LABORATORIJSKI HIDRAVLIČNI SISTEM KOT UČNI …Slika 7.21: Odziv sistema na stopnično spremembo krmilne vrednosti. ..... 63 Slika 7.22: Mejno stabilno nihanje sistema..... 64 Slika

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Matej Mihelčič

LABORATORIJSKI HIDRAVLIČNI SISTEM KOT UČNI PRIPOMOČEK PRI SNOVANJU

SISTEMOV VODENJA

Magistrsko delo

Maribor, februar 2016

I

LABORATORIJSKI HIDRAVLIČNI SISTEM KOT UČNI PRIPOMOČEK PRI SNOVANJU

SISTEMOV VODENJA

Magistrsko delo

Študent: Matej Mihelčič

Študijski program: Magistrski bolonjski študijski program

Elektrotehnika

Smer: Avtomatika in robotika

Mentor: doc. dr. Nenad Muškinja

Lektor(ica): Danila Jan, univ. dipl. slav.

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Nenadu

Muškinji za pomoč in vodenje pri opravljanju

magistrskega dela. Posebna zahvala velja staršem

za vzpodbudo in omogočanje študija.

IV

Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček

pri snovanju sistemov vodenja

Ključne besede: vodenje sistema, regulacije, avtomatizacija

UDK: 681.51(043.2)

Povzetek

V laboratoriju za procesno avtomatizacijo se nahaja hidravlični sistem, ki služi kot učni

pripomoček pri predmetu Snovanje sistemov vodenja. Staro krmilno opremo smo nadomestili

z novo, odpravili napake in izdelali nove programe za vodenje. Sistem je deljen na dva dela,

ki sta predmet različnih magistrskih del, določeni deli pa se prepletajo. Mednje lahko štejemo

zamenjavo krmilne opreme, odpravljanje napak sistema in načrtovanje ožičenja. V

nadaljevanju je opisano načrtovanje regulatorjev nivoja vode v podsistemu 2, programiranje

krmilnikov Moeller ter Siemens in izdelava SCADA-uporabniškega vmesnika. Magistrsko delo

je izdelano kot obširno navodilo uporabnikom sistema. Projekt je zasnovan kot učni

pripomoček študentom in omogoča enostavno in logično upravljanje sistema preko

uporabniškega vmesnika. Sistem ponuja širok nabor možnih nalog in načinov regulacije, ki

pa se lahko po potrebi tudi razširi z uporabo motornih pogonov ventilov med veznimi

posodami in boljšim regulacijskim ventilom v podsistemu 2.

V

Laboratory hydraulic system as studying accessory at

control systems designing

Ključne besede: system control, controllers, automation

UDK: 681.51(043.2)

Abstract

Laboratory for process automation contains a hydraulic system, which serves as a studying

accessory for »Control systems design« subject. The old control equipment was replaced with

a new one, system errors were eliminated and new controlling program was written. System is

divided into two subsystems, which are seperately described in two masters degree works,

and certain parts are common in both projects. These are controlling equipment replacing

and wiring, system error eliminating and wiring designing. Further, the process of controller

design and programming of Siemens and Moeller PLCs and SCADA system designing are

described. This masters degree work is made as a detailed user's guide for system users. The

project is designed as a studying accessory for students and allows easy and intuitive system

controlling via SCADA HMI. System allows many ways of controlling and can be extended

with additional actuators for ball-valves and better servo-driven valve in subsystem 2.

VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ................................................................................................................................ 1

2 OPIS LABORATORIJSKEGA HIDRAVLIČNEGA SISTEMA ..................................... 3

2.1 Tehnični podatki posameznih gradnikov sistema ............................................................ 4

2.1.1 Podsistem 1 ............................................................................................................... 4

2.1.2 Podsistem 2 ............................................................................................................... 8

2.1.3 Omara in krmilna oprema ....................................................................................... 12

3 IZDELAVA NAČRTOV KRMILNE OMARE S PROGRAMSKIM ORODJEM EPLAN

15

4 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA MOELLER EASY S PROGRAMSKIM ORODJEM

EASYSOFT-PRO 6.................................................................................................................. 17

4.1 Krmiljenje ventila z Easy/MFD-modulom ................................................................ 19

4.2 Predelava in opis programa na krmilniku ...................................................................... 20

4.2.1 Prepis ročno nastavljenih parametrov ................................................................ 21

4.2.2 Regulacija ........................................................................................................... 21

4.3 Rokovanje z uporabniškim vmesnikom Easy/MFD .................................................. 21

5 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA SIEMENS SIMATIC S7-1500 S PROGRAMSKIM

ORODJEM TIA PORTAL V13 ............................................................................................... 23

5.1 Kreiranje projekta, nastavitev strojne opreme, povezava naprav v mrežo ................ 23

5.2 Programiranje krmilnika ............................................................................................ 26

5.2.1 Opis programa ......................................................................................................... 27

6 IZDELAVA SCADA-UPORABNIŠKEGA VMESNIKA S PROGRAMSKIM

ORODJEM TIA PORTAL V13 ............................................................................................... 32

6.1 Opis uporabniškega vmesnika ................................................................................... 34

7 NAČRTOVANJE REGULATORJEV ............................................................................. 39

7.1 PID-regulatorji ........................................................................................................... 39

7.2 Eksperimentalno nastavljanje parametrov PID-regulatorjev ..................................... 40

VII

7.2.1 Odprtozančna metoda .............................................................................................. 41

7.2.2 Zaprtozančna metoda .............................................................................................. 43

7.3 Regulacija nivoja vode v merilni posodi 2 ................................................................ 45

7.3.1 Statična karakteristika procesa ................................................................................ 49

7.3.2 Regulacija nivoja 2 s črpalko 2 ............................................................................... 52

7.3.3 Regulacija nivoja 2 z ventilom 2 ........................................................................ 56

7.3.4 Kaskadni regulator nivoja 2 ............................................................................... 61

7.3.5 Regulacija nivoja 1 s črpalko 2 .......................................................................... 68

8 REZULTATI .................................................................................................................... 71

9 SKLEP .............................................................................................................................. 78

10 VIRI .................................................................................................................................. 79

11 PRILOGE ......................................................................................................................... 80

VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Laboratorijski hidravlični sistem. .............................................................................. 4

Slika 2.2: Črpalka podsistema 1. ................................................................................................ 5

Slika 2.3: Frekvenčni pretvornik podsistema 1. ......................................................................... 5

Slika 2.4: Pnevmatski regulacijski ventil. .................................................................................. 6

Slika 2.5: Merilnik tlaka. ............................................................................................................ 7

Slika 2.6: Merilnik nivoja 1. ....................................................................................................... 7

Slika 2.7: Črpalka podsistema 2. ................................................................................................ 8

Slika 2.8: Frekvenčni pretvornik podsistema 2. ......................................................................... 9

Slika 2.9: Regulacijski ventil z elektropogonom. ...................................................................... 9

Slika 2.10: Merilnik nivoja 2. ................................................................................................... 10

Slika 2.11: P/U/I pretvornik. .................................................................................................... 10

Slika 2.12: Merilnik pretoka. .................................................................................................... 11

Slika 2.13: Varnostni elektromagnetni ventili. ......................................................................... 11

Slika 2.14: Kapacitivni senzor. ................................................................................................ 12

Slika 2.15: Čelna plošča krmilne omare. .................................................................................. 12

Slika 2.16: Notranjost krmilne omare. ..................................................................................... 13

Slika 2.17: Krmilnika SIEMENS SIMATIC S7-1500. ............................................................ 14

Slika 4.1: Osnovno okno programskega orodja easySoft-Pro 6............................................... 17

Slika 4.2: Nastavitev funkcije. ................................................................................................. 19

Slika 4.3: Strani prikazovalnika. .............................................................................................. 21

Slika 4.4: Funkcijske tipke uporabniškega vmesnika. ............................................................. 22

Slika 5.1: Nastavitev komunikacije PROFINET. ..................................................................... 24

Slika 5.2: Nastavitev HMI-povezave. ...................................................................................... 25

Slika 5.3: Status HMI-povezave............................................................................................... 26

Slika 5.4: Bita »always_on« in »always_off«. ......................................................................... 28

Slika 5.5: »Scale« funkcija. ...................................................................................................... 29

Slika 5.6: »Put« funkcija. ......................................................................................................... 30

Slika 5.7: »Get« funkcija. ......................................................................................................... 30

Slika 6.1: Pogovorno okno za izdelavo SCADA-uporabniškega vmesnika. ........................... 33

Slika 6.2: Nastavitev lastnosti gumba. ..................................................................................... 34

Slika 6.3: Osnovno okno SCADA-uporabniškega vmesnika. .................................................. 35

IX

Slika 6.4: Okno za nastavitev regulatorja. ................................................................................ 37

Slika 6.5: Okno za nastavitev kaskadnega regulatorja. ............................................................ 38

Slika 7.1: Vzporedni PID-regulator. ........................................................................................ 40

Slika 7.2: Parametri za izračun regulatorja. ............................................................................. 42

Slika 7.3: Želeni odziv zaprtozančne metode. .......................................................................... 44

Slika 7.4: Blok »CONT_C«. .................................................................................................... 47

Slika 7.5: Blokovni diagram programskega bloka CONT_C. [8] ............................................ 48

Slika 7.6: Statična karakteristika procesa. ................................................................................ 49

Slika 7.7: Statična karakteristika črpalke 2. ............................................................................. 50

Slika 7.8: Statična karakteristika ventila 2. .............................................................................. 51

Slika 7.9: Statična karakteristika ventila 2. .............................................................................. 51

Slika 7.10: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 s črpalko 2. ............................... 52

Slika 7.11: Položaj ventilov pritoka. ........................................................................................ 53

Slika 7.12: Odziv sistema na stopnično spremembo krmilne vrednosti. ................................. 53

Slika 7.13: Mejno stabilno nihanje sistema. ............................................................................. 54

Slika 7.14: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo črpalke.

.................................................................................................................................................. 55

Slika 7.15: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo črpalke.

.................................................................................................................................................. 56

Slika 7.16: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 z ventilom 2. ............................. 57


Slika 7.18: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo ventila. 60

Slika 7.19: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo ventila. 61

Slika 7.20: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 s kaskadno regulacijo. .............. 62



Slika 7.23: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer sta obe regulacijski

zanki izvedeni s PID-regulatorjema. ........................................................................................ 65

Slika 7.24: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer je zunanja zanka

izvedena s PID- in notranja s PI-regulatorjem. ........................................................................ 66


izvedena s PI- in notranja s PID-regulatorjem. ........................................................................ 67

Slika 7.26: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer sta obe regulacijski

zanki izvedeni s PI-regulatorjema. ........................................................................................... 67

X


Slika 7.28: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s P-regulacijo črpalke 2.

.................................................................................................................................................. 69

Slika 7.29: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PID-regulacijo črpalke

2. ............................................................................................................................................... 70

Slika 8.1: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti 30-40%. ........................ 72

Slika 8.2: Rezultati pri različnih spremembah želene vrednosti v različnih območjih nivoja. 73

Slika 8.3: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti 30-40 %. ....................... 74

Slika 8.4: Odziv sistema s kaskadno regulacijo, kjer sta regulatorja obeh zank tipa PID. ...... 75

Slika 8.5: Odziv sistema z regulacijo nivoja 1 s črpalko 2. ..................................................... 76

Slika 8.6: Osnovno okno SCADA-uporabniškega vmesnika. .................................................. 77

XI

KAZALO TABEL

Tabela 7.1: Tabela za izračun parametrov regulatorja po odprtozančni metodi. ..................... 43

Tabela 7.2: Tabela za izračun parametrov regulatorja po zaprtozančni metodi. ...................... 44

XII

Uporabljene kratice:

SCADA – supervisory control and data acquisition

HMI – human-machine interface

PLC – programmable logic controller

PC – personal computer

CAN – controller area network

IP – internet protocol

WWW – world wide web

TIA – totally integrated automation

PV – process value

SV – set value

CV – control value

P - proporcionalni

I - integralni

D - diferencialni

XIII

UPORABLJENI SIMBOLI

– proporcionalno ojačanje regulatorja

– integralni čas regulatorja

– diferencialni čas regulatorja

– sprememba procesne vrednosti

– sprememba krmilne vrednosti

– sprememba želene vrednosti

– kritično ojačanje

– čas periode mejno stabilnega nihanja

XIV

II

Laboratorijski hidravlični sistem kot učni pripomoček pri snovanju sistemov vodenja

1

1 UVOD

Tehnologija vodenja procesov napreduje, zato je potrebno obnoviti tudi učne pripomočke

bodočih inženirjev. Gradniki sistema se v realnih aplikacijah znatno ne spreminjajo, pač pa

se spreminja način vodenja obstoječih procesov. Število gradenj novih sistemov je v

primerjavi z obnovo le-teh precej manjše. Temu sledijo tudi v laboratoriju za procesno

avtomatizacijo na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru.

