Hierarchická struktura řízení

Transkript

1 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 1 Hierarchická struktura řízení Zadání 1. Seznamte se s laboratorní úlohou realizující hierarchickou strukturu řízení a s možnostmi přístupu k jednotlivým aplikacím z různých úrovní řízení. (Teplovzdušný model, model automatické pračky). 2. Zkonfigurujte měřicí úlohu na druhé úrovni řízení a ověřte její funkčnost. 3. Proveďte měření na teplovzdušném modelu ze třetí úrovně a vykreslete naměřené hodnoty v programu Excel a vyjádřete se k průběhům. 4. Proveďte zhodnocení naměřených dat. Popis úlohy V této aplikaci jsou realizovány dvě dílčí úlohy, tj. řízení modelu automatické pračky a řízení teplovzdušného obvodu, které mohou fungovat i samostatně. Na obr. 1 je znázorněno fyzické uspořádání úlohy, zatímco logická struktura je na obr. 2. Zde je patrná programová realizace úlohy. Řízení a ovládaní teplovzdušného obvodu je možno provádět ve třech resp. čtyřech úrovních. Na nejnižší úrovni je program regul vytvořen v jazyce C, pracující na platformě MS DOS. Ten řídí prostřednictvím jednotky CTRL teplovzdušný model a to tak, že nastavuje výstupy CTRL (vstupy do teplovzdušného obvodu) a čte vstupy do CTRL (výstupy z teplovzdušného obvodu). Program regul realizuje buď dvoupolohovou, nebo PSD regulaci, nebo vícerozměrovou regulaci, podle pokynů aplikace na druhé úrovni vytvořené v systému Control Web Ta se skládá ze dvou lokálních modulů. Modul Comweb1 se stará o komunikaci s programem regul. Prostřednictvím řetězce zasílaného po RS 232 mu dodává instrukce o tom, jaký druh regulace se má použít, včetně potřebných parametrů, jaká veličina (veličiny) se má regulovat a na jakou hodnotu, a kterým snímačem (snímači) se má měřit výstupní veličina (veličiny). Modul MrSl2 zajišťuje komunikaci s vyšší, tj. 3. úrovní řízení teplovzdušného obvodu po síti LAN. Prostřednictvím TCP/IP ovladače posílá informace o naměřených hodnotách, způsobu regulace, regulované veličině, použitém snímači a přijímá instrukce nadřazené úrovně, které okamžitě předává níže. Další aplikace Control Webu sestává rovněž ze dvou lokálních modulů. Modul MrSl1 je vyšší

2 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 2 úrovní řízení pro teplovzdušný obvod a zároveň ukládá informace jak z této úlohy, tak z modelu automatické pračky, kterou řídí modul pracka prostřednictvím I/O karty PCL 711S. Internet browser Control Web - řízení modelu pračky, komunikace s druhou CW aplikací převodník zdroj PCL-711S model automatické pračky LAN TCP/IP teplovzdušný obvod řízení teplovzdušného obvodu - program v C Control Web - komunikace s programem pro řízení tpv. modelu CTRL RS232 COM2 IPC2 IPC1 COM1 COM2 RS232 Obr. 1 Schematické znázornění úlohy Control Web / Windows Control Web / Windows Pracka.cw řízení modelu pračky MrSl1.cw komunikace + nejvyšší úroveň řízení tpv. modelu + ukládání dat regulace, w, veličiny, snímače w, y, u, regulace, veličiny, snímače MrSl2.cwx komunikace Comweb1.cwx nižší úoveň řízení tpv. modelu teplota, hladina napouštění, vypouštění, ohřev, otáčení bubnu MS-DOS u, y regulace, w, snímače, veličiny, parametry model automatické pračky regul.cpp nejnižší úroveň řízení tpv. modelu u, y u, snímače, veličiny, teplovzdušný model + CTRL Obr. 2 Logická struktura úlohy

3 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 3 Teplovzdušný obvod a jednotka CTRL Teplovzdušný model má tři vstupy: napětí na ventilátoru, napětí na žárovce, napětí na bočním ventilátoru, který způsobuje poruchu. Výstupy z obvodu jsou snímače teploty a průtoku viz. tab. 1 a obr. 3. Tab. 1 Prvky teplovzdušného obvodu Akční členy Snímače out CTRL inp CTRL ventilátor 2 anemometr 6 vrtulkový průtokoměr 7 žárovka 1 fotoodpor 1 termistor 5mm od žárovky 2 termistor na žárovce 3 termistor v tunelu 4 boční ventilátor 3 fotoodpor termistory anemometr vetilátor vrtulka-průtokoměr žárovka boční ventilátor elektronické obvody napájení jednotka CTRL Obr. 3 Propojení teplovzdušného obvodu a CTRL

