LABORATORIJSKI HIDRAVLIČNI SISTEM KOT UČNI …Slika 7.21: Odziv sistema na stopnično spremembo...
Transcript of LABORATORIJSKI HIDRAVLIČNI SISTEM KOT UČNI …Slika 7.21: Odziv sistema na stopnično spremembo...
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Matej Mihelčič
LABORATORIJSKI HIDRAVLIČNI SISTEM KOT UČNI PRIPOMOČEK PRI SNOVANJU
SISTEMOV VODENJA
Magistrsko delo
Maribor, februar 2016
I
LABORATORIJSKI HIDRAVLIČNI SISTEM KOT UČNI PRIPOMOČEK PRI SNOVANJU
SISTEMOV VODENJA
Magistrsko delo
Študent: Matej Mihelčič
Študijski program: Magistrski bolonjski študijski program
Elektrotehnika
Smer: Avtomatika in robotika
Mentor: doc. dr. Nenad Muškinja
Lektor(ica): Danila Jan, univ. dipl. slav.
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Nenadu
Muškinji za pomoč in vodenje pri opravljanju
magistrskega dela. Posebna zahvala velja staršem
za vzpodbudo in omogočanje študija.
IV
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček
pri snovanju sistemov vodenja
Ključne besede: vodenje sistema, regulacije, avtomatizacija
UDK: 681.51(043.2)
Povzetek
V laboratoriju za procesno avtomatizacijo se nahaja hidravlični sistem, ki služi kot učni
pripomoček pri predmetu Snovanje sistemov vodenja. Staro krmilno opremo smo nadomestili
z novo, odpravili napake in izdelali nove programe za vodenje. Sistem je deljen na dva dela,
ki sta predmet različnih magistrskih del, določeni deli pa se prepletajo. Mednje lahko štejemo
zamenjavo krmilne opreme, odpravljanje napak sistema in načrtovanje ožičenja. V
nadaljevanju je opisano načrtovanje regulatorjev nivoja vode v podsistemu 2, programiranje
krmilnikov Moeller ter Siemens in izdelava SCADA-uporabniškega vmesnika. Magistrsko delo
je izdelano kot obširno navodilo uporabnikom sistema. Projekt je zasnovan kot učni
pripomoček študentom in omogoča enostavno in logično upravljanje sistema preko
uporabniškega vmesnika. Sistem ponuja širok nabor možnih nalog in načinov regulacije, ki
pa se lahko po potrebi tudi razširi z uporabo motornih pogonov ventilov med veznimi
posodami in boljšim regulacijskim ventilom v podsistemu 2.
V
Laboratory hydraulic system as studying accessory at
control systems designing
Ključne besede: system control, controllers, automation
UDK: 681.51(043.2)
Abstract
Laboratory for process automation contains a hydraulic system, which serves as a studying
accessory for »Control systems design« subject. The old control equipment was replaced with
a new one, system errors were eliminated and new controlling program was written. System is
divided into two subsystems, which are seperately described in two masters degree works,
and certain parts are common in both projects. These are controlling equipment replacing
and wiring, system error eliminating and wiring designing. Further, the process of controller
design and programming of Siemens and Moeller PLCs and SCADA system designing are
described. This masters degree work is made as a detailed user's guide for system users. The
project is designed as a studying accessory for students and allows easy and intuitive system
controlling via SCADA HMI. System allows many ways of controlling and can be extended
with additional actuators for ball-valves and better servo-driven valve in subsystem 2.
VI
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ................................................................................................................................ 1
2 OPIS LABORATORIJSKEGA HIDRAVLIČNEGA SISTEMA ..................................... 3
2.1 Tehnični podatki posameznih gradnikov sistema ............................................................ 4
2.1.1 Podsistem 1 ............................................................................................................... 4
2.1.2 Podsistem 2 ............................................................................................................... 8
2.1.3 Omara in krmilna oprema ....................................................................................... 12
3 IZDELAVA NAČRTOV KRMILNE OMARE S PROGRAMSKIM ORODJEM EPLAN
15
4 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA MOELLER EASY S PROGRAMSKIM ORODJEM
EASYSOFT-PRO 6.................................................................................................................. 17
4.1 Krmiljenje ventila z Easy/MFD-modulom ................................................................ 19
4.2 Predelava in opis programa na krmilniku ...................................................................... 20
4.2.1 Prepis ročno nastavljenih parametrov ................................................................ 21
4.2.2 Regulacija ........................................................................................................... 21
4.3 Rokovanje z uporabniškim vmesnikom Easy/MFD .................................................. 21
5 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA SIEMENS SIMATIC S7-1500 S PROGRAMSKIM
ORODJEM TIA PORTAL V13 ............................................................................................... 23
5.1 Kreiranje projekta, nastavitev strojne opreme, povezava naprav v mrežo ................ 23
5.2 Programiranje krmilnika ............................................................................................ 26
5.2.1 Opis programa ......................................................................................................... 27
6 IZDELAVA SCADA-UPORABNIŠKEGA VMESNIKA S PROGRAMSKIM
ORODJEM TIA PORTAL V13 ............................................................................................... 32
6.1 Opis uporabniškega vmesnika ................................................................................... 34
7 NAČRTOVANJE REGULATORJEV ............................................................................. 39
7.1 PID-regulatorji ........................................................................................................... 39
7.2 Eksperimentalno nastavljanje parametrov PID-regulatorjev ..................................... 40
VII
7.2.1 Odprtozančna metoda .............................................................................................. 41
7.2.2 Zaprtozančna metoda .............................................................................................. 43
7.3 Regulacija nivoja vode v merilni posodi 2 ................................................................ 45
7.3.1 Statična karakteristika procesa ................................................................................ 49
7.3.2 Regulacija nivoja 2 s črpalko 2 ............................................................................... 52
7.3.3 Regulacija nivoja 2 z ventilom 2 ........................................................................ 56
7.3.4 Kaskadni regulator nivoja 2 ............................................................................... 61
7.3.5 Regulacija nivoja 1 s črpalko 2 .......................................................................... 68
8 REZULTATI .................................................................................................................... 71
9 SKLEP .............................................................................................................................. 78
10 VIRI .................................................................................................................................. 79
11 PRILOGE ......................................................................................................................... 80
VIII
KAZALO SLIK
Slika 2.1: Laboratorijski hidravlični sistem. .............................................................................. 4
Slika 2.2: Črpalka podsistema 1. ................................................................................................ 5
Slika 2.3: Frekvenčni pretvornik podsistema 1. ......................................................................... 5
Slika 2.4: Pnevmatski regulacijski ventil. .................................................................................. 6
Slika 2.5: Merilnik tlaka. ............................................................................................................ 7
Slika 2.6: Merilnik nivoja 1. ....................................................................................................... 7
Slika 2.7: Črpalka podsistema 2. ................................................................................................ 8
Slika 2.8: Frekvenčni pretvornik podsistema 2. ......................................................................... 9
Slika 2.9: Regulacijski ventil z elektropogonom. ...................................................................... 9
Slika 2.10: Merilnik nivoja 2. ................................................................................................... 10
Slika 2.11: P/U/I pretvornik. .................................................................................................... 10
Slika 2.12: Merilnik pretoka. .................................................................................................... 11
Slika 2.13: Varnostni elektromagnetni ventili. ......................................................................... 11
Slika 2.14: Kapacitivni senzor. ................................................................................................ 12
Slika 2.15: Čelna plošča krmilne omare. .................................................................................. 12
Slika 2.16: Notranjost krmilne omare. ..................................................................................... 13
Slika 2.17: Krmilnika SIEMENS SIMATIC S7-1500. ............................................................ 14
Slika 4.1: Osnovno okno programskega orodja easySoft-Pro 6............................................... 17
Slika 4.2: Nastavitev funkcije. ................................................................................................. 19
Slika 4.3: Strani prikazovalnika. .............................................................................................. 21
Slika 4.4: Funkcijske tipke uporabniškega vmesnika. ............................................................. 22
Slika 5.1: Nastavitev komunikacije PROFINET. ..................................................................... 24
Slika 5.2: Nastavitev HMI-povezave. ...................................................................................... 25
Slika 5.3: Status HMI-povezave............................................................................................... 26
Slika 5.4: Bita »always_on« in »always_off«. ......................................................................... 28
Slika 5.5: »Scale« funkcija. ...................................................................................................... 29
Slika 5.6: »Put« funkcija. ......................................................................................................... 30
Slika 5.7: »Get« funkcija. ......................................................................................................... 30
Slika 6.1: Pogovorno okno za izdelavo SCADA-uporabniškega vmesnika. ........................... 33
Slika 6.2: Nastavitev lastnosti gumba. ..................................................................................... 34
Slika 6.3: Osnovno okno SCADA-uporabniškega vmesnika. .................................................. 35
IX
Slika 6.4: Okno za nastavitev regulatorja. ................................................................................ 37
Slika 6.5: Okno za nastavitev kaskadnega regulatorja. ............................................................ 38
Slika 7.1: Vzporedni PID-regulator. ........................................................................................ 40
Slika 7.2: Parametri za izračun regulatorja. ............................................................................. 42
Slika 7.3: Želeni odziv zaprtozančne metode. .......................................................................... 44
Slika 7.4: Blok »CONT_C«. .................................................................................................... 47
Slika 7.5: Blokovni diagram programskega bloka CONT_C. [8] ............................................ 48
Slika 7.6: Statična karakteristika procesa. ................................................................................ 49
Slika 7.7: Statična karakteristika črpalke 2. ............................................................................. 50
Slika 7.8: Statična karakteristika ventila 2. .............................................................................. 51
Slika 7.9: Statična karakteristika ventila 2. .............................................................................. 51
Slika 7.10: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 s črpalko 2. ............................... 52
Slika 7.11: Položaj ventilov pritoka. ........................................................................................ 53
Slika 7.12: Odziv sistema na stopnično spremembo krmilne vrednosti. ................................. 53
Slika 7.13: Mejno stabilno nihanje sistema. ............................................................................. 54
Slika 7.14: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo črpalke.
.................................................................................................................................................. 55
Slika 7.15: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo črpalke.
.................................................................................................................................................. 56
Slika 7.16: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 z ventilom 2. ............................. 57
Slika 7.17: Odziv sistema na stopnično spremembo krmilne vrednosti. ................................. 58
Slika 7.18: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo ventila. 60
Slika 7.19: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo ventila. 61
Slika 7.20: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 s kaskadno regulacijo. .............. 62
Slika 7.21: Odziv sistema na stopnično spremembo krmilne vrednosti. ................................. 63
Slika 7.22: Mejno stabilno nihanje sistema. ............................................................................. 64
Slika 7.23: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer sta obe regulacijski
zanki izvedeni s PID-regulatorjema. ........................................................................................ 65
Slika 7.24: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer je zunanja zanka
izvedena s PID- in notranja s PI-regulatorjem. ........................................................................ 66
Slika 7.25: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer je zunanja zanka
izvedena s PI- in notranja s PID-regulatorjem. ........................................................................ 67
Slika 7.26: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer sta obe regulacijski
zanki izvedeni s PI-regulatorjema. ........................................................................................... 67
X
Slika 7.27: Mejno stabilno nihanje sistema. ............................................................................. 68
Slika 7.28: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s P-regulacijo črpalke 2.