Tokrat je bil predmet takšne obravnave hidravlični sistem, ki služi kot učni pripomoček v

omenjenem laboratoriju. Krmilna oprema proizvajalca Moeller je zastarela, sistem pa je

imel tudi nekaj napak. Celoten projekt je zajet v dveh magistrskih delih, ki opisujeta vsak

svoj podsistem, njegovo krmilno opremo, program za vodenje procesa, načrtovanje

regulatorjev in SCADA-uporabniški vmesnik.

Cilj te magistrske naloge je odpraviti napake na sistemu, kot so: nedelujoči varnostni

ventili, stopljeni vodniki v omari in umazanost sistema. Sistem mora omogočati preklop

krmilne opreme s konektorjem na krmilni omari brez razlike v delovanju. Nova krmilna

oprema se namesti na premično stojalo. Program vodenja mora zagotavljati optimalno

delovanje komponent (npr. zaščito pred suhim tekom črpalke). Uporabniški vmesnik mora

biti zasnovan tako, da bo uporabniku prijazen, obenem pa bo omogočal zadostno poseganje

v vodenje in spremljanje procesnih parametrov.

V prvem delu magistrskega dela je opisan sistem v originalnem stanju. Opisane so tehnične

karakteristike posameznih gradnikov, ki so pomembne pri nadaljnjem načrtovanju sistema.

Na kratko je predstavljeno tudi orodje za risanje električnih shem EPLAN, ki je bilo

uporabljeno pri risanju shem prenovljenega sistema. V nadaljevanju je opisan potek

programiranja krmilnika Moeller Easy, kjer je bilo potrebno nadgraditi obstoječi program

tako, da omogoča vodenje krmilnega ventila z glavnim krmilnikom. Programska koda, ki

je bila spremenjena, je podrobno opisana, prav tako je opisano tudi rokovanje z

uporabniškim vmesnikom. Predstavljeno je programsko okolje za programiranje

krmilnikov proizvajalca Siemens. Opisan je postopek kreiranja projekta, vzpostavitve

povezave s krmilnikom, nalaganje nastavitev, programa itd. V nadaljevanju se nahaja opis

programa za vodenje procesa z razlagami posameznih elementov programa. Naslednje

poglavje je namenjeno okolju za izdelovanje SCADA-uporabniškega vmesnika in v njem


2

je razložen postopek kreiranja in izdelave le-tega. Izdelana so tudi navodila za uporabo. V

poglavju Načrtovanje regulatorjev se nahaja splošen opis uporabljene teorije, opis

programskega bloka s PID-regulatorjem »CONT_C«, statična karakteristika procesa in

načrtovanje različnih načinov regulacije nivoja. Na koncu se nahaja še pregled rezultatov,

ki so bili doseženi.


3

2 OPIS LABORATORIJSKEGA HIDRAVLIČNEGA

SISTEMA

Na spodnji sliki se nahaja hidravlični sistem, ki je predmet te naloge. Sestavo lahko

razdelimo v tri sklope:

hidravlični proces,

aktuatorji,

senzorji.

Hidravlični proces sestavljajo komponente, ki služijo za transport in shranjevanje medija.

Na vrhu se nahaja zalogovnik medija (vode), ki se po ceveh pretaka v merilna valja 1 in 2,

črpalki 1 in 2 pa ga črpata nazaj v zalogovnik. Pritok medija v zalogovnik lahko

upravljamo preko krogličnih ventilov spodaj. Če nivo v merilnem valju preseže določeno

vrednost, pritok zaprejo elektromagnetni ventili, ki se nahajajo tik pod zalogovnikom. V

podsistemu 1 (na levi) se nahaja črpalka, dva merilnika tlaka in pnevmatski regulacijski

ventil. Merilnika tlaka sta montirana tako, da je vidna vrednost tlaka pred in za ventilom.

Povratni vod podsistema 2 (na desni) pa je sestavljen iz črpalke, dveh merilnikov tlaka,

regulacijskega ventila in merilnika pretoka. V tem primeru sta merilnika tlaka nameščena

pred in za črpalko. Črpalki obeh podsistemov sta vodeni preko frekvenčnih pretvornikov.

Meritev nivoja izvajata dva merilnika. Nivo 1 meri merilnik na osnovi merjenja sile

vzgona, nivo 2 pa na osnovi zračnega tlaka. Sistem vključuje še ostale komponente, kot so:

glavna krmilna omara, omara za vklop kompresorja zraka, pripravna skupina dovoda

zraka, krmilnika …

Sestavne dele bo potrebno preveriti in po potrebi popraviti oz. servisirati. Novo nameščene

komponente bo potrebno ožičiti, novo instalacijo pa primerno dokumentirati.

Dokumentacija se bo izrisala v programskem orodju EPLAN. Za novo krmilno opremo bo

potrebno napisati program, ki bo vodil sistem, in izdelati uporabniški vmesnik. Potrebno

bo prirediti program in ožičenje krmilnika Moeller Easy tako, da bo mogoče vodenje s

staro ali novo krmilno opremo. Načrtovanje regulatorjev bo potekalo s pomočjo


4

eksperimentalnih metod Zegler-Nichols. Regulacija nivoja bo izvedena na več različnih

načinov, npr. regulacija nivoja s črpalko, ventilom ali kaskadnim regulatorjem.

Slika 2.1: Laboratorijski hidravlični sistem.

2.1 Tehnični podatki posameznih gradnikov sistema

2.1.1 Podsistem 1

Črpalka

Centrifugalna črpalka Elko Elektrokovina VC55 T3 s podatki elektromotorja: P= 1.4 kW,

I=2,5 A, n=2820 , f=50 Hz, U=380 V (Y). Pretok črpalke znaša 05-1,5 l/s, tlak pa 3-

5,5 bar.


5

Slika 2.2: Črpalka podsistema 1.

Frekvenčni pretvornik

Frekvenčni pretvornik Telemecanique Altivar 58 upravlja elektromotor črpalke 1. Njegova

izhodna moč znaša 2,2 kW, deluje na napetostih 380/500 V frekvenc 50 oz. 60 Hz, največji

tok pa znaša 5,8 A. Frekvenčno območje izhoda znaša 0,1-500 Hz. Frekvenčni pretvornik

sledi zunanji referenci, ki je tokovni analogni signal 4-20 mA.

Slika 2.3: Frekvenčni pretvornik podsistema 1.


6

Pnevmatski regulacijski ventil

Ventil Eckardt PM813 je pnevmatsko reguliran preko položajnega regulatorja Eckardt SRI

986. Referenca regulatorja je tokovni signal 4-20 mA. Najvišji krmilni tlak ne sme preseči

6 bar. Ventil je v stanju brez krmilnega tlaka zaprt.

Slika 2.4: Pnevmatski regulacijski ventil.

Merilnik tlaka

Uporabljena sta dva merilnika tlakov PI4 in PI5, tipa Eltra DMT 200 L. Merilno območje

znaša 0-3 bar, ki ga linearno predstavlja analogni tokovni signal 4-20 mA. Enaka merilnika

(PI1 in PI2) sta uporabljena tudi v podsistemu 2, s tem da ima merilnik PI2 merilno

območje 0-6 bar.


7

Slika 2.5: Merilnik tlaka.

Merilnik nivoja

Merilnik Eckardt LI 166 deluje na principu vzgona. Pretvornik na osnovi sile teže telesa,

potopljenega v medij, izmeri nivo medija v merilnem valju. Izhod merilnika je tokovni

signal v območju 4-20 mA, ki predstavlja vrednost nivoja 0-100 %. Vrednost nivoja v

odstotkih je prikazana tudi na prikazovalniku na ohišju merilnika.

Slika 2.6: Merilnik nivoja 1.


8

2.1.2 Podsistem 2

Črpalka

Centrifugalna črpalka Elektrokovina VCV 50/4 T s podatki elektromotorja: P= 1,4 kW,

n=2820 , f=50 Hz, U=220/380 V, I=4,2/2,45 A. Pretok črpalke znaša 0,5-1,5 l/s.

Slika 2.7: Črpalka podsistema 2.

Frekvenčni pretvornik

Frekvenčni pretvornik Omron V1000 krmili črpalko v podsistemu 2. Primeren je za

motorje 2.2 kW/3.0 kW z maksimalnim kontinuirnim tokom 5.5 A. Frekvenčno območje

znaša 0-400 Hz. Referenco za izhodno frekvenco predstavlja analogni signal 4-20 mA, ki

ga pošilja glavni krmilnik. Referenca je skalirana med 0 Hz in 50 Hz.


9

Slika 2.8: Frekvenčni pretvornik podsistema 2.

Regulacijski ventil z elektropogonom

Ventil IMP RV255 je krmiljen z elektromotorjem. Motor se krmili z 230 V (izmenični tok

50 Hz) napajanjem za levo ali desno vrtenje. Več o krmiljenju ventila se nahaja v poglavju

Krmiljenje ventila z Easy/MFD modulom.

Slika 2.9: Regulacijski ventil z elektropogonom.


10

Merilnik nivoja

Merilnik nivoja Eckardt silikon CP160 deluje na osnovi razlike tlakov na dnu posode in

tlaka v prostoru. Razlika tlakov se v P/U/I pretvorniku pretvori v analogni tokovni signal

4-20 mA. Merilnik je umerjen v območje 0-100 odstotkov nivoja tekočine.

Slika 2.10: Merilnik nivoja 2.

Slika 2.11: P/U/I pretvornik.


11

Merilnik pretoka

Merilnik pretoka Foxboro – vortex 83 W ima linearno karakteristiko, izhodni signal pa je

analogni tokovni 4-20 mA. Napajalna napetost merilnika znaša 10,5-50 V enosmerne

napetosti.

Slika 2.12: Merilnik pretoka.

Elektromagnetni ventili in kapacitivni senzorji

Ob prekoračitvi zgornjega nivoja se prožijo elektromagnetni ventili, ki zaprejo pretok vode

v merilna valja in tako preprečijo izlitje vode. Ventili so v stanju brez napetosti zaprti.

Presežen nivo zaznata kapacitivna senzorja, ki sta nameščena na vrhu merilnih valjev.

Senzor tako izklopi releje, ki napajajo aktuator elektromagnetnih ventilov.

Slika 2.13: Varnostni elektromagnetni ventili.


12

Slika 2.14: Kapacitivni senzor.

2.1.3 Omara in krmilna oprema

Čelna plošča omare, prikazana na sliki 2.15, omogoča vklop/izklop in osnovno upravljanje

sistema. Vklop sistema se vrši s stikalom »Glavno stikalo«, sistem (krmilje) pa zaženemo s

pritiskom na gumb »Vklop krmilja«. Ročno je potrebno vklopiti tudi obe črpalki. Preko

uporabniškega vmesnika Moeller upravljamo z regulacijskim ventilom 2, črpalko pa je

mogoče voditi ročno s pripadajočim potenciometrom. Priključne sponke na spodnjem delu

vrat omogočajo merjenje tokovnih zank.

Slika 2.15: Čelna plošča krmilne omare.

Notranjost omare (slika 2.16) je sestavljena iz napajalnega dela v zgornjem in krmilnega

dela v spodnjem delu omare. Napajalni del vsebuje zaščito, transformator 220 V/2x12 V in

24 VDC-napajalnik. Krmilni del vsebuje releja (SCHRACK PT 570024) za krmiljenje


13

ventila in releja za varnostne elektromagnetne ventile (označena s K4 in K5), ki jih prožita

kapacitivna senzorja. Za vklop frekvenčnih pretvornikov skrbita kontaktorja SCHRACK

LA 30101. Celotno krmilje vklaplja kontaktor SCHRACK LA30221. Signali so preko

letve v spodnjem delu priklopljeni na konektor, ki se priklopi na želeni krmilnik. Vsi načrti

povezav opisanih komponent se nahajajo v prilogi.

