ABSTRAKT ABSTRACT. Klíová slova: PCT40, výukový model, Simulink, reálné procesy

Transkript

1

2

3

4 ABSTRAKT Tato diplomová práce se zabývá laboratorním výukovým modelem PCT40. Obsahuje popis a možnosti využití tohoto pístroje pi výuce pedmtu ízení reálných proces. Práce obsahuje vytvoení vzorových úloh pro regulaci výšky hladiny a regulaci teploty ve výmníku tepla. Pro tyto úkoly byly vytvoeny postupy a návody pro práci s pístrojem, které jsou souástí vzorových protokol k jednotlivým úlohám. Tyto práce obsahují popis pístroje, návody pro práci a namené výsledky. Souástí práce je i návrh metody ízení jednoho z modul pístroje PCT40. Všechny programy byly vytvoeny v prostedí Simulink programu Matlab 6.5. Klíová slova: PCT40, výukový model, Simulink, reálné procesy ABSTRACT This thesis undertakes the laboratory educational model PCT40. It contains the description and options for using of this device for classwork in Control of real processes. Thesis contains creation exemplary protocols for height level control and heat exchanger temperature control. For these exercises were made technique and guides for working with this device, witch are included in exemplary protocols of each one exercises. These protocols contain description of device, instruction for working and measuring data. A part of this thesis is a proposal for control of one module PCT40 s device. All programs were created in Simulink, a part of program Matlab 6.5. Keywords: PCT40, education simulator, Simulink, real processes

5 Yo quisiera agradecer a mi novia por todo el apoyo que me da. A dkuji také vedoucímu závrené práce panu Ing. Jiímu Vojtškovi za odborné vedení, rady a pipomínky, které mi pi ešení mé práce poskytoval. Souhlasím s tím, že s výsledky mé závrené práce mže být naloženo podle uvážení vedoucího závrené práce a editele ústavu. V pípad publikace budu uveden jako spoluautor. Prohlašuji, že na celé závrené práci jsem pracoval samostatn a použitou literaturu jsem citoval. Ve Zlín 22. kvtna Bc. Radek Pochylý

6 OBSAH ÚVOD...7 I TEORETICKÁ ÁST ZAÍZENÍ PCT Seznámení s pístrojem Software pro PCT TECHNICKÁ DOKUMENTACE VÝMNÍK TEPLA ZÁSOBNÍK NA KAPALINU CHEMICKÝ REAKTOR OSTATNÍ SOUÁSTI KALIBRACE SNÍMA SOFTWARE PRO PCT POUŽITÉ SNÍMAE Snímae tlaku Snímae teploty Snímae prtoku Diferenciální sníma výšky hladiny Snímae ph a vodivosti NÁVRH METODY ÍZENÍ...27 II PRAKTICKÁ ÁST NÁVRH REGULÁTORU VYTVOENÉ PRAKTICKÉ ÚKOLY KALIBRACE SPOJITÁ REGULACE VÝŠKY HLADINY DVOUPOLOHOVÁ REGULACE VÝŠKY HLADINY REGULACE TEPLOTY VE VÝMNÍKU, VODNÍ LÁZN A CHLADICÍ VODY...42 ZÁVR...46 ZÁVR V ANGLITIN...47 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...48 SEZNAM OBRÁZK...49 SEZNAM TABULEK...50 SEZNAM PÍLOH...51

7 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 7 ÚVOD V souasné dob se pi ízení technologických proces kladou znané požadavky na spolehlivost a pesnost ízení. Používají se rzn složitá zaízení, jejichž ízení je znan nároné. K ízení technologických proces potebujeme znát vlastnosti tchto probíhajících proces. Znát chování a pochopit innost tchto zaízení je velmi dležité pro následnou práci pi ízení tchto zaízení. Osvtlit a i pochopit procesy probíhající v praxi nám umož ují laboratorní modely skutených zaízení. Tato zaízení nám umož ují rychle a bez zdlouhavých experiment pochopit funkce a závislosti reálných zaízení. Tato práce se zabývá pístrojem PCT40 od firmy Armfield. Tento pístroj obsahuje nkolik modul pro simulaci reálných proces. Jedná se zejména o výmník tepla a o regulaci výšky hladiny v nádob. Pro tyto úlohy byly vytvoeny návody a vytvoeny vzorová mení, která budou sloužit pi výuce v pedmtu ízení reálných proces. Závrem práce bude vytvoení aplikací v prostedí Simulink programu Matlab 6.5, a vytvo- ení návod a protokol pro vzorové úlohy na pístroji PCT40. Úlohy jsou ureny pro pochopení a reálnou pedstavu o procesech, probíhajících v praxi. A už se jedná o zobrazení dynamických pochod probíhajících ve výmníku, anebo pochodech pi regulaci výšky hladiny.

8 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 8 I. TEORETICKÁ ÁST

9 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 9 1 ZAÍZENÍ PCT Seznámení s pístrojem Laboratorní výukový model PTC40 byl vyvinut k výuce ízení širokého spektra proces. Obsahuje výukový model ízení výšky hladiny, teploty, prtoku. Procesy mžou být ízeny manuáln, PID regulátorem nebo automaticky stylem on/off. Model je rozšíitelný (modulem PCT41) o chemický reaktor s mením ph a vodivosti roztoku. Model PCT40 obsahuje dva zásobníky na kapalinu, erpadla, a senzory fyzikálních veliin. Model je opaten výstupem pro komunikaci s poítaem, a to bu pomocí 60-pin nebo 50- pin konektoru, na pravé stran pístroje. Je zde i USB výstup na pední stran pístroje. Obr. 1. Celkový pohled na zaízení (1) - tepelný výmník; (2) - nádoba na kapalinu; (3 ) - chemický reaktor

10 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky Software pro PCT40 Firma (Armfield) dodává svj vlastní software pro komunikaci modelu s poítaem, resp. obsluhou. Jedná se o program od firmy Armfield Limited. S jeho pomocí mžeme pracovat buto s celých pístrojem souasn, nebo si vybereme pouze konkrétní ást pro konkrétní úlohu, nap. regulaci výšky hladiny. Pokud si vybereme konkrétní úlohu, zobrazí se nám pouze ta ást pístroje, která souvisí s danou úlohou. Do jiných ástí nemáme pístup. Program komunikuje s pístrojem pomocí USB kabelu. V programu je v nabídce nkolik již vytvoených projekt, z nichž si mžeme vybírat. Program tak neumož uje práci na novém, neodzkoušeném projektu. Obr. 2. Program PCT40 od firmy Armfield Program umož uje archivaci dat ve formátu XLS, dále kalibraci tlakových senzor, možnost výbru mezi manuálním a automatickým ízením. Dále umož uje výbr mezi automatickým ízením pomocí PID nebo proporcionálního regulátoru.

11 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 11 Program je optimalizován pro uživatelské použití, neumož uje však detailnjší nastavení regulátor, anebo sledování dílích technologických parametr.