4 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 4 Program pro regulaci a jeho komunikace s aplikací Control Webu Následující rovnice popisuje algoritmus regulace v aplikaci na nejnižší úrovni: u T T D () k u( k 1) = k e() k e( k 1) + e() k + [ e() k 2e( k 1) + e( k 2) ] p I Ze vztahu vyplývá, že je zapotřebí uchovat dvě poslední hodnoty odchylek e(k-1), e(k-2) (e(k) je aktuální) a minulou hodnotu akčního zásahu u(k-1). T I a T D jsou integrační a derivační časové konstanty, k p je zesílení regulátoru. Tyto parametry jsou součástí datového řetězce z nadřízeného systému. Konstanta T je implicitně 1. Výsledek vztahu u(k) je přičten k minulé hodnotě vstupu do soustavy, čímž se získá aktuální hodnota vstupu do soustavy. start T T změř y e(k-2) <- e(k-1) e(k-1) <- e(k) e(k) <- w -y nastav u = u(k-1)+k p {e(k)-e}k-1)+t/t I e(k)+ T D /T[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]} ulož výsledky (u, y,e) konec Obr. 4 Algoritmus PID regulace v programu regul (jeden průchod)

5 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 5 start data na vstupu + - reguluj (parametry obsahuje vstupní řetězec) - data na vstupu + výsledky regulace zapiš na výstup čti znak - ukončení konec řetězce zapiš na výstup "000" konec - data na vstupu + čti znak konec řetězce - + ulož vstupní řetězec tiskni vstupní řetězec Obr. 5 Vývojový diagram činnosti programu regul

6 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 6 Modul comweb1 vizualizační aplikace v systému Control Web Aplikace Comweb1 je aplikace řídicí teplovzdušný model prostřednictvím programu regul. Na obr. 6 je vzhled modulu. V levé horní části se zadávají řídicí parametry pro regulaci, tlačítkem Pošli řetězec se data odešlou na sériový komunikační port. Dále je zde grafické znázornění průběhu regulace, v pravé horní části je animace znázorňující činnost řízeného objektu. Ve spodní části vlevo jsou zobrazovány řetězce odesílané a přijímané na a ze sériové linky. V pravé spodní části lze nastavovat režimy práce viz tab. 2. Podle vybraného režimu se zobrazují, nebo skrývají přístroje pro nastavování dalších parametrů. Např. pokud je vybrána regulace průtoku vzduchu pomocí změny vstupního napětí ventilátoru, je zbytečné zobrazovat snímače pro měření teploty a přístroje pro zadávání parametrů pro regulaci druhé veličiny. Obr. 6 Vzhled okna modulu Comweb1

7 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 7 Tab. 2 Režimy činností teplovzdušného obvodu Režim regulace teploty pomocí napětí na žárovce regulace teploty pomocí napětí na ventilátoru regulace průtoku vzduchu pomocí napětí na ventilátoru regulace průtoku vzduchu a teploty současně regulace tepoty pomocí napětí na ventilátoru a napětí na žárovce Použitelné snímače termistory termistory anemometr, vrtulkový průtokoměr termistory, anemometr, vrtulkový průtokoměr termistory Kromě přístrojů viditelných v okně jsou zde i neviditelné přístroje. Toto je jejich stručný popis: Komunikace pomocí standardního sériového portu je v systému Control Web realizována prostřednictvím ovladače ASCII driver. Vyslání dat na sériový port se provede zápisem do výstupního kanálu a příjem je čtení vstupního kanálu. Kromě toho jsou k dispozici kanály, pomocí kterých lze zjistit stav portu. Popis modelu automatické pračky Model je řízen pomocí diskrétních vstupů: napouštění teplé vody, napouštění studené vody, ohřev vody, vypouštění vody (čerpadlo), čtyři signály pro řízení krokového motoru (bubnu pračky). Otáčení bubnu je řízeno spínáním 40 cívek pomocí čtyř signálů. Vždy je tedy sepnuto 10 cívek, a kotva se natočí k nejbližší z nich. Tento převodník bylo třeba přizpůsobit pro připojení konektoru CANON25. Pozor na negativní logiku vstupních signálů: napouštění teplé a studené vody, zapínání čerpadla a ohřev vody. Na teplotu vody nemá vliv, jestli napouštíme studenou, nebo teplou vodu. Kontrolka teplota dosažena se rozsvítí, je-li dosaženo teploty nastavené ručně potenciometrem na modelu.