Slika 2.16: Notranjost krmilne omare.

Sistem krmilita dva krmilnika SIEMENS SIMATIC S7-1500. Poleg centralne enote imata

vsak 4 vhodno/izhodne enote. To so digitalni vhodi, digitalni izhodi, analogni vhodi in

analogni izhodi. Vsaka enota ima tudi svoj napajalnik. Komunikacija poteka preko

PROFINET protokola. Krmilnika se nahajata na leseni plošči, ki se lahko pritrdi na steno

ali vloži v stojalo. Načrti povezav krmilnih signalov se nahajajo v prilogi.


14

Slika 2.17: Krmilnika SIEMENS SIMATIC S7-1500.


15

3 IZDELAVA NAČRTOV KRMILNE OMARE S

PROGRAMSKIM ORODJEM EPLAN

V začetku rekonstrukcije sistema je bilo potrebno popraviti in prirediti ožičenje krmilne

omare. Med delom smo posodobili tudi načrte ožičenja in te smo kasneje koristili pri

programiranju krmilnikov in preučevanju delovanja sistema. Načrti so bili izdelani s

programom EPLAN, ki je opisan v nadaljevanju.

EPLAN je programsko orodje za načrtovanje in izdelavo dokumentacije projektov v

elektrotehniki. V našem primeru smo EPLAN uporabili za risanje načrta ožičenja krmilne

omare. Programski paket ponuja široko paleto orodij, ki so primerna za različne vrste

industrije. Tako so na voljo različice:

EPLAN Engineering configuration,

EPLAN Electric P8,

EPLAN Fluid,

EPLAN Engineering configuration one,

EPLAN Harness proD,

EPLAN Pro panel,

EPLAN Preplanning,

EPLAN PPE,

EPLAN Data portal,

EPLAN View,

EPLAN ERP/PDM Integration suite.

V našem primeru smo uporabljali zgolj EPLAN electric P8. To je programsko orodje, ki

omogoča planiranje, dokumentacijo in upravljanje s projekti v avtomatizaciji. Podrobna

poročila se lahko kreirajo avtomatično na podlagi načrtovanih diagramov ožičenja. Orodje

je poleg faze načrtovanja koristno tudi v kasnejših fazah projekta, kot so proizvodnja,

sestava, zagon in servisiranje. Izdelali smo načrte ožičenja krmilne omare ter povezav

omare s krmilniki in sistemom (senzorji in aktuatorji). Ker je bil EPLAN Electric P8

uporabljen zgolj kot orodje za izdelavo dokumentacije posodobljenega ožičenja, kar ni


16

osrednja tema tega magistrskega dela, ga podrobneje ne bomo predstavljali. Načrti

ožičenja se nahajajo v prilogi A na koncu tega magistrskega dela.

Po končani predelavi krmilne omare je bilo potrebno prirediti program krmilnika Moeller

Easy, ki omogoča upravljanje ventila 2. Postopek programiranja in opis programa je opisan

v naslednjem poglavju.


17

4 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA MOELLER EASY S

PROGRAMSKIM ORODJEM EASYSOFT-PRO 6

Programsko orodje omogoča programiranje krmilnika Easy (z razširitvami). V našem

primeru je šlo le za predelavo obstoječega programa brez popravkov vizualizacije.

Zadostovala je demo verzija programa, ki ni plačljiva.

Slika 4.1: Osnovno okno programskega orodja easySoft-Pro 6.

Ob zagonu programskega orodja easySoft-Pro 6 se odpre osnovno okno, kjer lahko v

preklopni vrstici spodaj levo preklapljamo med različnimi stranmi:

Project,

Circuit diagram,

Simulation,

Communication,


18

Visualization.

Najprej je potrebno konfigurirati strojno opremo, ki jo bomo uporabljali. V osnovi je

odprta stran »Project«. Na levi strani imamo nabor opreme, kjer izberemo naše

komponente tako, da jih s klikom povlečemo v prazno okno na desni. Lastnosti in

informacije o izbrani strojni opremi so na voljo v oknu spodaj desno. V našem primeru je

krmilnik konfiguriran kot samostojna enota (»stand-alone«), omogočena pa je tudi

vizualizacija. Omogočena je tudi funkcija »debounce« in »P buttons«. Prva zakasni

evalvacijo vhodnih signalov zaradi morebitnih preskakovanj signalov pri stikalih in

gumbih, druga pa omogoči »P« tipke na uporabniškem vmesniku. Možna je tudi nastavitev

gesel ob različnih posegih v program, ki pa v tem primeru ni uporabljena. Na strani

»Visualization« se programirajo prikazi in funkcije tipk na uporabniškem vmesniku. Tu

lahko izbiramo med različnimi elementi za prikazovanje (okno na levi), kot so: grafični,

gumbi, tekstovni, elementi za prikaz vrednosti, elementi za vnašanje vrednosti. Vsak od

naštetih se konfigurira v oknu spodaj desno, kjer se določi npr. naslov, kjer se nahaja

vrednost, ki bo prikazana na zaslonu, omejitev le-te itd. Stran »Circuit Diagram« je

namenjena pisanju programa krmilnika. Na levi strani se nahaja nabor elementov

programa, kot so: osnovni elementi (vhodi, izhodi, markerji, tipke …), časovne funkcije,

numerične funkcije, aritmetične in analogne funkcije, odprto- in zaprtozančne funkcije …

Pisanje programa poteka tako, da izbrane funkcije s klikom povlečemo v okno na desni in

jih med seboj povežemo z orodjem za povezovanje (simbol svinčnika), ki se nahaja v

orodni vrstici zgoraj. Funkcijo moramo po povezavi konfigurirati kot kaže primer na

spodnji sliki. Gre za množilnik vrednosti na naslovu MD-10 s številom 1218, ki sta izbrana

kot vhoda (»Function block inputs«), izhod (»Function block outputs«) pa se zapiše v

naslov MD-11. Za način delovanja funkcije (»Mode«) izberemo množilnik (»MUL-

multiplier«).


19

Slika 4.2: Nastavitev funkcije.

Program lahko testiramo na strani »Simulation«, kjer lahko upravljamo s stanji vhodov,

spremljamo stanja izhodov, upravljamo z uporabniškim vmesnikom, nastavimo cikel

simulacije in po potrebi postavimo prekinitveno točko na določeno mesto v programu. Na

voljo imamo tudi osciloskop za opazovanje signalov. Nalaganje programa na krmilnik se

vrši preko okna »Communication«, kjer nastavimo hitrost prenosa in COM-vrata, na katera

je priklopljen naš krmilnik. Pritisnemo še gumb »online« in nato »PC=>device«. Od tod

lahko program na krmilniku poženemo oz. zaustavimo (»Run«, »Stop«), spremljamo

parametre …

4.1 Krmiljenje ventila z Easy/MFD-modulom

Z modulom Easy/MFD krmilimo servopogon ventila preko dveh relejev. Regulacijo

izvajamo z dvopoložajnim regulatorjem s histerezo. Povratno informacijo o odprtosti

ventila dobimo s pomočjo potenciometra v obliki napetostnega signala 0-10 V.

Obstoječi sistem je bil povezan s krmilnikom XC201 preko CAN-vodila. Modul

Easy/MFD je bil konfiguriran kot slave enota, XC201 pa kot master. Krmilnik XC201 je

torej krmilil ventil posredno preko Easy/MFD-modula.

V prenovljenem sistemu bo Siemens S7-1500 posredno preko Easy/MFD-modula krmilil

servopogon ventila. Informacijo o želeni vrednosti odprtosti ventila glavni krmilnik poda

v obliki analognega signala 0-10 V na vhod IA2 na Easy/MFD-modulu. Signal predstavlja

odprtost ventila 0-100 %.


20

Kljub prenovi sistema mora prvotno krmilje ob zamenjavi vhodno-izhodnega konektorja

na omari še vedno delovati. Za vklop regulacije s Siemensovim krmilnikom se postavi

»Siemens enable bit«, ki je povezan iz digitalnega izhoda DQ0.3 na Siemensovem

krmilniku na digitalni vhod I01 na Easy/MFD-modulu. Ob vzpostavitvi omenjenega bita se

v regulacijski logiki namesto želene vrednosti, ki jo poda krmilnik XC201, v MD15

prepiše skalirana vrednost iz analognega vhoda IA2.

4.2 Predelava in opis programa na krmilniku

Prvotni program za vodenje servopogona ventila je bilo potrebno spremeniti in tako

omogočiti vodenje ventila s Siemensovim krmilnikom. Program sestoji iz štirih glavnih

delov:

Ročno vodenje,

Avtomatsko vodenje,

Prepis ročno nastavljenih parametrov,

Regulacija.

4.2.1 Ročno vodenje

Program omogoča vodenje preko uporabniškega vmesnika na čelni plošči krmilne omare.

Ob pogoju, da je vklopljeno ročno vodenje, se ob pritisku na gumb »gor« (P02) sproži

zapiranje ventila, ki se lahko zaustavi s ponovnim pritiskom na gumb P02. Ob pritisku na

gumb »dol« (P04) se ventil prične odpirati, s ponovnim pritiskom na P04 pa se odpiranje

zaustavi. Ta del programa je ostal nespremenjen ob zamenjavi glavnega krmilnika.

4.2.2 Avtomatsko vodenje

Preklop med avtomatskim in ročnim režimom je možen s pritiskom na gumb »levo« (P01),

stanje režima pa se zapiše v M01. Tudi ta del je ostal nespremenjen ob zamenjavi glavnega

krmilnika.


21

4.2.1 Prepis ročno nastavljenih parametrov

Če je program v avtomatskem režimu, se izvede prepis vrednosti že prej nastavljenih

parametrov v MD13 (histereza), MD14 (mrtva cona) in MD 15 (želena vrednost). V

slednjega se prepiše vrednost iz analognega vhoda AI2, v kolikor je »Siemens enable bit«

postavljen na 1, oziroma vrednost, ki jo pošlje krmilnik XC201 preko CAN-komunikacije,

v kolikor je omenjen bit enak 0.

4.2.2 Regulacija

Tu se glede na primerjavo želene vrednosti in procesne vrednosti zapira oz. odpira ventil.

Bloka A01Q1 in A02Q1 sta primerjalnika dveh vrednosti, obenem pa je mogoče nastaviti

»OS« (mrtva cona) in »HY« (histereza). To nam torej predstavlja tripoložajni regulator s

histerezo.

To so le glavni elementi programa, ki so pomembni za krmiljenje ventila z novo opremo in

jih je potrebno razumeti. Program vsebuje še nastavitve CAN-komunikacije in strani z

vizualizacijo, ki pa niso predmet tega projekta in so ostale nespremenjene.

4.3 Rokovanje z uporabniškim vmesnikom Easy/MFD

Stanje lahko spremljamo in upravljamo na treh straneh na prikazovalniku.

Slika 4.3: Strani prikazovalnika.


22

Slika 4.4: Funkcijske tipke uporabniškega vmesnika.

Prva stran nam prikazuje podatke o odprtosti ventila v odstotkih in režimu delovanja

(»ROCNO« – »AVTO«). Prikazuje tudi trenutno stanje izhoda krmiljenja ventila.

Informacijo o aktivnosti dobi uporabnik preko obarvanega kvadrata poleg podatka, ki ga

zanima.

V ročnem režimu lahko uporabnik krmili ventil s tipkama P02 (zapiranje) oz. P04

(odpiranje). Prvi pritisk na gumb sproži akcijo, ponovni pritisk pa jo zaustavi. Preklop med

ročnim in avtomatskim režimom se vrši s tipko P01.

S tipko »*« lahko preklopimo med osnovnim menijem in stranmi z vizualizacijo. S

tipkama P01 in P03 lahko preklapljamo med tremi stranmi vizualizacije. V avtomatskem

režimu lahko na drugi strani (»screen 2«) uporabnik nastavlja želene vrednosti odprtosti

ventila, histereze in mrtve cone v odstotkih. Posamezne vrednosti lahko spreminjamo tako,

da pritisnemo tipko »OK«, nato pa se z navigacijskima tipkama P01 oz. P04 postavimo na

vrednost, ki jo želimo spreminjati. Nato ponovno pritisnemo »OK« za nastavljanje

vrednosti. Vrednost nastavimo tako, da izberemo cifro vrednosti (P01, P03), nato pa s

tipkama P02 in P04 nastavimo vrednost. Po zaključku urejanja pritisnemo »OK«, da

shranimo nastavljeno vrednost. Nastavitev parametrov prekinemo s tipko »ESC«.

