UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Andrej Glažar

ANALIZA REGULACIJSKIH ALGORITMOV PRILAGOJENIH ZA PLC

Diplomsko delo

Maribor, januar 2008

II

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

ANALIZA REGULACIJSKIH ALGORITMOV PRILAGOJENIH ZA PLC

Študent: Andrej GLAŽAR

Študijski program: univerzitetni, elektrotehnika

Smer: avtomatika

Mentor: izr. prof. dr. Boris TOVORNIK

Komentor: doc. dr. Nenad MUŠKINJA

Maribor, januar 2008

III

IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju, prof. dr. Borisu

Tovorniku, in komentorju, doc. dr. Nenadu

Muškinji, ter ostalim zaposlenim v laboratoriju za

procesno avtomatizacijo za strokovno pomoč in

vodenje pri izdelavi diplomskega dela.

Posebna zahvala velja družini, ki mi je ves čas

študija stala ob strani in mi omogočila študij; ter

vsem ostalim, ki so mi kakorkoli pomagali na poti

študija.

V

ANALIZA REGULACIJSKIH ALGORITMOV PRILAGOJENIH ZA PLC

Ključne besede: regulacijski algoritem, PLC, Siemens, STEP7, MATLAB, simulacija, UDK: 681.51(043.2) Povzetek V diplomskem delu je predstavljena analiza regulacijskih algoritmov, prilagojenih za PLC.

Oprema je sestavljena iz Siemens-ovega krmilnika Simatic S400 in njemu pripadajoče

programske opreme na enem računalniku ter MATLAB simulacijsko okolje na drugem

računalniku, ki sta med seboj povezana z A/D-D/A kartico. Na prvem računalniku s

pomočjo SIMATIC manager-ja načrtamo program, ki ga naložimo na krmilnik. Na

drugem računalniku pa teče simulacija problema, s tem lahko testiramo različne

regulacijske algoritme na različnih problemih. S tem tudi ugotovimo optimalen

regulacijski algoritem za določen problem in odpravimo morebitne težave, ki nastopijo pri

uvajanju algoritma v industriji.

VI

ANALYSIS OF CONTROL ALGORITHMS USED IN PLCs

Keywords: Control algorithm, PLC, Siemens, STEP7, MATLAB, Simulation.

UDK: 681.51(043.2) Abstract In the diploma paper analysis of control algorithms suitable for PLCs is presented. The

equipment exists of Siemens controller Simatic S7-400 series and Siemens software, which

is installed on the first PC and Matlab simulation software running on the second PC. Both

PCs are connected together by the AD/DA card. In Simatic Manager software a PLC

program is designed and transferred into the PLC where is executed. On the other PC in

Matlab a real-time simulation of the studied process is performed. This method enables the

analysis and testing of various control algorithms to study problems in control theory.

Synthesis and analysis of optimal control algorithm designed for studied process can be

performed, with possibility to minimize issues when transferring control algorithms to

industrial practice.

VII

KAZALO

1 UVOD ............................................................................................................... …..1

2 SIEMENS KRMILNIKI ............................................................................................ 3 2.1 KRMILNIK SIMATIC S7-400 ..................................................................................3

2.1.1 Opis signalnih modulov......................................................................................5

Analogna vhodna enota – AI ..............................................................................................5

Merjenje napetosti s krmilnikom S7 – 400.........................................................................5

Merjenje toka s krmilnikom S7 – 400 ................................................................................6

Merjenje upornosti s krmilnikom S7 – 400........................................................................6

Analogna izhodna enota – AO ...........................................................................................7

Digitalana vhodna enota – DI.............................................................................................9

Digitalna izhodna enota – DO ............................................................................................9

2.1.2 Nastavitev strojne opreme ..................................................................................9

2.1.3 Pisanje programa ..............................................................................................13

2.2 MPI POVEZAVA ....................................................................................................16

3 MATLAB................................................................................................................... 19 3.1 SIMULINK...............................................................................................................21

3.1.1 Kratek opis nekaterih blokov............................................................................23

3.1.2 Pomembni napotki............................................................................................29

3.2 GRAFIČNI VMESNIK (GUI) .................................................................................30

4 A/D-D/A KARTICA ADVANTECH PCL – 818H ................................................ 34 4.1 KLJUČNE ZNAČILNOSTI KARTICE...................................................................34 4.2 SPECIFIKACIJA IZDELKA ...................................................................................36

5 ANALIZA REGULACIJSKIH ALGORITMOV PRILAGOJENIH ZA PLC ............................................................................................................................ 40

5.1 SIMULACIJSKO OKOLJE .....................................................................................41 5.2 TESTIRANJE PID BLOKA V KRMILNIKU.........................................................48

5.2.1 Načrtovanje parametrov PID regulatorja..........................................................59

6 SKLEP ....................................................................................................................... 65

VIRI IN LITERATURA ................................................................................................... 67

VIII

UPORABLJENI SIMBOLI, KRATICE IN TUJKE PLC Programmable Logic Controler

TAG Točka v nadzornem sistemu

OB Object Block

LAD Ladder logic

GUI Graphic User Interface

PID controller proportional–integral–derivative controller

P del Proporcionalni del regulatorja

I del Integracijski del regulatorja

D del Diferencialni del regulatorja

MPI Multi Point Interface

VAT tabela Variable tabel

Cleve Moler Napisal je prvi program Matlaba

Kp Ojačanje regulatorja

Ti Integracijska časovna konstanta

Td Diferencialna časovna konstanta

e(t) vhod regulatorja (regulacijsko odstopanje)

v(t) izhod regulatorja

1

1 UVOD

Regulacijski sistemi, ki vsebujejo PLC (Programmable Logic Controlers) in DCS

(Distributed Control Systems), se pogosto uporabljajo za vodenje realnih procesov, ki jih

srečamo v industriji, avtomatizaciji zgradb in drugod. Veliki industrijski procesi ponavadi

ne omogočajo prekinitev, da bi proces nadgradili ali modernizirali. Praktična in ugodna

rešitev so simulatorji, ti so sposobni simulirati celoten proces z vsemi parametri. Ko je

nadgrajeni regulacijski sistem načrtan, se ga temeljito testira na simulatorju in kasneje

vključi v že obstoječ proces, ne da se ta prekine. Simulator služi tudi za trening

načrtovanja in spoznavanja raznih procesov, ki jih v realnosti s težavo ali pa sploh ne

moremo testirati, z njim lahko tudi enostavno načrtamo optimalno regulacijsko progo za

dano problematiko.

Ključni namen diplomskega dela je testiranje in primerjava regulacijskih algoritmov

prilagojenih za PLC, poznavanje SIEMENS-ovih krmilnikov in ostalih komponent ter

njihove programske pakete za programiranje te strojne opreme. Vse to bo omogočilo lažjo

izbiro pravilnih regulacijskih algoritmov za posamezen proces.

Po uvodu so v drugem poglavju navedeni Siemens-ovi krmilniki, pod drobnogled smo

vzeli Siemens-ov krmilnik Simatic S7-400, kajti tega smo uporabili, da je na njem tekel

PID regulator. Regulator smo načrtali s Siemens-ovim programskim paketom SIMATIC

manager, ki podpira večino Siemens-ovih krmilnikov. Podprogram simatic managerja je

STEP 7, v katerem se generira koda, ta vsebuje dva bloka za PID regulator. Ta bloka se

enostavno potegne v OB in se jima nastavi parametre, kateri so potrebni za regulacijo

procesa. Nato je potrebno še nekatere signale prikrojiti, da jih je možno izpisovati in

program se lahko naloži na krmilnik. Ker je potrebno testirati, ali program in krmilnik

delujeta pravilno, to pa ni mogoče na realnem procesu, smo zaradi tega zgradili

simulacijsko okolje. Najbolj je ustrezalo simulacijsko okolje MATLAB-a, ker ta vsebuje

2

simulacijo v realnem času. To je bil eden ključnih razlogov za izbiro tega programa, kajti

matlab je dokaj enostaven za uporabo. Omogoča tudi izdelavo grafičnega vmesnika za

lažjo vnašanje podatkov v simulacijsko shemo, za izdelavo slednjega je na voljo GUI

(Graphic User Interface), v katerem se nariše vmesnik in nato v m-datoteki napiše

program, da dobijo gumbi in okna funkcije. Kako se kreira grafični vmesnik, nariše

simulacijska shema in delovanje je opisano v tretjem poglavju.

V naslednjem, četrtem poglavju, je opisana povezava med krmilnikom, matlab

simulacijskim okoljem in kako je to realizirano z Advantech-ovo A/D-D/A kartico preko

dveh vhodov in enim izhodom. Ta en izhod je bila omejitev, s katero smo morali

preoblikovati sistem, kajti želeno vrednost smo želeli vnašati v simulacijskem okolju, a je

potem ne bi mogli pošiljati na krmilnik, zaradi samo enega izhoda, ta izhod pa je bil že

zaseden s procesno vrednostjo.

Opis kartice in še naslednja omejitev, ki je nastopila zaradi uporabe le-te, ter rešitev je

prav tako opisana v četrtem poglavju.