.................................................................................................................................................. 69
Slika 7.29: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PID-regulacijo črpalke
2. ............................................................................................................................................... 70
Slika 8.1: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti 30-40%. ........................ 72
Slika 8.2: Rezultati pri različnih spremembah želene vrednosti v različnih območjih nivoja. 73
Slika 8.3: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti 30-40 %. ....................... 74
Slika 8.4: Odziv sistema s kaskadno regulacijo, kjer sta regulatorja obeh zank tipa PID. ...... 75
Slika 8.5: Odziv sistema z regulacijo nivoja 1 s črpalko 2. ..................................................... 76
Slika 8.6: Osnovno okno SCADA-uporabniškega vmesnika. .................................................. 77
XI
KAZALO TABEL
Tabela 7.1: Tabela za izračun parametrov regulatorja po odprtozančni metodi. ..................... 43
Tabela 7.2: Tabela za izračun parametrov regulatorja po zaprtozančni metodi. ...................... 44
XII
Uporabljene kratice:
SCADA – supervisory control and data acquisition
HMI – human-machine interface
PLC – programmable logic controller
PC – personal computer
CAN – controller area network
IP – internet protocol
WWW – world wide web
TIA – totally integrated automation
PV – process value
SV – set value
CV – control value
P - proporcionalni
I - integralni
D - diferencialni
XIII
UPORABLJENI SIMBOLI
– proporcionalno ojačanje regulatorja
– integralni čas regulatorja
– diferencialni čas regulatorja
– sprememba procesne vrednosti
– sprememba krmilne vrednosti
– sprememba želene vrednosti
– kritično ojačanje
– čas periode mejno stabilnega nihanja
XIV
II
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
1
1 UVOD
Tehnologija vodenja procesov napreduje, zato je potrebno obnoviti tudi učne pripomočke
bodočih inženirjev. Gradniki sistema se v realnih aplikacijah znatno ne spreminjajo, pač pa
se spreminja način vodenja obstoječih procesov. Število gradenj novih sistemov je v
primerjavi z obnovo le-teh precej manjše. Temu sledijo tudi v laboratoriju za procesno
avtomatizacijo na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru.
Tokrat je bil predmet takšne obravnave hidravlični sistem, ki služi kot učni pripomoček v
omenjenem laboratoriju. Krmilna oprema proizvajalca Moeller je zastarela, sistem pa je
imel tudi nekaj napak. Celoten projekt je zajet v dveh magistrskih delih, ki opisujeta vsak
svoj podsistem, njegovo krmilno opremo, program za vodenje procesa, načrtovanje
regulatorjev in SCADA-uporabniški vmesnik.
Cilj te magistrske naloge je odpraviti napake na sistemu, kot so: nedelujoči varnostni
ventili, stopljeni vodniki v omari in umazanost sistema. Sistem mora omogočati preklop
krmilne opreme s konektorjem na krmilni omari brez razlike v delovanju. Nova krmilna
oprema se namesti na premično stojalo. Program vodenja mora zagotavljati optimalno
delovanje komponent (npr. zaščito pred suhim tekom črpalke). Uporabniški vmesnik mora
biti zasnovan tako, da bo uporabniku prijazen, obenem pa bo omogočal zadostno poseganje
v vodenje in spremljanje procesnih parametrov.
V prvem delu magistrskega dela je opisan sistem v originalnem stanju. Opisane so tehnične
karakteristike posameznih gradnikov, ki so pomembne pri nadaljnjem načrtovanju sistema.
Na kratko je predstavljeno tudi orodje za risanje električnih shem EPLAN, ki je bilo
uporabljeno pri risanju shem prenovljenega sistema. V nadaljevanju je opisan potek
programiranja krmilnika Moeller Easy, kjer je bilo potrebno nadgraditi obstoječi program
tako, da omogoča vodenje krmilnega ventila z glavnim krmilnikom. Programska koda, ki
je bila spremenjena, je podrobno opisana, prav tako je opisano tudi rokovanje z
uporabniškim vmesnikom. Predstavljeno je programsko okolje za programiranje
krmilnikov proizvajalca Siemens. Opisan je postopek kreiranja projekta, vzpostavitve
povezave s krmilnikom, nalaganje nastavitev, programa itd. V nadaljevanju se nahaja opis
programa za vodenje procesa z razlagami posameznih elementov programa. Naslednje
poglavje je namenjeno okolju za izdelovanje SCADA-uporabniškega vmesnika in v njem
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
2
je razložen postopek kreiranja in izdelave le-tega. Izdelana so tudi navodila za uporabo. V
poglavju Načrtovanje regulatorjev se nahaja splošen opis uporabljene teorije, opis
programskega bloka s PID-regulatorjem »CONT_C«, statična karakteristika procesa in
načrtovanje različnih načinov regulacije nivoja. Na koncu se nahaja še pregled rezultatov,
ki so bili doseženi.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
3
2 OPIS LABORATORIJSKEGA HIDRAVLIČNEGA
SISTEMA
Na spodnji sliki se nahaja hidravlični sistem, ki je predmet te naloge. Sestavo lahko
razdelimo v tri sklope:
hidravlični proces,
aktuatorji,
senzorji.
Hidravlični proces sestavljajo komponente, ki služijo za transport in shranjevanje medija.
Na vrhu se nahaja zalogovnik medija (vode), ki se po ceveh pretaka v merilna valja 1 in 2,
črpalki 1 in 2 pa ga črpata nazaj v zalogovnik. Pritok medija v zalogovnik lahko
upravljamo preko krogličnih ventilov spodaj. Če nivo v merilnem valju preseže določeno
vrednost, pritok zaprejo elektromagnetni ventili, ki se nahajajo tik pod zalogovnikom. V
podsistemu 1 (na levi) se nahaja črpalka, dva merilnika tlaka in pnevmatski regulacijski
ventil. Merilnika tlaka sta montirana tako, da je vidna vrednost tlaka pred in za ventilom.
Povratni vod podsistema 2 (na desni) pa je sestavljen iz črpalke, dveh merilnikov tlaka,
regulacijskega ventila in merilnika pretoka. V tem primeru sta merilnika tlaka nameščena
pred in za črpalko. Črpalki obeh podsistemov sta vodeni preko frekvenčnih pretvornikov.
Meritev nivoja izvajata dva merilnika. Nivo 1 meri merilnik na osnovi merjenja sile
vzgona, nivo 2 pa na osnovi zračnega tlaka. Sistem vključuje še ostale komponente, kot so:
glavna krmilna omara, omara za vklop kompresorja zraka, pripravna skupina dovoda
zraka, krmilnika …
Sestavne dele bo potrebno preveriti in po potrebi popraviti oz. servisirati. Novo nameščene
komponente bo potrebno ožičiti, novo instalacijo pa primerno dokumentirati.
Dokumentacija se bo izrisala v programskem orodju EPLAN. Za novo krmilno opremo bo
potrebno napisati program, ki bo vodil sistem, in izdelati uporabniški vmesnik. Potrebno
bo prirediti program in ožičenje krmilnika Moeller Easy tako, da bo mogoče vodenje s
staro ali novo krmilno opremo. Načrtovanje regulatorjev bo potekalo s pomočjo
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
4
eksperimentalnih metod Zegler-Nichols. Regulacija nivoja bo izvedena na več različnih
načinov, npr. regulacija nivoja s črpalko, ventilom ali kaskadnim regulatorjem.
Slika 2.1: Laboratorijski hidravlični sistem.
2.1 Tehnični podatki posameznih gradnikov sistema
2.1.1 Podsistem 1
Črpalka
Centrifugalna črpalka Elko Elektrokovina VC55 T3 s podatki elektromotorja: P= 1.4 kW,
I=2,5 A, n=2820 , f=50 Hz, U=380 V (Y). Pretok črpalke znaša 05-1,5 l/s, tlak pa 3-
5,5 bar.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
5
Slika 2.2: Črpalka podsistema 1.
Frekvenčni pretvornik
Frekvenčni pretvornik Telemecanique Altivar 58 upravlja elektromotor črpalke 1. Njegova
izhodna moč znaša 2,2 kW, deluje na napetostih 380/500 V frekvenc 50 oz. 60 Hz, največji
tok pa znaša 5,8 A. Frekvenčno območje izhoda znaša 0,1-500 Hz. Frekvenčni pretvornik
sledi zunanji referenci, ki je tokovni analogni signal 4-20 mA.
Slika 2.3: Frekvenčni pretvornik podsistema 1.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
6
Pnevmatski regulacijski ventil
Ventil Eckardt PM813 je pnevmatsko reguliran preko položajnega regulatorja Eckardt SRI
986. Referenca regulatorja je tokovni signal 4-20 mA. Najvišji krmilni tlak ne sme preseči
6 bar. Ventil je v stanju brez krmilnega tlaka zaprt.
Slika 2.4: Pnevmatski regulacijski ventil.
Merilnik tlaka
Uporabljena sta dva merilnika tlakov PI4 in PI5, tipa Eltra DMT 200 L. Merilno območje
znaša 0-3 bar, ki ga linearno predstavlja analogni tokovni signal 4-20 mA. Enaka merilnika
(PI1 in PI2) sta uporabljena tudi v podsistemu 2, s tem da ima merilnik PI2 merilno
območje 0-6 bar.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
7
Slika 2.5: Merilnik tlaka.
Merilnik nivoja
Merilnik Eckardt LI 166 deluje na principu vzgona. Pretvornik na osnovi sile teže telesa,
potopljenega v medij, izmeri nivo medija v merilnem valju. Izhod merilnika je tokovni
signal v območju 4-20 mA, ki predstavlja vrednost nivoja 0-100 %. Vrednost nivoja v
odstotkih je prikazana tudi na prikazovalniku na ohišju merilnika.
Slika 2.6: Merilnik nivoja 1.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
8
2.1.2 Podsistem 2
Črpalka
Centrifugalna črpalka Elektrokovina VCV 50/4 T s podatki elektromotorja: P= 1,4 kW,
n=2820 , f=50 Hz, U=220/380 V, I=4,2/2,45 A. Pretok črpalke znaša 0,5-1,5 l/s.
Slika 2.7: Črpalka podsistema 2.
Frekvenčni pretvornik
Frekvenčni pretvornik Omron V1000 krmili črpalko v podsistemu 2. Primeren je za
motorje 2.2 kW/3.0 kW z maksimalnim kontinuirnim tokom 5.5 A. Frekvenčno območje
znaša 0-400 Hz. Referenco za izhodno frekvenco predstavlja analogni signal 4-20 mA, ki
ga pošilja glavni krmilnik. Referenca je skalirana med 0 Hz in 50 Hz.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
9
Slika 2.8: Frekvenčni pretvornik podsistema 2.
Regulacijski ventil z elektropogonom
Ventil IMP RV255 je krmiljen z elektromotorjem. Motor se krmili z 230 V (izmenični tok
50 Hz) napajanjem za levo ali desno vrtenje. Več o krmiljenju ventila se nahaja v poglavju
Krmiljenje ventila z Easy/MFD modulom.
Slika 2.9: Regulacijski ventil z elektropogonom.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
10
Merilnik nivoja
Merilnik nivoja Eckardt silikon CP160 deluje na osnovi razlike tlakov na dnu posode in
tlaka v prostoru. Razlika tlakov se v P/U/I pretvorniku pretvori v analogni tokovni signal
4-20 mA. Merilnik je umerjen v območje 0-100 odstotkov nivoja tekočine.
Slika 2.10: Merilnik nivoja 2.
Slika 2.11: P/U/I pretvornik.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
11
Merilnik pretoka
Merilnik pretoka Foxboro – vortex 83 W ima linearno karakteristiko, izhodni signal pa je
analogni tokovni 4-20 mA. Napajalna napetost merilnika znaša 10,5-50 V enosmerne
napetosti.
Slika 2.12: Merilnik pretoka.
Elektromagnetni ventili in kapacitivni senzorji
Ob prekoračitvi zgornjega nivoja se prožijo elektromagnetni ventili, ki zaprejo pretok vode
v merilna valja in tako preprečijo izlitje vode. Ventili so v stanju brez napetosti zaprti.
Presežen nivo zaznata kapacitivna senzorja, ki sta nameščena na vrhu merilnih valjev.
Senzor tako izklopi releje, ki napajajo aktuator elektromagnetnih ventilov.
Slika 2.13: Varnostni elektromagnetni ventili.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
12
Slika 2.14: Kapacitivni senzor.
2.1.3 Omara in krmilna oprema
Čelna plošča omare, prikazana na sliki 2.15, omogoča vklop/izklop in osnovno upravljanje
sistema. Vklop sistema se vrši s stikalom »Glavno stikalo«, sistem (krmilje) pa zaženemo s
pritiskom na gumb »Vklop krmilja«. Ročno je potrebno vklopiti tudi obe črpalki. Preko
uporabniškega vmesnika Moeller upravljamo z regulacijskim ventilom 2, črpalko pa je
mogoče voditi ročno s pripadajočim potenciometrom. Priključne sponke na spodnjem delu
vrat omogočajo merjenje tokovnih zank.
Slika 2.15: Čelna plošča krmilne omare.
