1

ŠOLSKI CENTER VELENJE

VIŠJA STROKOVNA ŠOLA

TEMPERATURNA KOMORA

(Povzetek diplomske naloge, Goran Kužet)

Velenje, maj 2018

2

Kazalo vsebine 1 OPIS TEMPERATURNE KOMORE PRM-1 .............................................................. 4

1.1 Sestavni deli modula .................................................................................................. 4 1.2 Možnosti priključitve temperaturne komore .......................................................... 6 1.3 Možnosti uporabe didaktičnega modela .................................................................. 8

2 Uporabljeni regulacijski algoritmi ................................................................................. 9 2.1 Stopenjska regulacija / On-Off regulacija ............................................................... 9

2.2 Pulzno širinska regulacija / PID regulacija ........................................................... 10 3 REGULACIJA SISTEMA Z UNIVERZALNIM REGULATORJEM E5CC ......... 11

3.1 Tehnološka shema vezave univerzalnega regulatorja OMRON E5CC z

didaktično ogrevalno komoro. .......................................................................................... 11 3.1.1 On/off regulacija 12 V ........................................................................................ 12

3.1.2 On/off regulacija 24 V ........................................................................................ 12 3.1.3 PID regulacija 12 V ............................................................................................ 13 3.1.4 PID regulacija 24 V ............................................................................................ 14

3.2 Nastavitev regulatorja E5CC ................................................................................. 15 3.3 Snemanje grafa v trend viewerju ........................................................................... 19

4 REGULACIJA SISTEMA S PLC KRMILNIKOM OMRON CJ2M ...................... 20

4.1 Tehnološka shema vezave PLC krmilnika z didaktično ogrevalno komoro ..... 20 4.2 Blok diagram aplikacijskega programa ................................................................ 20

4.3 Vizualizacija delovanja ........................................................................................... 23 4.3.1 Risanje in fotografiranje elementov ................................................................... 23 4.3.2 Izdelava nadzornega sistema .............................................................................. 24 4.3.3 Prikazovanje temperature s pomočjo linearnega merilca ................................... 25 4.3.4 Prikazovanje temperature s pomočjo grafa ........................................................ 25 4.3.5 Nastavljanje željene vrednosti ............................................................................ 26

4.3.6 Prikaz zagona in nastavljanja »set value« .......................................................... 26 5 LITERATURA ................................................................................................................. 28

3

Kazalo slik

Slika 1 Svetlobna komora vir: lastni .......................................................................................... 4 Slika 2 Regulator OMRON tip E5CC vir: http://www.omron.com.au ...................................... 4 Slika 3 plošča s priključnimi sponkami in izbirnimi stikali vir:lastni ........................................ 5

Slika 4 Vezava procesnega modula s PLC krmilnikom Omron CJ2M vir: lastni ...................... 6 Slika 5 Vezava procesnega modula z OMRON regulatorjem E5CC vir: lastni ......................... 7 Slika 6 Industrijska hladilnica vir: www.antwerpcoldstores.com .............................................. 8 Slika 7 Rastlinjak vir: www.lust.si ............................................................................................. 8 Slika 8 Dvostopenjska regulacija vir: www.eurotherm.com ...................................................... 9

Slika 9 Blok shema dvopoložajnega regulatorja vir: ? ............................................................... 9 Slika 10 PID regulacija temperature vir: www.eurotherm.com ............................................... 10 Slika 11 Blokovni diagram krmilnika PID v povratni zanki vir:

https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller ........................................................................... 10 Slika 12 Tehnološka shema vezave regulatorja vir:lasten........................................................ 11

Slika 13 odziv on/off regulacije krmiljene z 12V vir:lasten .................................................... 12

Slika 14 Odziv on/off regulacije krmiljene z 24V vir:lasten.................................................... 12

Slika 15 odziv PID regulacije krmiljene z 12V, čas je 10 minut vir:lasten ............................. 13 Slika 16 odziv PID regulacije krmiljene z 12V, čas je 26minut vir:lasten .............................. 13 Slika 17 Odziv PID regulacije krmiljene z 24V, čas je 10 minut vir:lasten ............................ 14 Slika 18 Odziv PID regulacije krmiljene z 24V, čas je 26 minut vir:lasten ............................ 14