V zadnjem poglavju so navedeni vsi rezultati in njihova analiza ter način, kako smo

načrtali parametre za PID regulator, katerega smo testirali. Ob koncu poglavja sledijo

ugotovitve z zaključkom, sklep in viri, ki so mi bili v pomoč pri izdelavi diplomskega

dela.

Za izvedbo PID regulacijeje je veliko krmilnikov, a nam je na voljo bil krmilnik

proizvajalca SIEMENS, in sicer Simatic S7-400, ki je v naslednjem poglavju podrobneje

opisan.

3

2 SIEMENS KRMILNIKI

Siemens premore veliko paleto krmilnikov, in sicer različnih cenovnih razredov in

različnih zmogljivosti. Tukaj so krmilniki skupine simatic S7, ki se delijo na S7-200, S7-

300/S7-300F, in S7-400/S7-400H/S7-400F/FH. Ti so trenutno najbolj v uporabi.

Obstajajo še starejši, serije S5, ki pa niso tako v ospredju in jih nadomeščajo novejši

krmilniki. Dobra lastnost novejših krmilnikov je med drugim ta, da so modularne

izvedbe. Tako si lahko vsak sestavi krmilnik, ki mu ustreza glede na avtomatizacijo

krmilnih in regulacijskih nalog strojev in procesov. Glavni deli, brez katerih ne gre, so

podnožje (rack), napajalni modul (PS), centralna procesna enota (CPU), potem so

Vhodno/Izhodni signalni moduli (SM), ki jih poljubno dodajamo glede na potrebe.

Podrobneje si bomo ogledali krmilnik simatic S7-400, kajti s tem krmilnikom smo delali

projekt diplomskega dela.

2.1 KRMILNIK SIMATIC S7-400

Skupina SIMATIC S7-400 obsega množico komponent za izgradnjo krmilnih sistemov.

Za izgradnjo krmilnega sistema na osnovi krmilnika iz skupine S7-400 potrebujemo

naslednje elemente:

■ podnožje (Rack), ki predstavlja fizično osnovo za povezavo modulov krmilnega

sistema;

■ napajalnik (Power Supply);

■ centralno procesno enoto (CPU);

■ vhodno/ izhodni signalni moduli (SM), preko katerih se prenašajo analogni in digitalni

signali v krmilni sistem in iz krmilnega sistema;

signalne module delimo na:

- digitalne vhodne module (DI),

- digitalne izhodne module (DO),

- analogne vhodne module (AI),

- analogne izhodne module (AO);

■ funkcijski moduli (FM), ki so namenjeni izvajanju časovno kritičnih in spominsko

4

zahtevnih nalog npr. pozicijoniranje, regulacije itd.;

■ komunikacijski procesorji (CP), ki služijo za povezavo krmilnika na industrijsko

omrežje

PROFIBUS-DP; potrebni dodatek pri tem je povezovalni kabel;

■ SIMATIC TOP konektor za ožičenje digitalnih modulov;

■ povezovalni moduli (IM) za povezavo več kot osmih razširitvenih modulov na en

krmilnik; potrebni dodatek pri tem je povezovalni kabel;

■ PROFIBUS kabel s konektorji, ki služi za povezavo vozlišč (krmilnikov, programirnih

naprav in modulov za vnos in prikaz) PROFIBUS omrežji;

■ kabel za povezavo krmilnika s programirno napravo ali s PC računalnikom; pri uporabi

PC računalnika moramo le-tega opremiti z dodatno MPI kartico ali pa uporabimo

povezovalni

kabel z MPI/PC adapterjem;

■ RS 485 repiter, služi za ojačanje (ponovitev) signalov PROFIBUS omrežji in za

povezavo posameznih segmentov v omrežjih;

■ programirna naprava ali PC računalnik z ustrezno strojno opremo, služi za

konfiguriranje,

programiranje in testiranje delovanja krmilnega sistema.

Slika 2.1.1: Krmilnik Simatic S7-400

5

2.1.1 Opis signalnih modulov V našem primeru je imel krmilnik S7-400 dva med sabo ločena analogna modula:

• analogni vhod (AI – Analog Input),

• analogni izhod (AO – Analog Output).

Na voljo imamo 8 analognih vhodov in 8 analognih izhodov.

Poleg analognih modulov je imel krmilnik še dva digitalna modula, in sicer:

• digitalni vhod (DI – Digital Input),

• digitalni izhod (DO – Digital Output).

Pri obeh imamo na voljo 4-krat po 8 bitov, torej skupaj 32 bitov oziroma vhodov in 32

izhodov.

Analogna vhodna enota – AI

Ima 8 vhodov, ki so lahko v obliki napetosti, toka (dvo- ali štirižična metoda merjenja

toka) ali upornosti, odvisno od tega, kako smo izvedli konfiguracijo posameznih vhodov.

Za posamezni vhod lahko določimo tudi merilno območje. Naslovi vhodov so od I 512 za

prvega do I 527 za zadnjega oz. osmi vhod. Vsak vhod zasede dva naslova. Vhod v

programu naslavljamo v obliki PI (Perifferal Input), nato sledi tip vrednost W (Word) ali

DW (Double Word), na koncu pa še naslov vhoda (512, 514 ... 527). Primer: če imamo

PIW 518, pomeni, da gre za 4. analogni vhod in da je tip vrednosti beseda (Word).

Merjenje napetosti s krmilnikom S7 – 400

Krmilnik meri napetost le tedaj, če mu nastavimo analogne vhode. To storimo s

konfiguracijo analogne vhodne enote, tako da za vsak posamezni vhod določimo vrsto

signala (napetost) in območje. Po opravljeni konfiguraciji lahko na vhod priklopimo

napetost in jo v primeru, če smo v programu krmilnika napisali ustrezen program,

opazujemo v digitalni obliki (Word ali Double Word).

6

Merjenje toka s krmilnikom S7-400

Krmilnik lahko meri tok po dveh metodah: 2-žični ali 4-žični metodi. Najprej moramo

pravilno konfigurirati posamezne vhode za meritev toka. To naredimo s konfiguracijo

analogne enote, tako da določimo vrsto signala (tok) in območje. Če smo v programu

krmilnika napisali ustrezen program, lahko opazujemo vrednost toka v digitalni obliki

(Word ali Double Word).

Merjenje upornosti s krmilnikom S7-400

S pomočjo krmilnika lahko merimo upornost. Pred meritvijo moramo pravilno nastaviti

analogne vhode. To storimo s konfiguracijo posameznih vhodov, tako da določimo tip

signala (upornost). Krmilnik meri upornost posredno, tako da meri tok in napetost ter

izračunava upornost. Če smo v programu krmilnika napisali ustrezen program, lahko

opazujemo vrednost upornosti v digitalni obliki (Word ali Double Word).

7

Slika 2.1.1.1: Priklopna shema AI

Analogna izhodna enota – AO

Ima 8 izhodov, ki so lahko napetostni ali tokovni, odvisno od konfiguracije posameznih

izhodov. Tudi pri izhodih lahko za posamezen izhod določimo merilno območje. Naslovi

analognih izhodov so od Q 512 za prvega do Q 527 za zadnjega. Vsak izhod zasede dva

naslova. Vhod v programu naslavljamo v obliki PQ (Perifferal Output), nato sledi tip

8

vrednosti W (Word) ali DW (Double Word), na koncu še naslov vhoda (512, 514 ... 527).

Primer: če imamo PQW 522 pomeni, da gre za 6. analogni izhod in da je tip vrednosti

beseda (Word).

Slika 2.1.1.2: Priklopna shema AO

9

Digitalana vhodna enota – DI

Ima 4-krat 8 vhodov (I), kjer števka 4 pomeni število byte-ov, števka 8 število bitov, črka I

pa pove, da gre za vhod. Vsak byte ima naslov od 0 do 3, biti pa imajo naslov od 0 do 7.

Če imamo naslov I 1.3 pomeni, da je to 2. byte in 4. bit digitalnega vhoda.

Digitalna izhodna enota – DO

Ima 4-krat 8 vhodov (Q), kjer števka 4 pomeni število byte-ov, števka 8 število bitov, črka

Q pa pove, da gre za izhod. Vsak byte ima naslov od 0 do 3, biti pa imajo naslov od 0 do 7.

Če imamo naslov Q 0.5 pomeni, da je to 1. byte in 6. bit digitalnega izhoda.

2.1.2 Nastavitev strojne opreme S konfiguriranjem strojne opreme se v konfiguracijski tabeli definira, kateri moduli bodo

uporabljeni za avtomatizacijo in kateri naslovi bodo uporabljeni za dostop do modulov iz

uporabniških programov. Lastnosti modulov so prav tako določljive z uporabo parametrov.

Programski paket Simatic STEP 7 je namenjen konfiguraciji in programiranju krmilnika

S7-400 in vseh ostalih Siemens-ovih krmilnikov serije 7. Tako je najprej potrebno krmilnik

fizično povezati z računalnikom, naložiti programski paket ter krmilnik pravilno

konfigurirati glede na sestavne dele, kot so napajalnik, procesorska enota, analogni vhodi

in izhodi ter digitalni vhodi in izhodi. Zelo pomembna je pravilna nastavitev vseh naslovov

(adress) vhodov in izhodov ter vrsta in hitrost komunikacije.