S predelavo programa krmilnika Moeller Easy smo zaključili pripravo hidravličnega

procesa za krmiljenje s krmilnikom SIEMENS S7-1500. Programiranje le-tega in izdelava

SCADA-uporabniškega vmesnika je opisana v naslednjih poglavjih.


23

5 PROGRAMIRANJE KRMILNIKA SIEMENS SIMATIC

S7-1500 S PROGRAMSKIM ORODJEM TIA PORTAL

V13

Program TIA PORTAL V13 omogoča programiranje krmilnikov Simatic in HMI-naprav.

Uporaba programa ima številne prednosti, npr. enostavno upravljanje s programi,

nastavitvami, vizualizacijo, procesnimi podatki… Programa STEP 7 in WinCC Basic sta

tako združena v enem projektu. To pomeni, da se v primeru sprememb podatki samodejno

posodabljajo v celotnem projektu. Programsko orodje vsebuje tudi knjižnico, kjer ima

uporabnik na voljo širok nabor funkcij. Programiranje se običajno izvede po korakih:

kreiranje projekta,

nastavitev strojne opreme,

povezava naprav v mrežo,

programiranje krmilnika,

izdelava vizualizacije,

nalaganje nastavitev in programa na krmilnik,

diagnostika in odpravljanje napak.

5.1 Kreiranje projekta, nastavitev strojne opreme, povezava naprav v mrežo

Ob odprtju programskega orodja se pojavi okno, v katerem lahko preklopimo med

pregledom projekta ali portalnim pogledom. Pri slednjem lahko odpiramo že obstoječe

projekte ali pa kreiramo nov projekt. Nov projekt kreiramo tako, da v zavihku »Create new

project« vnesemo ime projekta, pot do mesta, kjer se nahaja, ime avtorja ter komentar in

pritisnemo »Create«. Nato izberemo »configure a device« in »add new device«, kjer v

zavihku »Controllers« izberemo krmilnik, ki ga želimo programirati. Odpre se nam

projektni pogled, kjer dodamo še periferijo krmilnika. Slednjo izberemo na desni strani pod

zavihkom »Hardware catalog«. Izbrano komponento dodamo v projekt s potegom na letev

krmilnika. V našem primeru je potrebno dodati še napajalno enoto, digitalne vhode in


24

izhode in analogne vhode in izhode. V nastavitvah CPU-enote je potrebno nastaviti IP-

naslov krmilnika v pravilni PROFINET interface povezavi (X1 ali X2).

Slika 5.1: Nastavitev komunikacije PROFINET.

Periferija prav tako omogoča obširen nabor nastavitev v zavihku »General«, kot so: načini

diagnostike, vhodna zakasnitev, prekinitve strojne opreme … Pri analognih enotah se

določi še način merjenja (odvisno od senzorja) in področje merilnega signala, frekvenca in

dušenje motenj ... V zavihku »IO Tags« se nahaja pregled priklopljenih vhodov/izhodov z

informacijo o pripadajoči spremenljivki. Po opravljenih nastavitvah kliknemo ikono

»compile« v zgornji orodni vrstici.

Če želimo izdelati SCADA-vmesnik, moramo v projekt dodati še »PC system«, ki ga

dodamo s klikom na »Add new device«, »PC systems« in v zavihku »SIMATIC HMI

application izberemo »WinCC RT Advanced« in potrdimo z »OK«. Napravi dodamo še

komunikacijski modul »IE General«, ki se nahaja v katalogu na desni v zavihku

»Communication modules«, »PROFINET/ Ethernet«. Preklopimo na zavihek

»Connections« in povežemo PLC- in PC-system tako, da s klikom povlečemo povezavo od

PLC-naprave do PC-system naprave. Ustvari se HMI-povezava, ki ji je potrebno nastaviti


25

IP-naslov (tega nam dodeli upravitelj mreže in je dejansko IP-naslov računalnika, na

katerem imamo SCADA-uporabniški vmesnik), kot je prikazano na sliki 5.2.

Slika 5.2: Nastavitev HMI-povezave.

Status povezave lahko vidimo v zavihku »connections«, ki se nahaja na levi strani pod

»PC-System_1«, »HMI_RT_1[WinCC RT Advanced]« (slika 5.3).


26

Slika 5.3: Status HMI-povezave.

Vse nastavitve strojne opreme je potrebno prenesti na krmilnik, kar storimo tako, da z

desnim gumbom miške kliknemo na »PLC_1«, »Download to device«, »Hardware

configuration« in nastavimo povezavo s krmilnikom (običajno izberemo PN/IE, mrežno

kartico računalnika, in vrata X1). Program poišče vse kompatibilne naprave v mreži, med

katerimi izberemo želeni krmilnik. Enako storimo za prenos programskih nastavitev za

»PC-system«.

5.2 Programiranje krmilnika

V levem stolpcu programskega okna izberemo »main« v zavihku »Program blocks«. To je

osnovni blok programa, ki se izvaja ciklično. V desnem stolpcu se nahajajo bloki različnih

ukazov, kot so:

osnovni ukazi: logične bitne operacije, časovne operacije, števci, komparatorji,

matematične funkcije, funkcije za premike vrednosti, pretvorbe, funkcije za

vodenje programa …,

razširjeni ukazi: datum in čas, string + char, prekinitve, alarmiranje, diagnostika …,

tehnologija: števci in merjenje, PID-regulatorji, nadzor gibanja ...,

komunikacija: S7-komunikacija, WEB-server …


27

Z vlečenjem posameznih blokov v sredinsko okno strukturiramo program. Način uporabe

lahko preberemo v »information system«, do katerega dostopamo s tipko F1.

Spremenljivke lahko blokom dodelimo v »general« zavihku ali pa neposredno nad blokom,

kjer se nahaja tudi gumb za iskanje spremenljivk po datotekah v programu. S klikom na

»add new block« ustvarimo različne programske bloke:

organizacijski blok – OB,

funkcijski blok – FB,

funkcija – FC,

data blok – DB.

V OB1 (»main«) pišemo že omenjeni glavni program. Organizacijski bloki ponujajo vrsto

možnosti izvajanja. Tako se npr. »program cycle« izvaja ciklično (»main«), »startup« se

izvede samo ob zagonu, »time delay interrupt« je prekinitev, prožena po določenem

zakasnitvenem času, »cyclic interrupt« je ciklična prekinitev, »hardware interrupt« je

prekinitev, ki jo proži dogodek na strojni opremi …

Program lahko strukturiramo tako, da za posamezne dele programa napišemo funkcijo ali

uporabimo funkcijski blok, ki ga po potrebi aktiviramo v glavnem programu. Razlika med

njima je ta, da slednji shranjuje vrednosti in so dostopne tudi, ko je blok opravil nalogo,

funkcija pa je blok, ki nima trajnega pomnilnika. Programske podatke shranjujemo v data

bloke. V tabelah »tag table« shranjujemo spremenljivke, ki jih uporabljamo v programu.

Določimo jim ime, tip podatka, ki ga lahko vsebuje, naslov, vidnost in dostopnost v HMI

(uporabniškem vmesniku) in komentar.

5.2.1 Opis programa

V glavnem delu programa (»main«) se nahaja inicializacija, potrebna za »web scado«,

inicializacija podsistema 2, klici funkcij, varnostni pogoj, digitalno-analogna pretvorba,

logika za preklop načinov regulacije, bloka »Put« in »Get« za izmenjavo vrednosti

določenih spremenljivk med dvema krmilnikoma, prepis določenih vrednosti v odvisnosti

od stanja regulacije v krmilniku in izračun nivoja v zalogovniku za potrebe SCADA-

vmesnika. Na spodnji sliki je prikazana začetna sekvenca bitov »always_on« in


28

»always_off«, ki služita kot vklop oz. izklop posameznih delov kode, pri preizkušanju ali

odpravi napak med programiranjem.

Slika 5.4: Bita »always_on« in »always_off«.

Naslednji dve sekvenci sta predmet drugega projekta, ki vsebuje upravljanje procesa preko

»web scade«. Blok »WWW« inicializira spletni strežnik krmilnika ali sinhronizira spletno

stran uporabnika s programom krmilnika. Za potrebe spremljanja in shranjevanja podatkov

na spletnem vmesniku se uporablja blok »DataLog«.

V naslednji sekvenci se postavi bit »ventil_enable_bit«, ki pomeni omogočitev regulacije

nivoja 2 preko krmilnika »Moeller Easy« (opisan v poglavju 4), njegova vrednost pa je

vedno 1.

Za zajem procesnih vrednosti se uporablja funkcija »senzorji«, ki jo kličemo iz glavnega

programa. Funkcija skrbi za analogno-digitalno pretvorbo štirih analognih vhodov.

Merjene procesne vrednosti so:

vrednost nivoja 2,

tlak PI1,

tlak PI2,

pretok črpalke 2.

Za pretvorbo se uporablja blok »SCALE«, prikazan na spodnji sliki. Blok pretvori

prebrano vrednost analognega vhoda v območje med »LO_LIM« in »HI_LIM«. Vhodna

vrednost bloka je na vhodu »IN«, izhodna pa na »OUT«. Običajno vrednosti pretvorimo v

območje 0-100 %. V primeru merilnika tlaka pa je to območje 0-3 bar za PI1 in 0-6 bar za

PI2.


29

Slika 5.5: »Scale« funkcija.

V glavnem programu se nahaja tudi varnostni pogoj, ki zagotavlja, da črpalka nikoli ne

deluje brez vode. Uporabljen je primerjalnik »CMP <«, ki primerja vrednost nivoja z

realnim številom. V primeru, da nivo pade na manj kot 10 %, se črpalka izklopi (v

spremenljivko »Vrtljaji_CV« se zapiše 0).

Za digitalno-analogno pretvorbo služi blok »UNSCALE«, ki realno število na vhodu »IN«

pretvori v celoštevilčno vrednost na izhod »OUT« v mejah med »LO_LIM« in »HI_LIM«.

Ker lahko proces v osnovi vodimo s tremi regulatorji, je potrebna logika za preklop, ki

onemogoči delovanje več regulatorjev hkrati. V programu je to izvedeno tako, da ima vsak

regulator svoj bit, ki ponazarja stanje, in pa zastavico, kjer je shranjena prejšnja vrednost.

Če torej vklopimo določen regulator, se bo ta vklopil le, če je bil prej izklopljen. Stanje

regulatorja in njegova zastavica se postavita na 1, zastavici in bita ostalih dveh regulatorjev

pa na 0.

Krmilnik lahko regulira tudi nivo v posodi 1, katere nivo meri drug krmilnik. Vrednosti

nivojev si napravi pošiljata preko blokov »PUT« in »GET«. V primeru takšnega vodenja

mora krmilnik, ki upravlja s sistemom, onemogočiti krmilnik, ki sicer regulira vrednost

nivoja 1. Krmilnika si tako pošiljata vrednosti nivoja, ki ga merita, in bit za izklop/vklop

regulacije. V primeru tega programa je v bloku za pošiljanje »PUT« bit za izklop

regulacije 1 »Disable_reg1«. Blok »GET« pa bere vrednost nivoja 1, kadar izklopimo

regulacijo 1. Prebrana vrednost je »NIVO1«. Bloka se izvajata na 100 ms. Regulacijo

lahko ponovno vklopi le krmilnik, ki jo je izklopil. Vse spremenljivke v zvezi z blokoma

se nahajajo v podatkovnem bloku »DB_PLC1_DATA[DB4]«. Primer konfiguracije blokov

je prikazan na spodnjih slikah.


30

Slika 5.6: »Put« funkcija.

Slika 5.7: »Get« funkcija.

Naslednja sekvenca v glavnem programu vsebuje prepis vrednosti izbranega nivoja v

spremenljivko, ki predstavlja procesno vrednost regulatorja. Glede na nivo, ki ga

reguliramo, se prepišejo tudi parametri regulatorja s črpalko P, I in D, ki ustrezajo

reguliranemu nivoju.