8 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 8 konektor CANON 25 převodník pro úpravu signálů zdroj napětí disrétní signály analogové signály svorkovnice ohřev vody teplota dosažena voda napuštěna voda vypuštěna studená voda teplá voda buben pračky ruční nastavení teploty čerpadlo Obr. 7 Schéma modelu automatické pračky

9 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 9 Obr. 8 Okno aplikace řídící model pračky V levé části okna aplikace je provedena vizualizace viz. obr. 8. Zde jsou vidět indikátory všech výše uvedených signálů. V pravé části lze přepínat mezi panely manuální ovládání, kde lze ovládat všechny signály vstupující do pračky a automatické řízení, odkud lze spouštět předem vytvořené programy. Programy se skládají ze sekvencí definovaných v tab. 3. Z těchto sekvencí byly vytvořeny tři základní programy: jednoduché praní, běžné praní, důkladné praní. Komunikace v síti LAN V systému Control Web 2000 jsou dva způsoby komunikace v LAN. Vytvoření distribuované úlohy složené ze vzdálených modulů (lokální moduly nemusejí komunikovat po síti), nebo vytvořením vzájemně spolupracujících aplikací pomocí TCP/IP ovladače, který je určen pro komunikaci mezi dvěma, nebo více aplikacemi po LAN, po telefonní lince pomocí modemu, nebo i po síti Internet, protože je zde využit protokol TCP/IP. Vytváření spolupracujících aplikací má proti distribuovaným aplikacím tu výhodu, že takto spolupracující aplikace jsou naprosto nezávislé. Na obr. 9 je okno modulu MrSl1, který zajišťuje nejvyšší úroveň řízení teplovzdušného modelu. Prostřednictvím TCP/IP ovladače komunikuje s modulem MrSl2,

10 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 10 odkud dostává informace o řízené technologii a pokud je třeba, může změnit, jak způsob regulace, tak i žádanou hodnotu, regulovanou veličinu a použitý snímač. Tab. 3 Automatické činnosti pračky předepírka praní máchání ždímání napustit vodu zahřát vodu (tak dlouho, dokud není dosažena teplota) točit bubnem na jednu stranu, přičemž je stále udržována teplota vyčerpat vodu napustit vodu zahřát vodu točit bubnem střídavě na jednu a na druhou stranu, přičemž je stále udržována teplota vyčerpat vodu napustit vodu točit bubnem střídavě na jednu a na druhou stranu, vyčerpat vodu točit bubnem po určitou na jednu stranu Obr. 9 Okno modulu MrSl1

11 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 11 Ukládání naměřených dat Modul Mrsl1 kromě komunikace s nižší úrovní ukládá přijatá data pomocí přístroje trend viz. obr. 10. Ten je schopen vytvářet relativní, absolutní nebo permanentní datové soubory. V tomto případě vytváří relativní minutové (každou minutu je založen nový soubor). Názvy soborů se generují podle doby vzniku (datum, hodina, minuta) Takto uložená data lze zpětně prohlížet v přístroji trend jako grafy, nebo pomocí programu InCalc jako soubor hodnot. Obr. 10 Archivace dat Zpřístupnění dat na internetu V současné době spojuje Internet stále více počítačů a je přístupný stále většímu počtu uživatelů. Za obrovské rozšíření vděčí Internet standardizaci poskytovaných služeb od elektronické pošty přes diskusní skupiny až po službu WWW (World Wide Web). Dnes využívají službu WWW největší světové firmy k prezentaci svých produktů, ale i miliony soukromých osob, školy a úřady. Control Web podporuje tři způsoby tvorby distribuovaných aplikací: Aplikace Systému Control Web spolu dokáží komunikovat po všech sítích s protokoly TCP/IP, což je pro uživatele velice výhodné a příjemné. Na každé takto pracující stanici musí být nainstalován alespoň modul Control Web Runtime.

12 Návody do cvičení - Aplikace reálného řízení 12 Prezentace dat pomocí Java appletů nemá sice takové možnosti jako komunikující moduly Control Webu, ale zato lze data zpřístupnit pomocí každého webového prohlížeče i pod jiným operačním systémem, než Windows. Nejpřístupnější je prezentace dat prostřednictvím HTTP serveru a HTML dokumentu, který je přístupný z kteréhokoliv místa na zemi. Uvedené způsoby lze vhodně kombinovat. Postup měření 1. Na IPC spusťte program regul v adresáři C:\ Na druhém systému IPC spusťte aplikace ComWeb1 v Runtime režimu. 3. Na PC připojeném v LAN spusťte aplikace Mrs1. 4. Na libovolném PC spusťte aplikaci IE a do políčka pro adresu napište IP adresu Vyzkoušejte si ovládání a nastavení parametrů regulace podle zadání. Otázky 1. K čemu je určen systém Control Web 2000? 2. Co znamená modularita systému Control Web 2000?