Notranjost omare (slika 2.16) je sestavljena iz napajalnega dela v zgornjem in krmilnega
dela v spodnjem delu omare. Napajalni del vsebuje zaščito, transformator 220 V/2x12 V in
24 VDC-napajalnik. Krmilni del vsebuje releja (SCHRACK PT 570024) za krmiljenje
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
13
ventila in releja za varnostne elektromagnetne ventile (označena s K4 in K5), ki jih prožita
kapacitivna senzorja. Za vklop frekvenčnih pretvornikov skrbita kontaktorja SCHRACK
LA 30101. Celotno krmilje vklaplja kontaktor SCHRACK LA30221. Signali so preko
letve v spodnjem delu priklopljeni na konektor, ki se priklopi na želeni krmilnik. Vsi načrti
povezav opisanih komponent se nahajajo v prilogi.
Slika 2.16: Notranjost krmilne omare.
Sistem krmilita dva krmilnika SIEMENS SIMATIC S7-1500. Poleg centralne enote imata
vsak 4 vhodno/izhodne enote. To so digitalni vhodi, digitalni izhodi, analogni vhodi in
analogni izhodi. Vsaka enota ima tudi svoj napajalnik. Komunikacija poteka preko
PROFINET protokola. Krmilnika se nahajata na leseni plošči, ki se lahko pritrdi na steno
ali vloži v stojalo. Načrti povezav krmilnih signalov se nahajajo v prilogi.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
14
Slika 2.17: Krmilnika SIEMENS SIMATIC S7-1500.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
15
3 IZDELAVA NAČRTOV KRMILNE OMARE S
PROGRAMSKIM ORODJEM EPLAN
V začetku rekonstrukcije sistema je bilo potrebno popraviti in prirediti ožičenje krmilne
omare. Med delom smo posodobili tudi načrte ožičenja in te smo kasneje koristili pri
programiranju krmilnikov in preučevanju delovanja sistema. Načrti so bili izdelani s
programom EPLAN, ki je opisan v nadaljevanju.
EPLAN je programsko orodje za načrtovanje in izdelavo dokumentacije projektov v
elektrotehniki. V našem primeru smo EPLAN uporabili za risanje načrta ožičenja krmilne
omare. Programski paket ponuja široko paleto orodij, ki so primerna za različne vrste
industrije. Tako so na voljo različice:
EPLAN Engineering configuration,
EPLAN Electric P8,
EPLAN Fluid,
EPLAN Engineering configuration one,
EPLAN Harness proD,
EPLAN Pro panel,
EPLAN Preplanning,
EPLAN PPE,
EPLAN Data portal,
EPLAN View,
EPLAN ERP/PDM Integration suite.
V našem primeru smo uporabljali zgolj EPLAN electric P8. To je programsko orodje, ki
omogoča planiranje, dokumentacijo in upravljanje s projekti v avtomatizaciji. Podrobna
poročila se lahko kreirajo avtomatično na podlagi načrtovanih diagramov ožičenja. Orodje
je poleg faze načrtovanja koristno tudi v kasnejših fazah projekta, kot so proizvodnja,
sestava, zagon in servisiranje. Izdelali smo načrte ožičenja krmilne omare ter povezav
omare s krmilniki in sistemom (senzorji in aktuatorji). Ker je bil EPLAN Electric P8
uporabljen zgolj kot orodje za izdelavo dokumentacije posodobljenega ožičenja, kar ni
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
16
osrednja tema tega magistrskega dela, ga podrobneje ne bomo predstavljali. Načrti
ožičenja se nahajajo v prilogi A na koncu tega magistrskega dela.
Po končani predelavi krmilne omare je bilo potrebno prirediti program krmilnika Moeller
Easy, ki omogoča upravljanje ventila 2. Postopek programiranja in opis programa je opisan
v naslednjem poglavju.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
17
4 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA MOELLER EASY S
PROGRAMSKIM ORODJEM EASYSOFT-PRO 6
Programsko orodje omogoča programiranje krmilnika Easy (z razširitvami). V našem
primeru je šlo le za predelavo obstoječega programa brez popravkov vizualizacije.
Zadostovala je demo verzija programa, ki ni plačljiva.
Slika 4.1: Osnovno okno programskega orodja easySoft-Pro 6.
Ob zagonu programskega orodja easySoft-Pro 6 se odpre osnovno okno, kjer lahko v
preklopni vrstici spodaj levo preklapljamo med različnimi stranmi:
Project,
Circuit diagram,
Simulation,
Communication,
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
18
Visualization.
Najprej je potrebno konfigurirati strojno opremo, ki jo bomo uporabljali. V osnovi je
odprta stran »Project«. Na levi strani imamo nabor opreme, kjer izberemo naše
komponente tako, da jih s klikom povlečemo v prazno okno na desni. Lastnosti in
informacije o izbrani strojni opremi so na voljo v oknu spodaj desno. V našem primeru je
krmilnik konfiguriran kot samostojna enota (»stand-alone«), omogočena pa je tudi
vizualizacija. Omogočena je tudi funkcija »debounce« in »P buttons«. Prva zakasni
evalvacijo vhodnih signalov zaradi morebitnih preskakovanj signalov pri stikalih in
gumbih, druga pa omogoči »P« tipke na uporabniškem vmesniku. Možna je tudi nastavitev
gesel ob različnih posegih v program, ki pa v tem primeru ni uporabljena. Na strani
»Visualization« se programirajo prikazi in funkcije tipk na uporabniškem vmesniku. Tu
lahko izbiramo med različnimi elementi za prikazovanje (okno na levi), kot so: grafični,
gumbi, tekstovni, elementi za prikaz vrednosti, elementi za vnašanje vrednosti. Vsak od
naštetih se konfigurira v oknu spodaj desno, kjer se določi npr. naslov, kjer se nahaja
vrednost, ki bo prikazana na zaslonu, omejitev le-te itd. Stran »Circuit Diagram« je
namenjena pisanju programa krmilnika. Na levi strani se nahaja nabor elementov
programa, kot so: osnovni elementi (vhodi, izhodi, markerji, tipke …), časovne funkcije,
numerične funkcije, aritmetične in analogne funkcije, odprto- in zaprtozančne funkcije …
Pisanje programa poteka tako, da izbrane funkcije s klikom povlečemo v okno na desni in
jih med seboj povežemo z orodjem za povezovanje (simbol svinčnika), ki se nahaja v
orodni vrstici zgoraj. Funkcijo moramo po povezavi konfigurirati kot kaže primer na
spodnji sliki. Gre za množilnik vrednosti na naslovu MD-10 s številom 1218, ki sta izbrana
kot vhoda (»Function block inputs«), izhod (»Function block outputs«) pa se zapiše v
naslov MD-11. Za način delovanja funkcije (»Mode«) izberemo množilnik (»MUL-
multiplier«).
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
19
Slika 4.2: Nastavitev funkcije.
Program lahko testiramo na strani »Simulation«, kjer lahko upravljamo s stanji vhodov,
spremljamo stanja izhodov, upravljamo z uporabniškim vmesnikom, nastavimo cikel
simulacije in po potrebi postavimo prekinitveno točko na določeno mesto v programu. Na
voljo imamo tudi osciloskop za opazovanje signalov. Nalaganje programa na krmilnik se
vrši preko okna »Communication«, kjer nastavimo hitrost prenosa in COM-vrata, na katera
je priklopljen naš krmilnik. Pritisnemo še gumb »online« in nato »PC=>device«. Od tod
lahko program na krmilniku poženemo oz. zaustavimo (»Run«, »Stop«), spremljamo
parametre …
4.1 Krmiljenje ventila z Easy/MFD-modulom
Z modulom Easy/MFD krmilimo servopogon ventila preko dveh relejev. Regulacijo
izvajamo z dvopoložajnim regulatorjem s histerezo. Povratno informacijo o odprtosti
ventila dobimo s pomočjo potenciometra v obliki napetostnega signala 0-10 V.
Obstoječi sistem je bil povezan s krmilnikom XC201 preko CAN-vodila. Modul
Easy/MFD je bil konfiguriran kot slave enota, XC201 pa kot master. Krmilnik XC201 je
torej krmilil ventil posredno preko Easy/MFD-modula.
V prenovljenem sistemu bo Siemens S7-1500 posredno preko Easy/MFD-modula krmilil
servopogon ventila. Informacijo o želeni vrednosti odprtosti ventila glavni krmilnik poda
v obliki analognega signala 0-10 V na vhod IA2 na Easy/MFD-modulu. Signal predstavlja
odprtost ventila 0-100 %.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
20
Kljub prenovi sistema mora prvotno krmilje ob zamenjavi vhodno-izhodnega konektorja
na omari še vedno delovati. Za vklop regulacije s Siemensovim krmilnikom se postavi
»Siemens enable bit«, ki je povezan iz digitalnega izhoda DQ0.3 na Siemensovem
krmilniku na digitalni vhod I01 na Easy/MFD-modulu. Ob vzpostavitvi omenjenega bita se
v regulacijski logiki namesto želene vrednosti, ki jo poda krmilnik XC201, v MD15
prepiše skalirana vrednost iz analognega vhoda IA2.
4.2 Predelava in opis programa na krmilniku
Prvotni program za vodenje servopogona ventila je bilo potrebno spremeniti in tako
omogočiti vodenje ventila s Siemensovim krmilnikom. Program sestoji iz štirih glavnih
delov:
Ročno vodenje,
Avtomatsko vodenje,
Prepis ročno nastavljenih parametrov,
Regulacija.
4.2.1 Ročno vodenje
Program omogoča vodenje preko uporabniškega vmesnika na čelni plošči krmilne omare.
Ob pogoju, da je vklopljeno ročno vodenje, se ob pritisku na gumb »gor« (P02) sproži
zapiranje ventila, ki se lahko zaustavi s ponovnim pritiskom na gumb P02. Ob pritisku na
gumb »dol« (P04) se ventil prične odpirati, s ponovnim pritiskom na P04 pa se odpiranje
zaustavi. Ta del programa je ostal nespremenjen ob zamenjavi glavnega krmilnika.
4.2.2 Avtomatsko vodenje
Preklop med avtomatskim in ročnim režimom je možen s pritiskom na gumb »levo« (P01),
stanje režima pa se zapiše v M01. Tudi ta del je ostal nespremenjen ob zamenjavi glavnega
krmilnika.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
21
4.2.1 Prepis ročno nastavljenih parametrov
Če je program v avtomatskem režimu, se izvede prepis vrednosti že prej nastavljenih
parametrov v MD13 (histereza), MD14 (mrtva cona) in MD 15 (želena vrednost). V
slednjega se prepiše vrednost iz analognega vhoda AI2, v kolikor je »Siemens enable bit«
postavljen na 1, oziroma vrednost, ki jo pošlje krmilnik XC201 preko CAN-komunikacije,
v kolikor je omenjen bit enak 0.
4.2.2 Regulacija
Tu se glede na primerjavo želene vrednosti in procesne vrednosti zapira oz. odpira ventil.
Bloka A01Q1 in A02Q1 sta primerjalnika dveh vrednosti, obenem pa je mogoče nastaviti
»OS« (mrtva cona) in »HY« (histereza). To nam torej predstavlja tripoložajni regulator s
histerezo.
To so le glavni elementi programa, ki so pomembni za krmiljenje ventila z novo opremo in
jih je potrebno razumeti. Program vsebuje še nastavitve CAN-komunikacije in strani z
vizualizacijo, ki pa niso predmet tega projekta in so ostale nespremenjene.
4.3 Rokovanje z uporabniškim vmesnikom Easy/MFD
Stanje lahko spremljamo in upravljamo na treh straneh na prikazovalniku.
Slika 4.3: Strani prikazovalnika.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
22
Slika 4.4: Funkcijske tipke uporabniškega vmesnika.
Prva stran nam prikazuje podatke o odprtosti ventila v odstotkih in režimu delovanja
(»ROCNO« – »AVTO«). Prikazuje tudi trenutno stanje izhoda krmiljenja ventila.
Informacijo o aktivnosti dobi uporabnik preko obarvanega kvadrata poleg podatka, ki ga
zanima.
V ročnem režimu lahko uporabnik krmili ventil s tipkama P02 (zapiranje) oz. P04
(odpiranje). Prvi pritisk na gumb sproži akcijo, ponovni pritisk pa jo zaustavi. Preklop med
ročnim in avtomatskim režimom se vrši s tipko P01.
