Upload
vuongkhanh
View
221
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
6
1. UVOD
Regulacije parametrov v procesih so ena izmed najpomembnejših področij v tehniki
nasploh, saj si naprave brez regulatorja skoraj ne moremo niti zamisliti.
Sem spadajo tudi procesi regulacije nivojev. Pojavljajo se skoraj v vseh oblikah
industrije, kot so naftna, kemična, farmacevtska, jedrska, v hidroenergetiki, medicini,…
Regulacijo nivojev uporabljamo v procesih, kjer potrebujemo v posodah ali rezervoarjih
konstanten tlak oz. pretok kapljevin, saj so s tem določena razmerja pri mešanju le – teh,
konstanten nivo pa ima pomembno vlogo tudi pri različnih hladilnih oz. ogrevalnih
sistemih ter pri sistemih za pridobivanje električne energije.
Pri tem ima zelo pomembno vlogo avtomatizacija vodenja procesov, saj omogoča
enostavno in optimalno vodenje procesa z najmanjšimi stroški in visoko natančnostjo.
Avtomatizirani sistemi so tudi bolj varni, saj zmanjšajo možnost človeške napake, s
predvidevanjem možnih dogodkov, pa lahko vnaprej določimo obnašanje sistema v
primeru okvare. Omogoča tudi daljinsko vodenje sistemov, ki je predvsem pomembno pri
sistemih s prostorsko porazdeljenimi procesi.
Študentje avtomatike na FERI, Maribor že preko petnajst let spoznavamo delovanje in
možnosti regulacije nivoja in pretoka na stenskem laboratorijskem modelu v Laboratoriju
za procesno avtomatizacijo. V tem modelu imamo posodo s stalnim dotokom vode, nivo v
posodi pa reguliramo s črpanjem vode iz posode. Nivo merimo s senzorjem nivoja na
osnovi merjenja razlike med zunanjim in hidrostatičnim tlakom na dnu posode, regulacija
nivoja pa je izvedena s pomočjo analognega PID regulatorja.
Pomanjkljivost starega procesa je predvsem nizka stopnja avtomatizacije in pa starost
tehnologije. Zato smo se odločili da bomo zgradili novo modelno napravo, ki bo študentom
pomagala pri spoznavanju dela z avtomatiziranimi sistemi z novejšo tehnologijo.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
7
Najprej smo naredili načrt za izgradnjo naprave, določili smo fizično postavitev
elementov in zgradili ohišje. Določili smo potrebne senzorje, končna stikala in izvršne
člene. V laboratoriju smo že imeli dva LENZE – ova frekvenčna pretvornika, zato smo se
odločili za regulacijo nivojev s pomočjo frekvenčno vodenih črpalk. Snovanje sistema je
opisano v drugem poglavju.
Nadaljevali smo s sestavo krmilja. Vezalni načrt smo naredili s programom WSCAD,
ki je namenjen risanju električnih vezalnih shem. V podjetju ATES, v Slovenski Bistrici,
smo z njihovo strokovno pomočjo montirali potrebne elemente v elektro omaro in naredili
povezave. Sestava krmilja je opisana v tretjem poglavju. V tem poglavju je predstavljen
tudi OMRON – ov na dotik občutljivi zaslon, s pomočjo katerega bomo vodili proces in
njegovo programiranje s programom NT Series Support Tool. Na koncu tega poglavja smo
opisali še OMRON – ov programabilni krmilnik CJ1G, s pomočjo katerega smo izvedli
avtomatizacijo in regulacijo modela. Krmilnik smo programirali s programom CX –
Programmer.
V četrtem poglavju je opisano vodenje procesa. Regulacijo smo izvedli s pomočjo PI
regulatorja, ki pa je izveden kot program v krmilniku. Parametre regulatorja smo določili
po metodi Ziegler – Nichols in sicer za več delovnih točk. Na podlagi izračunanih
parametrov smo sestavili adaptivni regulator in ga zapisali v program kot opcijo vodenja.
Na koncu poglavja so prikazani odzivi reguliranega sistema na spremembe želenih
vrednosti in odzivi na motnje.
V sklepnem poglavju smo predstavili rezultate dela, opisali smo probleme, ki so se
pojavljali pri avtomatizaciji in podali smernice za nadaljnji razvoj in izboljšave modelne
naprave.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
8
2. MODELNA NAPRAVA ZA VODENJE NIVOJA
2.1 Opis
Shema modelne naprave za vodenje nivoja je prikazana na sliki (sl. 2.1). Sistem
sestavljajo tri posode, dve pokončni posodi (P1 in P2) različnih dimenzij in rezervoar za
vodo (P3). Vodo črpamo z dvema frekvenčno vodenima črpalkama (Č1 in Č2) iz spodnje
posode (rezervoarja) v pokončni posodi. V pokončnima posodama merimo nivoja s
senzorjema za nivo (N1 in N2), v vseh treh posodah pa so nameščena tudi končna stikala
(KS1, KS2 in KS3), ki skrbijo, da se voda ne prelije iz posod oz., da ne zmanjka vode v
rezervoarju. Izhodne pretoke uravnavamo z elektromotornimi ventili (EMV1 in EMV2),
elektromotorni ventil (EMV3) pa tudi povezuje obe pokončni posodi. Med posodama je
vgrajen tudi ročni ventil (V1) za ročno uravnavanje pretoka med posodama. Poleg tega je
nameščenih še pet ročnih ventilov, dva pred črpalkama (V2 in V3) in dva za črpalkama
(V4 in V5), ki omogočajo izklop črpalk iz sistema ob popravilih ter en ventil (V6), ki služi
za polnjenje oz. praznjenje sistema.
Slika 2.1: Shema modelne naprave za vodenje nivoja
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
9
2.2 Zgradba modelne naprave
Na sliki (sl. 2.2) je prikazana skica, kako smo načrtovali fizično postavitev elementov
modelne naprave:
Slika 2.2: Skica fizične postavitve elementov naprave
Pokončni posodi smo že imeli v laboratoriju in sicer naslednjih dimenzij:
Manjša posoda (P1):
- zunanje mere: 150 mm × 150 mm × 1250 mm
- notranje mere: 145 mm × 145 mm × 1250 mm
(volumen posode je 26,3 L)
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
10
Večja posoda (P2):
- zunanje mere: 300 mm × 150 mm × 1250 mm
- notranje mere: 295 mm × 145 mm × 1250 mm
(volumen posode je 53,4 L)
Ker mora volumen spodnje posode biti vsaj tolikšen kot je vsota volumnov pokončnih
posod, smo ob rezervi skoraj 40 L, izračunali naslednje dimenzije rezervoarja (P3):
- zunanje mere: 1250 mm × 500 mm × 200 mm
- notranje mere: 1245 mm × 495 mm × 190 mm
(volumen posode je 117,1 L)
Ogrodje, ki naj bi držalo posode in elektro omaro, smo sestavili iz aluminijastih
profilov, ki so prikazani na sliki (sl. 2.3):
Slika 2.3: Dimenzije aluminijastih profilov
Dokončno tehnološko skico smo narisali s programom Visio in je prikazana na slikah
(sl. 2.4) in (sl. 2.5). Pri tem so uporabljeni profili označeni kot P.1 (profil št. 1) in P.2
(profil št. 2). Mere so zapisane v metrih.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
11
V-1
V-1
V-1
V-1 Posodašt. 1
Posodašt. 3
Posodašt. 2
P.1
P.2
P.1P.1
P.1
P.1
P.1
P.1
P.1P
.1
P.1
P.1
P.1
Črpalka št. 2 Črpalka št. 1
1,25
0,50
0,70
0,57
0,28
Elektroomara
Slika 2.4: Tehnološka skica modelne naprave (tloris)
V-3
0,30
V-1V-1
0,19
0,77
1,25
V-2
V-3
V-4
0,70
0,51
0,43
0,20
0,15
0,11 0,15 0,30
1,25
0,10
Posoda št.3
Posoda št.3
Posodašt.1
Posodašt.2
Posodašt.2
0,39
Pogled brezkrmilne omare
1,10
0,27
0,80
0,30
P.1
P.2
P.1
P.1
P.1
P.1
P.1
P.1
P.1
P.1P.2P.2 P.2
P.1 P.1
P.1
P.1P.1 P.1
P.1
P.1
P.1
P.1
P.1
P.1
P.1
Kolo Kolo Kolo Kolo Kolo
Pogled od zadaj Pogled s strani
Črpalka št. 1 Črpalka št. 2
Črpalkašt. 2
P.1P.1
KS1 KS2
N1 N2
KS3
EMV3
V4V5
V-3
V6
Elektroomara
EMV2
V2
V4
Slika 2.5: Tehnološka skica modelne naprave
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
12
Elektromotorni conski krogelni ventil
V procesu uporabljamo dva Firšt – ova elektromotorna ventila tipa EMV 110, serije
602 za reguliranje izhodnih pretokov iz pokončnih posod in en elektromotorni ventil tipa
EMV 110, serije 800 za nastavljanje pretoka med posodama. Vsi trije ventili so namenjeni
za pretoke neagresivnih tekočin in plinov do 16 barov. Vgrajena imajo mikrostikala, ki
prekinejo zapiranje oz. odpiranje ventila, ko le – ta doseže skrajni položaj. Priključki so
izvedeni z notranjim cevnim navojem. Vanj smo navili nastavke in jih povezali z
bakrenimi cevmi sistema, z gumijastimi cevmi pa smo jih povezali z nastavki na posodah.