Sledi izračun nivoja vode v zalogovniku. To je izvedeno tako, da vsoto obeh nivojev

odštejemo od 400. Tako lahko dobimo nivo med 200 in 400 enot. Nivo začnemo meriti pri

200 enotah, ker je v osnovi napolnjen s štirikratno vrednostjo merilnega valja.

Na koncu programa je še ukaz »MOVE«, ki izklopi črpalko 2, v kolikor je podsistem 2

voden s krmilnikom 1.


31

Za regulacijo procesa skrbijo ciklične prekinitve z različnimi časi izvajanja cikla. Ta se

določi glede na lastnosti regulacijske proge. Uporabljeni so štirje bloki:

1. Blok OB30 je uporabljen za regulacijo nivoja s črpalko in se izvaja na 100 ms. Za

regulator je uporabljen »CONT_C« blok, ki se izvede, če je »Disable_reg2« enak 1

in če je »bit_Hz« enak 1. Pod enakimi pogoji lahko s spremenljivko

»odp_vent_PID_Hz« nastavimo želeno vrednost odprtosti ventila.

2. Blok OB31 vsebuje regulator nivoja z regulacijskim ventilom in se izvaja na 1 s. Za

izvedbo bloka morata biti bita »Disable_reg2« in »bit_vent« enaka 1.

3. Blok OB32 vsebuje regulator, ki dela v kaskadi regulacije nivoja 2 s črpalko kot

notranji regulator in se izvaja na 100 ms. Za izvedbo bloka morata biti bita

»Disable_reg2« in »bit_kask« enaka 1.

4. Blok OB123 vsebuje regulator, ki dela v kaskadi regulacije nivoja 2 s črpalko kot

zunanji regulator in se izvaja na 500 ms. Za izvedbo bloka morata biti bita

»Disable_reg2« in »bit_kask« enaka 1. Pod enakimi pogoji lahko s spremenljivko

»odp_vent_PID_Hz« nastavimo želeno vrednost odprtosti ventila.

Blok »CONT_C« je podrobneje opisan v poglavju Načrtovanje regulatorjev.

Ko smo končali s programiranjem krmilnika, smo prešli na fazo izdelave uporabniškega

vmesnika za vodenje procesa. Postopek in opis uporabniškega vmesnika se nahajata v

nadaljevanju.


32

6 IZDELAVA SCADA-UPORABNIŠKEGA VMESNIKA S

PROGRAMSKIM ORODJEM TIA PORTAL V13

Uporabniški vmesnik se nahaja v sklopu »PC-system_1 [SIMATIC PC station]«,

»HMI_RT_1 [WinCC RT Advanced] na levi strani pogovornega okna. Tu lahko dodajamo

nove strani prikaza, urejamo spremenljivke, alarme, recepte, shranjujemo podatke … Na

desni strani okna se nahaja knjižnica z orodji (»Toolbox«) za sestavo uporabniškega

vmesnika. Izbiramo lahko med osnovnimi objekti, kot so različni liki, ali pa sliko, ki jo

lahko uvozimo iz zunanje mape. V drugi skupini so interaktivni elementi, s katerimi

uporabnik lahko upravlja proces. To so gumbi, prikazovalniki (lahko so tako vhodna kot

izhodna enota), grafični analogni prikazovalniki, drsniki za nastavljanje vrednosti,

knjižnica s simboli, števci, ura, datum ... V tretji skupini se nahajajo elementi za nadzor

procesa, kot so pregled alarmov, pregled trenda določenih vrednosti, upravljanje z

uporabniki, internetni brskalnik, pregled statusa spremenljivk, smart client, pregled

receptov, x-y graf in sistemska diagnostika. Poleg zavihka »Toolbox« se nahaja tudi

zavihek »Animations«, kjer lahko elementom dodelimo gibanje oz. jim določimo

vidljivost, omogočimo upravljanje ali pa določimo izgled ob določenih spremembah

spremenljivk, ki nanj vplivajo (barva, utripanje). Slika 6.1 prikazuje pogovorno okno z

zgoraj opisanimi elementi.


33

Slika 6.1: Pogovorno okno za izdelavo SCADA-uporabniškega vmesnika.

Element dodamo v projekt tako, da ga povlečemo z levim gumbom miške. Slika prikazuje

primer nastavitev za gumb. Na spodnji strani pogovornega okna se pojavi okno, v katerem

elementu dodelimo lastnosti. Pod zavihkom »Properties« lahko elementu spreminjamo

grafično podobo, dodelimo tekst, velikost in pozicijo, utripanje, varnostne zaščite …

»Animations« je zavihek, ki omogoča nastavljanje premikov elementa ali pa izgled ob

spremembi spremenljivke, ki jo elementu dodelimo kot »tag connection«. Zavihek

»Events« je namenjen določitvi funkcije elementa, kjer določimo spremenljivko (stran

prikaza HMI, podatki o zgodovini …), na katero bo vplival, in ob kakšnem dogodku se bo

to zgodilo. Nastavitve (slika 6.2) so si med elementi podobne in se razlikujejo le v

funkcijah, ki jih opravljajo. Tako je potrebno npr. pri I/O polju že v splošnih nastavitvah

nastaviti spremenljivko, s katero bomo upravljali izbrati način polja (vhod, izhod, oboje),

in nastaviti format prikaza/vnosa števil.


34

Slika 6.2: Nastavitev lastnosti gumba.

Na levi strani se nahaja zavihek »Screen management«, kjer lahko v mapi »templates«

izdelamo šablone, ki služijo pri kreiranju novih prikaznih strani uporabniškega vmesnika.

V šabloni so elementi, ki se ponavljajo na več straneh in jih tako ni potrebno konfigurirati

za vsako stran posebej. Šablone so uporabne tudi za izdelavo pojavnih oken v prikazni

strani, kjer je prikazna stran šablona, pojavno okno pa se v novi strani prikaže nad njo. V

mapi »HMI Tags« imamo pregled nad spremenljivkami, tam jim lahko spremenimo ime in

dodelimo spremenljivko na krmilniku. Zgodovino podatkov lahko shranjujemo v datoteko

s končnico .csv. Konfiguracijo opravimo v zavihku »Historical data« na levi strani. V polje

»data logs« vpišemo ime mape, ki se kreira, njen tip, število zapisov, mesto, kjer se mapa

kreira, metodo zapisovanja … Pod »Logging tags« vnesemo spremenljivke iz mape »HMI

tags«, ki jih želimo shranjevati. Nastavimo jim tudi način zajemanja in njegov cikel. Vsaka

spremenljivka se lahko shranjuje samo v eni datoteki.

6.1 Opis uporabniškega vmesnika

Ob zagonu uporabniškega vmesnika se najprej odpre pozdravno okno, v katerem je na

voljo hiter pregled procesnih vrednosti (slika 6.3). Elementi so na shemi razvrščeni enako

kot na realnem hidravličnem sistemu. Tako je na levi strani proces z regulacijo nivoja 1, na

desni strani pa so elementi regulacijske proge nivoja 2. Pod vsakim merilnim pretvornikom

oz. aktuatorjem se nahaja polje, kjer je prikazana procesna vrednost elementa. Vrednost

nivoja je prikazana analogno, na skali 0-100 % z modro barvo. Prav tako je izveden tudi

prikazovalnik nivoja vode v zalogovniku, le da ta nima prikazane skale, pač pa ima le

vizualno funkcijo. Prikazovalnik kaže nivo 0-550 enot. Dejansko se bo nivo spreminjal le

od 200 do 400 enot, saj je največja možna vrednost nivoja 400, najmanjša pa 200 enot

(napolnili smo ga z volumnom štirih merilnih valjev). Shema vsebuje tudi 4 indikatorje


35

tlaka, ki prikazujejo vrednost v bar. Na strani vsakega nivoja se nahajajo gumbi za izbiro in

nastavitev regulatorja. Tako lahko regulator vklopimo s klikom na ime aktuatorja, s

katerim želimo upravljati proces. Ob vklopu regulatorja se gumba za izbiro in nastavitev

regulatorja obarvata zeleno. Stran za nastavitev regulatorja odpremo tako, da kliknemo na

gumb »Nast.« poleg gumba za izbiro regulatorja. Do strani za nastavitev regulatorja lahko

dostopamo tudi s klikom na ikono aktuatorja v shemi.

Slika 6.3: Osnovno okno SCADA-uporabniškega vmesnika.

V osnovnem oknu je na voljo 5 načinov regulacije:

Nivo 1

Črpalka

Ventil

Nivo 2

Črpalka

Ventil

Kaskadni


36

Stran za nastavitev regulatorja s črpalko 2 je prikazana spodaj, na sliki 6.4. Zgoraj levo se

nahaja gumb za prehod na osnovno stran sistema. V sredinskem delu so okna za prikaz in

vnos parametrov regulatorja. Tako lahko vidimo stanje regulatorja in vrednosti parametrov

PV, SV in CV na levi strani. Okno SV (želena vrednost procesa) je vhodno/izhodni

element, medtem ko sta PV in CV samo izhodna elementa. V naslednjem kvadratu se

nahajajo parametri regulatorja. Ti se vklapljajo s klikom na gumb z želenim parametrom,

vklopljen parameter pa je obarvan zeleno. Parametra Ti in Td se vnašata v ms. V polju

»Snemanje podatkov« se nahajata gumba za pričetek in zaustavitev zapisovanja podatkov

v datoteko s končnico ».csv«. Aktiviran gumb je obarvan zeleno. Izberemo lahko tudi nivo,

ki ga želimo regulirati. Pri tem se je potrebno zavedati, da ob izbiri nasprotnega nivoja

izklopimo regulacijo na krmilniku, kjer je regulator v osnovi. Primer: Regulacija nivoja 1 s

črpalko 2 bo izklopila vse regulatorje in aktuatorje na krmilniku 1. Pri nastavitvah

regulatorja črpalke 1 lahko izberemo tudi možnost »Nivo 2 – kaskada«. Odpre se nova

stran z nastavitvami, ki bo opisana v nadaljevanju. V polju desno zgoraj lahko preklopimo

režim delovanja med ročnim in avtomatskim. V kolikor je vklopljen ročni režim, se pojavi

polje za vnos konstantne krmilne vrednosti regulatorja. Desno spodaj je še polje, ki

omogoča nastavitev omejitve krmilne vrednosti regulatorja med 0 % in 99 %. Nastavimo

lahko tudi odprtost pripadajočega ventila v %. Spodnji del nastavitvenega okna služi za

prikaz vrednosti procesne (modra), želene (zelena) in krmilne vrednosti (rdeča). Na

horizontalni osi je prikazan čas v sekundah, na vertikalni pa vrednost 0-100 %.


37

Slika 6.4: Okno za nastavitev regulatorja.

V primeru regulacije nivoja z ventilom lahko namesto izbire nivoja za regulacijo (regulira

se samo nivo podsistema, kamor spada ventil) nastavimo konstantno vrednost obratov

pripadajoče črpalke 0-100 %. Ostale lastnosti tega okna se ne razlikujejo od nastavitvenega

okna za regulacijo nivoja s črpalko.

V primeru kaskadnih regulatorjev (slika 6.5) se nastavitveno okno razlikuje od prej

opisanih. Do okna »Kaskadna regulacija nivoja 2 s črpalko 2« lahko dostopamo iz

osnovnega menija s klikom na gumb »Nast.« poleg gumba za izbiro regulatorja. Okno je

sestavljeno iz dveh sklopov, levega in desnega. Levi sklop služi za nastavitev zunanjega,

desni pa za nastavitev notranjega regulatorja. Vsak sklop vsebuje elemente zgoraj opisanih

nastavitvenih oken. Okno »Kaskadna regulacija nivoja 2 s črpalko 1« odpremo s klikom na

gumb »Nivo 2 – kaskada« v nastavitvenem oknu »Regulacija črpalke 1«. Nastavitvene

lastnosti se ne razlikujejo od prej opisanega kaskadnega regulatorja. Razlika je le, da ima


38

to okno dodaten gumb za vklop/izklop regulatorja, saj ga preklopimo že pri odpiranju

samega okna. Nastavitveno okno vsebuje še gumb, ki omogoča pomik na prejšnjo stran

(simbol puščice v levo).