12 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 12 2 TECHNICKÁ DOKUMENTACE 2.1 Výmník tepla Výmník tepla je tvoen nádobou, uvnit které jsou umístny chladicí spirála (1) a topná spirála. Topná elektrická spirála je vybavena dvma formami ochrany proti nechtnému pehátí systému. Je to sníma výšky hladiny, kdy spirála mže topit pouze pi dostateném zaplnní zásobníku kapalinou. A dále je to ochrana tepelná (termostat), kdy spirála netopí, pokud teplota uvnit nádoby pesáhne uritou hodnotu. Chladicí spirála je tvoena tenkou dutou trubikou, na jejímž vstupu i výstupu jsou teplomry (2). Další teplomr je uvnit nádoby. Získáváme tak informace a teplot chlazené kapaliny (uvnit nádoby) a také o vstupní a výstupní teplot chladiva. Zásobník má ti vstupn výstupní ventily (3), z toho jeden manuální. Technická data: - teplotní senzory: termolánek C - píkon topné spirály: 2kW - maximální teplota: 90 0 C

13 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 13 Obr. 3 Tepelný výmník. Prtoky tchto kapalin a tím i jejich objemy považujeme za konstantní. Tepelnou kapacitu stny oddlující ob kapaliny zanedbáváme. Ostatní technologické parametry (koeficient prostupu tepla, hustoty a mrná tepla kapalin) považujeme za konstantní. 2.2 Zásobník na kapalinu Zásobník na kapalinu je tvoen dvmi soustedn uloženými válcovými nádobami, kdy prostor vzniklý v mezikruží tvoí náš zásobník. Do tohoto zásobníku vedou dv pívodní místa pro kapalinu (1) a ti místa odtoková (2), jedná se o dva solenoidy a jednu manuální výpus. V prostoru jsou umístny sondy pro diferenciální mení výšky hladiny (3), plovák

14 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 14 jakožto limitní spína, dále je zde vývod k tlakovému senzoru, který mí výšku hladiny v nádob. Zásobník je opaten pepadem. Technická data: - maximální výška hladiny: 300mm - maximální objem kapaliny: 4l - poet vstupn-výstupních míst pro kapalinu: 2ks - poet výstupních míst pro kapalinu: 2ks solenoid (2,4 a 3,2mm) - sníma výšky hladiny: tlakový elektronický princip - diferenciální sníma výšky hladiny: elektrodový princip - limitní spína výšky hladiny: plovákový princip Obr. 4. Zásobník na kapalinu

15 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky Chemický reaktor Chemický reaktor je pídavný modul (PCT41) k modelu PCT40, umož ující simulaci chemického reaktoru s promícháváním. Je osazen sondami na mení ph a vodivosti. Modul je umístn v levé ásti pístroje, a obsahuje jeden vstupní otvor a také dva výstupní otvory, vetn manuálního. jelikož je chemický reaktor souástí jiného modelu (PCT41), nebudu se jím v této práci zabývat. 2.4 Ostatní souásti Tepelný výmník, pívodní PSV pumpa, solenoidy a ostatní souásti jsou propojeny pomocí propojovacích hadic. Tyto hadice mají dva typy ukonení, vzájemn nezamnitelné. jedná se o koncovku se zptným ventilem, koncovku bez zptného ventilu a zástrkovou koncovku. Je teba hlídat, aby se zapojovaly vhodné koncovky do jednotlivých vpustí, jinak by mohlo dojít k jejich poškození, nebo poškození modelu. Obr. 5 Ti typy hadicových koncovek Pívod kapaliny je zajišován pomocí vodovodního adu. Do jednotlivých ástí modelu je rozvádn v podstat dvma rznými zpsoby. Buto pomocí PSV pumpy (1) nebo pomocí solenoidu SOL1 (2). PSV pumpa má nastavitelný rozsah výkonu od 0 do 100%. Je vhodná

16 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 16 tedy pro spojitou regulaci pívodu tekutiny. Solenoid má dv nastavitelné polohy (on/off), je tedy uren pro dvoupolohovou regulaci pívodu tekutiny. Prtok vody do modelu je men turbínovým prtokomrem (3) umístným ped PSV pumpou. Tlak vody picházející do modelu je možno i ron nastavovat pomocí runího ventilu (4). Toho se také mnohdy využívá, protože pro správnou funkci module je poteba zajistit uritý maximální prtok tekutiny, ehož se dosahuje práv manuálním piškrcením nebo povolením ventilu. Obr. 6. PSV erpadlo, SOL1, manuální ventil a prtokomr Pro rozvod kapalin mezi jednotlivými souástmi modelu jsou zde k dispozici dv peristaltická erpadla (PUMP A,B) umož ující regulaci 0-100% svého výkonu. pro tato erpadla je uren zvláštní typ hadic, z mkkého pružného materiálu. Ty jsou opateny standardními koncovkami. Dále je zde k dispozici erpadlo na horkou vodu (HOT GEAR). Toto erpadlo použijeme pi transportu horké vody, protože jinak by mohlo dojít k poškození ostatních souástí pístroje.

17 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky Kalibrace sníma Pi práci s pístrojem PCT40 bude nkdy zapotebí kalibrovat integrované snímae. Jedná se zejména o kalibraci snímae výšky hladiny. Tento sníma pracuje na principu snímae tlaku, kdy namený tlak je pepoítávám na výšku hladiny v nádob. Kalibrace je soubor úkon, kterými se stanovuje vztah mezi hodnotami veliin, které jsou indikovány micím pístrojem a hodnotami, které jsou realizovány etalony (standardy). Budeme tedy kalibrovat nam- enou hodnotu tlaku na skutenou výšku hladiny menou manuáln délkovými midly. V principu jde o nalezení matematického vztahu urujícího pepoet mezi hodnotou tlaku a skutenou výškou hladiny v nádob. K tomuto úelu si sestavíme kalibraní tabulku, z níž získáme grafickou závislost a také matematickou závislost. Návrh této tabulky je uveden zde: Tabulka 1: Kalibraní tabulka Mení. Namený tlak [V] Skutená výška [mm] 1 2 Pozn.: Namený tlak zde má jednotky volt. Je to proto, že sníma tlaku podává pes technologickou kartu data odpovídající urité hodnot naptí. Z této tabulky mžeme jednoduše získat matematickou závislost tlaku na výšce hladiny a tím i urit pepotovou rovnici. Ta se poté použije v programech pro zpesnní mených dat. Vlastní kalibraci se provádí tak, že se postupn napouští velká nádoba. Pro zvolenou hodnotu necháme systém ustálit a poté se odete snímaná hodnotu tlaku a zaznamená skutená výška hladiny. Takto dostaneme nkolik hodnot v celém rozsahu nádoby. Po vyhodnocení získáme matematickou závislost snímaného tlaku na výšce hladiny. Tato rovnice se poté použije v jednotlivých programech pro zpesnní mených hodnot.