S tipko »*« lahko preklopimo med osnovnim menijem in stranmi z vizualizacijo. S
tipkama P01 in P03 lahko preklapljamo med tremi stranmi vizualizacije. V avtomatskem
režimu lahko na drugi strani (»screen 2«) uporabnik nastavlja želene vrednosti odprtosti
ventila, histereze in mrtve cone v odstotkih. Posamezne vrednosti lahko spreminjamo tako,
da pritisnemo tipko »OK«, nato pa se z navigacijskima tipkama P01 oz. P04 postavimo na
vrednost, ki jo želimo spreminjati. Nato ponovno pritisnemo »OK« za nastavljanje
vrednosti. Vrednost nastavimo tako, da izberemo cifro vrednosti (P01, P03), nato pa s
tipkama P02 in P04 nastavimo vrednost. Po zaključku urejanja pritisnemo »OK«, da
shranimo nastavljeno vrednost. Nastavitev parametrov prekinemo s tipko »ESC«.
S predelavo programa krmilnika Moeller Easy smo zaključili pripravo hidravličnega
procesa za krmiljenje s krmilnikom SIEMENS S7-1500. Programiranje le-tega in izdelava
SCADA-uporabniškega vmesnika je opisana v naslednjih poglavjih.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
23
5 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA SIEMENS SIMATIC
S7-1500 S PROGRAMSKIM ORODJEM TIA PORTAL
V13
Program TIA PORTAL V13 omogoča programiranje krmilnikov Simatic in HMI-naprav.
Uporaba programa ima številne prednosti, npr. enostavno upravljanje s programi,
nastavitvami, vizualizacijo, procesnimi podatki… Programa STEP 7 in WinCC Basic sta
tako združena v enem projektu. To pomeni, da se v primeru sprememb podatki samodejno
posodabljajo v celotnem projektu. Programsko orodje vsebuje tudi knjižnico, kjer ima
uporabnik na voljo širok nabor funkcij. Programiranje se običajno izvede po korakih:
kreiranje projekta,
nastavitev strojne opreme,
povezava naprav v mrežo,
programiranje krmilnika,
izdelava vizualizacije,
nalaganje nastavitev in programa na krmilnik,
diagnostika in odpravljanje napak.
5.1 Kreiranje projekta, nastavitev strojne opreme, povezava naprav v mrežo
Ob odprtju programskega orodja se pojavi okno, v katerem lahko preklopimo med
pregledom projekta ali portalnim pogledom. Pri slednjem lahko odpiramo že obstoječe
projekte ali pa kreiramo nov projekt. Nov projekt kreiramo tako, da v zavihku »Create new
project« vnesemo ime projekta, pot do mesta, kjer se nahaja, ime avtorja ter komentar in
pritisnemo »Create«. Nato izberemo »configure a device« in »add new device«, kjer v
zavihku »Controllers« izberemo krmilnik, ki ga želimo programirati. Odpre se nam
projektni pogled, kjer dodamo še periferijo krmilnika. Slednjo izberemo na desni strani pod
zavihkom »Hardware catalog«. Izbrano komponento dodamo v projekt s potegom na letev
krmilnika. V našem primeru je potrebno dodati še napajalno enoto, digitalne vhode in
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
24
izhode in analogne vhode in izhode. V nastavitvah CPU-enote je potrebno nastaviti IP-
naslov krmilnika v pravilni PROFINET interface povezavi (X1 ali X2).
Slika 5.1: Nastavitev komunikacije PROFINET.
Periferija prav tako omogoča obširen nabor nastavitev v zavihku »General«, kot so: načini
diagnostike, vhodna zakasnitev, prekinitve strojne opreme … Pri analognih enotah se
določi še način merjenja (odvisno od senzorja) in področje merilnega signala, frekvenca in
dušenje motenj ... V zavihku »IO Tags« se nahaja pregled priklopljenih vhodov/izhodov z
informacijo o pripadajoči spremenljivki. Po opravljenih nastavitvah kliknemo ikono
»compile« v zgornji orodni vrstici.
Če želimo izdelati SCADA-vmesnik, moramo v projekt dodati še »PC system«, ki ga
dodamo s klikom na »Add new device«, »PC systems« in v zavihku »SIMATIC HMI
application izberemo »WinCC RT Advanced« in potrdimo z »OK«. Napravi dodamo še
komunikacijski modul »IE General«, ki se nahaja v katalogu na desni v zavihku
»Communication modules«, »PROFINET/ Ethernet«. Preklopimo na zavihek
»Connections« in povežemo PLC- in PC-system tako, da s klikom povlečemo povezavo od
PLC-naprave do PC-system naprave. Ustvari se HMI-povezava, ki ji je potrebno nastaviti
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
25
IP-naslov (tega nam dodeli upravitelj mreže in je dejansko IP-naslov računalnika, na
katerem imamo SCADA-uporabniški vmesnik), kot je prikazano na sliki 5.2.
Slika 5.2: Nastavitev HMI-povezave.
Status povezave lahko vidimo v zavihku »connections«, ki se nahaja na levi strani pod
»PC-System_1«, »HMI_RT_1[WinCC RT Advanced]« (slika 5.3).
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
26
Slika 5.3: Status HMI-povezave.
Vse nastavitve strojne opreme je potrebno prenesti na krmilnik, kar storimo tako, da z
desnim gumbom miške kliknemo na »PLC_1«, »Download to device«, »Hardware
configuration« in nastavimo povezavo s krmilnikom (običajno izberemo PN/IE, mrežno
kartico računalnika, in vrata X1). Program poišče vse kompatibilne naprave v mreži, med
katerimi izberemo želeni krmilnik. Enako storimo za prenos programskih nastavitev za
»PC-system«.
5.2 Programiranje krmilnika
V levem stolpcu programskega okna izberemo »main« v zavihku »Program blocks«. To je
osnovni blok programa, ki se izvaja ciklično. V desnem stolpcu se nahajajo bloki različnih
ukazov, kot so:
osnovni ukazi: logične bitne operacije, časovne operacije, števci, komparatorji,
matematične funkcije, funkcije za premike vrednosti, pretvorbe, funkcije za
vodenje programa …,
razširjeni ukazi: datum in čas, string + char, prekinitve, alarmiranje, diagnostika …,
tehnologija: števci in merjenje, PID-regulatorji, nadzor gibanja ...,
komunikacija: S7-komunikacija, WEB-server …
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
27
Z vlečenjem posameznih blokov v sredinsko okno strukturiramo program. Način uporabe
lahko preberemo v »information system«, do katerega dostopamo s tipko F1.
Spremenljivke lahko blokom dodelimo v »general« zavihku ali pa neposredno nad blokom,
kjer se nahaja tudi gumb za iskanje spremenljivk po datotekah v programu. S klikom na
»add new block« ustvarimo različne programske bloke:
organizacijski blok – OB,
funkcijski blok – FB,
funkcija – FC,
data blok – DB.
V OB1 (»main«) pišemo že omenjeni glavni program. Organizacijski bloki ponujajo vrsto
možnosti izvajanja. Tako se npr. »program cycle« izvaja ciklično (»main«), »startup« se
izvede samo ob zagonu, »time delay interrupt« je prekinitev, prožena po določenem
zakasnitvenem času, »cyclic interrupt« je ciklična prekinitev, »hardware interrupt« je
prekinitev, ki jo proži dogodek na strojni opremi …
Program lahko strukturiramo tako, da za posamezne dele programa napišemo funkcijo ali
uporabimo funkcijski blok, ki ga po potrebi aktiviramo v glavnem programu. Razlika med
njima je ta, da slednji shranjuje vrednosti in so dostopne tudi, ko je blok opravil nalogo,
funkcija pa je blok, ki nima trajnega pomnilnika. Programske podatke shranjujemo v data
bloke. V tabelah »tag table« shranjujemo spremenljivke, ki jih uporabljamo v programu.
Določimo jim ime, tip podatka, ki ga lahko vsebuje, naslov, vidnost in dostopnost v HMI
(uporabniškem vmesniku) in komentar.
5.2.1 Opis programa
V glavnem delu programa (»main«) se nahaja inicializacija, potrebna za »web scado«,
inicializacija podsistema 2, klici funkcij, varnostni pogoj, digitalno-analogna pretvorba,
logika za preklop načinov regulacije, bloka »Put« in »Get« za izmenjavo vrednosti
določenih spremenljivk med dvema krmilnikoma, prepis določenih vrednosti v odvisnosti
od stanja regulacije v krmilniku in izračun nivoja v zalogovniku za potrebe SCADA-
vmesnika. Na spodnji sliki je prikazana začetna sekvenca bitov »always_on« in
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
28
»always_off«, ki služita kot vklop oz. izklop posameznih delov kode, pri preizkušanju ali
odpravi napak med programiranjem.
Slika 5.4: Bita »always_on« in »always_off«.
Naslednji dve sekvenci sta predmet drugega projekta, ki vsebuje upravljanje procesa preko
»web scade«. Blok »WWW« inicializira spletni strežnik krmilnika ali sinhronizira spletno
stran uporabnika s programom krmilnika. Za potrebe spremljanja in shranjevanja podatkov
na spletnem vmesniku se uporablja blok »DataLog«.
V naslednji sekvenci se postavi bit »ventil_enable_bit«, ki pomeni omogočitev regulacije
nivoja 2 preko krmilnika »Moeller Easy« (opisan v poglavju 4), njegova vrednost pa je
vedno 1.
Za zajem procesnih vrednosti se uporablja funkcija »senzorji«, ki jo kličemo iz glavnega
programa. Funkcija skrbi za analogno-digitalno pretvorbo štirih analognih vhodov.
Merjene procesne vrednosti so:
vrednost nivoja 2,
tlak PI1,
tlak PI2,
pretok črpalke 2.
Za pretvorbo se uporablja blok »SCALE«, prikazan na spodnji sliki. Blok pretvori
prebrano vrednost analognega vhoda v območje med »LO_LIM« in »HI_LIM«. Vhodna
vrednost bloka je na vhodu »IN«, izhodna pa na »OUT«. Običajno vrednosti pretvorimo v
območje 0-100 %. V primeru merilnika tlaka pa je to območje 0-3 bar za PI1 in 0-6 bar za
PI2.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
29
Slika 5.5: »Scale« funkcija.
V glavnem programu se nahaja tudi varnostni pogoj, ki zagotavlja, da črpalka nikoli ne
deluje brez vode. Uporabljen je primerjalnik »CMP <«, ki primerja vrednost nivoja z
realnim številom. V primeru, da nivo pade na manj kot 10 %, se črpalka izklopi (v
spremenljivko »Vrtljaji_CV« se zapiše 0).
Za digitalno-analogno pretvorbo služi blok »UNSCALE«, ki realno število na vhodu »IN«
pretvori v celoštevilčno vrednost na izhod »OUT« v mejah med »LO_LIM« in »HI_LIM«.
Ker lahko proces v osnovi vodimo s tremi regulatorji, je potrebna logika za preklop, ki
onemogoči delovanje več regulatorjev hkrati. V programu je to izvedeno tako, da ima vsak
regulator svoj bit, ki ponazarja stanje, in pa zastavico, kjer je shranjena prejšnja vrednost.
Če torej vklopimo določen regulator, se bo ta vklopil le, če je bil prej izklopljen. Stanje
regulatorja in njegova zastavica se postavita na 1, zastavici in bita ostalih dveh regulatorjev
pa na 0.
Krmilnik lahko regulira tudi nivo v posodi 1, katere nivo meri drug krmilnik. Vrednosti
nivojev si napravi pošiljata preko blokov »PUT« in »GET«. V primeru takšnega vodenja
mora krmilnik, ki upravlja s sistemom, onemogočiti krmilnik, ki sicer regulira vrednost
nivoja 1. Krmilnika si tako pošiljata vrednosti nivoja, ki ga merita, in bit za izklop/vklop
regulacije. V primeru tega programa je v bloku za pošiljanje »PUT« bit za izklop
regulacije 1 »Disable_reg1«. Blok »GET« pa bere vrednost nivoja 1, kadar izklopimo
regulacijo 1. Prebrana vrednost je »NIVO1«. Bloka se izvajata na 100 ms. Regulacijo
lahko ponovno vklopi le krmilnik, ki jo je izklopil. Vse spremenljivke v zvezi z blokoma
se nahajajo v podatkovnem bloku »DB_PLC1_DATA[DB4]«. Primer konfiguracije blokov
je prikazan na spodnjih slikah.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
30
Slika 5.6: »Put« funkcija.