Slika 19 Auto tuning algorithm vir: https://www.youtube.com/watch?v=uhs0oq_tD6c ......... 18 Slika 20 Tehnološka shema vezave PLC krmilnika vir:lasten ................................................. 20 Slika 21 Izbira krmilnika in načina komunikacije in izbira CPU-ja vir:posnetek zaslona....... 23

Slika 22 Izbira simbolov iz knjižnice vir:posnetek zaslona ..................................................... 23 Slika 23 Izbira animation editorja vir: posnetek zaslona ......................................................... 24

Slika 24 Nastavljanje parametrov merilca temperature vir:posnetek zaslona .......................... 25 Slika 25 nastavljanje parametrov v trend grafu vir: posnetek zaslona ..................................... 25 Slika 26 Določanje funkcije gumba vir: posnetek zaslona....................................................... 26

Slika 27 Prikaz ko žarnica gori vir: posnetek zaslona .............................................................. 26

Slika 28 prikaz ko žarnica ugasne in se vklopita ventilatorja vir: posnetek zaslona................ 27 Slika 29 Prikaz nastavljanja "set value" vir:posnetek zaslona ................................................. 27

4

1 OPIS TEMPERATURNE KOMORE PRM-1

Namen same temperaturne komore, na kateri se izvajajo krmilne in regulacijske aktivnosti, je

didaktični. S pomočjo temperaturne komore spoznamo samo delovanje krmilnih in

regulacijskih aktivnosti z različnimi možnimi povezavami in načini krmiljenja procesov.

1.1 Sestavni deli modula

Modul sestavljajo:

Grelno/ventilacijska komora z žarnico, ki omogoča krmiljenje in regulacijo

temperature v procesu ogrevanja in hlajenja ter osvetljenosti komore.

Slika 1: Svetlobna komora (vir: lastni)

Temperatura se zajema preko temperaturnega upora in Pt sonde, osvetljenost preko

fotoupora.

Vgrajeni digitalni temperaturni univerzalni regulator (Omron, tip E5CC), ki omogoča

stopenjski in pulzno-širinski regulacijski algoritem. Lahko ga parametriramo preko

komandne konzole ali osebnega računalnika (USB), na katerem mora biti inštalirano

SW orodje CX-Thermo Special Setup Software. Programsko orodje omogoča tudi

snemanje odzivov regulirne in regulirne veličine v realnem času.

Slika 2: Regulator OMRON tip E5CC (vir: http://www.omron.com.au)

5

Regulator je lahko povezan tudi preko Ethernet mreže s krmilnikom in z drugimi

napravami

Regulator je lahko povezan tudi preko Ethernet mreže (RS485) s krmilnikom ali USB

povezave z drugimi napravami in omogoča vizualizacijo z daljinskim opazovanjem in

upravljanjem

Odzive procesov lahko simuliramo in optimiramo s programskim orodjem WINFACT

(Windows Fuzzy and Controll Tools) na osebnem računalniškem sistemu (merjenje

odzivnega časa sistema, parametriranje PID komponent …)

Priključki so dostopni preko zunanjih priključnih puš, kar omogoča večkratna

povezovanja

Napajanje modula je 24 V/AC/DC

Slika 3: Plošča s priključnimi sponkami in izbirnimi stikali (vir:lastni)

6

1.2 Možnosti priključitve temperaturne komore

Preko vtičnih puš na modulu je možno izvesti različne povezave, obstajajo tri možnosti in

sicer preko temperaturnega regulatorja, preko PLC-ja ali preko obeh. Sam sem izbral dve

možni povezavi temperaturne komore:

Prva opcija s krmilnikom OMRON CJ2M.

Slika 4: Vezava procesnega modula s PLC krmilnikom Omron CJ2M (vir: lastni)

PT100 upor je povezan na AD pretvornik krmilnika ADO4U. Vse krmilne in regulacijske

aktivnosti se izvajajo preko aplikacijskega programa CX-programmer in sistema za

vizualizacijo CX-supervisor.

7

Druga opcija povezava z OMRON regulatorjem E5CC.

Regulacijske aktivnosti se izvajajo samo preko univerzalnega regulatorja E5CC, PT-100

sonda je direktno povezana nanj, vizualizacijo signalov lahko spremljamo preko

programskega orodja CX-thermo, kjer lahko tudi nastavljamo same parametre regulatorja.