Po zagonu programskega paketa STEP 7 se pojavi osnovno okno, kjer se lahko s

čarovnikom po krajši poti ustvari nov projekt, ali pa odpre že obstoječ projekt. Nov projekt

se izbere z ukazom NEW, kjer je potrebno v okno vpisati ime projekta ter izbrati tip

procesorske enote; vrsto komunikacije, naslov komunikacije (v tem primeru MPI

ADRESS) pa je najbolje, da se izbere tako, kot je predhodno določil računalnik ter se

njegovi predlogi samo potrdijo z ukazom ENTER.

10

Slika 2.1.2.1: STEP 7 Wizard

Slika 2.1.2.2: Izbira krmilnika Na ta način smo ustvarili novo projektno okno. V projektnem oknu se na levi strani pojavi

drevesna struktura (TREE) novega projekta, kjer je zapisan tip krmilnika, strojna

11

konfiguracija, povezava v mrežo ter nazadnje še OB (OB1), v katerega se kasneje napiše

osnovna struktura programa.

Slika 2.1.2.3: Izbira strukture projekta in programirnega jezika

Na koncu izberemo še ime projekta.

Slika 2.1.2.4: Izbira imena projekta

12

Pri strojni konfiguraciji je potrebno v drevesni strukturi projekta izbrati HARDWARE

CONFIGURATION, kjer je potrebno določiti, kateri moduli so priključeni na RACK

(RACK je podnožje, nanj so nameščeni moduli krmilnika). Odpre se novo okno, ki je

razdeljeno na tri dele (Slika 2.6). Zgoraj se lahko pomika med podnožji (RACK-i), ki so

skupaj povezana v mrežo, teh je lahko do 32. Če je samo en RACK, ima le-ta ime oziroma

število 0. Spodaj je tabela, v katero se vnaša module, ki so izbrani (tabela predstavlja in

prikazuje, po kakšnem vrstnem redu so moduli zloženi v RACK-u). Moduli se

konfigurirajo glede na tip in tipsko številko ter se izbirajo iz kataloga na desni strani okna

(Slika 2.1.2.5).

V tabeli se najprej označi prva vrstica ter se v katalogu, na desni strani, poišče tip

napajalnika (POWER SUPLLY). Nanj se dvakrat klikne z miško ter se tako izbran

napajalnik avtomatsko prenese v tabelo. Nato se označita dve vrstici in vanju se iz kataloga

prenese procesorska enota. Ta zasede dva priključka na RACK-u, saj ima poleg

procesorske enote še komunikacijsko enoto. Na enak način se nazadnje v tabelo prenesejo

še želeni vhodno izhodni moduli (analogni in digitalni). Celotna konfiguracija se mora

nato naložiti v krmilnik z ukazom DOWNLOAD, ki je v ukazni vrstici. [3]

13

Slika 2.1.2.5: Konfiguracija krmilnika S7 Konfiguracijo strojne opreme ali program naložimo v krmilnik z ukazom DOWNLOAD. V

krmilniku se začne izvajati, ko se prestavi krmilnik v stanje RUN (ni možno nalaganje) ali

v stanje RUN/P (možno vmesno nalaganje in takojšnje izvajanje). Siemens omogoča

monitorig z ukazom MONITOR ON/OFF direktno iz LAD programa.

2.1.3 Pisanje programa STEP 7 omogoča programiranje v LAD, STL in FBD. Način programiranja si lahko vsak

izbere sam glede na to, kaj komu bolj ustreza, osebno mi bolj leži leder logika, ker je

pregledna in omogoča boljšo in lažjo predstavo. Na samem začetku programiranja

odpremo OB, v tem oknu lahko začnemo programirati, ko vključimo potrebne bloke v

svoj program. S tem, da lahko blokce ločimo med sabo, tako da jih damo v različne

Netzwerke, je tud program bolj pregleden. Te bloke v nadaljevanju smiselno povežemo,

14

jim dodamo in nastavimo parametre ter program je skorajda končan. Napisan program

lahko naložimo v krmilnik z ukazom DOWNLOAD in program teče na krmilniku.

Slika 2.1.2.6: OB 1 (Na levi strani je knjižnica z blokci, na desni je prostor za program.) Za lažje opazovanje delovanja našega programa je dobro, če si naredimo VAT tabelo

(Variable Tabel). V njej lahko spreminjamo tudi parametre našega programa ter

postavljamo bite na 1 ali 0. V stolpec ¨Modify value¨ lahko vpišemo želene vrednosti

parametrov in s klikom na gumb se prenesejo nove vrednosti v krmilnik in prav tako jih

vidimo v stolpcu Status value. S pritiskom na gumb se pojavi VAT tabela v

monitoring obliki in lepo vidimo, kaj se dogaja s programom v krmilniku.

15

Slika 2.1.2.7: VAT tabela

Za še boljšo preglednost in lažjo uporabo si lahko v Simbol Tabeli za vse spremenljivke

določimo imena ter napišemo komentarje. To tabelo shranimo in zapremo, simbole nato

vpišemo v okna za spremenljivke in namesto spremenljivk so vpisani simboli, a program

jemlje ustrezne spremenljivke.

16

Slika 2.1.2.8: Simbolna tabela

2.2 MPI POVEZAVA

MPI omrežje povezuje CPU (CPU-je) s programirnimi napravami, to so v večini prenosni

računalniki – od tod tudi ime (Multi Point Interface).

Do centralno procesne enote lahko dostopamo iz več mest. CPU je z MPI omrežen brez

dodatnih modulov. Hitrosti prenosa informacij v MPI omrežju:

17

Baudrate Maksimalna dolžina segmenta (v m)

187,5 kBaud 50

19,2 kBaud 50

12 MBaud 50

Tabela 2.1: Dovoljena dolžina segmenta v MPI mreži

Dolžina segmenta je v MPI omrežju omejena na največ 50 m, t.j. od prvega vozlišča do

zadnjega vozlišča v segmentu. Če potrebujemo daljšo povezavo, moramo uporabiti RS 485

repeater. Med dvema repeaterjema je lahko kabel dolžine največ 1000 m (v MPI mreži) ali

dolžine največ en segment (v PROFIBUS mreži), maksimalna dolžina je dovoljena, če med

dvema repeaterjema ni nobenega vozlišča. V serijo lahko povežemo do 10 repeaterjev.

Slika 2.2.1: Repeater RS 485

Možna vozlišča v MPI mreži:

18

• programirne naprave (PG ali PC z ustrezno programsko opremo)

• naprave za vnos in prikaz (OP)

• krmilniki serij S7-300/M7-300

• krmilniki serij S7-400/M7-400

Slika 2.2.2: MPI mreža

Za testiranje Siemens-ove opreme smo si zamislili simulator in najlažje ga je bilo narediti v

MATLABU. Kajti za nas je bilo zelo pomembno, da teče simulacija v realnem času in

matlab ima to podporo.

19

3 MATLAB

Matlab je moderno programsko orodje za reševanje numeričnih problemov. Primeren je za

raziskovanje in reševanje praktičnih problemov. Jezik ima bogate podatkovne strukture in

je objektno orientiran.

Matematik Cleve Moler je napisal prvo verzijo Matlaba v programskem jeziku Fortran v

poznih 70-ih letih 20. Stoletja, in sicer kot pripomoček za poučevanje numeričnih metod.

Pozneje so kodo prepisali v programski jezik C. Zaradi enostavne uporabe je Matlab postal

orodje, ki so ga začeli na široko uporabljati tako v industriji kot na univerzah. Ima nekaj

značilnih prednosti pred drugimi numeričnimi knjižnicami, in sicer:

- omogoča hitro in enostavno pisanje programov,

- na razpolago so kakovostna orodja za vizualizacijo,

- teče na več operacijskih sistemih, Matlabove m datotek so neodvisne od operacijskega

sistema,

- sestavni del Matlaba je Maplovo jedro, s čimer so ustvarjalci omogočili, da lahko tudi v

njem, podobno kot v Matematiki, računamo simbolično,

- na voljo so posebni programski sklopi za posamezna področja, in sicer za procesiranje

signalov, slik, simbolično računanje in statistiko,

- na internetu lahko najdemo mnogo programov za Matlab, ki jih prispevajo različni

uporabniki in so brezplačni,

- večina raziskovalcev na področju numerične linearne algebre dovoljuje vgrajevanje

najnovejših algoritmov, tako da v Matlabu najdemo vedno sveža dognanja na tem

področju.

Ker Matlab svoje datoteke interpretira (izvaja po vrsticah), pri tem izgubi precej

dragocenega časa, vendar je mogoče kodo m datotek prevesti in s tem pospešiti izvajanje

programa. Ozka grla pri izvajanju (to so deli programov, ki porabijo največ časa) lahko

tudi zakodiramo v katerega od drugih programskih jezikov, na primer C ali Fortran, in

prevedeno v mex datoteko, ki jo zna Matlab uporabljati podobno kot m datoteko,

prevedena koda pa teče mnogo hitreje.