Slika 5.7: »Get« funkcija.
Naslednja sekvenca v glavnem programu vsebuje prepis vrednosti izbranega nivoja v
spremenljivko, ki predstavlja procesno vrednost regulatorja. Glede na nivo, ki ga
reguliramo, se prepišejo tudi parametri regulatorja s črpalko P, I in D, ki ustrezajo
reguliranemu nivoju.
Sledi izračun nivoja vode v zalogovniku. To je izvedeno tako, da vsoto obeh nivojev
odštejemo od 400. Tako lahko dobimo nivo med 200 in 400 enot. Nivo začnemo meriti pri
200 enotah, ker je v osnovi napolnjen s štirikratno vrednostjo merilnega valja.
Na koncu programa je še ukaz »MOVE«, ki izklopi črpalko 2, v kolikor je podsistem 2
voden s krmilnikom 1.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
31
Za regulacijo procesa skrbijo ciklične prekinitve z različnimi časi izvajanja cikla. Ta se
določi glede na lastnosti regulacijske proge. Uporabljeni so štirje bloki:
1. Blok OB30 je uporabljen za regulacijo nivoja s črpalko in se izvaja na 100 ms. Za
regulator je uporabljen »CONT_C« blok, ki se izvede, če je »Disable_reg2« enak 1
in če je »bit_Hz« enak 1. Pod enakimi pogoji lahko s spremenljivko
»odp_vent_PID_Hz« nastavimo želeno vrednost odprtosti ventila.
2. Blok OB31 vsebuje regulator nivoja z regulacijskim ventilom in se izvaja na 1 s. Za
izvedbo bloka morata biti bita »Disable_reg2« in »bit_vent« enaka 1.
3. Blok OB32 vsebuje regulator, ki dela v kaskadi regulacije nivoja 2 s črpalko kot
notranji regulator in se izvaja na 100 ms. Za izvedbo bloka morata biti bita
»Disable_reg2« in »bit_kask« enaka 1.
4. Blok OB123 vsebuje regulator, ki dela v kaskadi regulacije nivoja 2 s črpalko kot
zunanji regulator in se izvaja na 500 ms. Za izvedbo bloka morata biti bita
»Disable_reg2« in »bit_kask« enaka 1. Pod enakimi pogoji lahko s spremenljivko
»odp_vent_PID_Hz« nastavimo želeno vrednost odprtosti ventila.
Blok »CONT_C« je podrobneje opisan v poglavju Načrtovanje regulatorjev.
Ko smo končali s programiranjem krmilnika, smo prešli na fazo izdelave uporabniškega
vmesnika za vodenje procesa. Postopek in opis uporabniškega vmesnika se nahajata v
nadaljevanju.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
32
6 IZDELAVA SCADA-UPORABNIŠKEGA VMESNIKA S
PROGRAMSKIM ORODJEM TIA PORTAL V13
Uporabniški vmesnik se nahaja v sklopu »PC-system_1 [SIMATIC PC station]«,
»HMI_RT_1 [WinCC RT Advanced] na levi strani pogovornega okna. Tu lahko dodajamo
nove strani prikaza, urejamo spremenljivke, alarme, recepte, shranjujemo podatke … Na
desni strani okna se nahaja knjižnica z orodji (»Toolbox«) za sestavo uporabniškega
vmesnika. Izbiramo lahko med osnovnimi objekti, kot so različni liki, ali pa sliko, ki jo
lahko uvozimo iz zunanje mape. V drugi skupini so interaktivni elementi, s katerimi
uporabnik lahko upravlja proces. To so gumbi, prikazovalniki (lahko so tako vhodna kot
izhodna enota), grafični analogni prikazovalniki, drsniki za nastavljanje vrednosti,
knjižnica s simboli, števci, ura, datum ... V tretji skupini se nahajajo elementi za nadzor
procesa, kot so pregled alarmov, pregled trenda določenih vrednosti, upravljanje z
uporabniki, internetni brskalnik, pregled statusa spremenljivk, smart client, pregled
receptov, x-y graf in sistemska diagnostika. Poleg zavihka »Toolbox« se nahaja tudi
zavihek »Animations«, kjer lahko elementom dodelimo gibanje oz. jim določimo
vidljivost, omogočimo upravljanje ali pa določimo izgled ob določenih spremembah
spremenljivk, ki nanj vplivajo (barva, utripanje). Slika 6.1 prikazuje pogovorno okno z
zgoraj opisanimi elementi.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
33
Slika 6.1: Pogovorno okno za izdelavo SCADA-uporabniškega vmesnika.
Element dodamo v projekt tako, da ga povlečemo z levim gumbom miške. Slika prikazuje
primer nastavitev za gumb. Na spodnji strani pogovornega okna se pojavi okno, v katerem
elementu dodelimo lastnosti. Pod zavihkom »Properties« lahko elementu spreminjamo
grafično podobo, dodelimo tekst, velikost in pozicijo, utripanje, varnostne zaščite …
»Animations« je zavihek, ki omogoča nastavljanje premikov elementa ali pa izgled ob
spremembi spremenljivke, ki jo elementu dodelimo kot »tag connection«. Zavihek
»Events« je namenjen določitvi funkcije elementa, kjer določimo spremenljivko (stran
prikaza HMI, podatki o zgodovini …), na katero bo vplival, in ob kakšnem dogodku se bo
to zgodilo. Nastavitve (slika 6.2) so si med elementi podobne in se razlikujejo le v
funkcijah, ki jih opravljajo. Tako je potrebno npr. pri I/O polju že v splošnih nastavitvah
nastaviti spremenljivko, s katero bomo upravljali izbrati način polja (vhod, izhod, oboje),
in nastaviti format prikaza/vnosa števil.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
34
Slika 6.2: Nastavitev lastnosti gumba.
Na levi strani se nahaja zavihek »Screen management«, kjer lahko v mapi »templates«
izdelamo šablone, ki služijo pri kreiranju novih prikaznih strani uporabniškega vmesnika.
V šabloni so elementi, ki se ponavljajo na več straneh in jih tako ni potrebno konfigurirati
za vsako stran posebej. Šablone so uporabne tudi za izdelavo pojavnih oken v prikazni
strani, kjer je prikazna stran šablona, pojavno okno pa se v novi strani prikaže nad njo. V
mapi »HMI Tags« imamo pregled nad spremenljivkami, tam jim lahko spremenimo ime in
dodelimo spremenljivko na krmilniku. Zgodovino podatkov lahko shranjujemo v datoteko
s končnico .csv. Konfiguracijo opravimo v zavihku »Historical data« na levi strani. V polje
»data logs« vpišemo ime mape, ki se kreira, njen tip, število zapisov, mesto, kjer se mapa
kreira, metodo zapisovanja … Pod »Logging tags« vnesemo spremenljivke iz mape »HMI
tags«, ki jih želimo shranjevati. Nastavimo jim tudi način zajemanja in njegov cikel. Vsaka
spremenljivka se lahko shranjuje samo v eni datoteki.
6.1 Opis uporabniškega vmesnika
Ob zagonu uporabniškega vmesnika se najprej odpre pozdravno okno, v katerem je na
voljo hiter pregled procesnih vrednosti (slika 6.3). Elementi so na shemi razvrščeni enako
kot na realnem hidravličnem sistemu. Tako je na levi strani proces z regulacijo nivoja 1, na
desni strani pa so elementi regulacijske proge nivoja 2. Pod vsakim merilnim pretvornikom
oz. aktuatorjem se nahaja polje, kjer je prikazana procesna vrednost elementa. Vrednost
nivoja je prikazana analogno, na skali 0-100 % z modro barvo. Prav tako je izveden tudi
prikazovalnik nivoja vode v zalogovniku, le da ta nima prikazane skale, pač pa ima le
vizualno funkcijo. Prikazovalnik kaže nivo 0-550 enot. Dejansko se bo nivo spreminjal le
od 200 do 400 enot, saj je največja možna vrednost nivoja 400, najmanjša pa 200 enot
(napolnili smo ga z volumnom štirih merilnih valjev). Shema vsebuje tudi 4 indikatorje
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
35
tlaka, ki prikazujejo vrednost v bar. Na strani vsakega nivoja se nahajajo gumbi za izbiro in
nastavitev regulatorja. Tako lahko regulator vklopimo s klikom na ime aktuatorja, s
katerim želimo upravljati proces. Ob vklopu regulatorja se gumba za izbiro in nastavitev
regulatorja obarvata zeleno. Stran za nastavitev regulatorja odpremo tako, da kliknemo na
gumb »Nast.« poleg gumba za izbiro regulatorja. Do strani za nastavitev regulatorja lahko
dostopamo tudi s klikom na ikono aktuatorja v shemi.
Slika 6.3: Osnovno okno SCADA-uporabniškega vmesnika.
V osnovnem oknu je na voljo 5 načinov regulacije:
Nivo 1
Črpalka
Ventil
Nivo 2
Črpalka
Ventil
Kaskadni
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
36
Stran za nastavitev regulatorja s črpalko 2 je prikazana spodaj, na sliki 6.4. Zgoraj levo se
nahaja gumb za prehod na osnovno stran sistema. V sredinskem delu so okna za prikaz in
vnos parametrov regulatorja. Tako lahko vidimo stanje regulatorja in vrednosti parametrov
PV, SV in CV na levi strani. Okno SV (želena vrednost procesa) je vhodno/izhodni
element, medtem ko sta PV in CV samo izhodna elementa. V naslednjem kvadratu se
nahajajo parametri regulatorja. Ti se vklapljajo s klikom na gumb z želenim parametrom,
vklopljen parameter pa je obarvan zeleno. Parametra Ti in Td se vnašata v ms. V polju
»Snemanje podatkov« se nahajata gumba za pričetek in zaustavitev zapisovanja podatkov
v datoteko s končnico ».csv«. Aktiviran gumb je obarvan zeleno. Izberemo lahko tudi nivo,
ki ga želimo regulirati. Pri tem se je potrebno zavedati, da ob izbiri nasprotnega nivoja
izklopimo regulacijo na krmilniku, kjer je regulator v osnovi. Primer: Regulacija nivoja 1 s
črpalko 2 bo izklopila vse regulatorje in aktuatorje na krmilniku 1. Pri nastavitvah
regulatorja črpalke 1 lahko izberemo tudi možnost »Nivo 2 – kaskada«. Odpre se nova
stran z nastavitvami, ki bo opisana v nadaljevanju. V polju desno zgoraj lahko preklopimo
režim delovanja med ročnim in avtomatskim. V kolikor je vklopljen ročni režim, se pojavi
polje za vnos konstantne krmilne vrednosti regulatorja. Desno spodaj je še polje, ki
omogoča nastavitev omejitve krmilne vrednosti regulatorja med 0 % in 99 %. Nastavimo
lahko tudi odprtost pripadajočega ventila v %. Spodnji del nastavitvenega okna služi za
prikaz vrednosti procesne (modra), želene (zelena) in krmilne vrednosti (rdeča). Na
horizontalni osi je prikazan čas v sekundah, na vertikalni pa vrednost 0-100 %.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
37
Slika 6.4: Okno za nastavitev regulatorja.
V primeru regulacije nivoja z ventilom lahko namesto izbire nivoja za regulacijo (regulira
se samo nivo podsistema, kamor spada ventil) nastavimo konstantno vrednost obratov
pripadajoče črpalke 0-100 %. Ostale lastnosti tega okna se ne razlikujejo od nastavitvenega
okna za regulacijo nivoja s črpalko.