Ventili imajo tudi možnost ročnega vodenja. Tehnični podatki so zapisani v tabelah 2.1 in
2.2:
Tabela 2.1: Tehnični podatki elektromotornega ventila EMV 110, serija 602
Napajalna napetost 230 V, 50/60 Hz
Zmogljivost mikrostikal 5 (1) A, 250 V, 50 Hz
Čas prevrtitve 30 s za 90°
Temperatura okolice Od 0 °C do max. 50 °C
Temperatura medija Od 0 °C do 130 °C
Max. Delovni tlak 16 bar
Tabela 2.2: Tehnični podatki elektromotornega ventila EMV 110, serija 800
Napajalna napetost 230 V, 50 Hz
Zmogljivost mikrostikal 5 (1) A, 250 VAC
Čas prevrtitve 30 s za 90°
Temperatura okolice od 0 °C do max. 50 °C
Temperatura medija od 0 °C do 130 °C
Max. Delovni tlak 16 bar
Razred izolacije motorja F 140 °C
Podrobnejše lastnosti, karakteristike in vezalne sheme elektromotornih ventilov so v
Prilogi A.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
13
Merilnik nivoja
Za merjenje nivojev v posodah P1 in P2 smo uporabili Eltra – ine merilnike nivoja PPI
100. Merilnik je sestavljen iz tlačnega senzorja in precizne elektronike, ki sta montirana v
ohišju iz nerjavečega jekla. Posebna izvedba priključnega kabla omogoča prehod zračnega
(atmosferskega) tlaka do vhoda tlačnega senzorja. Na drugi vhod tlačnega senzorja deluje
preko vmesne membrane atmosferski tlak povečan za tlak, ki ga povzroči višina merjene
tekočine. Razlika tlakov povzroči spremembo izhodnega signala, ki jo elektronika pretvori
v tok od 4 do 20 mA. Tehnični podatki merilnika so zapisani v tabeli 2.3, na sliki (sl. 2.6)
pa je prikazana karakteristika izhodnega toka v odvisnosti od nivoja. Vezalna shema
merilnika je v Prilogi A.
Tabela 2.3: Tehnični podatki merilnika nivoja
Napajanje 12 VDC do 27 VDC Merilno območje 0 m do 4 m
Izhodni signal 4 mA do 20 mA Temperatura medija – 40 °C do + 85 °C
Nelinearnost in histereza Max. 0,5 % merilnega območja Vpliv napajalne napetosti 0,05 % /V
Ponovljivost ± 0,1 % merilnega območja Vpliv temperature medija (0 do 70 °C) max. ± 1,5 % mer.obm.
Slika 2.6: Karakteristika izhodnega toka v odvisnosti od nivoja
4,004,505,005,506,006,507,007,508,008,509,00
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Višina nivoja h /m
Izho
dni s
igna
l /m
A
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
14
Končno stikalo
Kot končna stikala v posodah smo uporabili Omron – ova kapacitivna stikala E2K –
X4MF2. Ker imajo nizki izhodni tok, smo jih vezali preko relejev. Delujejo kot normalno
zaprta stikala, tako da dobimo na izhodu tok (logična »1«), kadar stikalo ne zazna objekta
(vode), ko pa ga zazna, pa je izhod enak nič (logična »0«). Stikala smo uporabili kot
zaščito pred izlitjem vode iz pokončnih posod (KS1, KS2) oz. kot zaščito črpalk pred
»suhim« delovanjem (KS3). V tabeli 2.4 so prikazani tehnični podatki kapacitivnih stikal,
na sliki (sl. 2.7) pa je prikazana vezava končnega stikala na rele in odziv v odvisnosti od
prisotnosti objekta. Podrobnejše lastnosti stikal in navodila za uporabo so priložena v
Prilogi A.
Tabela 2.4: Tehnični podatki kapacitivnih stikal E2K – X4MF2
Napajanje 12 VDC do 24 VDC Reagira na razdalji < 4 mm
Izhodni signal Max. 200 mA Poraba Max. 15 mA
Frekvenca odziva Min. 100 Hz Temperatura okolice – 25 °C do + 70 °C
Slika 2.7: Vezava končnega stikala na rele in odziv stikala
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
15
Centrifugalna črpalka
Za črpanje vode iz rezervoarja (P3) v pokončni posodi smo uporabili dve trofazni
centrifugalni črpalki Elektrokovina, VO55N. Črpalki smo priključili na Lenze – ova
frekvenčna pretvornika, ki enofazno napetost pretvorita v trofazno in ju krmilili s
frekvenco od 0 do 50 Hz. Črpalki sta že imeli vgrajena ventilatorja, ki sta se vrtela skupaj z
rotorjema, vendar smo ju, zaradi spremenljivih hitrosti zamenjali z električnima. Tehnični
podatki črpalk so podani v tabeli 2.5.
Tabela 2.5: Tehnični podatki centrifugalnih črpalk VO55N
Napajanje 3 × 220 V, vezava zvezda Moč 1,1 kW
Pretok Od 0,4 L/s do 1,3 L/s Nazivni vrtljaji 2820 min-1
Frekvenca Max. 50 Hz Nazivni tok 1,7 A
Frekvenčni pretvornik1
Za vodenje črpalk smo uporabili Lenze – ova frekvenčna pretvornika tipa 8200 Vector
E82EV751S2B (sl. 2.8). Frekvenčni pretvornik pretvori enofazno napetost v trofazno, z
analognim vhodom na funkcijskem modulu »Standard« pa nastavljamo izhodno frekvenco
od 0 do 50 Hz.
Slika 2.8: Frekvenčni pretvornik Lenze, 8200 Vector
1 Povzeto po [7].
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
16
Frekvenčni pretvornik priključimo na napetost 240 V, tako kot je prikazano na sliki (sl.
2.9). Odločili smo se za enofazno napetost z dvema varovalkama.
Slika 2.9: Možnosti priključitev napajanja frekvenčnega pretvornika
Na spodnjo stran frekvenčnega pretvornika priključimo črpalko. Pretvornik ima tudi
možnost priključitve toplotnega senzorja, ki služi kot toplotna zaščita črpalke. Shema
priključitve črpalke je prikazana na sliki (sl. 2.10).
Slika 2.10: Priključitev črpalke na frekvenčni pretvornik
Frekvenčni pretvornik lahko krmilimo z napetostnimi ali tokovnimi signali. Signal
pripeljemo na sponke funkcijskega modula »Standard«, kot je prikazano na sliki (sl. 2.11).
Vrsto krmilnega signala in njegovo območje izberemo s pomočjo DIP stikala in z vpisom
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
17
primerne kode (C0034) v modul. Kodo vpisujemo s pomočjo ročnega terminala, ki je
prikazan na sliki (sl. 2.12).
Slika 2.11: Priključitev krmilnega signala na funkcijski modul
Slika 2.12: Ročni terminal za programiranje frekvenčnega pretvornika
Krmiljenje frekvenčnih pretvornikov smo izvedli s tokovnim signalom v območju od 4
do 20 mA, tako da smo DIP stikalo nastavili na: 1 – OFF, 2 – OFF, 3 – ON, 4 – ON, 5 –
OFF; v kodo C0034 pa smo zapisali pod – kodo »1«. Izmerjena karakteristika
frekvenčnega pretvornika v odvisnosti od vhodnega signala, je prikazana na sliki (sl. 2.13).
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
18
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00
Vhodni signal - tok /mA
Izho
dna
frek
venc
a /H
z
Slika 2.13: Karakteristika frekvenčnega pretvornika v odvisnosti od vhodnega signala
V tabeli 2.6 so opisane lastnosti in možnost uporabe posameznih sponk funkcijskega
modula »Standard«, v tabeli 2.7 pa so predstavljene pomembnejše lastnosti frekvenčnega
pretvornika.
Tabela 2.6: Definicije posameznih priključnih sponk funkcijskega modula »Standard« X3/ Vrsta signala Funkcija Območje Tehnični podatki
8 Analogni vhod Signal za nastavljanje izhodne
frekvence
0 V … +5 V
0 V … +10 V
–10 V … +10 V
0 mA … 20 mA
4 mA … 20 mA
Resolucija: 10 bit
Linearnost: ±0,5 %
Vpliv tepmperature: 0,3
% (0 … 60 °C)
62 Analogni izhod Izhodna frekvenca 0 V … 10 V
Resolucija: 10 bit
Linearnost: ±0,5 %
Vpliv tepmperature: 0,3
% (0 … 60 °C)
28 Vklop/izklop pretvornika 1 = START
E1 E2E1
JOG1 1 0
JOG2 0 1 E2
Digitalni vhodi
Aktiviranje JOG2 frekvenc
JOG1 = 20 Hz
JOG2 = 30 Hz
JOG3 = 40 Hz JOG3 1 1
Vhodna upornost: 3,3
kΩ
»1« (+12V … +30 V)
»0« (0 … 3 V)
2 JOG frekvence so vnaprej nastavljene frekvence, ki jih dobimo na izhodu ob primerni uporabi digitalnih vhodov E1 in E2. Imajo prednost pred analognim vhodom.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
19
E3 DC zavora (DCB) 1 = DCB aktivna
E4
CW 0 E4
Spremeni smer vrtenja
CW/CCW CCW 1
A1 Digitalni izhod Daje signal – pripravljen 0/20 V Breme: 10 mA
9 - Notranje napajanje +5,2 V Breme: 10 mA
20 - Notranje napajanje za digitalne vhode
in izhode +20 V Breme: 40 mA
59 - DC napajanje za A1 +20 V
7 - GND1, referenčni potencial za analogne
signale -
39 - GND2, referenčni potencial za digitalne
signale -
Tabela 2.7: Pomembnejši tehnični podatki frekvenčnega pretvornika
Napajanje 1/N/PE AC 240 V Vhodni tok 9 A
Moč 0,75 kW Frekvenca napajalne napetosti 50 Hz
Izhodni tok 4 A Max. izhodni tok (60 s) 6 A
Teža 0,95 kg Temperatura okolice – 10 °C do 40 °C Izhodna frekvenca – 480 Hz do 480 Hz
Resolucija izh. frekvence 0,02 Hz Linearnost izh. frekvence ± 0,5 %
Analogni vhodi/izhodi 1 vhod, 1 izhod Digitalni vhodi/izhodi 4 vhodi, 1 vhod za vklop, 1 izhod
Pri uporabi frekvenčnih pretvornikov moramo biti predvsem pozorni na motnje, ki jih
le – ti povzročajo. V našem primeru sta pretvornika povzročala motnje v merilnikih nivoja
in sicer spremembo izhodnega toka tudi do +0,5 mA (14 % merilnega območja). Motnje
smo zmanjšali s posebnimi toroidinimi jedri, okoli katerih smo navili kable črpalk in kable
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
20
napajanj pretvornikov. Odstopanje merilnikov nivoja pri frekvenci 50 Hz sedaj znaša okoli
1 %. Obliko in dimenzije toroidnega jedra vidimo na sliki (sl. 2.14).