Slika 6.5: Okno za nastavitev kaskadnega regulatorja.

Izdelan uporabniški vmesnik nam omogoča upravljanje sistema in s tem načrtovanje

regulatorjev. Teoretične osnove, postopek odčitavanja parametrov in rezultati se nahajajo v

naslednjem poglavju.


39

7 NAČRTOVANJE REGULATORJEV

7.1 PID-regulatorji

Za regulacije procesov se uporablja mnogo različnih regulatorjev, ki se v glavnem delijo v

dve skupini:

konvencionalni,

nekonvencionalni.

V prvo skupino spadajo regulatorji, kot so P, PI, PD, PID, Otto Smith in podobni. V

skupino nekonvencionalnih regulatorjev pa uvrščamo regulatorje, kot so fuzzy, neuro,

neuro-fuzzy regulatorji. Mnogo procesov v industriji je nelinearnih, kar pomeni zahtevno

matematično modeliranje le-teh. Kljub temu se PID-regulator izkaže kot dober način

regulacije procesa, saj je enostaven in zajame tri osnovne tipe obnašanja procesa:

proporcionalni (P), integralni (I) in diferencialni (D). P- in I-del sta lahko uporabljena

posamično, medtem ko se D-del redko pojavi kot samostojni regulator. Najbolj pogosti

kombinaciji poleg PID sta PI- in PD-regulatorja. Pri sistemih prvega reda (imajo le en

hranilnik energije), ki so stabilni in imajo lahko statični pogrešek, lahko uporabimo P-

regulator, ki ima veliko ojačanje. To se ponavadi uporablja pri sistemih, kjer imamo

pogrešek že pri meritvi procesne vrednosti in točna meritev ni tako pomembna. Prav tako

lahko takšen regulator včasih uporabimo pri kaskadni regulaciji v notranji regulacijski

zanki, če napaka ne vpliva močno na končno regulacijo. Pri procesih z dobro toplotno

izolacijo je smiselna uporaba PD-regulatorja, saj se pri teh procesih uporablja visoko

ojačanje (P-del), kjer integralni del ni potreben, je pa zaradi velike vztrajnosti procesa

potreben diferencialni del. PD-regulator se zaradi stabilizirajočega učinka uporablja tudi

pri procesih, pri katerih se regulirajo premikajoči se objekti (leteča, podvodna vozila, ladje,

rakete …). Najbolj uporabljani regulatorji v industriji pa so PI-regulatorji, in sicer kadar: ni

potrebe po hitrem odzivu sistema, imamo prisotne motnje v procesu, imamo sistem prvega

reda ali pa imamo velike zakasnitve v sistemu. PID-regulator se uporablja pri sistemih

višjega reda. Pogosta je uporaba v industriji in pri regulaciji premikajočih se objektov, kjer


40

reguliramo trajektorijo objekta in je natančnost pri sledenju reference zelo pomembna (npr.

avtopilot v letalu).

Strukture PID-regulatorjev so različne. Problem se pojavi pri izgradnji regulatorja in pri

načrtovanju parametrov. Najbolj pogosti strukturi sta vzporedni in zaporedni PID-

regulator. Prvi velja za idealni PID-regulator in je neinteraktiven, saj so posamezni deli

regulatorja med seboj neodvisni. Zaporedna struktura je interaktivna, saj so si

proporcionalni, integralni in diferencialni del med seboj odvisni. Vzporedna struktura je

težja za izgradnjo s pnevmatskimi komponentami, ki so bile vodilne v zgodovini pred

elektronskimi komponentami. Takrat so se v procesni industriji posluževali zaporedne

strukture, ki se je nato prenesla tudi v elektronske PID-regulatorje.

V našem primeru smo uporabljali zgolj vzporedni PID-regulator, ki je prikazan na spodnji

shemi (slika 7.1). [10]

P

I

D

proces+

+

+

-

er

y

u

Slika 7.1: Vzporedni PID-regulator.

7.2 Eksperimentalno nastavljanje parametrov PID-regulatorjev

Takšnega nastavljanja parametrov se lahko poslužujemo, kadar nimamo na voljo modela

procesa. Primerne so za začetno nastavitev regulatorja, uporabnik pa lahko parametre

naknadno popravi na podlagi poznavanja procesa. Najpogostejši postopki nastavljanja

parametrov so Ziegler-Nichols, Cohen-Coon in Chien-Hrones-Reswick. V našem primeru

smo nastavljali regulatorje po Ziegler-Nichols postopkih, ki jih bomo v nadaljevanju tudi

opisali.


41

Nastavitev parametrov po omenjeni metodi je primerna za P-, PI- in PID-regulatorje.

Parametri, pridobljeni po tej metodi, so primerni za vodenje in ne za sledenje. Regulator se

bo dobro odzival na motnje, vendar ne bo dobro sledil referenčnim spremembam. Za

pridobitev parametrov regulatorja se uporabljata dve metodi:

odprtozančna metoda,

zaprtozančna metoda.

Prva temelji na snemanju prenosne funkcije, medtem ko pri drugi metodi sistem

pripeljemo v mejno stabilno nihanje. [10]

7.2.1 Odprtozančna metoda

Procese z monotono prenosno funkcijo lahko opišemo z naslednjo prenosno funkcijo:

(7.1)

Regulator v tem primeru ni vključen. Iz stopnične spremembe krmilne vrednosti aktuatorja

z amplitudo A, prikazane na sliki 7.2, lahko izračunamo parametre:

Statično ojačanje procesa:

Transportna zakasnitev procesa τ

Časovna konstanta procesa


42

τ t

Δy(t)

y(t)

yss

0

a

Tp

t

u(t)

uss

0

A

Δu(t)

prevoj

Slika 7.2: Parametri za izračun regulatorja.

S pomočjo pridobljenih podatkov iz posnetega odziva lahko po tabeli 7.1 izračunamo

parametre za izbrani regulator. [10]


43

Tabela 7.1: Tabela za izračun parametrov regulatorja po odprtozančni metodi.

Tip regulatorja

P

/ /

PI

3τ /

Vzporedni PID

2 τ

Zaporedni PID

τ τ

Priporočila, ki se nahajajo v tabeli, so primerna za procese, kjer je . Za večje

vrednosti μ so bolj primerni postopki po Cohen-Coon priporočilih, če želimo uporabljati

PID-regulator. V kolikor nam odprtozančna metoda ne da zadovoljivih rezultatov, je

smiselno poseči po zaprtozančni metodi. [10]

7.2.2 Zaprtozančna metoda

Metoda temelji zgolj na meritvah in je primerna tako za stabilne kot tudi za nestabilne

procese. Sistem reguliramo s P-regulatorjem in povečujemo ojačanje, dokler sistema ne

pripeljemo v mejno stabilno stanje. To pomeni, da mora procesna vrednost sistema nihati s

konstantno amplitudo in frekvenco. Ojačanje, pri katerem se vzpostavi omenjeno stanje,

imenujemo kritično ojačanje .


44

Slika 7.3: Želeni odziv zaprtozančne metode.

Po odprtozančni metodi, opisani v predhodnem poglavju, posnamemo odziv procesa (slika

7.2). S pomočjo spremembe krmilne vrednosti CV ( ) in procesne vrednosti PV ( )

lahko izračunamo statično ojačanje procesa:

(7.2)

S pomočjo pridobljenih podatkov in spodnje tabele izračunamo potrebne parametre

regulatorja, kjer je:

- čas periode nihanja

- kritično ojačanje

Tabela 7.2: Tabela za izračun parametrov regulatorja po zaprtozančni metodi.

Tip regulatorja

P

/ /

PI

0,833 /

Vzporedni PID

0,5 0,125

Zaporedni PID


45

Ustreznost postopka načrtovanja regulatorja po Ziegler-Nichols priporočilih preverimo z

izračunom produkta ojačanj ( ).

Postopek je ustrezen, če velja: . Postopek je primeren tudi, kadar velja

, če zahteve regulacije niso stroge. Za je primeren PI-regulator, prav

tako ob ohlapnih zahtevah regulacije. Za ostale vrednosti ta postopek ni primeren.

Približno je podana tudi največja sprememba reference, ki jo regulator, načrtovan po

Ziegler-Nichols postopku, še uspešno regulira:

Za P-regulator: ,

Za PI-regulator: .

[10]

7.3 Regulacija nivoja vode v merilni posodi 2

Izvedenih je bilo več načinov regulacije nivoja:

regulacija nivoja 2 s črpalko 2,

regulacija nivoja 2 z ventilom 2,

kaskadna regulacija nivoja 2,

regulacija nivoja 1 s črpalko 2.

V vseh primerih je bil uporabljen PID-regulator, ki ga ponuja program TIA portal.

Regulacijski blok se nahaja pod imenom »CONT_C«.

Uporabljeni so vhodi:

MAN_ON: bit, ki vklopi ročni režim regulatorja,

P_SEL: bit, ki omogoči ojačanje (P-del) regulatorja. Enako funkcijo imata tudi

I_SEL (integralni del) in D_SEL (diferencialni del),

CYCLE: določi cikel regulacije,

SP_INT: sem se vpisuje želena vrednost procesne veličine,


46

PV_IN: vrednost procesne veličine,

MAN: želen izhod regulatorja v ročnem režimu,

GAIN: vrednost ojačanja (P-del) regulatorja,

TI: vrednost integralnega dela v sekundah,

TD: vrednost diferencialnega dela v sekundah,

LMN_HLM: zgornja omejitev izhoda regulatorja v odstotkih,

LMN_LLM: spodnja omejitev izhoda regulatorja odstotkih.


47

Slika 7.4: Blok »CONT_C«.

Izhod regulatorja je LMN v odstotkih, ki je omejen s spremenljivkama LMN_HLM in

LMN_LLM.

Vsak regulator je nameščen v »interrupt« bloku, ki se izvaja ciklično v določenih

intervalih. Hitrost regulacije je odvisna od aktuatorja, ki ga upravljamo. V primeru ventila

se je regulacija izvajala na 1 s, v primeru črpalke pa na 100 ms. Pri kaskadni regulaciji se

notranja regulacijska zanka izvaja na 100 ms, zunanja pa na 500 ms.


48

Blokovni diagram programskega bloka CONT_C je prikazan na spodnji sliki. Vidimo, da

gre za topologijo vzporednega PID-regulatorja, kjer se »GAIN« (K) pomnoži z I- in D-

delom regulatorja.

Slika 7.5: Blokovni diagram programskega bloka CONT_C. [8]

Algoritem vzporednega PID-regulatorja, ki ustreza zgornjemu blokovnemu diagramu, je

podan z enačbo:

(7.3)


49

7.3.1 Statična karakteristika procesa

Za potrebe izračunov regulatorjev smo izmerili statično karakteristiko procesa. Za primer

črpalke smo meritev izvedli tako, da smo nastavili fiksno frekvenco črpalke [%] in

počakali, da se nivo umiri. Rezultati so bili naslednji.

Slika 7.6: Statična karakteristika procesa.

Iz tega vidimo, da:

Izmerili smo tudi karakteristiko pretoka pri različnih vrtljajih črpalke. To smo storili na dva

načina, in sicer z merjenjem časa praznjenja valja in preračunom pretoka ter z

odčitavanjem vrednosti z merilca pretoka. To smo storili zato, ker merilnik pretoka ne kaže

konstantne vrednosti, ampak zelo niha in je odčitavanje oteženo oz. ni točno.


50

Slika 7.7: Statična karakteristika črpalke 2.

Vidimo, da se krivulji ne ujemata popolnoma. Glede na to, da se solidno ujemata v

področju 30-60 %, je meritev zadovoljiva, saj bo krmilna vrednost regulatorja s črpalko

omejena med 27 % in 38 %.

Statično karakteristiko procesa z regulacijskim ventilom smo izmerili tako, da smo

nastavili konstantno vrednost odprtosti ventila [%] in počakali, da se nivo umiri. Meritev

se je izvajala pri 50 % nazivnih vrtljajev črpalke. Ker je meritev dolgotrajna, smo izmerili

le skrajni točki statične karakteristike, saj želimo izvedeti le skrajni točki odprtosti ventila,

ki še zadostujeta za ustrezno regulacijo.


51

Slika 7.8: Statična karakteristika ventila 2.