18 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 18 3 SOFTWARE PRO PCT40 Pro regulaci výšky hladiny a teplot ve výmníku tepla bylo poteba sestavit program, který by dokázal regulovat požadované veliiny a byl schopen komunikace a pístrojem pes poíta technologickou kartu v nm v reálném ase. Pro vytváení program jsem využil Matlabu a jeho nádstavby Simulinku. Simulink je rozšíení MATLABu, které je k dispozici už od verze 4. Využívá grafických možností hostitelské platformy. Základní podmínkou pro spuštní SIMULINKu je spuštný MATLAB. Simulink je uren na asové ešení (simulaci) chování dynamického systému. Umož uje urit asové prbhy výstupních veliin v závislosti na asovém prbhu veliin vstupních a poátením stavu. Ve spolupráci s Real Time Toolboxem lze jako vstupní data použít i pímo mené hodnoty v reálném ase. Výsledek simulace se zobrazuje nejastji graficky pomocí bloku typu osciloskop, pop. XY graf nebo Display. Další možností je výstup promnných do pracovního prostoru nebo pímo ukládat na disk. SIMULINK využívá grafický (blokový) zpsob zápisu. Z nabídky píslušné knihovny se myší petahují výkonné bloky a pak se také myší pospojují odpovídající vstupy a výstupy. Obr. 7. Bloková knihovna Simulinku Jak již bylo eeno, výsledky se mohou ukládat nap. do pracovního prostoru, tzv. Workspace. Je možné nastavit, jakým zpsobem a kdy se budou požadovaná data do pra-

19 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 19 covního prostoru ukládat a pod jakou promnou budou nadále k dispozici. Z pracovního prostoru Workspace mžeme data a promnné exportovat do jiných zobrazitelných formát, anebo ukládat jako soubory Matlabu. Matlab Real-time toolbox je uren pro synchronizaci s reálným asem a komunikaci se zaízeními z prostedí Simulink. Nabízí množství vstupn-výstupních blok s možností pístupu k micím technologickým kartám. Modul Real Time Toolbox je uren pro verze produkt Matlab a Simulink v prostedí Microsoft Windows 2000 nebo XP. Real-time toolbox umož uje komunikaci s pístrojem v reálném ase z prostedí Simulinku. K propojení slouží bloky RT In a RT Out. V dané aplikaci Simulinku musí být také umístn blok Adapter, který definuje ovlada technologické karty. Každá technologická karta musí mít svj vlastní blok v Simulinkovém schématu. V našem pípad, kdy jsou použity dv karty, tedy dva bloky Adapter. Každá mená veliina se do programu penáší pomocí standardního vstupního bloku RT In, dojde ke zpracování veliiny podle blokového schématu a výsledky jsou penášeny na akní leny na pístroji PCT40 pomocí výstupních blok RT Out. Celkové schéma se všemi snímanými veliinami je zobrazeno na Obr. 8.

20 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 20 Obr. 8. Základní Simulinkové schéma ovládání pístroje PCT40

21 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 21 Jak již bylo eeno, Simulinkový program komunikuje se zaízením pes technologickou kartu. V tomto pípad se jedná o technologickou kartu MF624 od firmy Humusoft. Je to 14-bit analogová karta s osmi vstupy a osmi výstupy, vhodná pro zapojení do real-time aplikací (nap. Real-time toolbox Matlabu) ve spolupráci se systémy Windows. Mezi aplikace, které mže obsluhovat patí: - monitorování a ízení proces - real-time aplikace - ízení servo mechanism - mení polohy - pulsní a frekvenní generátory Tato karta má osm vstup v rozsahu +- 10V a také osm výstup o stejném rozsahu a maximálním proudu 10mA. Pístroj PCT40 rozšíený o modul PCT41 (chemický reaktor) má však více než jen osm vstupn-výstupních veliin. Proto byly použity dv karty MF624, aby zajistili plnou obsluhovatelnost modelu, a pi ízení jednotlivých modul se nemuselo pepínat mezi jednotlivými kanály. Souasný stav je tedy takový, že v modelu PCT40 jsou dosažitelné všechny vstupy i výstupy souasn. Propojení karet s pístrojem PCT40 je pomocí 60-pin smrnice. Obr. 9. Technologická karta MF624 od firmy Humusoft

22 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 22 4 POUŽITÉ SNÍMAE Jsou zde použity rzné snímae fyzikálních veliin. Snímae tlaku, teploty, prtoku, snímae ph. Tyto jsou napojeny na A/D pevodníky a výstupní signál má hodnotu -5V až +5V. Signály jsou pevádny pes technologickou kartu (typ MF624 do firmy Humusoft) do poíta- e, a zpracovány v prostedí Simulink programu Matlab Snímae tlaku Mení tlaku patí mezi nejdležitjší technologické parametry, které míme. Mením tlaku získáváme informace o výšce hladiny tekutiny v nádob. Mení výšky hladiny pomocí hydrostatického tlaku je nepímé mení. Výška hladina je dána tlakem sloupce kapaliny. Mení tlaku vztahujeme k absolutnímu nulovému tlaku nebo k atmosférickému tlaku. Absolutní nulový tlak je teoretický nulový tlak v uzaveném prostoru dokonale zbaveného všech hmotných ástic. Barometrický tlak je tlak vzduchu v daném míst za skutených podmínek. Normální barometrický tlak se udává na nadmoskou výšku 0m.n.m. (tj. na hladinu moe) a pro teplotu 0 C a má hodnotu Pa. Obecn mže psobit tlak staticky a dynamicky. Tlak statický psobí v tekutin, která je klidu, psobí stejn ve všech smrech a je úmrný výšce tlakového sloupce tekutiny. [Hruška] Pro mení tlakových veliin se používají mící senzory pevádjící psobení tlaku na posuv, na sílu nebo na úhel natoení. Pro elektronické snímání psobení tlaku se používají nejastji senzory elektrického odporu, induknostní senzory, tenzometrické senzory, kapacitní senzory. Moderní snímae mají senzor a pevodník konstrukn uspoádaný do jednoho pístroje elektronického tlakomru. Výstupní signál je unifikovaný analogový signál Snímae teploty Mení teploty patí mezi nejdležitjší mené veliiny. Teplota se mí na základ rzných princip. Mezi nejpoužívanjší patí odporové snímae teploty. Tato patí k velké skupin sníma využívající zmny závislosti elektrického odporu na teplot. Materiál u použitých senzor tchto sníma uruje rozsah mení, pesnost a konstrukci. Ve snímaích se používají odporové senzory s kovového materiálu nebo z polovodi. Konstrukce odporového snímae teploty odpovídá technické praxi.

23 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 23 Termoelektrické snímae teploty jsou typem sníma pro dotykové mení teploty. Jde v podstat o senzor vytvoený spojením vybraných dvou kov. Konstrukce termoelektrického snímae teploty je shodná s provedením pro odporové snímae teploty, tedy nejastji snímae s ochrannou trubkou. Termolánkový senzor je uložen v ochranné trubce a je napojen na svorkovnici umístnou v hlavici. Pi mení teploty termolánky se musí ešit problém kompenzace teploty srovnávacího konce. Problém je zejmý z Obr. 10. Obr. 10. Schematické znázornní termolánku Termolánek je napojen ze svorkovnice mdnými vodii na micí pístroj. Mezi materiálem svorky, vodiem termolánku a mdí vznikají termoelektrická naptí úmrná okolní teplot. Tato naptí se piítají k naptí micího konce termolánku a vytváí nejistotu m- ení. V praxi jsou nejmodernjší pevodníky vybaveny automatickou kompenzací srovnávací teploty, která se snímá separátním teplomrem. Konstrukce termolánk je nejastji ešena zapojením s operaními zesilovai [Hruška] Snímae prtoku Mení prtoku a prtoného množství tekutin patí mezi nejdležitjší snímané veliiny. Tyto informace jsou využívány v regulaních okruzích pi dávkování komponent, v informaních systémech pi sledování toku tekutin a energií, atd. Nejastji se mí prtok tekutiny v uzaveném potrubí. Pro správnou funkci prtokomr je dležitý druh proudní. Pi