Slika 2.14: Toroidno jedro
Za dodatno zaščito pred motnjami smo na ohišje naprave privili bakreno cev, v katero
smo speljali kable črpalk in ventilatorjev. Kable senzorjev, končnih stikal in
elektromotornih ventilov smo speljali preko montiranih kanalnikov v elektro omaro.
Realizirana modelna naprava je prikazana na sliki (sl. 2.15).
Slika 2.15: Realizirana modelna naprava
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
21
3. KRMILJENJE PROCESA
Krmiljenje procesa smo izvedli z Omron – ovim programabilnim krmilnikom CJ1G.
Nanj smo preko analogne vhodne enote priključili oba merilnika nivoja. Z analogno
izhodno enoto krmilimo frekvenčna pretvornika, z digitalnimi vhodi preko relejev
spremljamo stanja končnih stikal, z digitalnimi izhodi pa preko relejev odpiramo in
zapiramo elektromotorne ventile.
Za lažje vodenje in upravljanje z modelno napravo, smo krmilnik povezali z NT
terminalom, t.j. na dotik občutljivim zaslonom, preko katerega lahko spremljamo stanja
veličin procesa, postavljamo želene vrednosti parametrov in izbiramo med različnimi
načini vodenja.
Ker smo želeli zgraditi kompaktno modelno napravo, ki bi imela celotno krmilje na
enem mestu, smo se odločili sestaviti elektro omaro in vanj vgraditi ter povezati vse
potrebne komponente.
3.1 Elektro omara
Uporabili smo zidno omaro velikosti 500 mm × 800 mm × 300mm, ki smo jo kasneje z
vijaki pritrdili na aluminijasto ogrodje modelne naprave. Na vrata omare smo vgradili
glavno stikalo (Q), tipko za vklop krmilja (S1), ki vsebuje tudi signalno lučko (H),
zaskočno tipko (S2) za zasilni izklop in NT terminal.
Ob zagonu naprave moramo najprej vključiti glavno stikalo, nato pa s pritiskom na
tipko (S1) vklopimo kontaktor (K2.1), preko katerega dobi napajanje celotna naprava. S
pritiskom na tipko za zasilni izklop (S2) se napajanje prekine, ponoven vklop pa je zopet
možen ko tipko izvlečemo.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
22
V omari imamo montažno ploščo, na katero smo pritrdili štiri montažne letve:
Na najvišjo letev smo pritrdili:
varovalke Schrack, (F0) – tri polna, 25 A, (F1 in F2) – dvo polni, 10 A in
(F3) – dvo polna, 4 A,
priključne sponke (X5) – sponke za merilnike nivojev,
napajalnik Schrack (T), LP702103, 0,072 kVA, 50 Hz, PRI 230 V – 400 V,
SEC 24 VDC, 3 A.
Na drugo letev smo pritrdili:
krmilnik OMRON CJ1G, CPU 44 z moduli ETN11, AD081 – V1, DA041,
OC211 in ID211,
Frekvenčna pretvornika (FP1 in FP2) sta pritrjena v isti višini kot krmilnik, vendar
direktno na montažno ploščo.
Na tretji letvi imamo:
enajst relejev (K1.1, K1.2, K1.3, K1.4, K1.5, K1.6, K2.2, K2.3, K2.4, K2.5,
K2.6), Schrack, PT570024, štirje delovni in štirje mirovni kontakti,
kontaktor (K2.1), Schrack, LAB0323, tri polni, za vklop / izklop napajanja.
Na spodnji letvi imamo:
priključne sponke (X0) – sponke za napajanje modelne naprave,
priključne sponke (X1) – sponke za priključitev črpalk,
priključne sponke (X2) – sponke za priključitev elektromotornih ventilov,
priključne sponke (X3) – sponke za priključitev končnih stikal,
priključne sponke (X4) – sponke za priključitev ventilatorjev.
Releji K1.1 do K1.6 so uporabljeni za odpiranje oz. zapiranje elektromotornih ventilov
(EMV1, EMV2, EMV3), releji K2.2, K2.3 in K2.4 so uporabljeni za ojačenje signalov, ki
jih dobimo iz končnih stikal (KS1, KS2, KS3), releja K2.5 in K2.6 pa služijo za vklop /
izklop frekvenčnih pretvornikov oz. za vklop / izklop ventilatorjev na črpalkah.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
23
Med montažnimi letvami so pritrjeni kanali širine 40 mm in višine 80 mm, po katerih
smo speljali inštalacijske kable. Za ožičenje znotraj omare smo uporabili kable različnih
barv in presekov:
črni kabli, preseka 2,5 mm2: za napajanje do varovalk, od varovalk (F1, F2)
do frekvenčnih pretvornikov (FP1, FP2), od FP1 in FP2 do priključnih
sponk za črpalke (X1) in od varovalke (F3) do napajalnika (T),
rdeči kabli, preseka 1,5 mm2: od varovalk naprej za izmenične signale
(razen za naštete v zgornji alinei),
modri kabli, preseka 0,75 mm2: za nizkonapetostne signale,
rumenozeleni kabli, preseka 2,5 mm2: za ozemljitev,
RS-232C kabel: za komunikacijo med krmilnikom in NT terminalom.
Kabli so v omaro speljani skozi uvodnice na spodnji levi strani, razen kabla merilnikov
za nivo, ki sta speljana skozi zgornjo stranico omare. Tudi priključne sponke merilnikov so
na zgornji letvi in sicer zato, da se izognemo kablom iz frekvenčnih pretvornikov, ki bi
lahko še povečali motnje v merilnikih. Notranjost elektro omare je prikazana na sliki (sl.
3.1).
Slika 3.1: Notranjost elektro omare
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
24
3.2 Risanje načrta elektro omare s programom WSCAD 4.03
Za našo nalogo smo uporabili demo verzijo programa, ki ne potrebuje ključa, ponuja pa
vse funkcije licenčne verzije, le izpis na tiskalnik je omejen na 8 elementov oz. 2 %
risalnega pomnilnika. Z licenčno verzijo pa tudi ni mogoče obdelovati datotek, ki so bile
narejene ali spremenjene z demo verzijo programa.
Po uspešni inštalaciji programa WSCAD za Windows V4.0 in zagonu le – tega se
prikaže okno, ki ga vidimo na sliki (sl. 3.2).
Slika 3.2: WSCAD za Windows V4.0
Do vseh ukazov lahko pridemo s pomočjo menijev, najpogosteje uporabljeni ukazi pa
se nahajajo v ukazni vrstici v obliki ikon.
Ko želimo začeti z ustvarjanjem novega načrta, izberemo meni Datoteka / Nova in
prikaže se okno, kamor vpišemo ime nove datoteke ter lokacijo, kamor naj datoteko shrani. 3 Povzeto po [1].
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
25
Ime prve strani načrta mora imeti končnico .001, vsaka naslednja stran, ki spada v isti načrt
pa se shrani za eno vrednost več (npr.: .002, .003, …). Na ta način program upošteva da
strani spadajo v isti načrt, med stranmi pa lahko preklapljamo s tipkama PgDn in PgUp, ali
pa z ikonama v ukazni vrstici.
Za pomoč pri risanju imamo lahko prikazano mrežo, katere razmik lahko nastavimo v
meniju Nastavitve / Možnosti (sl. 3.3). Tu lahko nastavimo še razne druge opcije, kot so
velikost in orientacija strani, merske enote, robovi, avtomatsko povezovanje, pravokotni
način, točkovno premikanje in podobno.
Slika 3.3: Meni Nastavitve / Možnosti
Na sliki (sl. 3.4) je prikazan meni Nastavitve / Splošne nastavitve. V tem meniju lahko
nastavimo lastnosti datotekam, imenikom, kontaktorjem in PLC modulom, sponkam in
kablom, navzkrižnemu dodeljevanju, tiskanju, …
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
26
Slika 3.4: Meni Nastavitve / Splošne nastavitve
V novi načrt moramo najprej narisati okvir, kar najlažje storimo z ukazom Datoteka /
Vstavi risalni makro, s katerim lahko vstavljamo že pripravljene dele načrtov v svoj načrt.
Da lažje najdemo posamezne komponente v načrtu, je le – ta razdeljen na oštevilčene
vertikalne pasove. Preko te številke v kombinaciji s številko strani lahko s pomočjo
navzkrižnega dodeljevanja enostavno najdemo določeno komponento.
Meni Prosto risanje vsebuje ukaze za risanje linij, pravokotnikov, krogov, lokov,
besedil in enostavnih besedil, poleg tega pa še ukaz za ponovitev prejšnjega ukaza,
kopiranje, brisanje, razveljavitev ukaza, nastavitev barv, širine in tip linij.
V meniju Izbriši/Premakni so ukazi za premikanje, vlečenje, rotiranje, zrcaljenje,
kopiranje in brisanje objektov. Pri vsakem od teh ukazov pa imamo možnost izvedbe ukaza
nad enim objektom, več objekti, enim oknom ali več okni.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
27
Parametri elementov
Vsak element je opisan z naslednjimi parametri:
• referenčno ime,
• ime elementa,
• številka artikla,
• funkcijsko besedilo,
• tip elementa.
Vsaka komponenta ima svoje referenčno ime, ki je sestavljeno iz referenčne črke in
številke, s tem da imajo elementi enakega tipa enako referenčno črko. Pri izbiri tipa
elementa pa imamo naslednje možnosti:
• standard,
• tuljava,
• kontakt,
• sponka,
• kabelski vodnik,
• glavni element,
• stranski element,
• kontaktni križ.
Vstavljanje elementov iz knjižnice
Najprej moramo izbrati ustrezno knjižnico, katero najdemo v meniju Načrt / Knjižnica.
Iz seznama vseh knjižnic izberemo ustrezno glede na vrsto elementa, ki ga iščemo.
Elemente iz knjižnic pa lahko vstavljamo tudi s pomočjo orodnih vrstic z ikonami, ki
predstavljajo posamezne elemente. Orodne vrstice si lahko urejamo sami, v njih pa imamo
lahko elemente iz katerekoli knjižnice.