Opravili smo meritev, kjer smo opazovali pretok pri različnih odprtostih ventila. Iz grafa je

razvidno, da je graf linearen do odprtosti 50 %, kar je več, kot ga odpiramo v našem

primeru. V tem področju torej lahko nastavimo regulator.

Slika 7.9: Statična karakteristika ventila 2.


52

7.3.2 Regulacija nivoja 2 s črpalko 2

V tem primeru je aktuator procesa črpalka 2, ki jo krmilimo preko frekvenčnega

pretvornika FP2. Frekvenco nastavljamo z analognim izhodom na krmilniku od 0-50 Hz,

izhod regulatorja pa nam da vrednost 0-100 %. Omogočeno je tudi krmiljenje

regulacijskega ventila, ki se postavi na konstantno vrednost. Sistem je prikazan na spodnji

tehnološki shemi.

M

SS

PI 1

PI 2

LC

1

LT

1

ZC

3

ZT

3

SV-Nivo 2 [%]

PV-Nivo 2 [%]

PV- Odprtost ventila [%]

SV- Odprtost ventila [%]

CV- Odprtost ventila [%]

CV-Vrtljaji [%]

ZI

3

Zalogovnik vode

Varnostni ventili

Merilni valj

Pritok vode

Slika 7.10: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 s črpalko 2.

Končni parametri regulatorja veljajo za stanje, ko je ventil odprt na 100 %, dotok medija v

merilni valj pa je preko sprednjega ventila, kot prikazuje slika 7.11. V primeru, da je

namesto sprednjega ventila odprt zadnji ventil (ni viden na sliki), točna regulacija nivoja

ne bo mogoča, saj se medij v spodnjem T-kosu izmenično pretaka v črpalko oz. merilni

valj. To povzroči nihanje nivoja, ki ga ni mogoče odpraviti z regulatorjem.


53

Slika 7.11: Položaj ventilov pritoka.

Odprtozančna metoda

Regulator je v tem primeru v ročnem režimu in mu stopnično spremenimo vrednost izhoda

ter počakamo, da se procesna vrednost umiri. Odprtozančna metoda nam ni dala

zadovoljivih rezultatov, saj je proces počasen, kar pomeni težje odčitavanje potrebnih

podatkov. V nekaterih primerih je stabilizacija procesa ob stopnični spremembi izhoda

regulatorja trajala tudi okrog 300 s. Prav zaradi tega je težko določiti tangento najhitrejšega

vzpona procesne vrednosti na grafu. Slika 7.12 prikazuje primer odziva sistema na

stopnično spremembo krmilne vrednosti s 36 % na 31 %.

Slika 7.12: Odziv sistema na stopnično spremembo krmilne vrednosti.

Parametri, dobljeni po odprtozančni metodi, niso bili ustrezni, zato smo izvedli nastavitev

po zaprtozančni metodi.


54

Zaprtozančna metoda

Regulator smo nastavili kot P-regulator tako, da smo ostali komponenti Ti in Td nastavili

na 0 s. Parameter P smo zmanjševali (regulator deluje v obratnem režimu, kjer je P vedno

negativen), dokler ni sistem stabilno nihal in pri tem ni prihajal v zasičenje izhoda.

Periodično nihanje smo dosegli pri kritičnem ojačanju . Graf prikazuje posnetek

nihanja procesne in kontrolne vrednosti v odvisnosti od časa.

Slika 7.13: Mejno stabilno nihanje sistema.

Odčitali smo spremembo procesne vrednosti in spremembo kontrolne

vrednosti . V desetih periodah nihanja je čas znašal , kar pomeni,

da je čas ene periode .

Parametri regulatorja so znašali za:

PI-regulator

(7.4)

(7.5)


55

Slika 7.14: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PI-regulacijo

črpalke.

PID-regulator

(7.6)

(7.7)

(7.8)


56


črpalke.

7.3.3 Regulacija nivoja 2 z ventilom 2

V tem primeru regulacije posredno krmilimo servopogon ventila s PID-regulatorjem.

Regulator krmili analogni izhod 0-10V, ki je povezan na krmilnik Moeller EASY/MFD.

Vrednost izhoda (kontrolna vrednost PID-regulatorja) na Siemensovem krmilniku je želena

odprtost ventila za regulator na Moeller EASY/MFD. Sistem prikazuje spodnja tehnološka

shema (slika 7.16).


57

M

SS

PI 1

PI 2

LT

1

ZC

3

ZT

3

PV-Nivo 2 [%]

PV- Odprtost ventila [%]



LC

2

SV-Nivo 2 [%]

SV- Odprtost ventila [%]

ZI

3

Zalogovnik vode

Varnostni ventili

Merilni valj

Pritok vode

Slika 7.16: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 z ventilom 2.

Na krmilniku Moeller je izveden tripoložajni regulator položaja ventila, ki krmili releja za

levo oz. desno vrtenje servopogona ventila. Povratne informacije o odprtosti ventila na

Siemens S7-1500 ni, saj priključni konektor ni dopuščal večjega števila vodnikov. Problem

pri regulaciji je počasnost ventila, saj za odprtje (0-100 %) potrebuje več kot 60 s. Problem

smo rešili z zelo počasnim ciklom izvajanja regulacije, ki znaša 1 s. Prav tako je potrebno

izhod regulatorja omejiti na ozko območje, in sicer 0-45%. To pomeni tudi, da je ob

preklopu regulatorja potrebno počakati, da ventil doseže območje odprtosti, v katerem

regulator deluje. Pri ostalih načinih regulacije je namreč vrednost odprtosti ventila

nastavljena na 100 %. Regulator smo načrtovali po Ziegler-Nichols priporočilih. Do

zadovoljivih parametrov smo poizkušali priti po obeh metodah, tako odprtozančni kot

zaprtozančni metodi.


58

Odprtozančna metoda

Regulatorju smo v ročnem režimu spremenili kontrolno vrednost s 40 % na 37,5 % in

opazovali spremembo. Črpalko smo poganjali na 50 % nazivnih obratov. Odziv sistema je

viden na grafu.


Iz grafa je razvidno, da proces potrebuje veliko časa za stabilizacijo (preko 430 s). To nam

precej otežuje določanje tangente najhitrejšega vzpona procesne veličine in s tem

določanje parametrov. Ker imamo opravka s počasnim aktuatorjem, smo se odločili za PI-

regulator. Odčitani parametri so znašali:

(7.9)

(7.10)


59

(7.11)

(7.12)

S temi parametri regulator ne bi deloval. Že po izračunu parametra »a« smo lahko

ugotovili, da za tako majhne vrednosti omenjenega parametra Ziegler-Nichols priporočila

niso primerna. Ta metoda ni dala zadovoljivih rezultatov tudi, če smo odziv posneli v

drugačnih delovnih točkah.

Zaprtozančna metoda

Po Ziegler-Nichols priporočilih velja, da v kolikor odprtozančna metoda ne da dobrih

rezultatov, poizkusimo izvesti načrtovanje parametrov po zaprtozančni metodi. Tako

zajamemo še morebitne motnje v sistemu. Doseči nihanje sistema znotraj omejitve

regulatorja je zahtevno, saj gre kontrolna vrednost regulatorja v zasičenje ali pa nihanje ni

konstantno z enako amplitudo. Slednja težava je posledica tripoložajnega regulatorja na

krmilniku Moeller, saj ta zagotavlja pravilno odprtost ventila le znotraj določene histereze,

kjer dejanska odprtost ni določena. Histereza je v našem primeru znašala 2 %, kar je

veliko, glede na to, da se za 78,5 % področja nivoja medija ventil premakne le za 11 % (pri

50 % nazivnih vrtljajev črpalke). Če bi histerezo zmanjšali oz. odstranili, bi regulator

neprestano preklapljal releje in jih tako uničil. Težava je tudi, da je aktuator (servopogon

ventila) prepočasen, da bi sledil kontrolni vrednosti PID-regulatorja. To pomeni, da se

kljub naglo spremenjeni kontrolni vrednosti PID-regulatorja procesna vrednost (nivo) ni

znatno spremenila, saj ventil dejansko še ni dosegel prave vrednosti. Regulator zato še

naprej stopnjuje vrednost na izhodu, kar vodi v zasičenje kontrolne vrednosti. Ta pojav

povzroča velik prenihaj pri večjih spremembah želene vrednosti nivoja.

Zadovoljivo nihanje smo dosegli pri . Čas periode je znašal , pri 50 %

nazivnih vrtljajev črpalke. Izračunani parametri so znašali za:

PI-regulator

(7.13)


60

(7.14)

Izračunan PI-regulator ni zmožen ohranjati konstantnega nivoja, zato smo ročno poiskali

boljše parametre. Odziv (parametri: , ) je bil sledeč (slika 7.18):


ventila.

PID-regulator

(7.15)

(7.16)

(7.17)

Odziv je prikazan na sliki 7.19.


61


ventila.

7.3.4 Kaskadni regulator nivoja 2

Pri tej vrsti regulacije nivo reguliramo s pomočjo dveh PID-regulatorjev, ki delujeta

kaskadno. To pomeni, da za regulacijo nivoja potrebujemo tako meritev nivoja v merilni

posodi kot tudi pretoka medija v zalogovnik. Notranji regulator nam regulira pretok,

njegov izhod pa so vrtljaji črpalke v odstotkih. Zunanji regulator pa regulira nivo v merilni

posodi, krmilna vrednost regulatorja pa je pretok v odstotkih, ki je obenem želena vrednost

za notranji regulator. Ureditev regulacijskih zank prikazuje tehnološka shema (slika 7.20).


62

Slika 7.20: Tehnološka shema sistema z regulacijo nivoja 2 s kaskadno regulacijo.

Nastavitev parametrov je potekala tako, da smo najprej nastavili notranji regulator, nato pa

zunanjega. Notranja zanka se izvaja petkrat hitreje kot zunanja, in sicer na 100 ms, zunanja

pa na 500 ms. Notranja zanka ima pozitivno ojačanje (P-del), saj se z večanjem kontrolne

vrednosti regulatorja (vrtljajev črpalke) veča tudi procesna vrednost (pretok). Zunanja

zanka ima P-del negativen, saj je delovanje obratno (z večanjem kontrolne vrednosti

regulatorja procesna vrednost pada). Parametri regulatorja so nastavljeni za primer, ko je

regulacijski ventil odprt na 100 %, dotok vode v merilno posodo pa je urejen enako kot pri

regulaciji nivoja s črpalko. Omejitev obeh regulatorjev je 0-100 %.

Notranja regulacijska zanka

Nastavitev notranjega regulatorja je potekala tako, da smo regulatorju v ročnem režimu

stopnično spremenili izhod z 28 % na 35 % in posneli odziv sistema, viden na spodnjem

grafu.


63


Iz odziva smo po priporočilih, opisanih v poglavju 7.1, odčitali potrebne podatke za

izračun parametrov regulatorja.

(7.18)

(7.19)

PI-regulator:

(7.20)

(7.21)


64

PID-regulator:

(7.22)

(7.23)

Regulator je z izračunanimi parametri uspešno reguliral pretok po želeni vrednosti.

Zunanja regulacijska zanka

Zunanji regulator smo nastavljali s pomočjo zaprtozančne metode. Notranji regulator je

tekom nastavljanja deloval v avtomatskem režimu z zgoraj izračunanimi parametri PI-

regulatorja. Nihanje smo dosegli pri ojačanju (slika 7.22). Čas periode je

znašal .



65

Izračunani parametri so bili sledeči za:

PI-regulator

(7.24)

(7.25)

PID-regulator

(7.26)

(7.27)

(7.28)

Odzive smo posneli z različnimi kombinacijami regulatorjev in stopnično spremembo

želene vrednosti 30-40 %:

Obe regulacijski zanki s PID-regulatorjema:

Slika 7.23: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer sta obe

regulacijski zanki izvedeni s PID-regulatorjema.


66

Zunanja zanka s PID-, notranja s PI-regulatorjem:


izvedena s PID- in notranja s PI-regulatorjem.


67

Zunanja zanka s PI-, notranja s PID-regulatorjem:


izvedena s PI- in notranja s PID-regulatorjem.

Obe regulacijski zanki s PI-regulatorjema:

Slika 7.26: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti, kjer sta obe

regulacijski zanki izvedeni s PI-regulatorjema.


