10_Методичка ЛР (2). Микропроцессорных контроллеров управления в задачах автоматизации
 Скачать 2.88 Mb.
|
|
5.3 Контрольные вопросы 1. Какова конфигурация программного обеспечения лабораторного стенда? 2. Какова конфигурация аппаратного обеспечения лабораторного стенда? 3. Какие физические параметры лабораторного стенда подлежат измерению и регулированию? 4. Как снять переходную характеристику объекта регулирования – уровень жидкости в резервуаре? 5. Как снять переходную характеристику объекта регулирования – расход жидкости в трубопроводе? 6. Как снять переходную характеристику объекта регулирования – давление в трубопроводе? 7. Какие режимы системы автоматизации предусмотрены в системе автоматизации? 8. Каковы функции ручного и автоматического режимов работы системы? 9. Какой тип регулятора используется для регулирования уровнем, расходом и давлением, 10. Как определить зону регулирования каждого из объектов регулирования? Лабораторная работа №6. Исследование режима автонастройки на примере системы регулирования уровня жидкости насосной станции Цель работы: получить навыки автонастройки на примере системы регулирования уровня жидкости насосной станции. Исследовать и освоить основные принципы режима автонастройки регулятора. 6.1 Задание к лабораторной работе 1. Исследовать функциональный блок PID_Compact, и принцип его работы. 2. Произвести настройку PID_Compact регулятора. Определить основные настроечные свойства регулятора. 3. Исследовать основные принципы работы лабораторного стенда, программного обеспечения и диспетчерского пункта. 4. Получить переходные характеристики регулирования уровня жидкости насосной станции с визуализацией их на HMI панель и РС станции. 5. Снять все значения уровня с последующим сохранением в архив. 6. Объяснить результаты полученных переходных характеристик. 7. Сделать выводы. Заполнить отчет. 6.2 Порядок выполнения работы 6.2.1. Вызов функционального блока PID_Compact. Для начала работы необходимо запустить TIA Portal на кафедральном ноутбуке «Насосная станция»: Рабочий стол>> Папка Программы>> TIA Portal. После открытия программы запустить готовый проект «Pump_station». Таблица переменных проекта приведена в Приложении Б. TIA Portal c серией контроллеров Simatic S7-1200 и выше предлагает новейший ПИД регулятор PID_Compact, который используется для управления технологическими процессами с непрерывными входными и выходными переменными. Функциональный программный блок PID_Compact представлен на рисунке 6.1. Рисунок 6.1 – ПИД регулятор PID_Compact PC станция - интерфейс для визуализации параметров процесса автоматизации, различных технологических объектов на персональном компьютере оператора или диспетчера. PC станция позволяет отображать все параметры системы, осуществлять контроль и управление за объектом в реальном режиме времени. Для организационного проведения исследований и работы с проектом необходимо указать переменные - теги во вкладке PLC Tags. Все переменные приведены в Приложении В. Затем переходим во вкладку Program Blocks (рисунок 2.19) в котором созданы программные блоки, каждый из которых содержит программный код. PID_Compact вызывают в постоянном интервале времени цикла, поэтому рекомендовано вызывать его с помощью блока циклических прерываний ОB30, а не в главном блоке ОВ1. PID контроллер измеряет временной интервал между двумя значениями, а затем оценивает результаты полученной временной выборки. Среднее значение временной выборки генерируется при каждом режиме переключения и при начальном старте. Если текущее время выборки сильно отклоняется от этого среднего значения, то возникает ошибка и PID_Compact переключается на режим "Inactive" (не активен). PID контроллер измеряет временной интервал между двумя значениями, а затем оценивает результаты полученной временной выборки. Среднее значение временной выборки