WSCAD vsebuje tudi urejevalnik elementov, s katerim lahko po želji spreminjamo že
obstoječe elemente iz knjižnice ali pa ustvarjamo povsem nove elemente. Imamo možnost
urejanja tipa elementa, njegovih parametrov, oblike, priključkov.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
28
Baza podatkov
Poleg tega pa WSCAD omogoča tudi uporabo baze podatkov (sl. 3.5). Če imamo
omogočeno jemanje vrednosti iz baze podatkov, se nam ob izboru elementa iz knjižnice
pokaže seznam ustreznih elementov iz baze podatkov. Pokažejo pa se nam tisti elementi, ki
imajo enak parameter Izbor kot izbrani element iz knjižnice.
Med številnimi podatki, ki jih lahko vpišemo v bazo za posamezen element, so
najpomembnejši naslednji:
• ime,
• številka artikla,
• proizvajalec,
• besedilo,
• izbor,
• dimenzije.
Slika 3.5: Baza podatkov
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
29
Avtomatske funkcije
Risanje načrtov v WSCAD – u zelo poenostavijo številne avtomatske funkcije:
• avtomatsko oštevilčenje,
• avtomatsko navzkrižno dodeljevanje,
• seznam materiala,
• seznam povezav,
• spončna lista,
• upravljalec kontaktov,
• spremenljivke,
• PLC lista.
Kot smo že omenili je vsak element opremljen z referenčnim imenom, ki je sestavljeno
iz črke in številke. Referenčna črka pomeni tip elementa, funkcija avtomatskega
oštevilčenja pa poda številko, ki edinstveno identificira posamezen element.
Funkcija avtomatskega navzkrižnega dodeljevanja je uporabna za sorodne linije,
kontaktorje in PLC – je z glavnimi ter stranskimi elementi, saj omenjenim elementom doda
številko, ki je sestavljena iz koordinate in številke strani, kjer se nahaja pripadajoči
element. Navzkrižno dodeljevanje lahko uporabimo za konce linij, ki imajo enako ime in
se nadaljujejo na drugi lokaciji, na primer na drugi strani (sl. 3.6). Pri kontaktih nam služi
kot povezava med tuljavami in pripadajočimi kontakti, pri krmilnikih pa navzkrižno
dodeljevanje povezuje glavne in stranske elemente.
Slika 3.6: Navzkrižno dodeljevanje sorodnih linij
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
30
Program lahko tudi sestavi kompleten seznam uporabljenega materiala (sl. 3.7), ki
vsebuje ime, številko, proizvajalca, referenčno ime, stran in pozicijo, funkcijo, tip, izbor in
oznako.
Slika 3.7: Seznam uporabljenega materiala
Za razčlenjen pregled nad sponkami, ki povezujejo notranje elemente elektro omare z
zunanjimi, lahko generiramo spončno listo, ki predstavlja nazoren prikaz vseh uporabljenih
sponk in poleg oznake spončne letve in posameznih sponk prikazuje zunanje in notranje
ciljne elemente, stran in pozicijo, ime in vrsto uporabljenih kablov ter mostičke.
Zelo uporabno orodje programa WSCAD je tudi Upravljalec kontaktov, ki nadzoruje
vse elemente tipa tuljava in kontakt, ki sestavljajo releje in kontaktorje. Skrbi tudi za
navzkrižno dodeljevanje med tuljavami in pripadajočimi kontakti. Na shemi kontaktov, ki
pripada k določeni tuljavi, je jasno razvidna zasedenost kontaktov in pozicija, kjer se
nahajajo posamezni kontakti (sl. 3.8).
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
31
Slika 3.8: Navzkrižno dodeljevanje kontaktov
Funkcija Spremenljivke omogoča avtomatsko razdelitev določenega teksta na vseh
straneh na enaki poziciji. S tem se izognemo ponovnemu vnašanju podatkov, kot je naslov,
datum, avtor in podobno na vsak nov list.
Vse zgoraj naštete funkcije in lastnosti zelo poenostavijo delo s programom WSCAD.
Načrtovanje vezij je hitro in učinkovito, označevanje posameznih elementov pa poveča
preglednost in natančnost načrta, kar je zelo pomembno tudi pri kasnejših posegih v vezje.
Načrt elektro omare, ki smo ga naredili s programom WSCAD je priložen v Prilogi B.
3.3 NT terminal4
NT terminal omogoča spremljanje vrednosti posameznih parametrov procesa, grafični
prikaz vrednosti parametrov po času, vnos želenih vrednosti parametrov, krmiljenje
izvršnih členov in alarmiranje ob določenih dogodkih.
Terminal NT620C tehta približno 2 kg, dimenzije pa so prikazane na slikah (sl. 3.9) in
(sl. 3.10). Za napajanje potrebuje enosmerno napetost 24 V (20,4 V do 26,4 V),
maksimalna poraba pa je 20 W. Na sprednji strani sta dva LED indikatorja in sicer zgornji
sveti zeleno kadar je priključeno napajanje, spodnji pa sveti zeleno med delovanjem,
oranžno, če je napetost rezervne baterije nizka in rdeče, ko je potrebna zamenjava baterije.
4 Povzeto po [1] in [5].
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
32
Slika 3.9: Dimenzije NT620C
Slika 3.10: Dimenzije za inštalacijo
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
33
Opis zaslona
Zaslon je večbarven LCD, velikosti 192 mm × 144 mm, z resolucijo 640 pik vertikalno
× 480 pik horizontalno in je lahko osvetljen z osmimi različnimi barvami (črna, modra,
svetlo modra, rdeča, vijoličasta, zelena, rumena, bela). Ima možnost nastavitve
avtomatskega izklopa in sicer po desetih minutah ali po eni uri. Zaslon je občutljiv na
pritisk, reagira pa na silo večjo od 100 g. Razdeljen je na 32 × 24 delov, kar pomeni 768
polj.
Elementi zaslona so:
prikazi znakov,
grafični elementi,
prikazi znakovnih nizov; do 50 pozicij na eno stran,
številčni prikazi; do 50 osem mestnih pozicij na eno stran,
grafi; do 50 pozicij na stran, možnost prikaza predznaka in prikaza vrednosti v
odstotkih,
luči; do 1024 luči v eni datoteki; do 256 luči na eno stran,
tipke/stikala; do 1024 luči v eni datoteki; do 256 luči na eno stran,
vnos številskih vrednosti; do 50 na eno stran,
vnos znakovnih nizov; do 50 na eno stran,
lista alarmov; štiri skupine na stran,
zgodovina alarmov; alarmi so razporejeni glede na čas nastopa in pogostost
ponavljanja,
prikaz interne ure.
Opis elementov
Za črke, številke in simbole sta na voljo dve velikosti: polovična (8 × 8 pik) in navadna
(8 × 16 pik). Posebne oznake (Mark) so lahko velike 16 × 16 pik, 32 × 32 pik ali 64 × 64
pik, vstavljene slike lahko obsegajo od 8 × 8 pik do 640 × 480 pik, elementi iz knjižnice pa
1 × 1 pik do 640 × 480 pik. Znake lahko povečamo na dvojno višino, dvojno širino, 4 –
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
34
krat, 9 – krat, 16 – krat ali 64 – krat, pri čemer imamo za znake, ki so vsaj štirikrat
povečani, možnost zgladitve robov.
Znake lahko prikazujemo na več načinov:
normalno – določimo barvo znaka in barvo ozadja
inverzno – obrne vlogi barve znaka in barve ozadja
utripajoče – znak utripa v barvi znaka in ozadja
inverzno utripajoče – utripajoče ozadje
transparentno – ozadje je prosojno
Za risanje so na voljo naslednje oblike: črta (polna ali več vrst prekinjenih), krog, lok,
izsek kroga, pravokotnik ali večkotnik. Liki so lahko prikazani normalno, inverzno,
utripajoče ali zapolnjeno (10 vzorcev).
Količina shranjenih podatkov
znakovni nizi – 1000 × 40 znakov normalne velikosti; od tega 744 samo za
branje,
številske vrednosti – 100 × 8 mestne številke,
podatkovni biti – 265 × en kontakt,
posebne oznake – 224 v velikosti 16 × 16 pik,
slike – 224 slik,
knjižnica – 896 elementov,
luči in tipke/stikala – vsakih po 1024.
Strani
Maksimalno lahko shranimo 2000 strani, ki jih izdelamo s posebnimi programskimi
orodji in jih prenesemo v NT terminal, s tem da imajo strani 1997, 1998 in 1999 posebne
funkcije.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
35
Tipi strani:
navadne strani; strani od 1 do 1899, stran 2000,
pokrivajoče se strani; največ osem strani se lahko prekriva naenkrat,
povezane strani; največ osem strani je lahko zaporedoma povezanih,
okenske strani; tem so namenjene strani od 1900 do 1979, namenjene pa so za
strani preko katerih vnašamo številke in črke s tipkovnico,
strani za prikazovanje zgodovine; 1997 in 1998,
začetna stran, 1999; pojavi se, če ni povezave.
Posebne funkcije
Mednje sodijo med drugim vzdrževalne funkcije (samotestiranje, test komunikacije),
hranjenje podatkov s pomočjo baterije (hranjenje zgodovine), pisk ob pritisku na tipko,
funkcije za tiskanje strani, funkcija nadaljevanja (za ohranitev vsebine brez inicializacije
podatkovnih tabel ob vklopu napajanja).
Komunikacija
NT 620C ima dve možnosti komunikacije, Host Link in NT Link in sicer z 9600 ali
19200 bps hitrostjo, z EIA RS – 232C komunikacijskim standardom. Na spodnji strani
ohišja ima devet pinski, D – SUB konektor (ženski), ki ga z ustreznim kablom povežemo z
osebnim računalnikom oz. krmilnikom.
Za obe vrsti komunikacije (Host Link, NT Link) obstaja več različic komunikacijskega
kabla. Za naš primer smo uporabili komunikacijo Host Link in smo sestavili dva različna
kabla:
kabel za komunikacijo med NT620C in osebnim računalnikom (sl. 3.11),
kabel za komunikacijo med NT620C in krmilnikom (sl. 3.12).