V primeru kaskadnih regulatorjev (slika 6.5) se nastavitveno okno razlikuje od prej
opisanih. Do okna »Kaskadna regulacija nivoja 2 s črpalko 2« lahko dostopamo iz
osnovnega menija s klikom na gumb »Nast.« poleg gumba za izbiro regulatorja. Okno je
sestavljeno iz dveh sklopov, levega in desnega. Levi sklop služi za nastavitev zunanjega,
desni pa za nastavitev notranjega regulatorja. Vsak sklop vsebuje elemente zgoraj opisanih
nastavitvenih oken. Okno »Kaskadna regulacija nivoja 2 s črpalko 1« odpremo s klikom na
gumb »Nivo 2 – kaskada« v nastavitvenem oknu »Regulacija črpalke 1«. Nastavitvene
lastnosti se ne razlikujejo od prej opisanega kaskadnega regulatorja. Razlika je le, da ima
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
38
to okno dodaten gumb za vklop/izklop regulatorja, saj ga preklopimo že pri odpiranju
samega okna. Nastavitveno okno vsebuje še gumb, ki omogoča pomik na prejšnjo stran
(simbol puščice v levo).
Slika 6.5: Okno za nastavitev kaskadnega regulatorja.
Izdelan uporabniški vmesnik nam omogoča upravljanje sistema in s tem načrtovanje
regulatorjev. Teoretične osnove, postopek odčitavanja parametrov in rezultati se nahajajo v
naslednjem poglavju.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
39
7 NAČRTOVANJE REGULATORJEV
7.1 PID-regulatorji
Za regulacije procesov se uporablja mnogo različnih regulatorjev, ki se v glavnem delijo v
dve skupini:
konvencionalni,
nekonvencionalni.
V prvo skupino spadajo regulatorji, kot so P, PI, PD, PID, Otto Smith in podobni. V
skupino nekonvencionalnih regulatorjev pa uvrščamo regulatorje, kot so fuzzy, neuro,
neuro-fuzzy regulatorji. Mnogo procesov v industriji je nelinearnih, kar pomeni zahtevno
matematično modeliranje le-teh. Kljub temu se PID-regulator izkaže kot dober način
regulacije procesa, saj je enostaven in zajame tri osnovne tipe obnašanja procesa:
proporcionalni (P), integralni (I) in diferencialni (D). P- in I-del sta lahko uporabljena
posamično, medtem ko se D-del redko pojavi kot samostojni regulator. Najbolj pogosti
kombinaciji poleg PID sta PI- in PD-regulatorja. Pri sistemih prvega reda (imajo le en
hranilnik energije), ki so stabilni in imajo lahko statični pogrešek, lahko uporabimo P-
regulator, ki ima veliko ojačanje. To se ponavadi uporablja pri sistemih, kjer imamo
pogrešek že pri meritvi procesne vrednosti in točna meritev ni tako pomembna. Prav tako
lahko takšen regulator včasih uporabimo pri kaskadni regulaciji v notranji regulacijski
zanki, če napaka ne vpliva močno na končno regulacijo. Pri procesih z dobro toplotno
izolacijo je smiselna uporaba PD-regulatorja, saj se pri teh procesih uporablja visoko
ojačanje (P-del), kjer integralni del ni potreben, je pa zaradi velike vztrajnosti procesa
potreben diferencialni del. PD-regulator se zaradi stabilizirajočega učinka uporablja tudi
pri procesih, pri katerih se regulirajo premikajoči se objekti (leteča, podvodna vozila, ladje,
rakete …). Najbolj uporabljani regulatorji v industriji pa so PI-regulatorji, in sicer kadar: ni
potrebe po hitrem odzivu sistema, imamo prisotne motnje v procesu, imamo sistem prvega
reda ali pa imamo velike zakasnitve v sistemu. PID-regulator se uporablja pri sistemih
višjega reda. Pogosta je uporaba v industriji in pri regulaciji premikajočih se objektov, kjer
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
40
reguliramo trajektorijo objekta in je natančnost pri sledenju reference zelo pomembna (npr.
avtopilot v letalu).
Strukture PID-regulatorjev so različne. Problem se pojavi pri izgradnji regulatorja in pri
načrtovanju parametrov. Najbolj pogosti strukturi sta vzporedni in zaporedni PID-
regulator. Prvi velja za idealni PID-regulator in je neinteraktiven, saj so posamezni deli
regulatorja med seboj neodvisni. Zaporedna struktura je interaktivna, saj so si
proporcionalni, integralni in diferencialni del med seboj odvisni. Vzporedna struktura je
težja za izgradnjo s pnevmatskimi komponentami, ki so bile vodilne v zgodovini pred
elektronskimi komponentami. Takrat so se v procesni industriji posluževali zaporedne
strukture, ki se je nato prenesla tudi v elektronske PID-regulatorje.
V našem primeru smo uporabljali zgolj vzporedni PID-regulator, ki je prikazan na spodnji
shemi (slika 7.1). [10]
P
I
D
proces+
+
+
-
er
y
u
Slika 7.1: Vzporedni PID-regulator.
7.2 Eksperimentalno nastavljanje parametrov PID-regulatorjev
Takšnega nastavljanja parametrov se lahko poslužujemo, kadar nimamo na voljo modela
procesa. Primerne so za začetno nastavitev regulatorja, uporabnik pa lahko parametre
naknadno popravi na podlagi poznavanja procesa. Najpogostejši postopki nastavljanja
parametrov so Ziegler-Nichols, Cohen-Coon in Chien-Hrones-Reswick. V našem primeru
smo nastavljali regulatorje po Ziegler-Nichols postopkih, ki jih bomo v nadaljevanju tudi
opisali.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
41
Nastavitev parametrov po omenjeni metodi je primerna za P-, PI- in PID-regulatorje.
Parametri, pridobljeni po tej metodi, so primerni za vodenje in ne za sledenje. Regulator se
bo dobro odzival na motnje, vendar ne bo dobro sledil referenčnim spremembam. Za
pridobitev parametrov regulatorja se uporabljata dve metodi:
odprtozančna metoda,
zaprtozančna metoda.
Prva temelji na snemanju prenosne funkcije, medtem ko pri drugi metodi sistem
pripeljemo v mejno stabilno nihanje. [10]
7.2.1 Odprtozančna metoda
Procese z monotono prenosno funkcijo lahko opišemo z naslednjo prenosno funkcijo:
(7.1)
Regulator v tem primeru ni vključen. Iz stopnične spremembe krmilne vrednosti aktuatorja
z amplitudo A, prikazane na sliki 7.2, lahko izračunamo parametre:
Statično ojačanje procesa:
Transportna zakasnitev procesa τ
Časovna konstanta procesa
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
42
τ t
Δy(t)
y(t)
yss
0
a
Tp
t
u(t)
uss
0
A
Δu(t)
prevoj
Slika 7.2: Parametri za izračun regulatorja.
S pomočjo pridobljenih podatkov iz posnetega odziva lahko po tabeli 7.1 izračunamo
parametre za izbrani regulator. [10]
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
43
Tabela 7.1: Tabela za izračun parametrov regulatorja po odprtozančni metodi.
Tip regulatorja
P
/ /
PI
3τ /
Vzporedni PID
2 τ
Zaporedni PID
τ τ
Priporočila, ki se nahajajo v tabeli, so primerna za procese, kjer je . Za večje
vrednosti μ so bolj primerni postopki po Cohen-Coon priporočilih, če želimo uporabljati
PID-regulator. V kolikor nam odprtozančna metoda ne da zadovoljivih rezultatov, je
smiselno poseči po zaprtozančni metodi. [10]
7.2.2 Zaprtozančna metoda
Metoda temelji zgolj na meritvah in je primerna tako za stabilne kot tudi za nestabilne
procese. Sistem reguliramo s P-regulatorjem in povečujemo ojačanje, dokler sistema ne
pripeljemo v mejno stabilno stanje. To pomeni, da mora procesna vrednost sistema nihati s
konstantno amplitudo in frekvenco. Ojačanje, pri katerem se vzpostavi omenjeno stanje,
imenujemo kritično ojačanje .
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
44
Slika 7.3: Želeni odziv zaprtozančne metode.
Po odprtozančni metodi, opisani v predhodnem poglavju, posnamemo odziv procesa (slika
7.2). S pomočjo spremembe krmilne vrednosti CV ( ) in procesne vrednosti PV ( )
lahko izračunamo statično ojačanje procesa:
(7.2)
S pomočjo pridobljenih podatkov in spodnje tabele izračunamo potrebne parametre
regulatorja, kjer je:
- čas periode nihanja
- kritično ojačanje
Tabela 7.2: Tabela za izračun parametrov regulatorja po zaprtozančni metodi.
Tip regulatorja
P
/ /
PI
0,833 /
Vzporedni PID
0,5 0,125
Zaporedni PID
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
45
Ustreznost postopka načrtovanja regulatorja po Ziegler-Nichols priporočilih preverimo z
izračunom produkta ojačanj ( ).
Postopek je ustrezen, če velja: . Postopek je primeren tudi, kadar velja
, če zahteve regulacije niso stroge. Za je primeren PI-regulator, prav
tako ob ohlapnih zahtevah regulacije. Za ostale vrednosti ta postopek ni primeren.
Približno je podana tudi največja sprememba reference, ki jo regulator, načrtovan po
Ziegler-Nichols postopku, še uspešno regulira:
Za P-regulator: ,
Za PI-regulator: .
[10]
7.3 Regulacija nivoja vode v merilni posodi 2
Izvedenih je bilo več načinov regulacije nivoja:
regulacija nivoja 2 s črpalko 2,
regulacija nivoja 2 z ventilom 2,
kaskadna regulacija nivoja 2,
regulacija nivoja 1 s črpalko 2.
V vseh primerih je bil uporabljen PID-regulator, ki ga ponuja program TIA portal.
Regulacijski blok se nahaja pod imenom »CONT_C«.
Uporabljeni so vhodi:
MAN_ON: bit, ki vklopi ročni režim regulatorja,
P_SEL: bit, ki omogoči ojačanje (P-del) regulatorja. Enako funkcijo imata tudi
I_SEL (integralni del) in D_SEL (diferencialni del),
CYCLE: določi cikel regulacije,
SP_INT: sem se vpisuje želena vrednost procesne veličine,
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
46
PV_IN: vrednost procesne veličine,
MAN: želen izhod regulatorja v ročnem režimu,
GAIN: vrednost ojačanja (P-del) regulatorja,
TI: vrednost integralnega dela v sekundah,
TD: vrednost diferencialnega dela v sekundah,
LMN_HLM: zgornja omejitev izhoda regulatorja v odstotkih,
LMN_LLM: spodnja omejitev izhoda regulatorja odstotkih.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
47
Slika 7.4: Blok »CONT_C«.
Izhod regulatorja je LMN v odstotkih, ki je omejen s spremenljivkama LMN_HLM in
LMN_LLM.
Vsak regulator je nameščen v »interrupt« bloku, ki se izvaja ciklično v določenih
intervalih. Hitrost regulacije je odvisna od aktuatorja, ki ga upravljamo. V primeru ventila
se je regulacija izvajala na 1 s, v primeru črpalke pa na 100 ms. Pri kaskadni regulaciji se
notranja regulacijska zanka izvaja na 100 ms, zunanja pa na 500 ms.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
48
Blokovni diagram programskega bloka CONT_C je prikazan na spodnji sliki. Vidimo, da
gre za topologijo vzporednega PID-regulatorja, kjer se »GAIN« (K) pomnoži z I- in D-
delom regulatorja.
Slika 7.5: Blokovni diagram programskega bloka CONT_C. [8]
Algoritem vzporednega PID-regulatorja, ki ustreza zgornjemu blokovnemu diagramu, je
podan z enačbo:
(7.3)
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
49
7.3.1 Statična karakteristika procesa
Za potrebe izračunov regulatorjev smo izmerili statično karakteristiko procesa. Za primer
črpalke smo meritev izvedli tako, da smo nastavili fiksno frekvenco črpalke [%] in
počakali, da se nivo umiri. Rezultati so bili naslednji.
Slika 7.6: Statična karakteristika procesa.
Iz tega vidimo, da:
Izmerili smo tudi karakteristiko pretoka pri različnih vrtljajih črpalke. To smo storili na dva
načina, in sicer z merjenjem časa praznjenja valja in preračunom pretoka ter z
odčitavanjem vrednosti z merilca pretoka. To smo storili zato, ker merilnik pretoka ne kaže
konstantne vrednosti, ampak zelo niha in je odčitavanje oteženo oz. ni točno.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
50
Slika 7.7: Statična karakteristika črpalke 2.
Vidimo, da se krivulji ne ujemata popolnoma. Glede na to, da se solidno ujemata v
področju 30-60 %, je meritev zadovoljiva, saj bo krmilna vrednost regulatorja s črpalko
omejena med 27 % in 38 %.