24 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 24 laminárním proudní se pohybují ástice po proudnicích, ty jsou rovnobžné a nekíží se. Pi turbulentním proudní dochází k vírovému pohybu proudnic, a ty se vzájemn kíží. V modelu PCT40 je použitý prtokomr turbínkový. Turbínové prtokomry se používají pro mení istých kapalin nebo plyn. Konstrukn je prtokomr ešen tak, že se na ložiskách otáí obžné kolo ve tvaru šroubovice a pod vlivem proudní tekutiny rotuje. Turbínka je mechanicky nebo magneticky spojena s mechanismem poítadla. Vyhodnocení prtoku se provádí pomocí ítae otáek Diferenciální sníma výšky hladiny V našem pípad zde máme použit i diferenciální sníma výšky hladiny a limitní sníma výšky hladiny. Tyto snímae však již nepracují na principu snímání tlaku a umož ují pouze nespojité mení výšky hladiny. Limitní sníma výšky hladiny pracuje na principu plováku, což je v podstat vlastní snímací len tohoto snímae. Plovák je tleso s velmi malou hustotou vznášející se ásten ponoený na hladin. Na konci pohybové dráhy plováku je umístn mikrospína. Tento sníma poskytuje na výstupu binární signál a lze jej tedy použít k dvoupolohové regulaci. Diferenciální sníma výšky hladiny pracuje na principu zmn vodivosti prostedí v zásobníku, kdy vodivost je snímána elektrodami. V našem pípad se jedná o dv elektrody, které v závislosti na ponoení do kapaliny mní svou vodivost. Zmny vodivosti elektrod vyhodnocujeme jako zmnu výšky hladiny kapaliny v nádob. V našem pípad se jedná o tzv. bodové mení výšky hladiny [Hruška], kdy výstupní signál je nespojitý a podává informaci pouze o úrovni hladiny, nikoliv její pesnou hodnotu.

25 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 25 Obr. 11. Diferenciální mení výšky hladiny, princip Snímae ph a vodivosti Hodnota ph je dána koncentrací hydroxoniových (vodíkových) iont. istá voda je disociovaná na hydoxoniové (H 3 O + ) a na hydroxylové (OH - ) ionty. V neutrálním prostedí je stejný poet iont hydroxoniových a hydroxylových, piemž platí, že souin koncentrací obou iont se rovná konstantní hodnot (iontový souin vody). Pro lepší pedstavu hodnoty ph se zavedlo vyjádení podle vztahu: ph=-log C H+. Na základ dohody se rozdluje prostedí na neurální ( ph=7), na kyselé (ph <7) a na zásadité (ph>7). Pro mení hodnoty ph se používá potenciometrického principu. Používá se elektrod, které obsahují mrnou a referenní ást. Mrná elektroda dává elektrický potenciál závislý na koncentraci vodíkových iont. Referenní elektroda má potenciál nezávislý na hodnot ph roztoku a obsahuje roztok (buffer) o urité hodnot ph. Micími elektrodami bývají sklenné s ústojným roztokem nebo kovové antimonové nebo vizmutové. Elektrody referenní bývají kalomelová s KCl nebo chlorido-stíbrné s roztokem KCl. Mení hodnoty ph je doplnno mením teploty sledovaného roztoku, nebo zde existuje vysoká závislost hodnoty potenciálu elektrod na teplot roztoku.

26 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 26 Elektrická vodivost je definována jako pevrácená hodnota elektrického odporu. pro elektrickou vodivost H platí tedy obecn vztah: H = 1 / R. Elektrická vodivost je vyjaduje koncentraci iont disociovaných ve vhodném roztoku. Disociované ionty a silné polární vazby mezi nimi vyvolávají vodivost elektrického proudu. Mení se provádí pomocí dvou elektrod o známé ploše a vzdálenosti. Pro mení se v praxi používá parametru mrné elektrické vodivosti, která je definovaná jako vodivost roztoku mezi elektrodami o ploše 1 cm 2 a vzdálenosti 1 cm. Nepíjemným parazitním vlivem pi mení je velká závislost vodivosti na teplot. Proto se musí výsledky mení korigovat na referenní teplotu. Elektrody mají plošný nebo válcový tvar a jsou vyrobeny nap. z Pt s vrstvou platinové erni.

27 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 27 5 NÁVRH METODY ÍZENÍ Cílem regulace je vygenerovat akní veliinu u(t) tak, aby se regulovaná veliina y(t) chovala podle pedem zadaného cíle. tímto cílem je žádaná veliina w(t). Nejúinnjším zpsobem, jak tohoto cíle dosáhnout, je použití záporné zptné vazby podle Obr. K penosu regulovaného systému G(s) je nutné nalézt penos regulátoru R(s) tak, aby regulaní odchylka e(t) byla co nejmenší. Obr. 12. Schéma regulace Existuje celá ada rzných regulaních princip a regulátor. Nap regulátory spojité x nespojité; pímé x nepímé; elektrické x pneumatické. Pi ízení technologických proces se velmi osvdily lineární spojité regulátory typu PID. Tento regulátor se skládá ze tí len (v paralelním azení): P proporcionální I integraní D derivaní Uvádí se, že až u 95% souasných prmyslových aplikací ízení je používáno regulátor typu PID. Velmi dležitým úkolem je nastavení parametr PID regulátor tak, aby regulaní obvod fungoval správn, tedy zejména, aby celý obvod byl stabilní a aby regulaní odchylka konvergovala k nule. Syntéza regulátoru dominuje teorii ízení již dlouho a existuje ada metod jak nastavit parametry regulátoru. Zde je nkolik klasických metod seízení regulátoru, které stále pro adu ízených objekt velmi dobe vyhovují.

28 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 28 1) metoda nastavení z kritického zesílení (Ziegler Nichols) 2) využití relé ve zptné vazb 3) nastavení z pechodové charakteristiky 4) Naslinova metoda V našem pípad se bude jednat o návrh regulátoru z pechodové charakteristiky. Pechodová charakteristika napouštní zásobníku na vodu se zmí tak, že bude oteven manuální ventil odtoku z nádrže a souasn pipojíme pívod vody z PSV erpadla do nádrže. Pechodovou charakteristiku získáme napouštním nádrže až do urité hodnoty. ím více vody bude v nádob, tím vyšší tlak bude psobit na odtokový ventil a bude odtékat více vody, po urité dob dojde k vyrovnání pítoku a odtoku z nádrže. Takto získanou pechodovou charakteristiku identifikujeme a podle Tabulka 2 uríme parametry PID regulátoru, který použijeme pro regulaci. Obr. 13. Princip urení parametr pechodové charakteristiky

29 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 29 Tabulka 2: Parametry PID regulátoru Pozn. = Tn / Tu, Tu se nazývá doba (as) prtahu a Tn je doba (as) nábhu. Tena se konstruuje v inflexním bod pechodové charakteristiky. Parametry P, I, D dopoítáme podle tabulky.