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
36
Slika 3.11: Zgradba kabla RS – 232C za povezavo z osebnim računalnikom
Slika 3.12: Zgradba kabla RS – 232 za povezavo s krmilnikom
Ker je NT620C terminal starejše izdelave kot krmilnik, smo najprej imeli probleme s
komunikacijo. Zato smo morali zamenjati program v terminalu (firmware) z novejšo
verzijo.
Najprej smo v terminalu izbrisali stari program, tako da smo na DIP stikalu nastavili
stikalo SW8 na ON in ponovno zagnali terminal. Na zaslonu se pojavi možnost za izbris
programa. Ko smo potrdili brisanje, smo nastavili stikalo SW8 zopet na OFF in ponovno
zagnali terminal. Nato smo s programom NT Series System Installer naložili nov program.
S tem je bil problem s komunikacijo odpravljen.
Kljub temu, NT terminal še vedno ne deluje čisto brezhibno. Problem se pojavi pri
postavljanju posameznih bitov, saj terminal brez znanega vzroka vklopi ali izklopi še druge
bite.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
37
3.4 Programiranje NT terminala
3.4.1 NT Series Support Tool5
Za programiranje NT terminala smo uporabili program NT Series Support Tool V4.6,
ki omogoča enostavno izdelavo strani in pripadajočih tabel in je prirejen za delo v
Windows okolju. Program je prikazan na sliki (sl. 3.13).
Omogoča enostavno shranjevanje izdelanih strani na NT terminal, pa tudi pregled že
shranjenih strani na terminalu. V ta namen je potrebno nastaviti nekatere splošne
nastavitve, kot so vrsta terminala, velikost pomnilnika, način komunikacije in naslov v
pomnilniku preko katerega komunikacija poteka. Slika (sl. 3.14) prikazuje okno za vnos
nastavitev.
Slika 3.13: Program NT Series Support Tool V4.6
5 Povzeto po [8].
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
38
Slika 3.14: Splošne nastavitve v NT Series Support Tool
Izdelovanje strani pričnemo, tako da z ukazom File / New naredimo novo stran. Za
vsako stran lahko posebej določimo barvo ozadja (črna, modra, svetlo modra, rdeča,
zelena, vijoličasta, rumena in bela), ime strani, določimo lahko shranjevanje pogostosti
uporabe strani, uporabo tipkovnice, zvočni signal (nepretrgano piskanje, dolgi piski, kratki
piski), kar pride prav pri straneh z alarmi.
Elementi, ki jih lahko vstavljamo v strani:
o nespremenljivi objekti (črte, pravokotniki, krogi, tekst, posebni znaki),
o lučke,
o tipke / stikala,
o številski prikazovalniki,
o tekstovni prikazovalniki,
o stolpčni prikazovalniki,
o vnos števil,
o vnos besedila,
o grafi,
o lista alarmov in
o zgodovina alarmov.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
39
Vsak element ima še nastavitev dodatnih lastnosti, kot so oblika, barva, oblika
okvirja,… Lučkam in tipkam (stikalom) lahko nastavimo še bit v krmilniku na katerega se
element nanaša in barvo ob vklopu / izklopu le – tega ter oznako. Številskim
prikazovalnikom nastavimo naslov v krmilniku, način prikaza (desetiški, šestnajstiški),
število decimalnih mest, prikaz znaka »±«. Grafom določimo širino risanja, čas vzorčenja,
pomnilniško mesto v tabeli, prikaz vrednosti v odstotkih…
Shranjevanje strani in tabel v NT terminal opravimo z ukazom Connect / Download /
Application. Med tem časom mora terminal biti v stanju Transmit Mode, ki ga nastavimo v
sistemskem meniju terminala.
3.4.2 Opis posameznih strani terminala
Ob vklopu napajanja NT terminala se prikaže prva stran (sl. 3.15), kjer imamo tri tipke
in sicer za izbiranje vodenja med ročnim in avtomatskim ter regulacijo s tabeliranim
ojačenjem.
Slika 3.15: Prva stran
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
40
Če pritisnemo tipko Rocno Vodenje, se prikaže druga stran (sl. 3.16), kjer je prikazana
modelna naprava z vsemi merilniki in aktuatorji. V tem načinu vodenja imamo možnost
odpiranja / zapiranja elektromotornih ventilov, vklop / izklop črpalk (ob vklopu se
obarvata zeleno) in spreminjanje hitrosti črpalk. Za vsako črpalko imamo prikazovalnik
frekvence. Posode so stolpčni prikazovalniki, tako da dobivamo tudi vizualno informacijo
o nivoju, hkrati pa sta nad pokončnima posodama tudi številska prikazovalnika. Ob
posodah sta tudi številčna prikaza pretoka v posodah. V vseh treh posodah so končna
stikala, ki se ob vklopu obarvajo rdeče.
S pritiskom na tipko Graf preidemo na tretjo stran (sl. 3.17), kjer imamo prikaz
časovnega poteka frekvenc črpalk in vrednosti nivojev. S pritiskom na tipko Izhod se
vrnemo na prvo stran, kjer zopet lahko izbiramo med načini vodenja. Ob tem se črpalki
izklopita.
Slika 3.16: Stran za ročno vodenje
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
41
Slika 3.17: Stran za prikaz odzivov ročnega vodenja
Če na prvi strani pritisnemo tipko Avtomatsko Vodenje, se nam pojavi podobna stran
(sl. 3.18) kot pri ročnem vodenju, le da tukaj nimamo možnosti direktnega vpliva na
frekvence črpalk, imamo pa možnost vpisovanja parametrov dveh PID regulatorjev in
vpisa želenih vrednosti nivojev ter opazovanja odzivov na prikazovalnikih oz. opazovanja
časovnega spreminjanja na grafu, če pritisnemo na tipko Graf. V tem načinu vodenja
imamo tudi možnost spreminjanja želene vrednosti nivoja kar iz strani Odziv nivojev na
želene vrednosti (sl. 3.19).
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
42
Slika 3.18: Stran za avtomatsko vodenje
Slika 3.19: Stran za prikaz odzivov avtomatskega vodenja
Če na prvi strani pritisnemo tipko Adaptivna Regulacija, preidemo na stran za vodenje
nivoja z regulatorjem s tabeliranim ojačenjem (sl. 3.20). Na tej strani imamo samo možnost
vodenja elektromotornih ventilov in določevanja želenih vrednosti nivojev ter spremljanje
odzivov na grafu, ki je enaka stran kot pri avtomatskem vodenju (sl. (3.19). Ko pritisnemo
na tipko Regulator, se vklopijo obe črpalki in nivoja v posodah se postavita na želeni
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
43
vrednosti. Ko zopet pritisnemo na tipko Regulator ali pa na tipko Izhod za vrnitev na prvo
stran, se obe črpalki avtomatsko izklopita, želene vrednosti pa se postavijo na nič.
Slika 3.20: Stran za vodenje s tabeliranim regulatorjem
Za vnos številskih vrednosti potrebujemo tipkovnico, ki smo jo sestavili na posebni,
okenski strani (sl. 3.21). S pritiskom na katerikoli številski vnos se pojavi številska
tipkovnica, s katero vpišemo vrednost, jo potrdimo in tipkovnico zapremo s pritiskom na
tipko Zapri.
Na koncu imamo še stran Alarm (sl. 3.22), ki se nam prikaže v primeru, ko je v
rezervoarju premalo vode. Stran Alarm spremlja tudi zvočni signal. S pritiskom na tipko
POTRDI, se alarm izklopi, vrnemo se na prvo stran, ob tem pa se izklopijo tudi obe
črpalki.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
44
Slika 3.21: Tipkovnica za vnos številskih vrednosti
Slika 3.22: Stran Alarm
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
45
3.5 Programabilni krmilnik OMRON CJ1G
3.5.1 Uvod
Programabilni krmilnik je centralno procesna enota, ki vsebuje program ter vhodne in
izhodne enote. Program vodi krmilnik tako, da se le – ta ob spremembi signala na vhodni
enoti ustrezno odzove. Ponavadi to pomeni spremembo signala na določeni izhodni enoti.
Vhodne enote so lahko stikala, senzorji, končna stikala ali katera druga naprava, ki lahko
generira signale, katere lahko vodimo na krmilnik. Izhodne naprave, na katere lahko
vplivamo s signali iz krmilnika, pa so tuljave, luči, releji in druge.
3.5.2 Splošno6
Krmilniki serije CJ so zelo majhni programabilni krmilniki (širina 65 mm × višina 90
mm), katerih posebnosti so:
zelo hitro izvajanje inštrukcij
večja programska kapaciteta
programska in sistemska kompatibilnost z CS krmilniki
pritrditev direktno na montažno letev (brez backplane plošče)
do tri razširitvene I/O rack – e, kar omogoča uporabo do 40 enot
ročna ali avtomatska dodelitev I/O tabel
razdelitev programa na opravila (strukturno programiranje)
različni načini komunikacije (Ethernet, Controller Link, DeviceNet)
daljinsko programiranje/nadzorovanje preko mreže
Krmilnik sestavljajo:
napajalnik
CPU enota
osnovne I/O enote
specialne I/O enote
CPU Bus enote
6 Povzeto po [2] in [3].
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
46
končni pokrov (End Cover)
Slika (sl. 3.23) prikazuje možno sestavo krmilnika (I/O Control enoto potrebujemo, če
imamo enega ali več razširitvenih rack – ov), v tabeli 3.1 pa so opisane osnovne značilnosti
CJ1G CPU44 krmilnika.
Slika 3.23: Sestava CPU Rack – a
Tabela 3.1: Osnovne značilnosti CJ1G CPU44 krmilnika
Napajalna napetost 100 V do 240 V AC
Poraba 100 VA max.
Maksimalno število vhodov / izhodov 1280
Programska kapaciteta 30 Ksteps
Spominska kapaciteta 64 Kwords
Čas izvajanja inštrukcij:
Osnovne inštrukcije
Posebne inštrukcije
0,08 µs min.
0,12 µs min.