Statično karakteristiko procesa z regulacijskim ventilom smo izmerili tako, da smo
nastavili konstantno vrednost odprtosti ventila [%] in počakali, da se nivo umiri. Meritev
se je izvajala pri 50 % nazivnih vrtljajev črpalke. Ker je meritev dolgotrajna, smo izmerili
le skrajni točki statične karakteristike, saj želimo izvedeti le skrajni točki odprtosti ventila,
ki še zadostujeta za ustrezno regulacijo.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
51
Slika 7.8: Statična karakteristika ventila 2.
Opravili smo meritev, kjer smo opazovali pretok pri različnih odprtostih ventila. Iz grafa je
razvidno, da je graf linearen do odprtosti 50 %, kar je več, kot ga odpiramo v našem
primeru. V tem področju torej lahko nastavimo regulator.
Slika 7.9: Statična karakteristika ventila 2.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
52
7.3.2 Regulacija nivoja 2 s črpalko 2
V tem primeru je aktuator procesa črpalka 2, ki jo krmilimo preko frekvenčnega
pretvornika FP2. Frekvenco nastavljamo z analognim izhodom na krmilniku od 0-50 Hz,
izhod regulatorja pa nam da vrednost 0-100 %. Omogočeno je tudi krmiljenje
regulacijskega ventila, ki se postavi na konstantno vrednost. Sistem je prikazan na spodnji
tehnološki shemi.
M
SS
PI 1
PI 2
LC
1
LT
1
ZC
3
ZT
3
SV-Nivo 2 [%]
PV-Nivo 2 [%]
PV- Odprtost ventila [%]
SV- Odprtost ventila [%]
CV- Odprtost ventila [%]
CV-Vrtljaji [%]
ZI
3
Zalogovnik vode
Varnostni ventili
Merilni valj
Pritok vode
Slika 7.10: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 s črpalko 2.
Končni parametri regulatorja veljajo za stanje, ko je ventil odprt na 100 %, dotok medija v
merilni valj pa je preko sprednjega ventila, kot prikazuje slika 7.11. V primeru, da je
namesto sprednjega ventila odprt zadnji ventil (ni viden na sliki), točna regulacija nivoja
ne bo mogoča, saj se medij v spodnjem T-kosu izmenično pretaka v črpalko oz. merilni
valj. To povzroči nihanje nivoja, ki ga ni mogoče odpraviti z regulatorjem.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
53
Slika 7.11: Položaj ventilov pritoka.
Odprtozančna metoda
Regulator je v tem primeru v ročnem režimu in mu stopnično spremenimo vrednost izhoda
ter počakamo, da se procesna vrednost umiri. Odprtozančna metoda nam ni dala
zadovoljivih rezultatov, saj je proces počasen, kar pomeni težje odčitavanje potrebnih
podatkov. V nekaterih primerih je stabilizacija procesa ob stopnični spremembi izhoda
regulatorja trajala tudi okrog 300 s. Prav zaradi tega je težko določiti tangento najhitrejšega
vzpona procesne vrednosti na grafu. Slika 7.12 prikazuje primer odziva sistema na
stopnično spremembo krmilne vrednosti s 36 % na 31 %.
Slika 7.12: Odziv sistema na stopnično spremembo krmilne vrednosti.
Parametri, dobljeni po odprtozančni metodi, niso bili ustrezni, zato smo izvedli nastavitev
po zaprtozančni metodi.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
54
Zaprtozančna metoda
Regulator smo nastavili kot P-regulator tako, da smo ostali komponenti Ti in Td nastavili
na 0 s. Parameter P smo zmanjševali (regulator deluje v obratnem režimu, kjer je P vedno
negativen), dokler ni sistem stabilno nihal in pri tem ni prihajal v zasičenje izhoda.
Periodično nihanje smo dosegli pri kritičnem ojačanju . Graf prikazuje posnetek
nihanja procesne in kontrolne vrednosti v odvisnosti od časa.
Slika 7.13: Mejno stabilno nihanje sistema.
Odčitali smo spremembo procesne vrednosti in spremembo kontrolne
vrednosti . V desetih periodah nihanja je čas znašal , kar pomeni,
da je čas ene periode .
Parametri regulatorja so znašali za:
PI-regulator
(7.4)
(7.5)
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
55
Slika 7.14: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo
črpalke.
PID-regulator
(7.6)
(7.7)
(7.8)
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
56
Slika 7.15: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo
črpalke.
7.3.3 Regulacija nivoja 2 z ventilom 2
V tem primeru regulacije posredno krmilimo servopogon ventila s PID-regulatorjem.
Regulator krmili analogni izhod 0-10V, ki je povezan na krmilnik Moeller EASY/MFD.
Vrednost izhoda (kontrolna vrednost PID-regulatorja) na Siemensovem krmilniku je želena
odprtost ventila za regulator na Moeller EASY/MFD. Sistem prikazuje spodnja tehnološka
shema (slika 7.16).
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
57
M
SS
PI 1
PI 2
LT
1
ZC
3
ZT
3
PV-Nivo 2 [%]
PV- Odprtost ventila [%]
CV- Odprtost ventila [%]
CV- Odprtost ventila [%]
LC
2
SV-Nivo 2 [%]
SV- Odprtost ventila [%]
ZI
3
Zalogovnik vode
Varnostni ventili
Merilni valj
Pritok vode
Slika 7.16: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 z ventilom 2.
Na krmilniku Moeller je izveden tripoložajni regulator položaja ventila, ki krmili releja za
levo oz. desno vrtenje servopogona ventila. Povratne informacije o odprtosti ventila na
Siemens S7-1500 ni, saj priključni konektor ni dopuščal večjega števila vodnikov. Problem
pri regulaciji je počasnost ventila, saj za odprtje (0-100 %) potrebuje več kot 60 s. Problem
smo rešili z zelo počasnim ciklom izvajanja regulacije, ki znaša 1 s. Prav tako je potrebno
izhod regulatorja omejiti na ozko območje, in sicer 0-45%. To pomeni tudi, da je ob
preklopu regulatorja potrebno počakati, da ventil doseže območje odprtosti, v katerem
regulator deluje. Pri ostalih načinih regulacije je namreč vrednost odprtosti ventila
nastavljena na 100 %. Regulator smo načrtovali po Ziegler-Nichols priporočilih. Do
zadovoljivih parametrov smo poizkušali priti po obeh metodah, tako odprtozančni kot
zaprtozančni metodi.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
58
Odprtozančna metoda
Regulatorju smo v ročnem režimu spremenili kontrolno vrednost s 40 % na 37,5 % in
opazovali spremembo. Črpalko smo poganjali na 50 % nazivnih obratov. Odziv sistema je
viden na grafu.
Slika 7.17: Odziv sistema na stopnično spremembo krmilne vrednosti.
Iz grafa je razvidno, da proces potrebuje veliko časa za stabilizacijo (preko 430 s). To nam
precej otežuje določanje tangente najhitrejšega vzpona procesne veličine in s tem
določanje parametrov. Ker imamo opravka s počasnim aktuatorjem, smo se odločili za PI-
regulator. Odčitani parametri so znašali:
(7.9)
(7.10)
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
59
(7.11)
(7.12)
S temi parametri regulator ne bi deloval. Že po izračunu parametra »a« smo lahko
ugotovili, da za tako majhne vrednosti omenjenega parametra Ziegler-Nichols priporočila
niso primerna. Ta metoda ni dala zadovoljivih rezultatov tudi, če smo odziv posneli v
drugačnih delovnih točkah.
Zaprtozančna metoda
Po Ziegler-Nichols priporočilih velja, da v kolikor odprtozančna metoda ne da dobrih
rezultatov, poizkusimo izvesti načrtovanje parametrov po zaprtozančni metodi. Tako
zajamemo še morebitne motnje v sistemu. Doseči nihanje sistema znotraj omejitve
regulatorja je zahtevno, saj gre kontrolna vrednost regulatorja v zasičenje ali pa nihanje ni
konstantno z enako amplitudo. Slednja težava je posledica tripoložajnega regulatorja na
krmilniku Moeller, saj ta zagotavlja pravilno odprtost ventila le znotraj določene histereze,
kjer dejanska odprtost ni določena. Histereza je v našem primeru znašala 2 %, kar je
veliko, glede na to, da se za 78,5 % področja nivoja medija ventil premakne le za 11 % (pri
50 % nazivnih vrtljajev črpalke). Če bi histerezo zmanjšali oz. odstranili, bi regulator
neprestano preklapljal releje in jih tako uničil. Težava je tudi, da je aktuator (servopogon
ventila) prepočasen, da bi sledil kontrolni vrednosti PID-regulatorja. To pomeni, da se
kljub naglo spremenjeni kontrolni vrednosti PID-regulatorja procesna vrednost (nivo) ni
znatno spremenila, saj ventil dejansko še ni dosegel prave vrednosti. Regulator zato še
naprej stopnjuje vrednost na izhodu, kar vodi v zasičenje kontrolne vrednosti. Ta pojav
povzroča velik prenihaj pri večjih spremembah želene vrednosti nivoja.
Zadovoljivo nihanje smo dosegli pri . Čas periode je znašal , pri 50 %
nazivnih vrtljajev črpalke. Izračunani parametri so znašali za:
PI-regulator
(7.13)
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
60
(7.14)
Izračunan PI-regulator ni zmožen ohranjati konstantnega nivoja, zato smo ročno poiskali
boljše parametre. Odziv (parametri: , ) je bil sledeč (slika 7.18):
Slika 7.18: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo
ventila.
PID-regulator
(7.15)
(7.16)
(7.17)
Odziv je prikazan na sliki 7.19.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
61
Slika 7.19: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo
ventila.
7.3.4 Kaskadni regulator nivoja 2
Pri tej vrsti regulacije nivo reguliramo s pomočjo dveh PID-regulatorjev, ki delujeta
kaskadno. To pomeni, da za regulacijo nivoja potrebujemo tako meritev nivoja v merilni
posodi kot tudi pretoka medija v zalogovnik. Notranji regulator nam regulira pretok,
njegov izhod pa so vrtljaji črpalke v odstotkih. Zunanji regulator pa regulira nivo v merilni
posodi, krmilna vrednost regulatorja pa je pretok v odstotkih, ki je obenem želena vrednost
za notranji regulator. Ureditev regulacijskih zank prikazuje tehnološka shema (slika 7.20).
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
62
Slika 7.20: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 s kaskadno regulacijo.
Nastavitev parametrov je potekala tako, da smo najprej nastavili notranji regulator, nato pa
zunanjega. Notranja zanka se izvaja petkrat hitreje kot zunanja, in sicer na 100 ms, zunanja
pa na 500 ms. Notranja zanka ima pozitivno ojačanje (P-del), saj se z večanjem kontrolne
vrednosti regulatorja (vrtljajev črpalke) veča tudi procesna vrednost (pretok). Zunanja
zanka ima P-del negativen, saj je delovanje obratno (z večanjem kontrolne vrednosti
regulatorja procesna vrednost pada). Parametri regulatorja so nastavljeni za primer, ko je
regulacijski ventil odprt na 100 %, dotok vode v merilno posodo pa je urejen enako kot pri
regulaciji nivoja s črpalko. Omejitev obeh regulatorjev je 0-100 %.
Notranja regulacijska zanka
Nastavitev notranjega regulatorja je potekala tako, da smo regulatorju v ročnem režimu
stopnično spremenili izhod z 28 % na 35 % in posneli odziv sistema, viden na spodnjem
grafu.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
63
Slika 7.21: Odziv sistema na stopnično spremembo krmilne vrednosti.
Iz odziva smo po priporočilih, opisanih v poglavju 7.1, odčitali potrebne podatke za
izračun parametrov regulatorja.
(7.18)
(7.19)
PI-regulator:
(7.20)
(7.21)
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
64
PID-regulator:
(7.22)
(7.23)
Regulator je z izračunanimi parametri uspešno reguliral pretok po želeni vrednosti.
Zunanja regulacijska zanka
Zunanji regulator smo nastavljali s pomočjo zaprtozančne metode. Notranji regulator je
tekom nastavljanja deloval v avtomatskem režimu z zgoraj izračunanimi parametri PI-
regulatorja. Nihanje smo dosegli pri ojačanju (slika 7.22). Čas periode je
znašal .