20

Zraven osnovne verzije Matlab-a so na razpolago tudi orodja (.toolbox.), in sicer orodje za

regulacijsko tehniko (Control system), orodje za numerično identifikacijo sistema (System

identification), orodje za mehko logiko (Fuzzy logic), orodje za simbolično reševanje

enačb (Symbolic Math), orodje za statistiko (Statistic), orodje za delo v realnem času (Real

time toolbox), orodje za izgradnjo grafičnega vmesnika (GUI) in ostala. Pogosto najdemo

na internetu tudi orodja, ki so jih izdelali posamezniki, takšen primer je orodje za robotiko,

Robotics toolbox, in so v prostem dostopu. Orodja vsebujejo množico funkcij, ki jih lahko

uporabimo v svojih programih.

Slika 3.1: Logotip matlab 7

Te funkcije so zapisane za vse najbolj pogoste operacije s področja, ki ga orodje pokriva

(npr. Control system toolbox, vsebuje funkcije za izris stopničnega odziva, Bode-jevega

diagrama, krivulje lege korenov, iskanje ničel in polov). V Matlab-u je tako za osnovni

program kot za orodja na voljo obsežna pomoč v obliki *.pdf dokumentov ali spletnih

strani, ki poleg uporabe razpoložljivih funkcij podaja tudi pripadajočo osnovno teorijo.

21

Prav tako so v Matlab vgrajeni demo programi, ki nazorno prikazujejo uporabo funkcij.

Dodatna podpora, vključno s primeri uporabniških aplikacij, je pa na voljo na njihovi

spletni strani.

Posebno orodje je v Matlab-u Simulink, to je grafična nadgradnja osnovnega programa.

Simulink omogoča prikaz diferencialnih enačb v obliki blok diagrama. To je koristno, ko

diferencialne enačbe opisujejo kakšen realen sistem ali mehanizem. Za uporabo Simulink-a

ni potrebno poznati Matlab ukazov.

3.1 SIMULINK

Simulink je grafična nadgradnja programskega paketa Matlab. Modele izgradimo z

razpoložljivimi bloki, tako da ni potrebno poznavanje Matlab ukazov. Seveda pa Simulink

ne nudi vseh možnosti, ki so na razpolago v osnovnem Matlabu. Glavno okno knjižnice

Simulinka je prikazano na sliki 3.1.1 in se odpre, če v Matlab-ovem delovnem prostoru

izvedemo ukaz simulink. Zbirke blokov, ki jih bomo uporabljali, najdemo v poddirektoriju

Simulink (Continuous, Discrete, Functions & Tables …). Če so Matlabu dodana še orodja

(Toolbox) za npr. mehko logiko, jih vidimo kot posebni direktorij (Fuzzy logic Toolbox).

22

Slika 3.1.1: Osnovno okno Simulinka

Posamezni poddirektorij odpremo s klikom nanj, nekaj teh poddirektorijev: Continous,

Functions & Tables, Math, Nonlinear, Signals & Systems, Sinks and Sources … Če iščemo

blok, katerega ime poznamo, ne vemo pa, v katerem poddirektoriju se nahaja, ga najdemo

tako, da njegovo ime vpišemo v prazno vrstico na zgornjem delu okna. Vsak blok je

opremljen tudi s pomočjo (Help), ki pojasnjuje njegov namen in način uporabe.

Nov model izgradimo tako, da v Matlab ali Simulink oknu gremo pod File->New->Model.

Odpre se okno z naslovom ’untitled’, za katerega je najbolje, da ga kar shranimo pod

nekim imenom. Datoteka se samodejno shrani s končnico *.mdl, kar označuje Simulink

23

model. V prazno okno potrebne bloke zložimo tako, da jih v odprtem oknu knjižnice

primemo z levo tipko miške, jo držimo in na primernem mestu spustimo. Povezave med

bloki narišemo z miško.

Preden poženemo simulacijo je potrebno nastaviti parametre simulacije. Gremo pod

Simulation->Configuration Parameters, tako da se odpre okno, kot je prikazano na sliki

3.1.2. V prvem delu okna nastavimo čas simulacije. Drugi parametri določajo integracijsko

metodo in njene parametre. Ko vse ustrezno nastavimo, poženemo simulacijo s

Simulation->Start. Za izris rezultatov simulacije lahko uporabljamo tudi XY Graph ali To

Workspace bloka.

Slika 3.1.2: Simulacijski parametri

24

3.1.1 Kratek opis nekaterih blokov Blok Prenosna funkcija (Transfer Fcn):

Nastavimo vrednosti števca in imenovalca. Vpis poteka po padajočih potencah in v obliki

vektorja. Red števca mora biti manjši ali enak redu imenovalca.

Blok Ojačanje (Gain):

Ojačanje oziroma množenje s skalarjem.

25

Blok Vsota (Sum):

Vsota/razlika poljubnega števila vhodov. Predznaki se vpisujejo po vrsti, kot jih želimo na

bloku. Blok je lahko okrogle ali pravokotne oblike (bolj praktično pri večjem številu

vhodov).

Blok konstante (Constant):

26

Na izhodu da konstantno vrednost, kot je vpisana v ¨Constant value¨parametru. Ta

parameter lahko vpišemo kot vektor.

Blok XY osciloskop (XY Scope):

Izriše signala na vhodu bloka v XY obliki. Če je na X osi kot vhod podan čas, deluje enako

kot blok Scope. Primerno za sprotno opazovanje rezultatov.

27

Blok stikalo z več vhodi (Multiport Switch):

Preklaplja med vhodi in da na izhod izbrano veličino vhoda. Nastavimo mu lahko želeno

število vhodov. Izbrano vrednost izhoda dobimo tako, da na prvi vhod od zgoraj navzdol

damo konstantno cifro od 0 do št. vhodov, katerega pač želimo dobiti na izhodu.

Blok analogni vhod (Analog Input):

28

Na izhodu da vrednost, ki jo prebere iz kartice, katero nastavimo. Kartico nastavimo s

tipko Board setup, če želene kartice ni v seznamu, jo dodamo, tako da pritisnemo na gumb

Install new board, izberemo kartico in to potrdimo. Nato nastavimo parametre in blok nam

daje želene podatke iz kartice.

Blok analogni izhod (Analog output):

Ta blok deluje obratno kot blok Analog input, zajema podatke iz sheme in jih daje na

kartico, ki jo izberemo. Prav tako mu moramo nastaviti parametre.

29

Blok Diskretni PID regulator (Discrete PID Controller):

Blok PID simulira diskretni PID regulator. Na vhodu mu nastavimo želeno in procesno

vrednost, on nato poskuša približati procesno vrednost želeni. Če smo parametre

regulatorja pravilno nastavili, dobimo na izhode pravilen odziv.

3.1.2 Pomembni napotki

Simulink modeli, zgrajeni s Simulink-om, ki je dodan Matlab-u 5.6 ali 6.0 (prejšnje

verzije), delujejo tudi s Simulink-om v Matlabu 7. Obratno ne velja.

Poti do direktorija, v katerem so shranjeni Simulink modeli, ni potrebno nastavljati.

Rezultate simulacij v Simulink-u si je najbolje shraniti (npr. prenesti v MS Word), tako da

jih z blokom To Workspace prenesete v delovni prostor, kjer jih izrišete s plot(..) ukazom.

Tako boste lahko grafe opremili tudi z oznakami.

30

Simulink sheme lahko shranite v MS Word, tako da v oknu z modelom izberete Edit-

>Copy model to clipboard in nato sliko prenesete s ’Paste’.

Imena blokov v modelu lahko spreminjate, tako da dvakrat kliknete na napis pod blokom.

Priporočljivo je, da poimenujete bloke glede na njihovo fizikalno ozadje (npr. R [ohm]).

Prav tako lahko z dvakratnim klikom poimenujete povezave med bloki.

Blok rotirate tako, da ga označite s klikom in pritisnete CTRL+r.

Blok povežete na še obstoječo povezavo, tako da začnete na vhodu tega bloka in končate

(spustite gumb na miški) na povezavi, na katero ga želite priključiti.

Pred simulacijo ne pozabite nastaviti parametrov simulacije. Posebej previdni bodite pri

izbiri integracijske metode.

Ne pozabite sproti shranjevati vašega modela.

3.2 GRAFIČNI VMESNIK (GUI)

Grafični vmesnik je namenjen za lažjo uporabo programov, ki smo jih naredili v Matlab-u.

Vmesnik posreduje in izmenjuje podatke med uporabnikom in Simulink shemo. Njegova

zasnova je grafična, zato mu pravimo tudi grafično-uporabniški vmesnik (graphical user

interface - GUI). Preko njega uporabnik "komunicira" s Simulink shemo. Uporabniški vmesnik

je sestavljen iz oken, menijev in gumbov. Z meniji (ali gumbi) program nadzira, kaj je

uporabnik vnesel v program, zahteve obdela in potem prikaže zahtevano na ustreznih mestih v

shemi ali na vmesniku.