генерируется при каждом режиме переключения и при начальном старте. Если текущее время выборки сильно отклоняется от этого среднего значения, то возникает ошибка и PID_Compact переключается на режим "Inactive" (не активен). Компонент PID_Compact может самостоятельно вычислить P-, I-, и D компоненты во время запуска (если настроен на "pretuning" - пред настройку). Также регулятор включает в себя режим для "тонкой настройки", чтобы позволить оптимизировать параметры объекта. При выборе работы с PID_Compact TIA Portal автоматически создаст технологический объект и «Data block» DB блок. Блок DB содержит все параметры, которые используются при настройке регулятора. Каждый PID_Compact, при правильной работе, должен иметь свой собственный уникальный блок DB, как показано на рисунке 6.2. 1200 контроллеры программируются стандартными языками Step7 (LAD, FBD) и SCL (Structured Control Language), новый язык программирования высокого уровня, который основан на языке Pascal. Рисунок 6.2 – DB блок для регулятора PID_Compact На рисунке 6.3 представлен компонент PID_Compact на трех языках программирования для S7-1200. В Приложении Г описаны основные параметры блока PID_Compact, типы входных и выходных параметров, типы данных, их описание. PID_Compact функционирует в пяти режимах, которые приведены в таблице 2.2. Если возникла ошибка, то регулятор переходит автоматически в режим не активности, по желанию пользователь можно произвести настройку блока, или выбрать ручной или автоматический режим работы. Рисунок 6.3 – Компонент PID_Compact на языках LAD, FBD, SCL В автоматическом режиме регулятор самостоятельно производит необходимую настройку параметров, и вырабатывает выходной сигнал на исполнительное устройство, в ручном режиме пользователь может подавать сигнал на исполнительное устройство, то есть самостоятельно осуществлять процесс регулирования. Для начала необходимо вызвать PID_Compact в постоянном интервале времени цикла с помощью блока циклических прерываний ОB30, а не в главном блоке ОВ1. Таблица 2.2 – Режимы работы блока PID_Compact Параметр и его тип Тип данных Описание Параметр и его тип State OUT Int Текущий режим работы ПИД- регулятора. Значение по умолчанию: 0 sRet.i_Mode для изменения режима. • State = 0: Не активен • State = 1: «Pretuning» пред настройка • State = 2: Ручная точная настройка • State = 3: Автоматический режим • State = 4: Ручной режим 6.2.2 Произвести настройку конфигурации функционального блока PID_Compact. Настроить начальные параметры регулятора, тип регулятора PID_Compact (рисунок 6.4), основываясь на его математической модели, в том числе возможность выбора структуры ПИ или ПИД, как показано на рисунке 6.5. PID_Compact дает возможность осуществлять выбор необходимых входных и выходных данных, их пределы (рисунок 6.6) в зависимости от объекта, его свойств и сигналов, как показано на рисунке 6.6. Рисунок 6.4 – Выбор типа контроллера блока PID_Compact Рисунок 6.5 – Настройка начальных параметров блока PID_Compact Рисунок 6.6 – Настройка диапазон параметров блока PID_Compact Регулятор в случае отключения питания сохраняет предыдущие настройки и сразу же перезапускает PID_Compact, поэтому сброс блока необходимо осуществлять с помощью начального блока (Startup block OB100). ОВ100 блок теплого рестарта, выполняет необходимые действия в случае перезапуска контроллера, на другие возможные вариации сброса регулятора блок не реагирует (рисунок 6.7). Рисунок 6.7 – Сброс ПИД регулятора ОВ100 ПИД-регулятор PID_Compact для вычисления выходного сигнала описывается следующей формулой: (2.2) где y – выходное значение; – фактическое значение; – заданное значение; – оператор Лапласа; – время интегрирования; – время дифференцирования; – коэффициент усиления регулятора; – коэффициент задержки; – пропорциональная взвешенная; – дифференциальная взвешенная. На