniowano: -50 °C i +50 °C. Gdy wartość porównania zawiera się w zadanym przedziale, na wyjściu bloku jest wartość aktualnej odchyłki regulacji – wartość ta jest zamieniana na czas załączenia grzałki poprzez mnożenie jej przez odpowiedni współczynnik. Suma czasu załączenia i wyłączenia grzałki jest stała i wynosi 2000 ms. Na rys. 5 przedstawiono jeden z modułów regulatora temperatury przeznaczony do regulacji temperatury jednej sekcji pieca. Dla każdej sekcji jest wymagany oddzielny moduł regulacji. Czas cyklu regulatora dobiera się odpowiednio do czasu inercji pieca. Zakres granicznych temperatur zależy od nierównomierności nagrzewania się pieca oraz czasu inercji. Powyższe parametry dobiera się eksperymentalnie. Algorytm chłodzenia komory pieca Regulator chłodzenia pieca jest oparty na regulacji trójstanowej. Wartością wejściową regulatora jest szybkość obniżania temperatury, liczona jako średnia wartość obniżenia temperatury podczas jednego cyklu regulatora. VT = zależy od czasu całkowania podnoszenia/opadania pokrywy pieca. W modelowym rozwiązaniu załączenie silnika na 1 s powodowało jednorazowe podniesienie pokrywy pieca na wysokość ok. 5 mm, stanowiło to wystarczający krok podnoszenia pieca. W przypadku adaptowania tego algorytmu dla innych pieców, czas ten powinien być dostosowany do indywidualnych parametrów pieca. Po jednorazowym podniesieniu pokrywy pieca następuje tzw. czas martwy, który zawsze trwa 1 min. Czas ten uzależy od czasu inercji chłodzenia pieca. Strefę nieczułości w modelowym rozwiązaniu ustawiono na 5 °C/min. Ze względów technologicznych wydaje się, że tę wartość można przyjąć za wystarczającą w większości procesów gięcia szyb. Interfejs operatora Dzięki bogatym możliwościom graficznym pakietu LabView stworzono przyjazny dla operatora interfejs sterowania piecem. Panel operatora przedstawiono na rys. 7. 1 N ∑ ti T i =1 gdzie: t i jest wartością temperatury i-tej sekcji, N – liczbą sekcji, T – czasem cyklu regulatora. W modelowym rozwiązaniu czas cyklu regulatora wynosił 1 min. Ze względu na dużą inercję pieca w stosunku do czasu całkowania wynikającego z otwarcia pokrywy pieca, konieczne jest zastosowanie regulatora krokowego. Zastosowano regulator o czasie trwania jednego kroku 1 s. Na rys. 6 przedstawiono aplikację algorytmu chłodzenia w pakiecie LabView. W algorytmie następuje wyliczenie wartości średniej temperatury odczyta- Rys. 6. Aplikacja algorytmu chłodzenia w LabView nej z czujników umieszczonych w poszczególnych sekcjach pieca. Na tej podstawie jest obliczana odchyłka od wartości zadanej. W zależności od tego, czy odchyłka jest dodatnia czy ujemna jest wybierana odpowiednia funkcja (zamykanie lub podnoszenie pokrywy pieca). Podnoszenie lub opuszczanie pokrywy pieca trwa zawsze jednakowy czas (1000 ms). Czas ten Rys. 7. Panel aplikacji sterowania piecem Operator ma możliwość zarówno wczytania gotowego programu, w którym są zapisane parametry technologiczne dla danego modelu giętych szyb, jak i modyfikacji lub wprowadzenia własnych parametrów procesu. Wczytanie programu wykonuje się z panelu głównego, natomiast modyfikację programu można przeprowadzić w zakładce „Programowanie”. Po załadowaniu pieca, klękając na przycisk START, uruchamia się proces. Proces rozpoczyna się od zamknięcia pokrywy pieca, co jest sygnalizowane zapaleniem się odpowiedniej lampki kontrolnej. Przejścia procesu do odpowiednich etapów procesu technologicznego są sygnalizowane zapalaniem się poszczególnych kontrolek. W tabeli pod lampką kontrolną kolejnego etapu pojawiają się wartości temperatury zadanej, według wprowadzonego programu procesu technologicznego. Ponadto jest wyświetlany czas osiągnięcia odpowiednich parametrów, pozwalający operatorowi na śledzenie przebiegu procesu. W ramce „Temperatura” są wyświetlane aktualne temperatury odczytane z czujników umieszczonych w sekcjach pieca. dokończenie na s. 14 12 Rzasa_19.indd 12 4/20/2006 11:12:01 AM