31

Slika 3.2.1: Guide za risanje grafičnega vmesnika

V Matlab-u izdelavo vmesnika zelo poenostavi vgrajeni urejevalnik, imenovan GUIDE

(GUI editor). Ukaz guide nam pripravi vse potrebno za začetek izdelave novega grafičnega

vmesnika (odpre se okno, v katerem narišemo novo grafično okolje).

Kot prvo prilagodimo velikost polja za naš vmesnik, nato na to polje vključimo tekstovna

polja in gumbe:

– Edit text - polje za vnos podatkov;

– Static text - polje za izpis besedila;

– Slider - drsnik po območju [0,1];

– ListBox - seznam možnosti;

– Push Button - gumb za potrditev ali klic ukaza;

– Radio Button in Check Box - polji za izbiro (neizbiro);

– Axes - polje za prikaz grafike;

– Pop-up menu - meni s seznamom ukazov.

Ko smo namestili vse gumbe in polja, jim moramo z dvoklikom na gumb ali objekt v oknu

property inspector nastaviti parametre in po želji tudi barvo ozadja, velikost objekta ipd.

32

S tem je vmesnik oblikovan, sedaj je na vrsti glavni del, potrebno je napisati program za

celoten vmesnik. Nekaj kode naredi guide sam, ta koda ni dobra, potrebno jo je zbrisati in

napisati novo. Vsakemu gumbu in polju pripada rutina ImePolja_Callback, ta se izvede, ko

kliknemo na polje ali gumb. Klici rutin, ki pripadajo poljem in gumbom, se izvedejo v

okolju vmesnika, če ne zahtevamo drugače. Polja in gumbe naslavljamo preko njihovih

imen (lastnost tag). Struktura, ki vsebuje vsa polja in gumbe vmesnika, se imenuje handles.

Vsebino in vrednosti polj in gumbov upravljamo kot pri ostali grafiki:

– z ukazom set nastavimo lastnost:

SET (handles.ImePolja,’ImeLastnosti’,’VrednostLastnosti’);

– z ukazom get pa preberemo zahtevano lastnost:

GET(handles.ImePolja,’ImeLastnosti’).

Ko je program napisan, je GUI nared in pripravljen za uporabo.

33

Slika 3.2.2: Okno za nastavitev parametrov objektov v grafičnem vmesniku

Za povezovanje simulacijskega okolja s krmilnikom je na voljo več možnosti. Povezujemo

lahko fizične signale (tokovne, napetostne, digitalne) ali pa uporabimo povezovanje na

nivoju komunikacijskih vmesnikov (OPC, PB …). V primeru uporabe A/D-D/A modulov

je smoterna povezava realnih signalov na naše simulacijsko okolje. V laboratoriju je bila

na razpolago Advantech-ova PCL – 818H A/D-D/A kartica, ki je v naslednjem poglavju

podrobneje opisana.

34

4 A/D-D/A KARTICA ADVANTECH PCL – 818H

PLC – 818H je zelo učinkovita, zelo hitra, multifunkcionalna podatkovno obogatena

kartica s programirljivim ojačanjem za IBM-ov PC/XT/AT ali drug združljiv računalnik.

Končana specifikacija te polno zmogljive kartice in dovršena programska podpora jo

naredi idealno za široko območje tako v industriji kot v laboratorijskem okolju za nadzor

procesov, za testiranje avtomatizacije in industrijskih procesov.

Slika 4.1: A/D D/A kartica advantech PCL-818H

4.1 KLJUČNE ZNAČILNOSTI KARTICE

Značilnosti kartice:

N na razpolago ima dva analogna vhodna kanala, kanal z 16 singleended ali 8

diferencialnih vhodov;

35

N industrijski standardni 12- bitni zaporedni približevalni A/D pretvornik, ki se uporablja

za pretvorbo analognih vhodov;

N območje analognih vhodov, ki so na razpolago:

bipolarni: ±0.625, ±1.25, ±2.5, ±5, ±10,

unipolarni: 0 ~ 1.25 V, 0 ~ 2.5 V, 0 ~ 5 V, 0 ~ 10 V;

N nadzorna koda analognega vhodnega območja je shranjena v RAM-u na kartici;

N A/D pretvorba podatkov se lahko prenaša po programskem vodilu, interaptnem rotinskem

ali DMA prenosu;

N intelov 8254 programirljiv števec poskrbi za hitrost na območju od 2,5 MHz do 0,00023

Hz (71 min/pulz);

N 12-bitni enoten množilni D/A izhodni kanal; izhodno območje od 0 V do – t 5 V (+10 V)

se lahko generira z uporabo – 5 V (- 10 V) reference na kartici; prav tako se lahko uporabi zunanja AC ali DC referenca za generiranje ostalih D/A izhodnih območij;

N 16 digitalni vhodni in 16 digitalni izhodni kanal je TTL/DTL kompatibilni (združljivi).

Kot dodatek k močni posebnosti PCL – 818H za boljšo okretnost kartice je možna razširitev z eno od možnih ploščic:

I PCLD – 789,

I PCLD – 788,

I PCLD – 787,

I PCLD – 786,

I PCLD – 785/885,

I PCLD – 782,

I PCLD – 780: ta kartica je narejena (konstruirana) za enostavno analogno in/ali

vhodno/izhodno priključitev,

36

Slika 4.1.1: Ploščica PCLD – 780

I PCI,D – 779,

I PCLD – 770/7701/7702,

I PCLD – SB 16.

PCL-818H je prav tako oskrbljen z močno in za uporabo enostavno programsko opremo.

Uporabnik pri nalaganju sam definira, katere komponente želi naložita na PC.

4.2 SPECIFIKACIJA IZDELKA

Analogni vhod:

• kanal: na izbiro sta dva kanala; 16 singeleended ali 8 diferencialnih vhodov

• čas pretvorbe: 8 ms

• resolucija: 12 bits

• območje vhoda (V):

bipolar: ±10, ±5, ±2.5, ±1.25, ±0.625

unipolar: 0 ~ 10, 0 ~ 5, 0 ~ 2.5, 0 ~ 1.25

• pretvorbeno razmerje: 100 kHz

• prenapetost: ±30V max

• točnost: ± (0.01% pri branju), ±0.1 bit

• linearnost: ± 1bit

37

Slika 4.2.1: Shema analognih vhodov (single-ended kanali)

Slika 4.2.2: Shema analognih vhodov (diferencialni kanali)

Analogni izhod:

• kanal: 1 kanal

• resolucija: 12 bits

• območje izhoda (V):

0 do +5(+10)V na kartici -5 (-10)V reference

max ±10 V z zunanjo DC ali AC referenco

• linearnost: ± 0.5 bit

• čas poravnave: 5 mikros

38

Slika 4.2.3: Shema analognih izhodov

Digitalni vhod:

• kanal: 16 bits

• raven: TTL kompatibilen

• vhodna napetost:

spodnja – 0.8 V max

zgornja –2.0 V min

Slika 4.2.4: Shema digitalnih vhodov

39

Digitalni izhod:

• kanal: 16 bits

• raven: TTL kompatibilen

• izhodna napetost:

spodnja ~8 mA pri 0.5 V max.

zgornja – 04 mA pri 2.4V min

Slika 4.2.5: Shema digitalnih izhodov

Opisana je vsa uporabljena oprema, sledi analiza in pregled rezultatov. Rezultate iz

simulatorja in krmilnika smo med seboj primerjali in analizirali, da bi videli učinkovitost

delovanja in če je potrebno kaj spremeniti ali dodati.

40

5 ANALIZA REGULACIJSKIH ALGORITMOV PRILAGOJENIH ZA PLC

Vodenje pomeni vplivanje na proces z namenom, da dosežemo želeno obnašanje. Ker se

potrebe po vodenju pojavljajo v vsakdanjem življenju, v proizvodnji pa tudi v raziskavah

na številnih področjih, je omenjeno področje skupaj s teorijo sistemov, s simulacijami, z

računalništvom, robotiko in s številnimi drugimi (tudi netehniškimi) vedami ter skupaj z

moderno tehnologijo odločilno vplivalo na vsesplošni napredek. Medtem ko k

enostavnejšim metodam, zlasti odprto zančnim, vodenja včasih še lahko pristopimo na bolj

intuitivni način, pa regulacije kot zaprto zančni način vodenja potrebujejo več teoretičnih

in praktičnih znanj. Čeprav v zadnjih letih na področja regulacij uspešno prodirajo številne

metode umetne inteligence (ekspertni sistemi, uporaba konceptov nevronskih mrež, mehki

regulatorji ...), pa večino industrijskih problemov zadovoljivo in cenovno ugodno rešujejo

s konvencionalnimi algoritmi - seveda v novi, tehnološkemu razvoju primerni, preobleki.

Prav zato je poznavanje PID-regulatorjev, stopenjskih regulatorjev ter nekaterih več

zančnih metod vodenja ob poznavanju teoretično manj zahtevnih postopkov sekvenčnega

vodenja bistvenega pomena pri avtomatizaciji industrijskih procesov.