рисунке 6.8 приведена блок диаграмма функционального блока, на которой строится принцип действия регулятора. Рисунок 6.8 – Структура PID_Compact 6.2.4. Организационный блок Main. Настройка функции для безопасного пуска насоса. Нормирование аналоговых сигналов. Организационный блок Main (OB1) включает в себя функцию безопасного пуска насоса FC1, программу для нормирования всех аналоговых входных и выходных сигналов (рисунок 6.9), задавая диапазон значений физической величины. Так же в блок Main включена функция FC2, для переключения режимов конфигурации трубопровода, подавая управляющие сигналы на электрические клапана К7, К8 и К10 (рисунок 6.10). Безопасный пуск насоса обеспечивает нормальную работу насоса, во избежание износа насоса, функция FC1 включает программу задержки включения/выключения и флаг запрета запуска насоса (рисунок 6.11). Рисунок 6.9 – Нормирование аналогового сигнала Рисунок 6.10 – Выбор конфигурации трубопровода Рисунок 6.11 – Функция безопасного пуска насоса 6.2.5. Исследование режима автонастройки с помощью HMI панели и PC системы. Окно РС системы включает два режима работы регулятора, автоматический и ручной. В автоматическом режиме необходимо лишь указать начальные параметры регулятора, при необходимости, или же в ручном режиме самостоятельно подавать сигнал на исполнительное устройство. В качестве исполнительного устройства выступает аналоговый клапан, на него подается управляющий сигнал с контроллера, и в зависимости от этого сигнала изменяется его положение в диапазоне от 0 до 100 %. Уровень отображается в миллиметрах (мм). Kp, Ti, Td – параметры ПИД регулятора. РС станция, включает кнопки выбора режима работы регулятора, ввод коэффициентов регулятора, таблицу, позволяющую отображать все данные за любой промежуток времени, сохранять данные в SQL архив, Excel файл. С помощью свойства Teg logic, указываем все параметры, подлежащие архивированию, время выборки и время снятия показаний задания уровня и значения уровня (рисунок 6.15). При исследовании блока PID_Compact, возникла проблема с указанием начальных параметров регулятора, при работе в автоматическом режиме. Реакция блока на изменение параметров при различных возмущениях и т.д. Рисунок 6.14 – PC станция для исследования процесса регулирования уровня Рисунок 6.15 – Выбор параметра для архивирования 6.2.6. Произвести исследование режима автонастройки в автоматическом режиме, в соответствии с вариантом преподавателя. Исследовать режим автонастройки в автоматическом режиме, согласно вариантам, приведенным в таблице 6.1. Где необходимо установить задание, а также коэффициенты ПИД регулятора. Далее провести опыты изменяя значения коэффициенты на 10%, 50%, 100 % и на 500% Снять все переходные характеристики. Записать все текущие значения в архив. 6.2.8. Получить переходные характеристики при режиме автонастройки, с сохранением всех значений в архив (не менее 3). Все текущие значения уровня жидкости в баке сохранять в архив, в виде файла Excel. Полученные результаты вывести на одном графике для получения сравнительно характеристики. Сделать выводы. 6.2.9. Исследовать влияние сброса регулятора на процесс регулирования. Получить переходные характеристики системы (не менее 3). Полученные результаты, имеющие в пункте вывести на одном графике для получения сравнительно характеристики. Сделать выводы. Пример переходных характеристик приведен на рисунке 6.16. Рисунок 6.16 – Результаты эксперимента исследования регулирования Таблица 6.1 № варианта Задание, мм Kp Ti с Td с 1 ПИ 100 10 5 - ПИД 5 2 ПИ 110 25 10 - ПИД 10 3 ПИ 120 30 15 - ПИД 15 6.2.10 Получить результаты исследования. Объяснить результаты полученных данных. Результаты исследований приведите в виде графиков функции. Составьте структуру программного и аппаратного обеспечения. Поясните функцию регулятора. Обработайте результаты эксперимента. 