Slika 5: Vezava procesnega modula z OMRON regulatorjem E5CC (vir: lastni)

8

1.3 Možnosti uporabe didaktičnega modela

Uporabo didaktičnega modela lahko impliciramo v praksi na ogromno področjih. Najbolj

uporabna so:

Ogrevanje (ogrevanje stanovanjskega objekta, industrija, talno gretje, rastlinjaki,

pečice, grelci za vodo …)

Prezračevanje (stanovanjski objekti, industrija, podzemne železnice, rastlinjaki … )

Hlajenje (stanovanjski objekti, industrija …)

Vodenje procesa s krmilnikom

Vodenje procesa z regulatorjem

Slika 6: Industrijska hladilnica (vir: www.antwerpcoldstores.com)

Slika 7: Rastlinjak (vir: www.lust.si)

9

2 Uporabljeni regulacijski algoritmi

V nalogi sem uporabil reguliranje s stopenjsko in s pulzno širinsko regulacijo.

Stopenjsko ali ON/OFF regulacijo sem uporabil, tako s PLC krmilnikom kot univerzalnim

regulatorjem. Pulzno širinsko regulacijo pa sem uporabil v dveh izvedbah 12 V in 24 V samo

z univerzalnim regulatorjem E5CC.

2.1 Stopenjska regulacija / On-Off regulacija

Dvo-položajni regulator obratuje v dveh preklopnih stanjih: vklop in izklop. Če je regulirana

veličina pod vrednostjo reference r, daje regulator pri reverznem delovanju polni regulirni

signal Umax, kar predstavlja vklop izvršnega sistema (primer ogrevanja). Če pa je regulirana

veličina večja od reference, pa regulator daje vrednost 0 ali Umin, kar pomeni, da se izvršni

člen izključi. Pri direktnem delovanju je obratno (primer hlajenja).

Slika 8: Dvostopenjska regulacija (vir: www.eurotherm.com)

Dvo-položajni regulatorji so lahko električni, mehanski, hidravlični, pnevmatski ali

kombinirani. Uporabljajo se za regulacijo temperature, tlaka, nivoja … Prednost dvo-

položajne regulacije je v ceneni izvedbi, medtem ko ima z regulacijskega stališča več slabosti:

nihanje regulirane veličine, udari v mreži zaradi vklopov in izklopov …

Slika 9: Blok shema dvopoložajnega regulatorja z odzivi (vir: Winfact, lastni)

10

2.2 Pulzno širinska regulacija / PID regulacija

Večina industrijskih procesov, kot je plastična ekstruzija, obdelava kovin ali obdelava

polprevodnikov, zahtevata stabilno regulacijo temperature, kot je prikazano spodaj.

Slika 10: PID regulacija temperature (vir: www.eurotherm.com)

Prepoznavna karakteristika PID krmilnika je sposobnost uporabe treh kontrolnih pogojev:

proporcionalnega (P–Proportional), integralnega (I–Integral) in diferncirnega (D–

Derivative) vpliva na izhod regulatorja za natančno in optimalno kontrolo.

Slika 11 Blokovni diagram krmilnika PID v povratni zanki

vir: https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller

11

3 REGULACIJA SISTEMA Z UNIVERZALNIM REGULATORJEM

E5CC

Parametre za reguliranje sistema z univerzalnim regulatorjem E5CC sem nastavil v programu

CX-thermo in jih naložil v regulator, ki lahko potem neodvisno od računalniške povezave

krmili sistem.

3.1 Tehnološka shema vezave univerzalnega regulatorja OMRON E5CC z

didaktično ogrevalno komoro.

Tehnološka shema je izdelana s programskim orodjem Microsoft Visio.