Analiza sistema je predpogoj za zaključno fazo, in to je oblikovanje sistema. Če odziv

sistema kvantitativno in/ali kvalitativno ni zadovoljiv, moramo sistem korigirati, bodisi z

prilagoditvijo parametrov bodisi s kompenzacijo. Oblikovanje sistema vedno izhaja iz

izbranega modela fizikalnega sistema in izbrane predstavitve modela sistema. V analizi

regulacijskih sistemov opazujemo predvsem odzive sistemov na značilne vzbujalne

signale, spremembe želene vrednosti ali motnje. Pri tem opazujemo regulacijsko

odstopanje, regulirni signal (izhod regulatorja) ali reguliran signal (izhod sistema). Iz

poteka odzivov želimo ugotavljati lastnosti sistema in sprejeti zaključke o kvaliteti

regulacije. Za pridobitev ocene kvalitete regulacije uporabljamo objektivne kriterije v

obliki performančnih indeksov.

41

5.1 SIMULACIJSKO OKOLJE

Cilj diplomskega dela je načrtati optimalni regulacijski algoritem za izbrani regulator in

problematiko regulacije, zato smo naredili simulacijsko platformo za simuliranje

problematike in s tem omogočili lažjo pot do načrtovanja optimalnega regulacijskega

algoritma. Simulator za problematiko regulacije je sposoben simulirati vse mogoče

težavnosti problemov, prog, ki jih srečamo v industriji in naši okolici. Simulacijska shema

je zgrajena v Matlab-ovem Simulacijskem okolju Simulink, ki omogoča priključitev kartic

za zajem podatkov iz okolice. Shema je sestavljena tako, da uporabnik izbere parametre

problematike, ki jih za svojo simulacijo potrebuje. Tako je na razpolago izbira reda

sistema, izbira med različnimi vplivi in motnjami na sistem. Vse parametre proge je

potrebno nastaviti na dobljene veličine iz matematičnih modelov, da bo simulacija čim bolj

točna glede na realni problem, ki ga skušamo regulirati. Poleg tega lahko simuliramo tudi

regulator, da vidimo, kakšen naj bi bil rezultat in če dosegamo pravo rešitev, ki smo si jo

zastavili. Ta simulacija regulatorja služi predvsem za analizo in primerjavo z regulatorjem,

ki je naložen na krmilniku. Regulator lahko simuliramo kot objekt simulacijske proge; s

pomočjo regulatorja naloženega na krmilniku simuliramo samo problematiko, ki jo bo

regulator v resnici reguliral.

Slika 5.1.1: Glavno okno simulacijske sheme

42

Slika 5.1.2: Simulacijska shema simulatorja

43

Za lažjo uporabo simulacijske sheme smo izdelali uporabniški vmesnik (graphical user

interface- GUI), ki je tako kot simulacijska shema bil izdelan v Matlab-u. Uporabniški

vmesnik omogoča lažjo, boljšo in hitrejšo uporabo simulacije, kajti v tem vmesniku lahko

z nekaj vnosi spremenimo vse parametre simulatorja.

Slika 5.1.3: Grafični vmesnik simulatorja F16

Ko zaženemo grafični vmesnik, se avtomatsko zažene tudi shema simulacije. Nato

vnesemo parametre, za izbiro reda sistema vpišemo cifro 0 za prvi red, cifro 1 za drugi

red, ali cifro 2 za tretji red. Vpišemo lahko le cifre od 0 do 1, kajti če vpišemo višjo ali

nižjo cifro se pojavi v oknu prejšnja ustrezna cifra. Za izbiro vpliva na sistem lahko

vnesemo cifro od 0 do 3, pri tem pomeni cifra 0 vpliv histereze, cifra 1 vpliv mrtve cone,

cifra 2 vpliv saturacije in cifra 3 pomeni "brez vpliva". Za simulacijo PID regulatorja

moramo v tretje okno vpisati cifro1, če pa hočemo regulator iz krmilnika, pa izberemo

44

cifro 0. Na vrsti so nastavitve ojačanj od K1 do K3 ter izbira časa tipanja od Tau1 do

Tau3. Ko smo nastavili parametre, lahko poženemo simulacijo s pritiskom na tipko start.

Ustavimo jo z tipko stop, nato pa lahko izrišemo graf s tem, da pritisnemo tipko Plot. Ko je

optimalna rešitev dobljena, se lahko s pritiskom tipke Close vse zapre.

V simulacijsko shemo je mogoče vključiti PID regulator iz krmilnika, a le z Advantech-

ovo A/D D/A kartico in blokoma analog input in analog output. Več o teh blokih je

napisano v poglavju 3.1.1, tam je tudi opisano, kako se v shemo pravilno vključi kartico.

Simulacijska shema komunicira z A/D D/A kartico, ta je preko kabelske povezave z enim

izhodom in dvema vhodoma povezana na krmilnik Simatic S7-400 od SIEMENSA. Pri

tem je izhod iz kartice vhod v krmilnik, vhoda v kartico pa sta izhoda iz krmilnika. Točno

vezalno shemo najdete v prilogah. Kartica ima možnost vhodne in izhodne napetosti od 0

do 10 voltov, krmilnik pa od -10 do +10 voltov. Zaradi tega se je bilo potrebno z izhodom

krmilnika omejiti na od 0 do 10 voltov. Na kartici je uporabljen prvi in drugi vhodni ter

prvi izhodni kanal. Kartica po informacijah izdelovalca sicer omogoča dva izhoda, a ker ni

bilo možno dobit pravih gonilnikov, smo se zadovoljili z enim izhodom.

PID, izveden na krmilniku, je komuniciral s kartico prek analognih vhodov in izhodov

krmilnika. Program PID regulatorja je izdelan s pomočjo SIMATIC manager-ja step 7, in

sicer je napisan v bloku OB32, ker ta blok omogoča nastavitev časa sempliranja. Step 7

ima v knjižnici že narejen blok PID regulatorja, tako ga je potrebno le vključiti v program

in mu nastaviti parametre. Teh ni malo in pri vnašanju je potrebno biti previden, saj

zahteva parametre v pravi veličini, čas cikla mora bit v sekundah s sintakso T#2s, želena

vrednost mora biti podana v procentih, tu zadostuje cifra.

Vhodni parametri Pomen

COM_RST Reset vseh spremenljivk

MAN_ON Vklop ročnega delovanja

PVPER_ON Vklop

P_SEL Vklop P dela regulatorja

45

I_SEL Vklop I dela regulatorja

D_SEL Vklop D dela regulatorja

CYCLE Čas cikla

SP_INT Želena vrednost

PV_INT Vhodna procesna vrednost

PV_PER Vhod procesne vrednosti v procentih

MAN Ročna veličina

GAIN Ojačanje

TI Integralni del regulatorja

TD Diferencialni del regulatorja

TM_LAG Čas zakasnitve

LMN_HLM Maksimalna izhodna vrednost regulatorja

LMN_LLM Minimalna izhodna vrednost regulatorja

PV_FAC Faktor procesne veličine

LMN_FAC Faktor manipulacijske veličine

LMN_OFF Offset manipulacijske veličine

Izhodni parametri Pomen

LMN Izhod regulatorja

LMN_PER Izhod regulatorja v procentih

QLMN_HLM Dosežena maksimalna vrednost izhoda

QLMN_LLM Dosežena minimalna vrednost izhoda

LMN_P Proporcionalni del izhodne veličine

LMN_I Integralni del izhodne veličine

LMN_D Diferencialni del izhodne veličine

PV Procesna vrednost

ER Pogrešek

Tabela 5.1.1: Parametri PID regulatorja in njihov pomen

46

Slika 5.1.4: Blok PID regulatorja

47

Želeno vrednost smo vnašali v proces prek programa v VAT tabeli, potrebno jo je bilo

vpisati v procentih. Vrednosti v procentih A/D D/A kartica ne podpira, zaradi tega jo je

bilo potrebno pretvorit v številčni zapis od 0 do 27684. Te cifre potem krmilnik sam

pretvori in da na analognih izhodih ustrezno veličino v voltih. Spremenjeno vrednost nato

premaknemo v spremenljivko za izhodno vrednost in jo lahko pošljemo v kartico.

Vrednost v % Vrednost krmilnika Napetost (V)

0 0 0

10 2764.8 1

20 5529.6 2

30 8294.4 3

40 11059.2 4

50 13824 5

60 16588.8 6

70 19353.6 7

80 22118.4 8

90 24883.2 9

100 27648 10

Tabela 5.1.2: Pretvorba vrednosti v Krmilniku

Slika 5.1.5: Pretvorba želene vrednosti za izpis

48

Slika 5.1.6: Premik v spremenljivko za izpis

5.2 TESTIRANJE PID BLOKA V KRMILNIKU

PID regulator (Proportional Integral Derivative Controller) predstavlja klasično orodje

industrijske avtomatizacije. Z njim je mogoče rešiti mnogo regulacijskih nalog, še posebej,

če zahteve za regulacijo niso postavljene previsoko. Prav zaradi tega jih je mogoče najti v

velikem številu v vseh industrijskih panogah, v najrazličnejših oblikah. V procesni

industriji ima še vedno 95 % vseh regulatorjev obliko PID. Proizvajajo jih kot samostojne

enote za regulacijo ene ali več regulacijskih zank ali v kombinaciji z drugimi

regulacijskimi strukturami. Izvedbe PID regulatorjev so se hkrati s tehnološkim razvojem

spreminjale od pnevmatskih preko tranzistorskih do današnjih mikroprocesorskih.