68

7.3.5 Regulacija nivoja 1 s črpalko 2

Krmilnika obeh podsistemov si izmenjujeta podatke o procesnih vrednostih (nivo vode).

Sistem je zgrajen tako, da se posodi lahko povežeta v spodnjem delu in se tako oba nivoja

izenačita. Regulacija tako poteka na krmilniku 2, aktuator je črpalka 2, reguliramo pa nivo

1. Dotok vode je v merilni valj 2, tako kot pri regulaciji nivoja 2 s črpalko oz. ventilom 2.

Tehnološka shema se od regulacije nivoja 2 s črpalko 2 razlikuje le v tem, da je procesna

vrednost za regulator v zanki 1 vzeta iz merilne posode 1. Prav tako je omogočeno

nastavljanje želene odprtosti regulacijskega ventila na konstantno vrednost. Načrtovanje

regulatorja je potekalo na enak način kot pri prejšnjih načinih regulacije.

Regulator smo načrtovali po zaprtozančni metodi. Slika prikazuje mejno stabilno nihanje

sistema, kjer je potek PV prikazan v modri, potek CV pa v rdeči barvi (slika 7.27).


Prikazano stanje se je vzpostavilo pri ojačanju , čas periode , pa je znašal

.

Po Ziegler-Nichols postopku lahko pridobimo parametre za:

PI-regulator

(7.29)

(7.30)


69

Slika 7.28: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s P-regulacijo črpalke

2.

PID-regulator

(7.31)

(7.32)

(7.33)


70

Slika 7.29: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti s PID-regulacijo

črpalke 2.


71

8 REZULTATI

Hidravlični sistem smo uspešno nadgradili z novejšo krmilno opremo. Obstoječ sistem smo

priredili tako, da je kompatibilen tako z novo kot s staro krmilno opremo, v delovanju

sistema pa ni sprememb. Celoten sistem smo servisirali in popravili varnostne ventile.

Odpravili smo napake v ožičenju in na novo umerili merilnike. Celotno elektroinštalacijo

smo dokumentirali v smislu načrtov v programskem orodju EPLAN. V nadaljevanju smo

sistem razdelili na podsistema 1 in 2. Tako se vsebina tega magistrskega dela od te točke

dalje nanaša zgolj na podsistem 2. Izmerili smo statično karakteristiko posameznih

gradnikov in celotnega podsistema 2 in na tej podlagi načrtali regulatorje. Načrtovanje je

potekalo z uporabo eksperimentalnih metod Ziegler-Nichols. Da bi dobili čim boljše

rezultate, smo vse regulatorje načrtovali tako po zaprtozančni kot tudi po odprtozančni

metodi. Skupno je sistem mogoče voditi na 3 načine:

s PID-regulacijo črpalke,

s PID-regulacijo ventila,

s kaskadno PID-regulacijo črpalke.

Vodenje podsistema 2 s črpalko je izvedeno preko frekvenčnega pretvornika. Izhod

regulatorja je omejen med 27 % in 38 %, regulacijski ventil pa je v tem primeru

popolnoma odprt (100 %). Najboljše rezultate smo pridobili po zaprtozančni metodi z

regulatorjem tipa PID. Izračunani parametri so znašali:

,

,

.

Regulator je zadovoljivo opravil svojo nalogo, zato ročna nastavitev parametrov ni bila

potrebna. Odziv na stopnično spremembo želene vrednosti 30-40 % je prikazan na sliki

8.1, kjer se vidijo vse nastavitve regulatorja v uporabniškem vmesniku.


72

Slika 8.1: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti 30-40%.

Na sliki 8.2 so prikazani rezultati pri različnih spremembah želene vrednosti v različnih

območjih nivoja 2.


73

Slika 8.2: Rezultati pri različnih spremembah želene vrednosti v različnih območjih nivoja.

Vodenje podsistema 2 z regulacijskim ventilom smo izvedli pri konstantnih vrtljajih

črpalke, ki so znašali 50 % nazivnih vrtljajev. Tudi tu se je za najbolj primerno izkazala

zaprtozančna metoda. Tako PID- kot PI-tip regulatorja ni bil zmožen ohranjanja želene

vrednosti nivoja, zato je bilo parametre potrebno ročno popraviti. Končni vrednosti

parametrov PI-regulatorja sta znašali:

,

.

Odziv procesne in krmilne vrednosti na stopnično spremembo 30-40 % želene vrednosti je

prikazan na sliki 8.3.


74

Slika 8.3: Odziv sistema na stopnično spremembo želene vrednosti 30-40 %.

Vidimo, da so rezultati v primerjavi z vodenjem s črpalko precej slabši.

Načrtali smo tudi kaskadni regulator nivoja, kjer reguliramo pretok v notranji, nivo pa v

zunanji regulacijski zanki. Izhoda regulatorja nismo omejili. Pri notranji regulacijski zanki

smo parametre izračunali po odprtozančni metodi, pri zunanji regulacijski zanki pa po

zaprtozančni metodi. Parametri, ki so omogočali najbolj primerne odzive, so znašali:

Zunanji regulator:

,

,

.


75

Notranji regulator:

,

,

.

Na sliki 8.4 je prikazan rezultat regulacije v primeru, ko sta oba regulatorja tipa PID. V

poglavju Načrtovanje regulatorjev so podrobno prikazane vse kombinacije z rezultati.

Slika 8.4: Odziv sistema s kaskadno regulacijo, kjer sta regulatorja obeh zank tipa PID.


76

Izdelali smo tudi regulacijo nivoja 1 s črpalko 2. Krmilnika sta si med seboj pošiljala

procesne vrednosti. Med posodama se nahaja ventil, ki je bil v tem primeru odprt, voda pa

je pritekala v posodo 2. Parametre smo pridobili po zaprtozančni metodi. Najboljše

rezultate smo dobili z uporabo PID-regulatorja in izračunanimi parametri:

,

,

.

Rezultati z nastavitvami so prikazani na sliki 8.5.

Slika 8.5: Odziv sistema z regulacijo nivoja 1 s črpalko 2.


77

Krmilnik Moeller Easy smo preprogramirali tako, da lahko želeno vrednost odprtosti

ventila nastavljamo preko analognega napetostnega signala, priključenega na analogni

vhod krmilnika. Krmilnik Siemens S7-1500 smo programirali s programskim orodjem TIA

portal, kjer smo izdelali tudi SCADA-uporabniški vmesnik. Izgled osnovne strani

uporabniškega vmesnika je prikazan na sliki 8.6. Na osnovni strani so vidni vsi pomembni

podatki v sistemu z vizualizacijo nivojev. S klikom na posamezne povezave se lahko

dostopa do strani za upravljanje z regulatorji. Uporabniški vmesnik, prikazan na sliki 8.6,

je izdelan karseda intuitivno z zadostno možnostjo poseganja v sistem.

Slika 8.6: Osnovno okno SCADA-uporabniškega vmesnika.


78

9 SKLEP

Laboratorijski hidravlični sistem je obnovljen in pripravljen za uporabo. Odpravili smo

napake v ožičenju in v večini tudi napake ostalih gradnikov sistema. Varnostni ventil, ki

preprečuje izlitje vode, bi bilo potrebno zamenjati, saj ne zapre popolnoma, kar povzroči

izlitje ob dolgotrajni neaktivnosti sistema. Vse spremembe ožičenja smo dokumentirali.

Predelava sistema ni posegla v delovanje prejšnjega sistema, kar pomeni, da je vodenje

možno tako z novo kot s staro krmilno opremo. Program za vodenje je izdelan tako, da je

suhi tek črpalke onemogočen. Uporabniški vmesnik je izdelan intuitivno in omogoča

spremembo vseh parametrov, ki so potrebni za razumevanje delovanja PID-regulatorja.

Največ težav je povzročala regulacija nivoja 2 z regulacijskim ventilom. Ta je prepočasen,

kar onemogoča načrtovanje zadovoljivega PID-regulatorja po uporabljenih metodah.

Parametre je bilo potrebno ročno popravljati, regulator pa omejiti na ozko delovno

območje.

Sistem omogoča še veliko možnosti v prihodnosti. Tako bi bilo možno npr. omejevati

pritok vode v merilni valj s pomočjo motornega pogona ventila. Motorni pogon bi lahko

namestili tudi na ventil na vezni cevi med posodama v primeru regulacije nasprotnega

nivoja (npr. regulacija nivoja 1 s črpalko 2). S takšno nadgradnjo bi lahko imel vsak

študent drugačne pogoje regulacije in s tem drugačen problem. Razlike bi se na koncu

primerjale, kar bi privedlo do boljšega razumevanja vodenja sistema.


79

10 VIRI

[1] Andrej Zeme. Porazdeljeno vodenje hidravličnega sistema – komunikacije in

programska oprema. Diplomsko delo. Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za

elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2007.

[2] Dieter Bauerfeind. Moeller: User manual Easy 412, Easy 600. Bonn 2000.

Dostopno na:

ftp://ftp.moeller.net/DOCUMENTATION/AWB_MANUALS/h1304g.pdf

[14.5.15].

[3] Đonlagić D., Đonlagić D., Lampič S. Merjenja pretokov fluidov. Maribor:

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 1998.

[4] EPLAN electric P8 homepage. Dostopno na:

http://www.eplan.de/en/solutions/product-overview/eplan-electric-p8/

[15.10.2015].

[5] Marko Sevšek. Porazdeljeno vodenje hidravličnega sistema – načrtovanje in

izvedba. Diplomsko delo. Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za

elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2007.

[6] Norbert Muller, Hans Hassig. EPLAN electric P8: Getting started. Quebec Canada,

2007. Dostopno na: http://149.237.200.202/fileadmin/dateien-

CA/BeginnerGuide_P8_enUS_NorthAmericanStyle_NFPA.pdf [14.5.15].

[7] SIEMENS SIMATIC TIA Portal STEP 7 Basic V10.5 Getting started. Dostopno

na:

https://cache.industry.siemens.com/dl/files/542/40263542/att_829827/v1/GS_STEP

7Bas105enUS.pdf [15.10.2015].

[8] SIEMENS SIMATIC Standard software for S7-300 and S/-400 PID control.

Dostopno na: https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/S7pidcob.pdf

[15.10.2015].

[9] SIEMENS SIMATIC S7-1500 Getting started. Dostopno na:

https://www.automation.siemens.com/salesmaterial-as/interactive-manuals/getting-

started_simatic-s7-1500/documents/EN/software_complete_en.pdf [14.5.15].

[10] Zoran Vukic. Lectures on PID controllers. Zagreb: University of Zagreb,

2002.

ftp://ftp.moeller.net/DOCUMENTATION/AWB_MANUALS/h1304g.pdf

http://www.eplan.de/en/solutions/product-overview/eplan-electric-p8/

http://149.237.200.202/fileadmin/dateien-CA/BeginnerGuide_P8_enUS_NorthAmericanStyle_NFPA.pdf

http://149.237.200.202/fileadmin/dateien-CA/BeginnerGuide_P8_enUS_NorthAmericanStyle_NFPA.pdf

https://cache.industry.siemens.com/dl/files/542/40263542/att_829827/v1/GS_STEP7Bas105enUS.pdf

https://cache.industry.siemens.com/dl/files/542/40263542/att_829827/v1/GS_STEP7Bas105enUS.pdf

https://www.fer.unizg.hr/_download/repository/S7pidcob.pdf

https://www.automation.siemens.com/salesmaterial-as/interactive-manuals/getting-started_simatic-s7-1500/documents/EN/software_complete_en.pdf

https://www.automation.siemens.com/salesmaterial-as/interactive-manuals/getting-started_simatic-s7-1500/documents/EN/software_complete_en.pdf


80

11 PRILOGE

Priloga A

Elektronačrti krmilne omare


81


82


83


84


85


86


87

Priloga B

Program krmilnika Moeller Easy


88


89


90


91


92


93


94


95


96


97


98


99


100


101


102


103

Priloga C

Program krmilnika Siemens Simatic S7-1500


104


105


106


107


108


109


110


111


112


113


114


115

Documents

LABORATORIJSKI HIDRAVLIČNI SISTEM KOT UČNI …Slika 7.21: Odziv sistema na stopnično spremembo krmilne vrednosti. ..... 63 Slika 7.22: Mejno stabilno nihanje sistema..... 64 Slika