6.2.11 Сделать выводы. Заполнить отчет. Отчет должен содержать: - цель работы; - структурную схему программного обеспечения; - экспериментальные таблицы данных; - анализ экспериментальных данных; - переходные характеристики; - результаты экспериментов; - выводы по работе. 6.4 Контрольные вопросы 1.4.1 Объясните основные принципы системы с автонастройкой параметров. 1.4.2 Что такое параметрическая автонастройка? 1.4.3 Как реализованы блоки автонастройки в программно-техническом комплексе? 1.4.4 Дайте характеристику объекта регулирования давления жидкости в трубопроводе и расход жидкости в трубопроводе 1.4.5 Изменение каких параметров изменяет параметры регулятора давления и регулятора расхода? 1.4.6 Приведите алгоритм метода Куна. 1.4.7 Как изменится характер переходного процесса, если изменится инерционность измерительного преобразователя? Лабораторная работа №7. Проектирование и программирование системы инвариантности к изменению нагрузки системы регулирования уровня жидкости насосной станции Цель работы: разработать и исследовать программный комплекс системы инвариантной к изменению параметров насосной станции 7.1 Задание к лабораторной работе 1. Произвести настройку PID_Compact регулятора. Определить основные настроечные свойства регулятора. 2. Определить рабочую конфигурацию трубопровода насосной станции, с положением всех механических и электрических клапанов. 3. Задать начальные параметры PID_Compact регулятора для проведения экспериментов. 4. Проверка регулятора по возмущающему воздействию на технологический объект управления 5. Получить переходные характеристики регулирования уровня жидкости насосной станции с визуализацией их на РС станцию. 6. Снять все значения уровня с последующим сохранением в архив. 7. Объяснить результаты полученных переходных характеристик. 8. Сделать выводы. Заполнить отчет. 7.2 Порядок выполнения работы 7.2.1 Произвести настройку регулятора. Подготовить диспетчерский пункт для снятия и архивирования экспериментальных данных. Установить тип регулятора, установить функциональный блок в автоматический режим, задать все начальные параметры, как показано на рисунке 7.1. Рисунок 7.1 – Настройка системы регулирования 7.2.2 Добиться установившегося состояния системы. 7.2.3 Выполнить проверку регулятора по возмущающему воздействию на технологический объект управления. Для исследования влияния возмущающих воздействий на технологический объект и качество регулирования, необходимо провести ряд экспериментов, с изменением конфигурации трубопровода. Пример влияния возмущающих воздействий в виде переходных характеристик приведен на рисунке 7.2. 7.2.4 Выполнить проверку регулятора по управляющему воздействию на технологический объект управления Для исследования влияния управляющих воздействий на технологический объект и качество регулирования, необходимо провести ряд экспериментов, с изменением значения задания. Пример влияния управляющих воздействий в виде переходных характеристик приведен на рисунке 7.3. Экспериментальный стенд позволяет создавать одновременно несколько возмущающих воздействий на регулируемый технологический объект, моделировать разной сложности нестандартные технологические ситуации. Результаты экспериментов визуализируются в виде графиков переходных процессов результатов эксперимента по проверке робастности регуляторов по управляющему и возмущающему воздействию, которые сохраняются в виде архивов данных для последующей обработке. 