30 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 30 II. PRAKTICKÁ ÁST

31 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 31 6 NÁVRH REGULÁTORU Cílem regulace je vygenerovat akní veliinu u(t) tak, aby se regulovaná veliina y(t) chovala podle pedem zadaného cíle. tímto cílem je žádaná veliina w(t). V našem pípad se bude jednat o návrh regulátoru z pechodové charakteristiky. Pechodová charakteristika napouštní zásobníku na vodu se zmí tak, že bude oteven manuální ventil odtoku z nádrže a souasn pipojíme pívod vody z PSV erpadla do nádrže. Pechodovou charakteristiku získáme napouštním nádrže až do urité hodnoty. ím více vody bude v nádob, tím vyšší tlak bude psobit na odtokový ventil a bude odtékat více vody, po urité dob dojde k vyrovnání pítoku a odtoku z nádrže. Takto získanou pechodovou charakteristiku identifikujeme a podle Tabulka 2 uríme parametry PID regulátoru, který použijeme pro regulaci. Tabulka 3: Parametry PID regulátoru Pozn. = Tu / Tn, Tu se nazývá doba (as) prtahu a Tn je doba (as) nábhu. Tena se konstruuje v inflexním bod pechodové charakteristiky.

32 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 32 Pi urování parametr regulátoru jsem vycházel z namené pechodové charakteristiky. Tu mžeme vidt zde: Graf 1: Pechodová charakteristika plnní zásobníku Tuto pechodovou charakteristiku jsem identifikoval z zmených dat a uril parametry regulátoru pro regulaci. Doba prtahu inila: 2s ; doba nábhu inila: 480s. Zesílení bylo 165. Podle Tabulky 2 pro nastavení parametr regulátoru jsem uril jednotlivé parametry PID regulátoru podle následujících výpot. 1 Parametr P: 1,25 = K Parametr I: Parametr D: 2 Tu = ,5Tu = 0, , Pi identifikaci vyšly tyto parametry regulátoru: P=2; I=4; D=1. Tento regulátor se bude používat jako základní regulátor pi regulaci výšky hladiny v nádob. Výsledky regulace s tímto regulátorem mžeme vidt v kapitole 7.2.

33 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 33 7 VYTVOENÉ PRAKTICKÉ ÚKOLY V praktické ásti diplomové práce se budu zabývat vytvoením vzorových úloh na pístroji PCT40. Jedná se úlohy na regulaci výšky hladiny v zásobníku na kapalinu a regulaci teplot ve výmníku tepla. Pro regulaci výšky hladiny vytvoím dv varianty této úlohy. Pro úlohy vytvoím návody pro práci a také dané úlohy odmím a zpracuji o nich protokol. Pro tyto úlohy vytvoím programy v Simulinku programu Matlab 6.5, které jsou schopny komunikovat pes technologickou kartu s pístrojem PCT40. Pomocí tchto program bude možno regulovat pochody ve výmníku tepla a regulovat výšku hladiny v zásobníku na kapalinu. Pi regulaci výšky hladiny bude obsahem práce i návrh vhodného regulátoru pro regulaci. 7.1 Kalibrace Jak je uvedeno v návodech pro mení, musíme ped zahájením mení provést kontrolu nastavení a kalibrace pístroje. Pokud je nutná kalibrace, mžeme pístrojové senzory nakalibrovat podle následujícího Simulinkového programu PCT40_kalibrace.mdl. Run ovládáme bloky PSV 0-100% a SOL 1 on/off. Zde zadáváme výkon PSV erpadla anebo urujeme otevení solenoidu. Ostatní bloky nám umož ují odeet namených hodnot na senzorech. Z tchto hodnot se podle návodu sestrojí kalibraní kivky.

34 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 34 Obr. 14. Simulinkové schéma kalibrace senzor Získaná data graficky vyhodnotíme a získáme z nich lineární regresní závislost. Tuto pak využijeme pro zpesnní senzor. Tuto závislost budeme zadávat do zvláštních blok Simulinkového schématu, s názvem Kalib.prepocet. Podle návodu v teoretické ásti jsem provedl kalibraci senzor. Jednalo se o kalibraci senzoru výšky hladiny a kalibraci senzoru prtoku. Získaná data jsem uvedl do tabulek a pomocí funkce Linregrese v Excelu získal závislost mezi menými veliinami.

35 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 35 Tabulka 4: Kalibraní tabulka pro výšku hladiny Mení. Namený tlak [V] Skutená výška [mm] , , , , , , , , Graf 2: Kalibraní kivka Kalibraní kivka - výška hladiny Tlak [V] Výška hladiny [mm] Data Lineární (Data) Získaná závislost pomocí lineární regrese v Excelu: hladina = tlak / 0, Tuto závislost použijeme pro kalibraci senzoru v programech pro regulaci výšky hladiny, kdy pomocí této pepotové rovnice vypoítáme výšku hladiny z naptí na senzoru.

36 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky Spojitá regulace výšky hladiny Pro spojitou regulaci výšky hladiny v nádob se využije PID regulátoru. Pomocí vhodn navrženého regulátoru se reguluje výška hladiny ve velké nádob na konkrétní hodnot. Pro regulaci je vytvoen Simulinkový program PCT40_spoj_reg.mdl, se kterým budeme pi experimentu pracovat. Model musí být zapojen podle manuálu, musí být použity správné konektory a zdroje vody. Hlavní nádoba musí být ve správné pozici, použita odpovídající délka propojovacích hadic, a zkontrolováno jejich bezpené pipojení. Otok vody by ml být správn pipojen a oteven. Odtoky z SOL2 a SOL3 mají byt zavedeny do hlavního odtoku. Nyní se nastaví pítok vody do PSV pumpy. Tato hodnota je dležitá pro ízení pítoku a odtoku z nádoby. Pokud prtok není mezi hodnotami 800ml/min až 900ml.min -1, potom jej lze nastavit podle následujícího návodu. Propojí se PSV erpadlo pímo s odtokem. Povytáhne aretace na pítoku vody do pístroje. Otáením ventilu se nastaví pítok vody na hodnotu pibližn 850ml/min. Ventil se zatlaí zpt do pvodní polohy. Aktuální hodnotu prtoku zjišujeme z údaj v programu PCT40_kalibrace.mdl Matlab. Dále je teba zkontrolovat kalibraci výšky hladiny, zda zobrazované hodnoty odpovídají skuteným hodnotám výšky hladiny. Pípadnou kalibraci snímae výšky hladiny lze provést podle kapitoly 2.5. Ped vlastním mením se pístroj uvede do klidu a uzavou se pívody vody. Pro vlastní regulaci se využije PSV erpadlo, SOL2, SOL3, velkou nádobu a propojovací hadice. Propojí se PSV erpadlo se vstupem do velké nádoby, uzave manuální odtok z nádoby. Pístroj je te pipraven k experimentu. Oteve se program pro spojitou regulaci výšky hladiny PCT40_spoj_reg.mdl a nastaví se požadovaná výška hladiny, na kterou se bude regulovat. Zadají se také parametry PID regulátoru, pop. použijí pednastavené hodnoty. Spustí se program pro spojitou regulaci výšky hladiny, a tím se zane nádoba plnit vodou. Souasn pooteveme kohout na dnu nádoby, ímž simulujeme poruchu v systému anebo odbr vody z nádoby. Míra otevení kohoutu nesmí být však moc veliká, tzn. že pítok do nádoby musí být vtší než jaký je odtok. Bude probíhat regulace PID regulátorem na požadované hodnot. asový prbh výšky hladiny

37 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 37 zaznamenáváme. Zda dojde k ustálení, nebo ne a po jaké dob. Experiment se ukoní zastavením simulace. Bhem simulace se ukládají data z experimentu. Uložená data se využijí pi vyhodnocení experimentu. Úloha na spojitou regulaci výšky hladiny, která je vytvoena v Simulinku se nazývá PCT40_spoj_reg.mdl. Náhled simulinkového schématu je zde: Obr. 15. Simulinkové schéma pro spojitou regulaci Program je pro lepší orientaci barevn rozlišen. Hodnoty, které se nastavují run, jsou v barevn odlišných blocích (zelených). Nastavuje se tedy požadovaná hodnota, parametry regulátoru a také ovládání solenoid SOL2 a SOL3.