Čas osveževanja I/O:
Osnovne enote
Posebne enote
0,005 ms
0,12 ms
Komunikacijska vrata Peripheral Port
RS – 232C Port
Temperatura okolice 0 °C do 55 °C
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
47
Pomnilniška področja
Krmilnik CJ1G ima pomnilniški prostor razdeljen na naslednja področja:
Tabela 3.2: Pomnilniški prostor CJ1G pomnilnika
Področje Velikost Pomen
I/O Area 1280 bit (80 besed) Za osnovne I/O enote
Data Link Area 3200 bit (200 besed) Za Controller Link komun.
CPU Bus Units Area 6400 bit (400 besed) Za CPU Bus enote
Special I/O Units Area 15360 bit (960 besed) Za specialne I/O enote
DeviceNet Area 9600 bit (600 besed) Za DeviceNet komunikacijo
CIO
Area
Internal I/O Area 37504 bit (2344 besed) Uporaba samo v programu
Work Area 8192 bit (512 besed) Samo v programu
Holding Area 8192 bit (512 besed) Shranijo stanje po izklopu
Auxiliary Area 15360 (960 besed) Vsebuje flag-e in kontrolne bite
Temporary Relay Area 16 bit Začasne spremenljivke
Data Memory Area 32768 besed Podatkovni spomin
Extended Data Memory Area 32768 besed Razširjeni podatkovni spomin
Timer Area 4096 besed Števci
Counter Area 4096 besed Časovniki
Nekatera pomnilniška področja vsebujejo zastavice (flags) in kontrolne bite. Zastavice
so biti, ki se avtomatsko postavilo na 0 ali 1 in s tem indicirajo določeno stanje. Kontrolne
bite postavlja ali briše uporabnik in z njihovo pomočjo določa različne načine delovanja.
Osnovne I/O enote
Za modelno napravo smo uporabili dve osnovni I/O enoti (sl. 3.24):
ID211 – vhodna enota, 16 bit, 24 V DC,
OC211 – relejska izhodna enota, 250 V AC/24 V DC, 2 A, 16 izhodov.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
48
Slika 3.24: Osnovna I/O enota
Obe enoti sta povezani z releji. ID211 sprejema signale o stanju končnih stikal, OC211
pa preko relejev krmili odpiranje in zapiranje ventilov. Primer uporabe in vezave je
prikazan na sliki (sl. 3.25).
Slika 3.25: Vezalna shema za osnovne I/O enote
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
49
Specialne I/O enote7
Kot specialne I/O enote smo uporabili dve analogni I/O enoti:
AD081-V1 – analogna vhodna enota, 8 vhodov,
DA041 – analogna izhodna enota, 4 izhodi.
S pomočjo AD081-V1 enote sprejemamo signale iz merilnikov nivoja. Glavne lastnosti
le – te enote so prikazane v tabeli 3.3.
Tabela 3.3: Lastnosti analogne vhodne enote AD081-V1
Poraba 420 mA max. pri 5 V DC
Teža 140 g
Število vhodov 8
Vrsta in območje vhodnega
signala
1 V do 5 V
0 V do 5 V
0 V do 10 V
-10 V do 10 V
4 mA do 20 mA
Maksimalna vrednost vhoda Napetostni vhod: ±15 V
Tokovni vhod: ±30 mA
Vhodna impedanca Napetostni vhod: 1 MΩ min.
Tokovni vhod: 2,5 kΩ
Resolucija 4000/8000
Pretvorba 16 bitna
Natančnost Napetostni vhod: ±0,4 % vhodnega območja
Tokovni vhod: ±0,6 % vhodnega območja
Vhodne signale povežemo na analogno vhodno enoto AD081-V1, tako kot je prikazano
na sliki (sl. 3.25).
7 Povzeto po [4].
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
50
Slika 3.25: Shema priključitve merilnih signalov na AD081-V1
Pred začetkom uporabe določimo številko enote in obliko vhodnih signalov s stikali na
sprednji strani analogne vhodne enote (sl. 3.26).
Slika 3.26: Prikaz stikal za določitev številke enote in oblike vhodnih signalov
Ko vključimo napajanje, moramo kreirati I/O tabele. S programirno konzolo ali
osebnim računalnikom (CX - Programmer) določimo specialna I/O spominska področja
(DM), določimo vhode, ki jih uporabljamo in območja vhodnih signalov.
Analogno izhodno enoto DA041 smo uporabili za krmiljenje frekvenčnih pretvornikov
s tokovnima signaloma od 4 do 20 mA. Glavne lastnosti DA041 enote so prikazane v tabeli
3.4, na sliki (sl. 3.27) pa je prikazana shema priključitve izhodnih signalov na DA041.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
51
Tabela 3.4: Lastnosti analogne izhodne enote DA041
Poraba 5 V DC, 120 mA max.
Zunanje napajanje 24 V DC, 200 mA max.
Teža 150 g
Število izhodov 4
Vrsta in območje izhodnega signala
1 V do 5 V / 4 mA do 20mA
0 V do 5 V
0 V do 10 V
-10 V do 10 V
Izhodna impedanca 0,5 Ω
Resolucija 1/4000
Natančnost Napetostni izhod: ±0,5 % izhodnega območja
Tokovni izhod: ±0,8 % izhodnega območja
Slika 3.27: Shema priključitve izhodnih signalov na DA041
Pred začetkom uporabe moramo enako kot za AD081-V1 nastaviti številko enote,
kreirati I/O tabele, določiti moramo specialna I/O spominska področja (DM) in vhode, ki
jih bomo uporabljali ter območja izhodnih signalov.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
52
CPU Bus enote8
ETN11 Ethernet enota omogoča krmilniku podpiranje širokega spektra protokolov
preko Ethreneta, kot so TCP/IP in UDP/IP, Omron – ov standardni protokol FINS, ali FTP
in SMTP komunikacija s sporočili. UDP/IP in TCP/IP protokola omogočata komunikacijo
z drugimi Ethrenet napravami, delovnimi postajami, osebnimi računalniki in Ethernet
enotami drugih proizvajalcev. FINS komunikacija omogoča komunikacijo z drugimi
Omron – ovimi krmilniki z ukazi v programu, kot so SEND, RECV in CMND. V tabeli 3.5
so opisane glavne lastnosti ETN11 enote.
Tabela 3.5: Glavne lastnosti ETN11 Ethernet enote
Tip 10Base – T
Primerni krmilniki CJ serija
Način dostopa do medija CSMA/CD
Modulacija Baseband
Baud rate 10 Mbps
Prenosni medij UTP kabel
Dolžina medija 100 m max.
Poraba 380 mA max. pri 5 V DC
Temperatura okolice 0 °C do 55 °C
Preden jo lahko začnemo uporabljati, moramo ETN11 enoti določiti IP številko. To
lahko storimo v DM področju besed, ki so dodeljene CPU Bus enotam, ali pa s programom
CX – Programmer z PLC Network Configuration orodjem.
Prav tako moramo nastaviti številko enote in številko vozlišča (node) ETN11 enote in
sicer s stikali na sprednji strani enote (sl. 3.28).
8 Povzeto po [6].
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
53
Slika 3.28: ETN11 Ethernet enota
3.6 Programiranje krmilnika9
Krmilnik CJ1G je mogoče programirati s programirno konzolo ali preko osebnega
računalnika, na katerem imamo inštalirano programsko orodje za stikalni način
programiranja (Ladder Support Software), kot je CX – Programmer. Programirna konzola
je najpreprostejša oblika programirne naprave za krmilnike Omron in je priključena
neposredno na CPU brez dodatnih vmesnikov (sl. 3.29).
Slika 3.29: Programirna konzola in priključitev na krmilnik
9 Povzeto po [3].
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
54
CX – Programmer omogoča vse operacije programirne konzole, poleg tega pa še
številne druge. Program pišemo v stikalni obliki, zato je pregleden in enostaven za
preverjanje ali popravljanje.
3.6.1 Delo s programom CX – Programmer
Za programiranje krmilnika smo uporabljali program CX – Programmer V3.01 (sl.
3.30). Program omogoča vse osnovne funkcije kot programirna konzola, njegove prednosti
pa so delovanje v Windows okolju, uporaba funkcij preko orodnih vrstic, večja
preglednost, shranjevanje različnih verzij programa na trdi disk računalnika, pomoč pri
spoznavanju funkcij in podobno.
Slika 3.30: Program CX – Programmer
Ko začenjamo delo s CX – Programer – jem, moramo najprej določiti vrsto krmilnika
in obliko povezave. To storimo v oknu, ki se nam odpre, ko odpremo nov projekt (File /
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
55
New). Slika (sl. 3.31) prikazuje okno za vpis imena projekta, vrsto krmilnika in načina
povezave.
Slika 3.31: Okno za vpis novega projekta
Sedaj lahko pričnemo s pisanjem programa. Program pišemo v obliki lestve, od leve
proti desni, od zgoraj navzdol. Na levi strani vrstice postavimo neki pogoj (stanje
določenega bita) v obliki stikala, proti desni pa postavljamo inštrukcije, ki naj se izvedejo
ob izpolnjenem pogoju. Pogoj je lahko v obliki odprtega stikala, zaprtega stikala, več
vzporedno (logični ALI) ali zaporedno (logični IN) vezanih stikal.
Najpogostejše inštrukcije so:
izhodne inštrukcije (OUT, OUTNOT, SET, RSET,…),
kontrolne inštrukcije (CJP, BREAK, END,…),
števci in časovniki (CNT, CNTX, TIM, MTIM,…),
primerjalne inštrukcije (<, >, =, >=, CMP, BCMP,…),
podatkovno premikanje (MOV, MOVB, MOVD, XFER,…),
matematične inštrukcije (+, -, *B, /BL,…),
pretvorbene inštrukcije (BCD, BIN, HEX, NEG,…),
logične inštrukcije (ANDL, COM, ORW,…),
kontrolne podatkovne inštrukcije (PID, SCL, SCL2, AVG,…),
subrutine (SBS, SBN, RET,…).
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
56
Mi smo uporabljali predvsem osnovne funkcije, kot so SET, RSET za postavljanje
bitov na želeno vrednost, <, >, = za primerjavo podatkov, +B, -B, *B, +, - za matematične
operacije nad števili, BCD in BIN za pretvorbo med desetiškimi in binarnimi števili, MOV
za shranjevanje podatkov na določena spominska mesta,…
Poleg tega smo uporabili še dve posebni kontrolno podatkovni funkciji in sicer PID in
SCL ter funkcijo za kreiranje podprograma (subrutine).