Izhodišče vseh PID regulacijskih oblik je zvezni PID regulator, ki ga opišemo s prenosno

karakteristiko:

( ) ( ) ( ) ( )0

1 t

p di t

de tv t K e t e d T

T dtτ τ

⎛ ⎞= ⋅ + + ⋅⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠∫ ,

kjer so:

- Kp – ojačanje reguatorja

- Ti – integracijska časovna konstanta

- Td – diferencialna časovna konstanta

- e(t) – vhod regulatorja (regulacijsko odstopanje)

- v(t) – izhod regulatorja

Najprej smo testirali vsak del regulatorja posebej in nato cel regulator, to je razvidno iz

tabele 5.2.1. Za P-, I-, PI- in PD-del smo posneli odziv na stopnico, pri D-delu je bilo

49

potrebno uporabiti rampo, da se vidi, kako reagira na spremembo diferencialni del

regulatorja, pri PID smo posneli oba odziva. Da smo posneli odziv na stopnico ali rampo

pomeni, da smo dali na vhod, e(t) odprte zanke, stopnični signal ali signal rampe in posneli

odziv, ki smo ga dobili na izhodu. Od slike 5.2.2 in do slike 5.2.7 so prikazani idealni

odzivi regulatorjev ter njihove karakteristične enačbe, slika 5.2.8 pa prikazuje odprto zanko

s stopnico ali rampo na vhodu.

Slika 5.2.1: Shema PID bloka

50

Del

regulatorja poskus Čas cikla ojačanje Ti Td Ime grafa

1. 1 s 1 / / Odziv P dela 1

2. 1 s 3 / / Odziv P dela 2 P del

3. 1 s 5 / / Odziv P dela 3

1. 1 s 1 1 s / Odziv I dela 1

2. 1 s 10 1 s / Odziv I dela 2 I del

3. 1 s 1 10 s / Odziv I dela 3

1. 1 s 10 / 10 s Odziv D dela 1

2. 1 s 10 / 1 s Odziv D dela 2 D del

3. 1 s 1 / 10 s Odziv D dela 3

PI del 1. 1 s 1 5 s / Odziv PI dela 1

PD del 1. 1 s 10 / 1s Odziv PD dela 1

PID del 1. 1 s 10 1 s 1 s Odziv PID dela

1

Tabela 5.2.1: Parametri regulatorjev, s katerimi so izvedeni testi

Slika 5.2.2: Karakteristična enačba in odziv P-dela regulatorja na stopnico

Slika 5.2.3 Karakteristična enačba in odziv I-dela regulatorja na stopnico

51

Slika 5.2.4 Karakteristična enačba in odziv D-dela regulatorja na stopnico

Slika 5.2.5: Karakteristična enačba in odziv PI-dela regulatorja na stopnico

Slika 5.2.6: Karakteristična enačba in odziv PD-dela regulatorja na stopnico

Slika 5.2.7: Karakteristična enačba in odziv PID dela regulatorja na stopnico

52

Slika 5.2.8: Odprta zanka s stopnico ali rampo na vhodu

Sledeče slike prikazujejo odzive regulatorjev, ki smo jih posneli na simulacijski progi, te

smo dobili tako, da smo nastavili parametre, kateri so podani v tabeli 5.2.1 in nato pognali

simulacijo. Odziv smo izrisali s pritiskom na tipko plot uporabniškega vmesnika in ga

nato shranili. Na slikah odzivov je moder signal želena vrednost, zelen signal je procesna

vrednost in rdeč signal je signal, ki ga generira regulator v krmilniku.

Slika 5.2.9: Odziv P-dela regulatorja, 1. poskus

53

Slika 5.2.10: Odziv P-dela regulatorja, 2. poskus

Slika 5.2.11: Odziv P-dela regulatorja, 3. poskus

54

Slika 5.2.12: Odziv I-dela regulatorja, 1. poskus

Slika 5.2.13: Odziv I-dela regulatorja, 2. poskus

55

Slika 5.2.14: Odziv I-dela regulatorja, 3. poskus

Slika 5.2.15: Odziv D-dela regulatorja, 1. poskus

56

Slika 5.2.16: Odziv D-dela regulatorja, 2. poskus

Slika 5.2.17: Odziv D-dela regulatorja, 3. poskus

57

Slika 5.2.18: Odziv PI-dela regulatorja, 1. poskus

Slika 5.2.19: Odziv PD-dela regulatorja, 1. poskus

58

Slika 5.2.20: Odziv PID dela regulatorja, 1. poskus

Če primerjamo odzive P-dela iz slik 5.2.2 in 5.2.9 – 11 se vidi, da je dobljen odziv

identičen idealnemu odzivu P-dela regulatorja, le da je pri testiranju regulatorja vplival

reakcijski čas. To pomeni, da je od časa spremembe želene vrednosti do takrat, ko je začel

regulator reagirati, potekel nek čas, v našem primeru je bilo to 1 sekundo. Reakcijski čas

nastopi, ker v realnem svetu vsaka stvar potrebuje nek čas, da se odzove na spremembo, ki

se ji nenadoma pripeti. Če to odmislimo, je regulator odreagiral pravilno, in sicer tako kot

pravi enačba, da je razlika želene in procesne vrednosti krat ojačanje enaka višini

reguliranega signala. Pogled na slike 5.2.9 – 11 in preračunavanje teh vrednosti pokaže

pravilnost naših odzivov.

Pri odzivu I-dela lahko rečemo, da ustreza sliki idealnega odziva, a je tudi tukaj nastopil

reakcijski čas, ampak je daljši kot v primeru P-dela in šteje 5 sekund. Pri integralnem

odzivu dobimo naklon signala tako, da enačimo tangens kota z ojačanje krat čas cikla

deljeno z integracijskim časom. Če izračunamo naklon signala po dobljenih parametrih,

ugotovimo, da so odzivi pravilni tudi iz matematičnega stališča in ne le po primerjavi.

59

D-del odziva smo dobili tako, da smo na vhod dali rampo, ker na ta način vidimo odziv

diferenciatorja. Iz dobljenih odzivov lahko sklepamo, da so odzivi pravilni in da je tudi

tukaj v igri reakcijski čas, ki znaša 2 sekundi. Postavi se nam vprašanje, kako preveriti

pravilnost odziva. To storimo z enačbo, ki pove, kako visok je odziv D-dela regulatorja, ta

pravi, da je višina enaka ojačanje krat diferencialni čas. Tudi v tem primeru je enačba

dokazilo za pravilnost odzivov.

Pri PI-odzivu je lepo viden najprej P-del, nato začne I-del integrirati, prav tako kot

prikazuje slika 5.2.5. Torej lahko razčlenimo PI-odziv na posamezna dela in ju

preračunamo po prejšnjih enačbah ter vidimo, da so odzivi pravilni. Reakcijski čas je

nastopil tudi pri tem odzivu in je znašal 2 sekundi.

Ko primerjamo PD-del regulatorja vidimo, da se ujema z idealnim odzivom, to pomeni, da

tudi naš PD-del dela pravilno. Če hočemo to podkrepit še z izračunom, razdelimo

regulator na P- in D-del in uporabimo enačbe, ki smo jih prej navedli in vidimo, da naša

trditev o pravilnosti drži.

Na zadnje poglejmo še PID regulator kot celoto, prav tako primerjamo dobljeni signal z

idealnim signalom. Rezultati so očitni, slika je skoraj identična, le da v našem primeri

vpliva še reakcijski čas.

Ko smo ugotovili, da regulator pravilno dela, ga lahko testiramo in analiziramo še na progi

drugega reda in ga primerjamo z odzivom PID regulatorja iz simulacijske sheme.

Parametre, ki so potrebni, da regulator pravilno deluje, je mogoče izračunati na mnogo

načinov. Naj jih nekaj naštejem: metoda Chien,Hrones in Reswick; metoda Tyreus –

Luyben; metoda točne amplitudne fazne rezerve; sinteza s pomočjo lege korenov; metoda

frekvenčnega odziva; metoda Ziegler – Nichols ali metoda stopničnega odziva.

5.2.1 Načrtovanje parametrov PID regulatorja Metod za načrtovanje parametrov regulatorja je veliko, a odločili smo se za metodo

stopničnega odziva, ta je dokaj enostavna in hitra. Vse kar potrebujemo je stopnični odziv

60

regulacijskega objekta. Parametre regulatorja preračunamo po tabeli, v kateri so enačbe, in

s pomočjo izmerjenih značilnih koeficientov stopničnega odziva, ti so K, vt in dt . V

našem primeru smo dobili stopnični odziv, kot je prikazan na sliki 5.2.1.1. Iz tega odziva

smo odčitali vrednost koeficientov ter po tabeli 5.2.1.1 izračunali parametre regulatorja.