38 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 38 Mená data se ukládala do promnné spoj_reg, ze které je mžeme zobrazit v programu Matlab, nebo pevést do jiného formátu dat, nap. XLS. asový prbh probhlé regulace vidíme v Graf 3. Graf 3: Grafický prbh spojité regulace Regulace výšky hladiny, PID regulátor (P=2; I=4; D=1) hladina [mm] as [s] regulovaná vel. žádaná vel. Z grafu vidíme, že pi této regulaci má systém velké asové konstanty, což je u reálných systém bžné. Pro srovnání jsem provedl i další regulaci s jiným nastavením regulátoru.

39 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 39 Graf 4: Grafický prbh spojité regulace 120 Regulace výšky hladiny, reguláor PID (P=3; I=1; D=2) 100 hladina [mm] as [s] regulovaná vel. žádaná vel. Tato regulace se od první liší v dob, kdy dosáhne regulovaná veliina požadované veliiny. Mžeme tedy íci, že pi simulacích záleží na použitém regulátoru. Jeho nastavení se projevuje pedevším dob, za kterou dosáhneme požadované hodnoty. 7.3 Dvoupolohová regulace výšky hladiny Pro nespojitou regulaci výšky hladiny v nádob se použije diferenciálního mení výšky hladiny, kdy pomocí dvou elektrod urujeme, zda je hladina mezi dvmi nastavenými hodnotami. Blíže je princip urování výšky hladiny popsán v kapitole Využije se tedy principu uzaveného elektrického okruhu, kdy ponoené elektrody tvoí jeden pól obvodu a pi ponoení elektrody dojde k jeho uzavení. Máme zde dv elektrody, tím i dva elektrické obvody. Tím se mže urovat výšku hladiny, zda je pod, mezi nebo nad elektrodami.

40 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 40 Model musí být zapojen podle manuálu, musí být použity správné konektory a zdroje vody. Hlavní nádoba musí být ve správné pozici, použita odpovídající délka propojovacích hadic, a zkontrolováno jejich bezpené pipojení. Otok vody by ml být správn pipojen a oteven. Odtoky z SOL2 a SOL3 mají byt zavedeny do hlavního odtoku. Nyní se nastaví pítok vody do PSV pumpy. Tato hodnota je dležitá pro ízení pítoku a odtoku z nádoby. Pokud prtok není mezi hodnotami 800ml/min až 900ml.min -1, potom jej lze nastavit podle následujícího návodu. Propojí se PSV erpadlo pímo s odtokem. Povytáhne aretace na pítoku vody do pístroje. Otáením ventilu se nastaví pítok vody na hodnotu pibližn 850ml/min. Ventil se zatlaí zpt do pvodní polohy. Aktuální hodnotu prtoku zjišujeme z údaj v programu PCT40_kalibrace.mdl Matlab. Dále je teba zkontrolovat kalibraci výšky hladiny, zda zobrazované hodnoty odpovídají skuteným hodnotám výšky hladiny. Pípadnou kalibraci snímae výšky hladiny lze provést podle kapitoly 2.5. Ped vlastním mením se pístroj uvede do klidu a uzavou se pívody vody. Pro vlastní regulaci se využije SOL1, SOL2, SOL3, velkou nádobu a propojovací hadice. Propojí se solenoid SOL1 se vstupem do velké nádoby, uzave manuální odtok z nádoby. Pístroj je te pipraven k experimentu. Spustíme program pro nespojitou regulaci PCT40_nespoj_reg.mdl, tím dojde k otevení SOL1 a nádoba se zane plnit vodou. Jakmile hladina dosáhne výšky první elektrody, dojde k uzavení prvního elektrického obvodu. Hladina je nyní mezi obma elektrodami a tedy na požadované úrovni. Dochází však stále k napouštní a hladina stoupne až ke druhé elektrod. Dojde k uzavení druhého elektrického obvodu. To signalizuje, že hladina pekroila povolenou mez, je tedy nad požadovanou úrovní. V tomto okamžiku dojde k zastavení napouštní vody, SOL1 se uzave. Nyní se budou simulovat odbr vody tím, že se otevou solenoidy SOL2 nebo SOL3, pop. manuální odtokový ventil. Pokud budeme používat odtokový ventil, tak míra otevení kohoutu nesmí být veliká, tzn. že pítok do nádoby musí být vtší než jaký nastavíme odtok. Dojde ke snižování výšky hladiny v nádob. Jakmile klesne hladina pod úrove vyšší elektrody, rozpojí se elektrický obvod a hladina je na požadované úrovni.

41 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 41 Hladina však stále klesá, až pod úrove první (níže položené) elektrody. V tomto okamžiku se rozpojí elektrický obvod a to nám signalizuje, že hladina je pod požadovanou úrovní. Solenoid SOL1 se oteve a dojde k dopouštní vody v nádob. Celý cyklus se bude opakovat. Tímto zpsobem se tedy mže regulovat výšku hladiny v nádob mezi dvmi hodnotami. Bhem simulace se ukládají data z experimentu a také vidíme grafický prbh asové zmny výšky hladiny. Uložená data se použijí pi vyhodnocení experimentu. Úloha na nespojitou regulaci výšky hladiny jsem taktéž vytvoil v Simulinku, program se nazývá PCT40_nesp_reg.mdl. Náhled simulinkového schématu vidíme zde: Obr. 16. Simulinkové schéma pro nespojitou regulaci

42 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 42 Program je pro lepší orientaci barevn rozlišen. Hodnoty, které se nastavují run, jsou v barevn odlišných blocích (zelených). V tomto pípad mžeme pouze ovládat solenoidy SOL2 a SOL3. Mená data se ukládala do promnné nesp_reg, ze kterého je mžeme zobrazit v programu Matlab, nebo pevést do jiného formátu dat, nap. XLS. asový prbh probhlé regulace vidíme v Graf Graf 5: Grafický prbh dvoupolohové regulace Grafický prbh nespojité regulace výšky hladiny hladina [mm] as [s] 7.4 Regulace teploty ve výmníku, vodní lázn a chladicí vody Pro regulaci teploty na výstupní stran chladiva se použije modul teplotního výmníku, PSV erpadlo, HOT pump a propojovací hadice. Schéma zapojení je následující. Výstup u PSV erpadla se napojí na vstup do chladicí spirály (T3), a výstup ze spirály (T2) napojíme na odtok. Poté využijeme horkou pumpu (HOT pump), pomocí které budeme promíchávat obsah zásobníku. Na stranách zásobníku jsou dv vstupn-výstupní místa pro vodu. vytvo- íme obvod, kdy jeden výstup zapojíme na HOT pump a výstup z HOT pump zavedeme