PID funkcija
Ko je pogoj na levi strani izpolnjen, PID(190) funkcija izračunava izhodno vrednost
PID regulacije glede na vhodno besedo S (PV) in parametre C do C + 8 ter jo zapiše v
izhodno besedo D (CV). Primer uporabe je prikazan na sliki (sl. 3.32).
Slika 3.32: Primer uporabe PID(190) funkcije
S pomočjo parametrov v C do C + 8 nastavljamo:
parametre regulatorja,
semplirni korak,
smer integriranja,
koeficient vhodnega filtra (α),
vhodno / izhodno resolucijo,
osveževanje parametrov regulatorja.
Parametre regulatorja, ki so opisani v tabeli 3.5 lahko nastavljamo s programsko
konzolo, CX – Programmer – jem ali preko NT terminala.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
57
Tabela 3.5: Opis parametrov PID funkcije
Beseda Bit Parameter
C 00 do 15 Želena vrednost – SV
C + 1 00 do 15 Proporcionalni pas – P(v enotah po 0,1 %)
C + 2 00 do 15 Integralni čas – Ti(1 – 8191; 9999 – ne dela)
C + 3 00 do 15 Diferencialni čas – Td(1 – 8191; 0000 – ne dela)
C + 4 00 do 15 Korak sempliranja – τ(1 – 9999 v enotah po 10 ms)
00 Smer proporcionalnega delovanja
01 Določitev osveževanja parametrov regulacije
03 Določitev izhodne vrednosti regulatorja ob PV = SV C + 5
04 do 15 Koeficient vhodnega filtra (α)
00 do 03 Določitev enote za izražanje Ti in Td parametrov
04 do 07 Število izhodnih podatkovnih bitov
08 do 11 Število vhodnih podatkovnih bitov C + 6
12 Vklop / izklop limitiranja izhoda
C + 7 00 do 15 Določitev spodnje meje limitiranja
C + 8 00 do 15 Določitev zgornje meje limitiranja
Proporcionalni pas (P) je definiran kot potrebna sprememba vhodnega signala (v
odstotkih) za spremembo izhodnega signala za 100 %. Če P zmanjšamo, bo enaka
sprememba vhodnega signala povzročila večjo spremembo izhodnega signala. Preveliko
zmanjšanje P povzroči nestabilnost sistema (preide v oscilacije).
Integralni del (TI) odpravlja statični pogrešek, ki nastane, če uporabimo samo
proporcionalni del. Ko je dejanska vrednost pod želeno vrednostjo, integrator k izhodu
prišteva vrednost proporcionalnega dela, dokler pogrešek ni izničen. Manjša vrednost Ti
pomeni hitrejše naraščanje izhoda, premajhen Ti pa lahko povzroči prenihaj in
nestabilnost.
Diferencialni del (TD) pospeši odziv na motnje in omogoči boljši stopnični odziv.
Večja vrednost Td relativno poveča vpliv diferencialnega dela glede na proporcionalni del.
Prevelik Td lahko povzroči oscilacije.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
58
SCL funkcija
SCL(194) funkcija ob izpolnjenem pogoju pretvarja binarno vrednost vhoda S v
decimalno vrednost izhoda R po linearni funkciji predpisani v P1, pri čemer je P1 prva
beseda zapisanih parametrov v P1 do P1 + 3. SCL funkcijo smo uporabili za pretvarjanje
binarnih vrednosti, ki jih dajeta merilnika nivoja v desetiške vrednosti in pa pri izračunu
frekvenc črpalk in sicer iz izhodnih vrednosti PID regulatorjev. Primer uporabe funkcije
SCL je prikazan na sliki (sl. 3.33).
Slika 3.33: Primer uporabe funkcije SCL(194)
SBS funkcija
Funkcija SBS(091) ob izpolnjenem pogoju pokliče podprogram ali subrutino z enako
vrstno številko. Subrutine pišemo na koncu glavnega programa (pred funkcijo END) in
sicer s funkcijo SBN(092), ki določa začetek subrutine ter funkcijo RET(093), ki subrutino
zaključi. Primer uporabe funkcij SBS, SBN in RET je prikazan na sliki (sl. 3.43).
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
59
Slika 3.34:Primer uporabe funkcij SBS, SBN in RET
Za naš primer smo naredili subrutino za izračunavanje pretokov v posodah in
subrutino, ki iz tabele ojačenj prebere ustrezno vrednost proporcionalnega dela PID
regulatorja glede na želeno vrednost nivoja. Program kliče subrutino pod pogojem, da je
vključen potrebni bit, katerega postavljamo preko NT terminala. Poleg tega.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
60
4. VODENJE MODELNE NAPRAVE
Za snemanje statičnih karakteristik procesa in odzivov reguliranega sistema smo
uporabili program CX – Supervisor V1.1. CX – Supervisor spada v SCADA programsko
opremo in služi za nadzor in kontrolo procesov preko osebnega računalnika. Omogoča
hitro in enostavno vizualizacijo procesa, popoln nadzor nad dogajanjem, zajem in prikaz
podatkov iz krmilnika v realnem času, dostop do zgodovine dogajanja v procesu,
alarmiranje in podobno.
4.1 Statične karakteristike
Statični karakteristiki smo posneli, tako da smo spreminjali frekvenci črpalk od 10 Hz
do 50 Hz v korakih po 5 Hz in opazovali nivoja v posodama. Na sliki (sl. 4.1) so prikazane
statične karakteristike nivojev v odvisnosti od frekvenc črpalk. Pri tem sta nivoja prikazana
v enotah po 0,1 % območja, hitrosti črpalk pa v enotah po 0,1 Hz. Na spodnji sliki vidimo,
da nivo vode v prvi posodi doseže maksimum že pri 30 Hz delovanja črpalke, nivo vode v
drugi posodi pa pri 35 Hz.
Slika 4.1: Karakteristike nivojev v odvisnosti od frekvenc črpalk
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
61
Ker v modelni napravi nimamo merilnikov pretoka, smo pretok v posameznih posodah
ocenjevali in sicer tako, da smo odvod nivoja pomnožili s konstanto. Odvod nivoja
preračunavamo s pomočjo realnega diferenciatorja, ki smo ga izvedli s programom v
krmilniku. Enačba realnega diferenciatorja je10:
[ ])1()1()(1)( −⋅+−−⋅+
= kdhTkhkhTT
kdh fsf
(4.1)
pri čemer so:
Tf = 0,3 s ……………. konstanta filtra,
Ts = 1 s ……………… semplirni čas,
h(k) …………………. meritev nivoja v k – tem koraku,
h(k – l) ……………… meritev nivoja v (k – 1) – em koraku,
dh(k)………………… odvod nivoja v k – tem koraku,
dh(k – 1) ……………. odvod nivoja v (k – 1) – tem koraku.
Konstanto s katero množimo odvod nivoja, dobimo tako, da izračunamo spremembo
količine vode za spremembo nivoja za 1 bit v določeni časovni periodi (1 s):
1 bit = 0,1 % območja = 1,105 mm (4.2)
145 mm × 145 mm = 21025 mm2 … presek posode P1 (4.3)
21025 mm2 × 1,105 mm = 23232,6 mm3 = 0,0232326 L (4.4)
Če se torej nivo v eni sekundi spremeni za en bit, povzroči spremembo volumna vode v
posodi za 0,0232326 L. Če preračunamo v enoto L/min, dobimo:
K1 = 1,39 L/min (4.5)
Na enak način izračunamo konstanto za drugo posodo in dobimo K2 = 2,84 L/min.
Na sliki (sl. 4.2) sta prikazana izračunana pretoka v posodama pri snemanju statičnih
karakteristik nivojev glede na spremembo frekvenc črpalk. Vidimo, da je ocena pretoka v
10 Povzeto po [9].
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
62
prvi posodi dokaj dobra, medtem ko pretok v drugi posodi precej niha, predvsem pri
manjših spremembah nivoja. Problem so dimenzije druge posode (dolžina 295 mm × širina
145 mm), saj nivo počasneje narašča, gladina vode v posodi pa precej bolj niha kot pri prvi
posodi, kar tudi povzroča motnje pri merjenju nivoja.
Slika 4.2: Izračunana pretoka v posodama
4.2 Regulacija nivojev
Za regulacijo nivojev smo uporabili dva PID regulatorja, ki smo jih izvedli s
programom v krmilniku. Blokovna shema regulacije je prikazana na sliki (sl. 4.3).
PID regulator glede na razliko med dejanskim in želenim nivojem na izhodu daje
ustrezno vrednost krmilnega signala, s katerim preko frekvenčnega pretvornika vodimo
črpalko. Ker vsako posodo in črpalko opazujemo kot proces za sebe, potrebujemo dva PID
regulatorja. Pretok, ki se pojavi med posodama ko odpremo ventil, obravnavamo kot
motnjo.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
63
Slika 4.3: Blokovna shema regulacije nivojev
Simboli: h1ž, h2ž …….. želene vrednosti nivojev,
h1d, h2d …….. dejanske vrednosti nivojev,
E1, E2………. regulacijska odstopanja,
F1, F2 ………. frekvence črpalk.
Izračun parametrov PID regulatorjev
Za določitev parametrov PID regulatorjev smo uporabili metodo po Zieglerju in
Nicholsu, ki je uporabna za procese, katere lahko privedemo v mejno nihanje. Najprej smo
v regulacijski krog vključili samo P regulator, tako da smo integralni in diferencialni del
nastavili na TI = ∞ oz. TD = 0. Nato smo večali ojačenje KR tako dolgo, dokler ni začel
regulacijski krog nihati s konstantno amplitudo. Tako smo dobili kritično vrednost ojačenja
KRK ter periodo nihanja regulirane vrednosti TK. S pomočjo teh dveh podatkov lahko
izračunamo optimalne vrednosti parametrov za izbrani regulator.