Slika 5.2.1.1: Stopnični odziv regulacijskega objekta

3141

v

d

ttK

===

61

parametri regulator

pK iT dT

P v

d

tK t⋅

PI 0.9 v

d

tK t⋅

⋅ 3 dt

PID 1.2 v

d

tK t⋅

⋅ 2 dt 0.5 dt

Tabela 5.2.1.1: Nastavitev parametrov regulatorja po Ziegler – Nichols metodi

za regulacijske objekte s proporcionalnim delovanjem

Izračun parametrov PID regulatorja:

311.2 1.2 9.31 4

vp

d

tKK t

= ⋅ = ⋅ =⋅ ⋅

2 2 4 8i dT t= ⋅ = ⋅ =

0.5 0.5 4 2d dT t= ⋅ = ⋅ =

Odziv PID regulatorja iz sheme na progo drugega reda prikazuje slika 5.2.1.2, s tem

odzivom smo primerjali odziv PID bloka iz krmilnika.

Dobljen odziv ima 10 % prenihaj, čas vzpona je 16 sekund in z želeno vrednostjo se ustali

po 52-ih sekundah.

62

Slika 5.2.1.2: Odziv PID regulatorja iz simulacijske sheme

63

Slika 5.2.1.3: Odziv PID regulatorja iz krmilnika

Odziv PID regulatorja iz krmilnika je podoben odzivu PID regulatorja iz sheme. Čas

vzpona ima 15 sekund, z želeno vrednostjo se ustali po 72-ih sekundah in prenihaj je 22

%. Kljub podobnostim med idealnim regulatorjem in regulatorjem iz krmilnika pa obstaja

neko odstopanje. Vidno je, da po metodi stopničnega odziva skorajda ni mogoče

izračunati parametrov, ki bi ustrezali tako enemu in drugemu regulatorju. Kajti tabela iz

metode stopničnega odziva je dobljena eksperimentalno, to pomeni, da so bila potrebna

zaokroževanja in približevanja. Privede pa k temu, da dobimo med realnim in

simulacijskim regulatorjem odstopanja. Prav v ta namen smo izdelali simulacijsko okolje,

da lahko analiziramo in primerjamo rezultate različnih regulatorjev in nato popravimo

parametre, tako da zadovoljijo vsem potrebam.

64

Slika 5.2.1.4: Odziv popravljenega regulatorja iz krmilnika

Odziv popravljenega regulatorja iz krmilnika je sedaj še boljši kot regulator iz sheme, po

tem takem je dokazano, da je ta naš simulator pripomogel k izboljšanju regulacijske proge

in da dela pravilno ter bo v korist vsakemu, ki bo hotel načrtati optimalne parametre

regulatorja.

Nov odziv ima prenihaj 8% čas vzpona je prav tako 16 sekund, z želeno vrednostjo pa se

ustali po 50-ih sekundah.

65

6 SKLEP

V diplomskem delu smo opisali delovanje in sestavo simulatorja, ki smo ga naredili v

sklopu diplomskega dela in SIEMENS-ovo strojno ter programsko opremo. Simulator je

realiziran v MATLAB Simulink-u in ima za lažje vnašanje parametrov izdelan grafični

vmesnik. Simulacijska shema omogoča simuliranje različne problematike, od

najenostavnejše proge prvega reda brez kakršnega koli vpliva, do proge tretjega reda z

vsemi vplivi. To si lahko izbere vsak sam glede na to, kaj potrebuje glede na problematiko,

ki jo skuša rešiti. Omogoča še simuliranje PID regulatorjev, različnih sistemov, kot so

neuro sistemi in fuzzy logika, torej sisteme, ki se najdejo v industriji. Siemensova oprema

za avtomatizacijo proizvodnih postopkov ima širok spekter uporabe in v veliki meri imajo

več vrst krmilnikov. Nekaj teh smo navedli v diplomskem delu, a podrobneje smo se lotil

krmilnika SIMATIC S7-400, kajti tega smo uporabili pri testiranjih PID regulatorja. V

SIMATIC manager-ju smo izdelali leder diagram za PID regulator in ga prenesli na

krmilnik. Za povezavo med krmilnikom je skrbela A/D – D/A kartica PCL -818H,

proizvajalca Advantech. Uporabili smo dva vhoda in en izhod, kajti kartica ima le ta en

izhod.

Testiranja so potekala tako, da smo najprej naredili simulacijo PID bloka v simulatorju na

progi drugega reda brez vplivov. Nato smo posneli karakteristiko PID regulatorja, ki je

tekel na krmilniku, prav tako na progi drugega reda. Pri analizi smo primerjali oba

dobljena odziva in iz tega ugotovili, kaj moramo spremeniti pri regulatorju iz krmilnika, da

bo naša regulacijska proga optimalna.

Zaradi pomanjkanja časa smo se omejili le na testiranje PID regulatorja na progi drugega

reda brez vplivov iz okolice. Kajti veliko časa je vzelo načrtovanje simulatorja in

grafičnega vmesnika v GUI –ju. Za grafični vmesnik je bilo potrebno narisati vmesnik in

nato za vse gumbe in okna napisati program v M-datoteki. Poleg tega smo morali napisati

še program v leder logiki za PID regulator, ki teče na krmilniku. Veliko časa je bilo

potrebnega za študiranje gradiva in pisanje programa v programu STEP 7.

Rezultati, ki smo jih dobili, so pokazali, da smo se naloge lotili na pravem delu in da smo

zastavljen cilj, kar se tiče pravilnosti delovanja simulatorja in načrtovanja optimalnih

66

regulacijskih algoritmov, tudi dosegli. Ko izračunamo parametre po eni izmed metod

načrtovanja parametrov in jih vstavimo v regulator in poženemo simulacijo, opazimo

razliko med odzivom idealnega regulatorja in odzivom regulatorja iz krmilnika. Do razlike

pride, ker ima regulator že sam po sebi druge pogoje delovanja. Te pa lahko v simulatorju

ocenimo in jih na podlagi ocene odpravimo, s tem, ko mu popravimo parametre, tako da

dela regulator na krmilniku tako dobro kot mi želimo, dobimo optimalno regulacijsko

progo sistema.

Pri tem simulatorju je še veliko možnosti za testiranje različnih sistemov in problematik.

Vseh pa nam zaradi pomanjkanja časa ni bilo mogoče realizirati. Med drugim je možnost

razširitve simulatorja in testiranje še drugih krmilnikov in regulacijskih algoritmov, kot je

na primer fuzzy logika. Ta simulator omogoča zelo kompleksno testiranje problematik

širokega spektra, zaradi tega bo vanj potrebno vložit še veliko dela in truda, a zasnova je

narejena.

67

VIRI IN LITERATURA

[1] R. Svečko: Diskretni regulacijski sistemi, FERI, Maribor, 2005.

[2] R. Svečko: Teorija sistemov, FERI, Maribor, 2000.

[3] Erste schritte und Übungen mit STEP 7 V5.3, Getting Started, Ausgabe 01/2004.

[4] Kontaktplan (KOP) für S7-300/400, Referenzhandbuch, Ausgabe 01/2004

[5] Basissoftware für S7-300/400 PID Control, Handbuch, Ausgabe 01/2004

[6] Programmieren mit STEP7 V5.3, Handbuch, Ausgabe 01/2004

[7] Automatisierungssystem S7-400 Aufbauen: Installationshandbuch, Ausgabe 11/2006

[8] MATLAB: Full product Family Help, Version 7.0.1

[9] MODEL PCL-818H, High Performence Data Acquisition Card With Programmable

Gain, User's Manuel

[10] Katalog CA 01-die offline Mall von Automation and Drives, Zgoščenka, 10/2006

[11] http://de.wikipedia.org/wiki/Regler#P-Regler_.28P-Anteil.29

[12] http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&lang=

de&siteid=cseus&aktprim=0&extranet=standard&viewreg=WW&objid=

10805186&treeLang=de

68

PRILOGE

- zgoščenka, na kateri je diplomsko delo v elektronski obliki, - program PID regulatorja za krmilnik, - program v M-datoteki za grafični vmesnik.

69

Naslov:

Ime in priimek: Andrej Glažar

Naslov: Dobrava 8a

Pošta: 2360 Radlje ob Dravi

Kratek življenjepis:

Rojen: 26. 6. 1982 v Slovenj Gradcu

Mati: Marija Glažar

Oče: Franc Glažar

Šolanje:

- Osnovna šola: OŠ Radlje ob Dravi; od šol. l. 1989/90 do šol. l. 1996/97

- Srednja šola: Gimnazija Ravne na Koroškem; od šol. l. 1997/98 do šol. l. 2000/01

- Študij: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko; od študijskega leta

2001/02

do študijskega leta 2007/08

70

IZJAVA:

Podpisani Andrej Glažar izjavljam, da sem diplomsko nalogo izdelal sam. Zavedam se tudi

morebitnih posledic v primeru kršitve izjave.