Slika 7.22: Mejno stabilno nihanje sistema.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
65
Izračunani parametri so bili sledeči za:
PI-regulator
(7.24)
(7.25)
PID-regulator
(7.26)
(7.27)
(7.28)
Odzive smo posneli z različnimi kombinacijami regulatorjev in stopnično spremembo
želene vrednosti 30-40 %:
Obe regulacijski zanki s PID-regulatorjema:
Slika 7.23: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer sta obe
regulacijski zanki izvedeni s PID-regulatorjema.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
66
Zunanja zanka s PID-, notranja s PI-regulatorjem:
Slika 7.24: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer je zunanja zanka
izvedena s PID- in notranja s PI-regulatorjem.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
67
Zunanja zanka s PI-, notranja s PID-regulatorjem:
Slika 7.25: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer je zunanja zanka
izvedena s PI- in notranja s PID-regulatorjem.
Obe regulacijski zanki s PI-regulatorjema:
Slika 7.26: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer sta obe
regulacijski zanki izvedeni s PI-regulatorjema.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
68
7.3.5 Regulacija nivoja 1 s črpalko 2
Krmilnika obeh podsistemov si izmenjujeta podatke o procesnih vrednostih (nivo vode).
Sistem je zgrajen tako, da se posodi lahko povežeta v spodnjem delu in se tako oba nivoja
izenačita. Regulacija tako poteka na krmilniku 2, aktuator je črpalka 2, reguliramo pa nivo
1. Dotok vode je v merilni valj 2, tako kot pri regulaciji nivoja 2 s črpalko oz. ventilom 2.
Tehnološka shema se od regulacije nivoja 2 s črpalko 2 razlikuje le v tem, da je procesna
vrednost za regulator v zanki 1 vzeta iz merilne posode 1. Prav tako je omogočeno
nastavljanje želene odprtosti regulacijskega ventila na konstantno vrednost. Načrtovanje
regulatorja je potekalo na enak način kot pri prejšnjih načinih regulacije.
Regulator smo načrtovali po zaprtozančni metodi. Slika prikazuje mejno stabilno nihanje
sistema, kjer je potek PV prikazan v modri, potek CV pa v rdeči barvi (slika 7.27).
Slika 7.27: Mejno stabilno nihanje sistema.
Prikazano stanje se je vzpostavilo pri ojačanju , čas periode , pa je znašal
.
Po Ziegler-Nichols postopku lahko pridobimo parametre za:
PI-regulator
(7.29)
(7.30)
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
69
Slika 7.28: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s P-regulacijo črpalke
2.
PID-regulator
(7.31)
(7.32)
(7.33)
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
70
Slika 7.29: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PID-regulacijo
črpalke 2.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
71
8 REZULTATI
Hidravlični sistem smo uspešno nadgradili z novejšo krmilno opremo. Obstoječ sistem smo
priredili tako, da je kompatibilen tako z novo kot s staro krmilno opremo, v delovanju
sistema pa ni sprememb. Celoten sistem smo servisirali in popravili varnostne ventile.
Odpravili smo napake v ožičenju in na novo umerili merilnike. Celotno elektroinštalacijo
smo dokumentirali v smislu načrtov v programskem orodju EPLAN. V nadaljevanju smo
sistem razdelili na podsistema 1 in 2. Tako se vsebina tega magistrskega dela od te točke
dalje nanaša zgolj na podsistem 2. Izmerili smo statično karakteristiko posameznih
gradnikov in celotnega podsistema 2 in na tej podlagi načrtali regulatorje. Načrtovanje je
potekalo z uporabo eksperimentalnih metod Ziegler-Nichols. Da bi dobili čim boljše
rezultate, smo vse regulatorje načrtovali tako po zaprtozančni kot tudi po odprtozančni
metodi. Skupno je sistem mogoče voditi na 3 načine:
s PID-regulacijo črpalke,
s PID-regulacijo ventila,
s kaskadno PID-regulacijo črpalke.
Vodenje podsistema 2 s črpalko je izvedeno preko frekvenčnega pretvornika. Izhod
regulatorja je omejen med 27 % in 38 %, regulacijski ventil pa je v tem primeru
popolnoma odprt (100 %). Najboljše rezultate smo pridobili po zaprtozančni metodi z
regulatorjem tipa PID. Izračunani parametri so znašali:
,
,
.
Regulator je zadovoljivo opravil svojo nalogo, zato ročna nastavitev parametrov ni bila
potrebna. Odziv na stopnično spremembo želene vrednosti 30-40 % je prikazan na sliki
8.1, kjer se vidijo vse nastavitve regulatorja v uporabniškem vmesniku.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
72
Slika 8.1: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti 30-40%.
Na sliki 8.2 so prikazani rezultati pri različnih spremembah želene vrednosti v različnih
območjih nivoja 2.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
73
Slika 8.2: Rezultati pri različnih spremembah želene vrednosti v različnih območjih nivoja.
Vodenje podsistema 2 z regulacijskim ventilom smo izvedli pri konstantnih vrtljajih
črpalke, ki so znašali 50 % nazivnih vrtljajev. Tudi tu se je za najbolj primerno izkazala
zaprtozančna metoda. Tako PID- kot PI-tip regulatorja ni bil zmožen ohranjanja želene
vrednosti nivoja, zato je bilo parametre potrebno ročno popraviti. Končni vrednosti
parametrov PI-regulatorja sta znašali:
,
.
Odziv procesne in krmilne vrednosti na stopnično spremembo 30-40 % želene vrednosti je
prikazan na sliki 8.3.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
74
Slika 8.3: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti 30-40 %.
Vidimo, da so rezultati v primerjavi z vodenjem s črpalko precej slabši.
Načrtali smo tudi kaskadni regulator nivoja, kjer reguliramo pretok v notranji, nivo pa v
zunanji regulacijski zanki. Izhoda regulatorja nismo omejili. Pri notranji regulacijski zanki
smo parametre izračunali po odprtozančni metodi, pri zunanji regulacijski zanki pa po
zaprtozančni metodi. Parametri, ki so omogočali najbolj primerne odzive, so znašali:
Zunanji regulator:
,
,
.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
75
Notranji regulator:
,
,
.
Na sliki 8.4 je prikazan rezultat regulacije v primeru, ko sta oba regulatorja tipa PID. V
poglavju Načrtovanje regulatorjev so podrobno prikazane vse kombinacije z rezultati.
Slika 8.4: Odziv sistema s kaskadno regulacijo, kjer sta regulatorja obeh zank tipa PID.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
76
Izdelali smo tudi regulacijo nivoja 1 s črpalko 2. Krmilnika sta si med seboj pošiljala
procesne vrednosti. Med posodama se nahaja ventil, ki je bil v tem primeru odprt, voda pa
je pritekala v posodo 2. Parametre smo pridobili po zaprtozančni metodi. Najboljše
rezultate smo dobili z uporabo PID-regulatorja in izračunanimi parametri:
,
,
.
Rezultati z nastavitvami so prikazani na sliki 8.5.
Slika 8.5: Odziv sistema z regulacijo nivoja 1 s črpalko 2.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
77
Krmilnik Moeller Easy smo preprogramirali tako, da lahko želeno vrednost odprtosti
ventila nastavljamo preko analognega napetostnega signala, priključenega na analogni
vhod krmilnika. Krmilnik Siemens S7-1500 smo programirali s programskim orodjem TIA
portal, kjer smo izdelali tudi SCADA-uporabniški vmesnik. Izgled osnovne strani
uporabniškega vmesnika je prikazan na sliki 8.6. Na osnovni strani so vidni vsi pomembni
podatki v sistemu z vizualizacijo nivojev. S klikom na posamezne povezave se lahko
dostopa do strani za upravljanje z regulatorji. Uporabniški vmesnik, prikazan na sliki 8.6,
je izdelan karseda intuitivno z zadostno možnostjo poseganja v sistem.
Slika 8.6: Osnovno okno SCADA-uporabniškega vmesnika.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
78
9 SKLEP
Laboratorijski hidravlični sistem je obnovljen in pripravljen za uporabo. Odpravili smo
napake v ožičenju in v večini tudi napake ostalih gradnikov sistema. Varnostni ventil, ki
preprečuje izlitje vode, bi bilo potrebno zamenjati, saj ne zapre popolnoma, kar povzroči
izlitje ob dolgotrajni neaktivnosti sistema. Vse spremembe ožičenja smo dokumentirali.
Predelava sistema ni posegla v delovanje prejšnjega sistema, kar pomeni, da je vodenje
možno tako z novo kot s staro krmilno opremo. Program za vodenje je izdelan tako, da je
suhi tek črpalke onemogočen. Uporabniški vmesnik je izdelan intuitivno in omogoča
spremembo vseh parametrov, ki so potrebni za razumevanje delovanja PID-regulatorja.
Največ težav je povzročala regulacija nivoja 2 z regulacijskim ventilom. Ta je prepočasen,
kar onemogoča načrtovanje zadovoljivega PID-regulatorja po uporabljenih metodah.
Parametre je bilo potrebno ročno popravljati, regulator pa omejiti na ozko delovno
območje.
Sistem omogoča še veliko možnosti v prihodnosti. Tako bi bilo možno npr. omejevati
pritok vode v merilni valj s pomočjo motornega pogona ventila. Motorni pogon bi lahko
namestili tudi na ventil na vezni cevi med posodama v primeru regulacije nasprotnega
nivoja (npr. regulacija nivoja 1 s črpalko 2). S takšno nadgradnjo bi lahko imel vsak
študent drugačne pogoje regulacije in s tem drugačen problem. Razlike bi se na koncu
primerjale, kar bi privedlo do boljšega razumevanja vodenja sistema.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
79
10 VIRI
[1] Andrej Zeme. Porazdeljeno vodenje hidravličnega sistema – komunikacije in
programska oprema. Diplomsko delo. Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za
elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2007.
[2] Dieter Bauerfeind. Moeller: User manual Easy 412, Easy 600. Bonn 2000.
Dostopno na:
ftp://ftp.moeller.net/DOCUMENTATION/AWB_MANUALS/h1304g.pdf
[14.5.15].
[3] Đonlagić D., Đonlagić D., Lampič S. Merjenja pretokov fluidov. Maribor:
Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 1998.
[4] EPLAN electric P8 homepage. Dostopno na:
http://www.eplan.de/en/solutions/product-overview/eplan-electric-p8/
[15.10.2015].
[5] Marko Sevšek. Porazdeljeno vodenje hidravličnega sistema – načrtovanje in
izvedba. Diplomsko delo. Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za
elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2007.
[6] Norbert Muller, Hans Hassig. EPLAN electric P8: Getting started. Quebec Canada,
2007. Dostopno na: http://149.237.200.202/fileadmin/dateien-
CA/BeginnerGuide_P8_enUS_NorthAmericanStyle_NFPA.pdf [14.5.15].
[7] SIEMENS SIMATIC TIA Portal STEP 7 Basic V10.5 Getting started. Dostopno
na:
https://cache.industry.siemens.com/dl/files/542/40263542/att_829827/v1/GS_STEP
7Bas105enUS.pdf [15.10.2015].
[8] SIEMENS SIMATIC Standard software for S7-300 and S/-400 PID control.
Dostopno na: https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/S7pidcob.pdf
[15.10.2015].
[9] SIEMENS SIMATIC S7-1500 Getting started. Dostopno na:
https://www.automation.siemens.com/salesmaterial-as/interactive-manuals/getting-
started_simatic-s7-1500/documents/EN/software_complete_en.pdf [14.5.15].
[10] Zoran Vukic. Lectures on PID controllers. Zagreb: University of Zagreb,
2002.
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
80
11 PRILOGE
Priloga A
Elektronačrti krmilne omare
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
81
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
82
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
83
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
84
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
85
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
86
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
87
Priloga B
Program krmilnika Moeller Easy
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
88
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
89
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
90
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
91
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
92
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
93
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
94
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
95
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
96
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
97
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
98
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
99
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
100
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
101
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
102
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
103
Priloga C
Program krmilnika Siemens Simatic S7-1500
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
104
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
105
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
106
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
107
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
108
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
109
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
110
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
111
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
112
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
113
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
114
Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja
115