43 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 43 opt zpátky do zásobníku. Vznikne tak erpadlový obvod, pomocí kterého se bude promíchávat vodu v zásobníku. Výkon HOT pump bhem experiment nastavíme na hodnotu asi 40%, což je dostaující pro míchání kapaliny uvnit zásobníku. Ped zahájením experimentu zaplníme zásobník vodou v dostateném množství, aby se vyadila pojistku proti nechtnému zapnutí topné spirály pi nezaplnném zásobníku. Jakmile je zásobník zaplnn a pístroj zapojen podle návodu, lze zahájit mení. Bude se tedy regulovat teplota na výstupu chladiva. Pro tento typ regulace je nutno zajistit, aby teplota lázn uvnit zásobníku byla asi o 20K vyšší než na jakou teplotu budeme ídit. Toto je zajištno runím ovládáním topné spirály. Vlastní regulace teploty je zajištna PID regulátorem. Simulinkové schéma regulace teploty ve výmníku je uvedeno zde: Obr. 17. Simulinkové schéma regulace teploty ve výmníku Program je pro lepší orientaci barevn rozlišen. Hodnoty, které se nastavují run, jsou v barevn odlišných blocích (zelených). V tomto pípad mžeme ovládat topnou spirálu,

44 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 44 ovládat výkon HOT pump, nastavovat požadovanou teplotu a nastavovat parametry PID regulátoru. Provedl jsem regulaci teploty na výstupní stran chladiva. Žádanou veliinu jsem nastavil na 35 C, sestavil pístroj podle návodu a provedl experiment. Grafický prbh regulace mžeme vidt zde: Graf 6: Regulace teploty ve výmníku, regulátor PID (P=5; I=2; D=2) Regulace teploty ve výmníku teplota [ C] as [s] teplota na výstupu požadovaná teplota Z grafu vidíme, že pi této regulaci má systém velké asové konstanty, což je u reálných systém bžné. Pro srovnání jsem provedl i další regulaci s jiným nastavením regulátoru.

45 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 45 Graf 7: Regulace teploty ve výmníku, regulátor PID (P=4; I=2; D=3) Regulace teploty ve výmníku teplota [ C] as [s] teplota na výstupu požadovaná teplota Tato regulace se od první liší v dob, kdy dosáhne regulovaná veliina požadované veliiny. Mžeme tedy íci, že pi simulacích záleží na použitém regulátoru. Jeho nastavení se projevuje pedevším dob, za kterou dosáhneme požadované hodnoty.

46 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 46 ZÁVR Tato práce se zabývala pístrojem PCT40 od firmy Armfield. Tento pístroj obsahuje nkolik modul pro simulaci reálných proces. Pro tyto moduly byly vytvoeny návody a vytvo- eny vzorová mení, která budou sloužit pi výuce v pedmtu ízení reálných proces. Práce s reálnými modely je dležitá a hraje nezastupitelnou roli pi výuce automatizace. Nebo skutená zaízení se chovají mnohdy jinak, než ideáln. Vytvoil jsem návody na provádní nkolika úloh na pístroji PCT40, které demonstrují jeho základní použití, a umož ují pochopit základní regulaní pochody na reálných zaízeních. Provádl jsem experimenty podle vytvoených návod a zpracoval z vzorové protokoly. regulace jsem provádl pro rzné nastavení PID regulátoru a sledoval, jak toto nastavení ovliv uje prbh regulace. Obecn lze íci, že nastavení regulátoru ovliv ovalo pouze zaátek regulaního pochodu, tedy dobu, za jakou se dosáhlo požadované veliiny. Závrem práce bylo vytvoení aplikací v prostedí Simulink programu Matlab 6.5, a vytvo- ení návod a protokol pro vzorové úlohy na pístroji PCT40. Úlohy jsou ureny pro pochopení a reálnou pedstavu o procesech, probíhajících v praxi. A už se jedná o zobrazení dynamických pochod probíhajících ve výmníku, anebo pochodech pi regulaci výšky hladiny.

47 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 47 ZÁVR V ANGLITIN This thesis was about the device PCT40 by Armfield Company. This device includes several modules for real process simulation. For these modules were made technique and guides for working with this device, witch are included in exemplary protocols of each one exercises. These guides will be usable for classwork in Control of real processes. The work with real models is important and is an unique part of education. Because real devices work many times a little bid else than ideal. I made the guides for several tasks with the device PCT40, witch can demonstrate its basic using. And can enable us to understand the basic regulation processes with the real devices. I made experiments based on guides and I made exemplary protocols. I made the regulations for several settings of PID controller, and I watched the results of simulations. We can say, that the settings of PID controller affected only the start of regulation behavior. The last part of thesis was created Simulink applications, and creation guides and protocols for exemplary tasks on device PCT40. These tasks are destined for understanding and real imagination about real processes from experience. Whether it is going about the dynamic process in exchanger image, or about the understanding the height level regulation.

48 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 48 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1]Mikeš, J. a M. Fikar: Modelovanie, identifikácia a riadenie procesov I. Vydavatelstvo STU, Bratislava, 1999 [2] Ingham, J., Dunn, I. J.,Heinyle, E., P5enosil, J.E.> Chemical Engineering Dznamics. An Introduction to Modeling and Computer Simulation. Second, Completely Revised Edition, VCH Verlagsgesellshaft, Weinheim, [3] Luyben, W. L: Process modelling, simulation and control for chemical engineers. McGraw-Hill, new York, [4] Balát, J.: Automatické ízení. BEN technická literature, Praha, [5] Manuály k modelu PCT40 od firmy Armfield [6] Prokop R., Prokopová Z., Matúš R.:Teorie automatického ízení: lineární spojité dynamické systémy, UTB Zlín 2006 [7] Hruška F.: Technické prostedky automatizace IV; UTB Zlín 2005, ISBN [8] Hruška F.: Technické prostedky automatizace III; UTB Zlín 2005, ISBN

49 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 49 SEZNAM OBRÁZK Obr. 1. Celkový pohled na zaízení...9 Obr. 2. Program PCT40 od firmy Armfield...10 Obr. 3 Tepelný výmník...13 Obr. 4. Zásobník na kapalinu...14 Obr. 5 Ti typy hadicových koncovek...15 Obr. 6. PSV erpadlo, SOL1, manuální ventil a prtokomr...16 Obr. 7. Bloková knihovna Simulinku...18 Obr. 8. Základní Simulinkové schéma ovládání pístroje PCT Obr. 9. Technologická karta MF624 od firmy Humusoft...21 Obr. 10. Schematické znázornní termolánku...23 Obr. 11. Diferenciální mení výšky hladiny, princip...25 Obr. 12. Schéma regulace...27 Obr. 13. Princip urení parametr pechodové charakteristiky...28 Obr. 14. Simulinkové schéma kalibrace senzor...34 Obr. 15. Simulinkové schéma pro spojitou regulaci...37 Obr. 16. Simulinkové schéma pro nespojitou regulaci...41 Obr. 17. Simulinkové schéma regulace teploty ve výmníku...43