7.2.5 Получить переходные характеристики при каждом исследовании 7.2.6 Записать все значения изменения уровня жидкости в баке насосной станции. И сохранить их в архив 7.2.7 Заполнить таблицу 7.1 результатов экспериментальных исследований Т а б л и ц а 7.1 – Результаты экспериментальных исследований Закрытые клапаны Задание уровня Подключение возмущения Время (T ) - теоретическое Время (T ) – экспериментальное 1 Рисунок 7.2 – Результаты эксперимента исследования регулирования при воздействии возмущающих сигналов Рисунок 7.3 – Результаты эксперимента исследования регулирования при воздействии управляющих возмущений 7.2.8 Сделать выводы. Заполнить отчет. Отчет должен содержать: - цель работы; - все начальные значения экспериментальных исследований; - экспериментальные таблицы данных; - анализ экспериментальных данных; - выводы по работе. 7.3 Контрольные вопросы 1. Почему переключение ручных клапанов на стенде насосной станции приводит к изменению качества регулирования? 2. Какая конфигурация трубопровода на макете насосной станции обеспечивает минимальное время настройки регулятора? 3. Что означает термин «инвариантность» системы регулирования по заданию и по возмущению? 4. Приведите примеры изменение сигнала задания системы регулирования давления и системы регулирования расхода на макете насосной станции. 5. Как обеспечить инвариантность системы регулирования уровнем на исследуемом макете насосной станции? 6. Приведите порядок вывода передаточной функции звена инвариантности в системе регулирования уровнем жидкости? 7. Как реализовать звено инвариантности по заданию и по возмущению в библиотеке программного обеспечения TIA Portal? Список литературы: 1. Киянов Н.В., Крюков О.В., Блинов М.В. Методология оптимизации инвариантного управления электроприводом в условиях стохастических возмущений: Тр. V Междунар. конф. по автоматизированному электроприводу. - СПб., 2007. – С. 54–57. 2. Киянов Н.В., Крюков О.В., Прибытков Д.Н. Концепция разработки инвариантных автоматизированных электроприводов для водооборотных систем // Электротехника. – 2007. – № 11. – С. 62–68. 3. Практическое пособие по регулированию на основе SIMATIC. Юрген Мюллер с участием др.-инж. Волкер Хунгер др.-инж. Бернд-Маркус Пфайфер 2002 г. 4. А.А. Воронов, В.К.Титов, Б.Н.Новогранов Основы теории автоматического регулирования и управления 5. Кваско М.З. Проектирование и расчет цифровых систем управления. – К.: УМК АО, 1991. – 220 с 6. Справочник инженера по АСУТП. Проектирование и разработка 7. Тавернье К. PIC- микроконтроллеры. Практика применения: Пер. с фр. М.:ДМК Пресс,2003. -272 с.:ил.(Серия «Справочник»). 8. Сайт http://www.intuit.ru/- электронный учебник «Архитектура микропроцессорных устройств», Гуров Л. 9. Сайт http://www.minplan.kz/economyabout Министерство экономического развития и торговли Республики Казахстан 10. Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / Под ред. Проф. В.П. Дьяконова.- М.:СОЛОН-Пресс, 2004. – 256 с.:ил. – (Серия «Библиотека инженера»). 11. А.А.Копесбаева Микропроцессорные комплексы в системах управления. Учебное пособие /Алматы, АИЭС, 2010 г. 121с. 12. А.А.Копесбаева Микропроцессорные средства и программно- технические комплексы. Методические указания к лабораторным работам (для студентов специальности 36.03 Автоматизация технологических процессов и слушателей ФПК) – АИЭС, Алматы 2001 год. 13. А.А.Копесбаева, А.Б.Файзулина, А.А.Рябцев. Микропроцессорные средства и программно-технические комплексы. Методические указания к выполнению лабораторных и семестровых работ (для студентов специальности 36.03 Автоматизация технологических процессов), Часть 2 – АИЭС, Алматы 2001 год Приложение А Рисунок А.1 – Блок CONT_C Продолжение Приложения А Рисунок А.2 – Блок CONT_C Продолжение Приложения А Рисунок А.3 – Блок CONT_C Продолжение Приложения А Рисунок А.4 – Блок CONT_C Продолжение Приложения А Рисунок А.5 – Блок CONT_C Приложение Б Рисунок Б.1 – Блок CONT_S Продолжение Приложения Б Рисунок Б.1 – Блок CONT_S Продолжение Приложения А Рисунок Б.2 – Блок CONT_S Приложение В Рисунок В.2 – Блок PID_Compact Приложение Г Рисунок Г.1 – Блок данных PID_Compact Рисунок Г.2 – Блок данных PID_Compact Продолжение приложения Г Рисунок Г.3 – Блок данных PID_Compact |