Regulator OMRON E5CC

Grelno telo Ventilator 2Ventilator 1

PT100 Pt100 sonda

Didaktična ogrevalna komora

Slika 12: Tehnološka shema vezave regulatorja (vir: lasten)

Sistem sestavljajo:

- grelno/ventilacijska komora z žarnico in dvema ventilatorjema, ki omogoča krmiljenje

in regulacijo temperature v procesu ogrevanja in hlajenja komore,

- senzorji temperature; temperatura se zajema preko temperaturnega upora in Pt sonde,

- digitalni temperaturni univerzalni regulator (Omron, tip E5CC), ki omogoča stopenjski

in pulzno-širinski regulacijski algoritem. Lahko ga parametriramo preko komandne

konzole ali osebnega računalnika (USB), na katerem mora biti inštalirano SW orodje

CX Thermo Special Setup Software. Programsko orodje omogoča tudi snemanje

odzivov regulirne in regulirne veličine v realnem času,

- regulator je lahko povezan tudi preko Ethernet mreže s krmilnikom in z drugimi

napravami,

- simulacijsko orodje WINFACT (Windows Fuzzy and Controll Tools); odzive

procesov lahko simuliramo in optimiramo s programskim orodjem na osebnem

računalniškem sistemu (merjenje odzivnega časa sistema, paramatriranje PID

komponent …).

Karakteristični parametri samega programa, ki je naložen na regulator, so navedeni v

podpoglavju 3.2.

12

3.1.1 On/off regulacija 12 V

Iz spodnjega grafa vidimo odziv on/off regulacije, krmiljene z 12 V.

U = 12 V histereza = 4 °C

I = 0,64 A t = 10 minut

SV = 31 °C Ks = 6,29 °C/W

Slika 13: odziv on/off regulacije, krmiljene z 12V (vir: lasten)

3.1.2 On/off regulacija 24 V

Iz spodnjega grafa vidimo odziv on/off regulacije, krmiljene s 24 V.

U = 24 V histereza = 4 °C

I = 0,95 A t = 10 minut

SV = 31 °C Ks = 2,15 °C/W

Slika 14: Odziv on/off regulacije, krmiljene s 24 V (vir: lasten)

13

3.1.3 PID regulacija 12 V

Iz spodnjega grafa vidimo odziv PID regulacije, krmiljene z 12 V.

U = 12 V

I = 0,65 A

SV = 31 °C

t = 10 minut

Slika 15: Odziv PID regulacije, krmiljene z 12V, čas je 10 minut (vir: lasten)

Slika 16: Odziv PID regulacije, krmiljene z 12V, čas je 26 minut (vir: lasten)

14

3.1.4 PID regulacija 24 V

Iz spodnjega grafa vidimo odziv PID regulacije, krmiljene s 24 V.

U = 24 V

I = 0,92 A

SV = 31 °C

t =10 minut

Slika 16: Odziv PID regulacije, krmiljene s 24V, čas je 10 minut (vir: lasten)

Slika 17: Odziv PID regulacije, krmiljene s 24V, čas je 26 minut (vir:lasten)

15

3.2 Nastavitev regulatorja E5CC

Najprej odpremo program CX-Thermo, izberemo NEW in nastavimo napravo. Pomembno

je, da »part number« nastavimo kot je vidno spodaj na sliki oz. izberemo takšen regulator, kot

ga imamo na voljo. V našem primeru je to OMRON E5CC-RX3D5M-003.

Potem izberemo Communications Settings iz orodne vrstice in nastavimo serial port na

ustrezen COM, v mojem primeru je to COM5, ostale nastavitve pustimo pri miru in

kliknemo OK.

Ko nastavimo vse potrebno za delovanje, kliknemo gumb work online in se povežemo z

regulatorjem:

16

Nato sledi nastavljanje regulatorja, priporočam programsko nastavljanje preko CX-Thermo,

ki znatno olajša nastavljanje samega krmilnika. Začnemo z osnovnimi nastavitvami »basic-

level« tu nastavimo vse potrebne osnovne parametre, ki so potrebni za pravilno delovanje

regulatorja. Nato izberemo »basic-function« in nastavimo osnovne funkcije (ON/OFF

regulacija, PID regulacija ipd.)

17

Nato izberemo napredne nastavitve »advanced-level« in pod ajdustment level nastavimo

naslednje parametre:

Potem nastavimo še parametre pod advanced function setting level:

18

Na voljo imamo tudi možnost »auto tuning« pod »advanced-function«. Na razpolago

imamo 40 % auto-tuning in 100 % auto-tuning, kar je razvidno iz spodnje slike. Na sliki 19

vidimo, kako je izveden algoritem za auto-tuning.