50 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 50 SEZNAM TABULEK Tabulka 1: Kalibraní tabulka...17 Tabulka 2: Parametry PID regulátoru...29 Tabulka 3: Parametry PID regulátoru...31 Tabulka 4: Kalibraní tabulka pro výšku hladiny...35

51 UTB ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky 51 SEZNAM PÍLOH Píloha P I: Vzorový protokol, regulace výšky hladiny Píloha P 2: Vzorový protokol, tepelný výmník

52 PÍLOHA P I: VZOROVÝ PROTOKOL, REGULACE VÝŠKY HLADINY Univerzita Tomáše Bati ve Zlín, Fakulta aplikované informatiky Institut ízení proces Pedmt: ízení reálných model Název úlohy: Laboratorní model PCT40, regulace výšky hladiny Jméno Skupina Datum Hodnocení Zadání protokolu: Seznamte se pístrojem PCT40 od firmy Armfield. Prostudujte potebnou dokumentaci a poté na pístroji provete experiment regulace výšky hladiny. Jedná se jak o nespojitou, tak i spojitou regulaci výšky hladiny. Pi práci využijte již vytvoených Simulinkových schémat. Získané data a grafické prbhy regulací uvete do protokolu a vyhodnote. Teorie a postup: Laboratorní výukový model PTC40 byl vyvinut k výuce ízení širokého spektra proces. Obsahuje výukový model ízení výšky hladiny, teploty, prtoku. Procesy mžou být ízeny manuáln, PID regulátorem nebo automaticky stylem on/off. Model je rozšíitelný (modulem PCT41) o chemický reaktor s mením ph a vodivosti roztoku. Model PCT40 obsahuje dva zásobníky na kapalinu, erpadla, a senzory fyzikálních veliin. Ze senzor se jedná zejména o senzory tlaku, teploty, prtoku. Tyto senzory jsou propojeny s poítaem pes technologickou kartu (od firmy Humusoft) umož ující komunikaci obsluhy s pístrojem. Popis pístroje. Zásobník na kapalinu je tvoen dvmi soustedn uloženými válcovými nádobami, kdy prostor vzniklý v mezikruží tvoí náš zásobník. Do tohoto zásobníku vedou dv pívodní místa pro kapalinu a ti místa odtoková (dva solenoidy a jedna manuální vý-

53 pus). V prostoru jsou umístny sondy pro diferenciální mení výšky hladiny, plovák jakožto limitní spína, dále je zde vývod k tlakovému senzoru, který mí výšku hladiny v nádob. Zásobník je opaten pepadem. Pívod vody do rozvod pístroje je umístn na pravé stran pístroje, kde je také sníma prtoku F1. Rozvod vody do pístroje se provádí pomocí hadic s koncovkami. Je zde nkolik druh koncovek, které nesmíme zamnit. Spojitá regulace výšky hladiny: Pro spojitou regulaci výšky hladiny v nádob použijeme PID regulátoru. Pomocí vhodn navrženého regulátoru budeme regulovat výšku hladiny ve velké nádob na konkrétní hodnot. Model musí být zapojen podle manuálu, musí být použity správné konektory a zdroje vody. Zkontrolujte, zda je hlavni nádoba ve správné pozici. Použijte odpovídající délku propojovacích hadic, a zkontrolujte jejich bezpené pipojení. Otok vody by ml být správn pipojen a oteven. Odtoky z SOL2 a SOL3 mají byt zavedeny do hlavního odtoku. Nastavte pítok vody do PSV pumpy. Tato hodnota je dležitá pro ízení pítoku a odtoku z nádoby. Pokud prtok není mezi hodnotami 800ml/min až 900ml/min, potom jej nastavte podle odstavce nastavení pívodu vody. Dále je teba zkontrolovat kalibraci výšky hladiny, zda zobrazované hodnoty odpovídají skuteným hodnotám výšky hladiny. Pípadnou kalibraci snímae výšky hladiny mžeme provést podle odstavce - kalibrace. Ped vlastním mením pístroj uvete do klidu a uzavete pívody vody. Pro vlastní regulaci využijeme PSV erpadlo, SOL2, SOL3, velkou nádobu a propojovací hadice. Propojte PSV erpadlo se vstupem do velké nádoby, uzavete manuální odtok z nádoby. Pístroj je te pipraven k experimentu. Oteveme program pro spojitou regulaci výšky hladiny a nastavíme požadovanou výšku hladiny, na kterou budeme regulovat. Zadáme také parametry PID regulátoru, pop. použijeme pednastavené hodnoty. Spustíme program pro spojitou regulaci výšky hladiny, a tím se zane nádoba plnit vodou. Souasn pooteveme kohout na dnu nádoby, ímž simuluje-

54 me poruchu v systému anebo odbr vody z nádoby. Míra otevení kohoutu nesmí být však moc veliká, tzn. že pítok do nádoby musí být vtší než jaký nastavíme odtok. Bude probíhat regulace PID regulátorem na požadované hodnot. Sledujeme asový prbh výšky hladiny. Zda dojde k ustálení, nebo ne a po jaké dob. Experiment ukoníme zastavením simulace. Bhem simulace se nám ukládají data z experimentu a také vidíme grafický prbh asové zmny výšky hladiny. Uložená data použijeme pi vyhodnocení experimentu. Dvoupolohová regulace výšky hladiny: Pro dvoupolohovou regulaci výšky hladiny v nádob použijeme diferenciálního mení výšky hladiny, kdy pomocí dvou elektrod urujeme, zda je hladina mezi dvmi nastavenými hodnotami. Model musí být zapojen podle manuálu, musí být použity správné konektory a zdroje vody. Zkontrolujte, zda je hlavni nádoba ve správné pozici. Použijte odpovídající délku propojovacích hadic, a zkontrolujte jejich bezpené pipojení. Otok vody by ml být správn pipojen a oteven. Odtoky z SOL2 a SOL3 mají byt zavedeny do hlavního odtoku. Ped zahájením experimentu je poteba udlat nkolik nastavení a kontrol.nastavte pítok vody do SOL1. Tato hodnota je dležitá pro ízení pítoku a odtoku z nádoby. Pokud prtok není mezi hodnotami 800ml/min až 900ml(pozor aby to stailo odtéct!!)/min, potom jej nastavte podle odstavce - nastavení pítoku vody. Dále je teba zkontrolovat kalibraci výšky hladiny, zda zobrazované hodnoty odpovídají skuteným hodnotám výšky hladiny. Pípadnou kalibraci snímae výšky hladiny mžeme provést podle odstavce kalibrace. Ped vlastním mením pístroj uvete do klidu a uzavete pívody vody. Pro vlastní regulaci využijeme SOL1, SOL2, SOL3, velkou nádobu a propojovací hadice. Propojte SOL1 se vstupem do velké nádoby, uzavete manuální odtok z nádoby a zkontrolujte, pop. nastavte výšku elektrod u vrcholu nádoby. Zkontrolujte také jejich zapojení. Pístroj je te pipraven k experimentu. Spustíme program pro nespojitou regulaci PCT_spoj_reg.mdl, tím dojde k otevení SOL1 a nádoba se zane plnit vodou. Jakmile hladina dosáhne výšky první elektrody,dojde