V našem primeru smo se odločili za PI regulator, saj nam diferencialni del ne
pripomore veliko pri izboljšanju odziva. Na sliki (sl. 4.4) vidimo regulacijski krog v
mejnem nihanju, s katerim smo izmerili in izračunali naslednje parametre (h1ž = 30 %):
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
64
KRK = 140
TK = 3 s
PI regulator:
TI = 0,85 * TK = 2,55 s
KR = 0,45 * KRK = 63
XP = (1 / KRK) * 100 % = 1,6 %
Slika 4.4: Regulacijski krog v mejnem nihanju
4.2.1 Regulator s tabeliranim ojačenjem
Izkazalo se je, da so parametri, ki jih določimo po zgoraj opisani metodi uporabni
predvsem za bližnjo okolico točke nivoja, pri kateri izvajamo mejno nihanje. Bolj ko je
želena vrednost nivoja odmaknjena od točke nihanja, slabši je odziv reguliranega sistema
(večji je prenihaj). Zato smo se odločili sestaviti regulator s tabeliranim ojačenjem.
Izmerili in izračunali smo parametre PID regulatorjev za osem različnih nivojev
mejnega nihanja ter v programu krmilnika določili tabelo ojačenj za posamezne nivoje.
Tako krmilnik primerja želeno vrednost nivoja s tabelo v programu in sproti osvežuje
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
65
potrebne parametre. Odzivi regulatorjev so prikazani v naslednjem poglavju, v tabeli 4.1
pa so podana ojačenja za posamezne želene nivoje.
Tabela 4.1: Tabela ojačenj
Posoda P1 Posoda P2 Želene vrednosti
nivojev /% XP /% TI (s) XP /% TI (s)
hž < 12,5 1,2 2,5 1,3 2,0
12,5 ≤ hž < 25,0 1,4 2,5 1,5 2,0
25,0 ≤ hž < 37,5 1,6 2,5 1,8 2,0
37,5 ≤ hž < 50,0 1,8 2,5 2,0 2,0
50,0 ≤ hž < 62,5 2,0 2,5 2,3 2,0
62,5 ≤ hž < 75,0 2,2 2,5 2,6 2,0
75,0 ≤ hž < 87,5 2,6 2,5 2,9 2,0
87,5 ≤ hž 2,8 2,5 3,2 2,0
4.3 Odzivi reguliranega sistema
4.3.1 Odzivi na spremembo želenih vrednosti
Na sliki (sl. 4.5) je prikazana regulacija nivoja v prvi posodi (P1). Želeno vrednost
nivoja smo spreminjali od 0 do 100 % v koraku po 20 %. Želeni in dejanski nivo v posodi
sta prikazana v enotah po 0,1 %, frekvenca črpalke v enotah po 0,1 Hz, pretok pa v L/min.
Vidimo zelo hiter in natančen odziv sistema s prenihaji manjšimi od 1,5 %. Tudi ocena
pretoka je za posodo P1 dokaj natančna.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
66
Slika 4.5: Regulacija nivoja v prvi posodi (P1)
Želeni nivo smo nato manjšali proti 0 %. Kot lahko vidimo na sliki (sl. 4.6), je tudi
tokrat odziv hiter in natančen. Pretoka v posodi v tem primeru ne vidimo, saj je negativen.
Slika 4.6: Regulacija nivoja v prvi posodi (P1)
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
67
Enako smo storili za posodo P2. Na slikah (sl. 4.7) in (sl. 4.8) lahko vidimo odzive na
spremembo želene vrednosti, ki so počasnejši kot pri posodi P1, saj je količina potrebne
vode večja.
Slika 4.7: Regulacija nivoja v drugi posodi (P2)
Slika 4.8: Regulacija nivoja v drugi posodi (P2)
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
68
4.3.2 Odzivi na motnje
Odzive na motnje smo posneli, tako da smo najprej postavili oba nivoja na želene
vrednosti (h1ž = 60 %, h2ž = 30%). Nato smo najprej povzročili motnjo z odpiranjem
ročnega ventila V1, ki povezuje obe posodi. Kot je vidno na sliki (sl. 4.9), je ta motnja v
obeh posodah zelo hitro odpravljena. Nato smo ventil V1 zopet zaprli. Naslednja motnja je
bila zapiranje elektromotornega ventila EMV1, ki je na izhodu iz posode P1. Tudi to
motnjo je regulator hitro odpravil. Ventil EMV1 smo nato nazaj odprli in povzročili še
motnjo v posodi P2 z zapiranjem elektromotornega ventila EMV2. Enako kot prej je
motnja dokaj hitro odpravljena. Na koncu smo ventil EMV2 nazaj odprli. Vse motnje in
odzivi na njih so predstavljene na sliki (sl. 4.9).
Odpiranje V1
Zapiranje V1
Zapiranje EMV1 Odpiranje
EMV1
Zapiranje EMV2
Odpiranje EMV2
Slika 4.9: Odziv sistema na motnje
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
69
5. SKLEP
Cilj diplomske naloge je bil narediti načrt za sestavo modelne naprave, nato izgradnja
le – te, načrtati in sestaviti krmilje ter avtomatizirati modelno napravo s primernim
regulatorjem.
Naša naloga je bila zelo praktične narave, saj smo vse operacije, od izgradnje naprave
do končne regulacije, izvajali na realnem objektu. Pri tem smo obnovili in praktično
uporabili znanje iz predmetov, kot so snovanje sistemov vodenja, gradniki sistemov
vodenja, krmilna tehnika in regulacije, pridobili pa smo tudi nova znanja in izkušnje.
Podrobneje smo spoznali možnosti in prednosti vodenja črpalk s frekvenčnimi
pretvorniki ter probleme, ki se lahko pojavijo in njihovo reševanje. Praktično smo izkusili
motnje, ki jih sta frekvenčna pretvornika povzročala v merilnikih nivoja, čeprav sta imela
le – ta kabla z oklopom, katere smo ozemljili. Motnje smo zmanjšali s pomočjo toroidnih
jeder na katere smo navili kable pretvornikov. Pri tem smo moč jeder in število navojev
določili s pomočjo strokovnjakov iz podjetja ATES, ki imajo na tem področju veliko
izkušenj.
Z njihovo pomočjo smo tudi sestavili elektro omaro, ki smo jo načrtali s programom
WSCAD. Pri tem smo spoznali možnosti in uporabo programa WSCAD, ki je namenjen za
načrtovanje krmilj, spoznali pa smo tudi princip sestavljanja elektro omar in dejavnike, ki
jih moramo pri tem upoštevati, predvsem zaščitne in ozemljitvene potrebe.
Avtomatizacijo modelne naprave smo izvedli s pomočjo programabilnega krmilnika
Omron, CJ1G in posebnih I/O enot ter ETN11 Ethernet enote, ki omogoča daljinsko
vodenje procesa preko Ethernet omrežja. Program krmilnika smo napisali s programom
CX – Programmer, ki omogoča tudi direktno vodenje procesa in spremljanje parametrov iz
krmilnika. Ker v modelni napravi nimamo merilnikov pretoka, smo pretok ocenjevali s
programom v krmilniku in dobili dokaj dobro oceno, predvsem v prvi, ožji posodi. Pretok
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
70
v drugi posodi je precej bolj nestabilen, saj voda v tej posodi počasneje narašča, gladina
vode pa bolj niha. Ocena pretoka bi se verjetno izboljšala, če bi v program dodali
Kalmanov filter, ki bi informacije s šumom znal bolje izkoristiti, vendar je programiranje
takšnih algoritmov s CX – Programmer – jem dokaj zahtevna naloga.
Na koncu smo izvedli še regulacijo nivojev. Izkazalo se je da lahko regulacijo izvajamo
direktno preko frekvenc črpalk in da ne potrebujemo informacije o pretoku. Za regulacijo
smo uporabili dva PI regulatorja, ki sta zapisana v krmilniku v obliki programa. Parametre
regulatorjev smo določili po metodi Ziegler – Nichols, tako da smo proces spravili v mejno
nihanje okoli delovne točke. Že na tem nivoju regulacije so bili odzivi procesa zadovoljivi,
vendar pa se je prenihaj večal bolj kot smo se oddaljevali od točke mejnega nihanja. Zato
smo izmerili parametre več delovnih točk in jih uporabili v regulaciji s tabeliranim
ojačenjem. Odzivi procesa na želene vrednosti so sedaj hitri in natančni v vseh točkah,
prenihaj pa je manjši od 1,5 %. Regulatorja smo tudi preizkusili z vrsto različnih motenj. V
vseh primerih se nivoja dokaj hitro postavita nazaj na želene vrednosti, le pri višjih nivojih
v posodi P2 ima črpalka manjše probleme. Opazili smo da črpalka Č2 dela z manjšo močjo
kot črpalka Č1 in da se pri daljšem delovanju močno segreje.
Za nadaljnji razvoj modelne naprave predlagamo vgraditev merilnikov pretoka, s
pomočjo katerih bi lahko izvajali še druge oblike regulacije, služili pa bi nam tudi kot
primerjava z ocenjenimi pretoki, ki jih računamo v krmilniku.
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
71
SEZNAM VIROV
[1] Z. Švab, Avtomatizacija toplotnega izmenjevalnika, FERI, Maribor, 2002
[2] Omron, SYSMAC CJ Series, Programmable Controllers; Operation Manual, Cat.
No. W393-E1-02, 2001
[3] Omron, SYSMAC CJ Series, Programmable Controllers; Instructions Reference
Manual, Cat. No. W340-E1-06, 2001
[4] Omron, SYSMAC CJ Series, Analog I/O Units; Operation Manual, Cat. No.
W345-E1-04, 2001
[5] Omron, NT620S/620C Programmable Terminal; Operation Manual, 1997
[6] Omron, SYSMAC CS/CJ Series, Ethernet Units; Operation Manual, Cat. No.
W343-E1-3, 2001
[7] Lenze, Frequency Inverter 8200 vector series, Operating Instructions, 1999 Lenze
GmbH & Co KG
[8] Omron, NT-Series, Support Tool for Windows Ver. 4.1, Operation Manual, Cat.
No. V061-E1-1, 2000
[9] N. Muškinja,
Avtomatizacija modelne naprave za vodenje nivoja
72
PRILOGA A:
Tehnični podatki senzorjev in aktuatorjev