Slika 18: Auto tuning algoritem (vir: https://www.youtube.com/watch?v=uhs0oq_tD6c)

Za zaključek parametriranja parametre, ki smo jih nastavili, prenesemo na regulator, tako da v

orodni vrstici kliknemo na gumb »Transfer PC to devices«.

19

3.3 Snemanje grafa v trend viewerju

Po vseh pripravah in nastavitvah zaženemo trend viewer pod zavihkom trend monitor v

orodni vrstici. Odpre se nam naslednje okence:

Ko se nam odpre to okno, kliknemo zavihek settings in izberemo trend settings. Odpre se

nam okence, v katerem nastavimo parametre za graf, skalo in destinacijo, kam nam shrani

podatke iz grafa. Ko nastavimo vse potrebno, kliknemo OK in zaženemo start monitor v

orodni vrstici.

Proces monitringa ustavimo s klikom na gumb stop monitor in odpremo datoteko, katere pot

shranjevanja smo določili v prejšnjem koraku, v programu microsoft excel.

20

4 REGULACIJA SISTEMA S PLC KRMILNIKOM OMRON CJ2M

Program za regulacijo sistema s PLC krmilnikom je izdelan v programskem okolju CX-

programmer, vizualizacija pa v programu CX-supervisor. Algoritem, ki sem ga uporabil za

regulariranje sistema, je dvopoložajni (on-off).

4.1 Tehnološka shema vezave PLC krmilnika z didaktično ogrevalno

komoro

Tehnološko shemo sem izdelal s programskim orodjem microsoft visio.

Analogni vhod

PLC krmilnik CJ2M

Digitalni izhodi

Grelno telo Ventilator 2Ventilator 1

PT100 Pt100 sonda

Didaktična ogrevalna komora

Slika 19: Tehnološka shema vezave PLC krmilnika (vir: lasten)

4.2 Blok diagram aplikacijskega programa

Blok diagram za krmilnik je bil izdelan v CX programerju in je v osnovni verziji sestavljen iz

štirih sklopov:

Inicializacija

21

Obdelava podatkov

22

Izvršilni program

End

23

4.3 Vizualizacija delovanja

Programski nadzorni sistem je izdelan v programu CX–Supervisor. Ko sem odprl nov

program, sem izbral krmilnik (device type) CJ2M, kliknil settings in izbral (CPU type)

CPU31. Komunikacija krmilnika je preko USB vmesnika. Ostale možnosti komunikacije

krmilnika so preko RS232 oz. etherneta.

4.3.1 Risanje in fotografiranje elementov

Na začetku je potrebno izdelati vse potrebne elemente. To storimo tako, da pod zavihkom

knjižnice odpremo grafično knjižnico in v njej poiščemo ustrezne elemente. Po fotografiranju

in izbiri elementov le te primerno postavimo in izdelamo kontrolno ploščo sistema, na kateri

bo uporabnik spremljal vse podatke.

Slika 22: Izbira simbolov iz knjižnice (vir:posnetek zaslona, lastni)

Slika 20: Izbira krmilnika in načina komunikacije in izbira CPU-ja (vir:posnetek zaslona)

24

4.3.2 Izdelava nadzornega sistema

Sam potek izdelave nadzornega sistema poteka tako, da po dodajanju vseh elementov za

vizualizacijo, pričnemo z animacijo in jim določimo »triger evente«. Te določimo prej v CX-

programmerju. V animation editor pridemo tako, da kliknemo z desnim gumbom miške na

element in izberemo animation editor. Odpre se nam okence, v katerem določimo animacijo

našega objekta (izginjanje in pojavljanje, menjava barv, rotiranje itd.). Po izbiri animacije

dvokliknemo nanjo in odpre se nam novo okence, v katerem z browse gumbom izberemo

»trigger evente«, ki smo jih prej določili v CX-programerju.

Slika 23: Izbira animation editorja (vir: posnetek zaslona, lastni)

25

4.3.3 Prikazovanje temperature s pomočjo linearnega merilca

Za zvezni prikaz uporabimo linearen merilec temperature (linear gauge), s katerim

prikazujemo trenutno temperaturo v komori. Parametre merilca določimo z dvoklikom nanj.

4.3.4 Prikazovanje temperature s pomočjo grafa

Za lažje opazovanje in razumevanje ON/OFF regulacije sem izdelal graf, ki prikazuje »set

value« in »point value«. Izberemo trend graph in dvokliknemo nanj ter določimo vse

parametre.

Slika 25: Nastavljanje parametrov v trend grafu (vir: posnetek zaslona, lastni)

Slika 24: Nastavljanje parametrov merilca temperature (vir: posnetek zaslona, lastni)

26

4.3.5 Nastavljanje željene vrednosti

Izvedena je bila opcija nastavljanja željene vrednosti temperature izklopa grelnega elementa

(žarnice) v svetlobni komori. Izbral sem push button in z desnim klikom nanj sem določil

parametre v animation editorju.

Slika 26: Določanje funkcije gumba (vir: posnetek zaslona, lastni)

4.3.6 Prikaz zagona in nastavljanja »set value«

Slika 27: Prikaz ko žarnica gori (vir: posnetek zaslona, lastni)

27

Slika 28: Prikaz izklopa žarnice in vklopa ventilatorja (vir: posnetek zaslona, lastni)

Slika 29: Prikaz nastavljanja "set value" (vir: posnetek zaslona, lastni)

28

5 LITERATURA

SPLETNI VIRI:

https://www.youtube.com/watch?v=uhs0oq_tD6c

https://www.eurotherm.com/principles-of-pid-control-and-tuning

https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller

http://www.scrigroup.com/files/limba/engleza/electronics/85_poze/image010.png

http://www.antwerpcoldstores.com/

http://www.lust.si/pridelava

http://www.omron.com.au/products/family/3221/

29

PRILOGE

Osnovna tehnična specifikacija digitalnega regulatorja Omron - E5CC

Supply voltage: 100 to 240 VAC, 50/60 Hz 24 VAC, 50/60 Hz/24 VDC

Operating voltage range 85% to 110% of rated supply voltage

Power consumption:

Option number 000: 5.2 VA max. Other option numbers: 6.5 VA max

Option number 000: 3.1 VA max./1.6 W max.

Other option numbers: 4.1 VA max./2.3 W max.

Sensor input

Thermocouple: K, J, T, E, L, U, N, R, S, B, W, PLII

Platinum resistance thermometer: Pt100, JPt100

Infrared temperature sensor: 10 to 70°C, 60 to 120°C, 115 to 165°C, 140 to 260°C

Current input *2: 4 to 20 mA, 0 to 20 mA (Input impedance: 150 Ω max.)

Voltage input *2: 1 to 5 V, 0 to 5 V, 0 to 10 V (Input impedance: 1 MΩ min.)

Control output 1/2

Relay output

SPST-NO, 250 VAC, 3 A (resistive load), electrical durability: 100,000 operations

Min. applicable load: 5 V, 10

Voltage output

Output voltage 12 VDC ±20% (PNP), max. load current 21 mA, with short-circuit

protection circuit

Current output

4 to 20 mA DC, 0 to 20 mA DC, Load: 500 Ω max. Resolution: Approx. 10,000 *3

Auxiliary output Relay outputs

Two Auxiliary Outputs SPST-NO, 250 VAC, 3 A (resistive load), electrical durability:

100,000 operations Min. applicable load: 5 V, 10 mA

Three Auxiliary Outputs or Four Auxiliary Outputs (E5EC) SPST-NO, 250 VAC, 2 A

(resistive load), electrical durability: 100,000 operations, Min. applicable load: 5 V, 10

mA

Control method 2-PID or ON/OFF control Setting method Digital setting using front

panel keys

Indication method 11-segment digital displays and individual indicators

Other functions Depend on the model Ambient temperature −10 to 55°C (with no

condensation or icing); with 3-year guarantee: −10 to 50°C Ambient humidity 25% to

85% Storage temperature −25 to 65°C (with no condensation or icing) Altitude 2,000

m max. Recommended fuse T2A, 250 VAC, time lag, low shut-off capacity

Installation environment Installation Category II, Pollution Class 2 (IEC 61010-1

compliant)

30

Osnovna tehnična specifikacija PT-100 sonde tip E52-EP6-35-2-BG1/4G-B

31

Električna shema vezave s PLC krmilnikom OMRON CJ2M

32

33

34

Električna shema vezave z univerzalnim regulatorjem OMRON E5CC

35

36