Návod k úloze sekvenční řízení laboratorního modelu reaktoru

Transkript

1 Návod k úloze sekvenční řízení laboratorního modelu reaktoru Náplní laboratorní úlohy je vytvoření programu pro sekvenční řízení laboratorního modelu reaktoru programovatelným automatem (PLC Programmable Logic Controller) ve vývojovém prostředí Concept. Model představuje reaktor s míchadlem, topením, přívodem vody, přívodem roztoku anorganické soli a vypouštěním. Je osazen měřením teploty, koncentrace a úrovně hladin. Cílem sekvenčního řízení je zajistit, aby proces s několika různými fázemi (např. napuštění, reakce a vypuštění), probíhal podle zadaného postupu, a aby byly v každé fázi zajištěny požadované podmínky (např. teplota). 1. Popis pracoviště Pracoviště je tvořeno fyzikálním modelem reaktoru, programovatelným automatem TSX Momentum a počítačem. Obr. 1: Celkový pohled na laboratorní stanici 1.1 Model reaktoru Model reaktoru je tvořen nádobou vybavenou míchadlem a elektrickým topením. Míchadlo a topení jsou nezávisle ovládána ve smyslu zapnuto/vypnuto. Do nádoby je přes dva solenoidové ventily (V1 a V2) přiváděna voda z vodovodu. Přes solenoidový ventil V4 je ze zásobníku umístěného vlevo nahoře přiváděn roztok anorganické soli o známé koncentraci. Vypouštění obsahu reaktoru je ovládáno ventilem V3. Nádoba je osazena kapacitními čidly hladiny L1, L2 a L3 pro řízení a bezpečnostním čidlem hladiny pro blokování topení v případě nízké úrovně kapaliny. Teplota je měřena platinovým odporovým teploměrem a koncentrace soli vodivostním senzorem. 1

2 1.2 Ovládání stanice Pracovní stanice se zapíná a vypíná síťovým vypínačem ZAP/VYP, který je umístěn v dolní části předního panelu vpravo. Po jeho zapnutí PLC neobsahuje žádný program, všechny ventily jsou zavřeny. Pod reaktorem se nacházejí tlačítka označená St, Sp a Pr, kterými operátor ovládá proces (vstupy PLC). Tato tlačítka mohou mít různou funkci podle zadaného programu a jejich označení plyne z nejčastěji jim přiřazovaných funkcí v programech: start (St), stop (Sp) a přerušit (Pr). Pod reaktorem se dále nachází signalizační dioda s označením Z1 (výstup PLC), kterou lze využít pro oznámení určitého stavu procesu operátorovi. Obr. 2: Ovládací prvky laboratorní stanice 1.3 Programovatelný automat Do programovatelného automatu jsou shora přivedeny vstupní signály z čidel a tlačítek podle značení na předním panelu. Tab. 1: Vstupní digitální signály Číslo Označení Popis Hodnota 1 1 L1 dolní čidlo hladiny v reaktoru (prázdný reaktor) hladina nad čidlem 2 L2 střední čidlo hladiny v reaktoru (pracovní hladina reaktoru) hladina nad čidlem 3 L3 horní čidlo hladiny v reaktoru (plný reaktor) hladina nad čidlem 4 ST tlačítko operátora St stisknuto 5 SP tlačítko operátora Sp stisknuto 6 PR tlačítko operátora Pr stisknuto Tab. 2: Vstupné analogové signály Číslo Označení Popis 1 T teplotní čidlo 2 C vodivostní čidlo 2

3 Obr. 3: PLC s označením vstupů a výstupů (na obrázku jsou dobře patrné diody signalizující stav digitálních vstupů a výstupů) Zdola jsou z programovatelného automatu vyvedeny výstupní signály podle značení na předním panelu. Tab. 3: Výstupní digitální signály Číslo Označení Popis Hodnota 1 1 V1 ovládání ventilu 1 pro napouštění vodou ventil otevřen 2 V2 ovládání ventilu 2 pro napouštění vodou ventil otevřen 3 V3 ovládání vypouštěcího ventilu ventil otevřen 4 M1 ovládání míchadla míchadlo zapnuto 5 Z1 ovládání signalizace operátorovi dioda rozsvícena 6 P ovládání topení topení zapnuto 7 V4 ovládání ventilu pro přívod roztoku soli z nádrže ventil otevřen Aktuální stav digitálních vstupů a výstupů lze zjistit na automatu podle stavu zelených diod. 2. Vývojové prostředí Concept Při tvorbě programů pro ovládání modelu bude využíváno vývojové prostředí Concept V2.6 pro programování PLC značky Modicon. Programy budou psány v jazyce funkčních bloků (FBD Function Block Diagram) a jazyce sekvenčních diagramů (SFC Sequential Function Charts). Počítač s programem Concept V2.6 s PLC komunikuje prostřednictvím protokolu Ethernet po lokální počítačové síti. Program vytvářený v Conceptu se skládá z jedné nebo více sekcí, které lze programovat v různých jazycích. Sekce jsou součástí tzv. projektu, který představuje program ukládaný do PLC. Nutnou součástí projektu je také konfigurace PLC (typ PLC, vstupy a výstupy, atd.). 2.1 Konfigurace PLC Při vytvoření nového projektu příkazem File New Project se automaticky otevře okno PLC Configuration, ve kterém se nastavuje vše potřebné pro komunikaci Conceptu s PLC. 3

4 Obr. 4: Okno pro konfiguraci PLC V okně PLC Configuration se poklepáním na oblast Type v sekci PLC otevře dialog PLC Selection, ve kterém lze vybrat typ PLC. V našem případě jsou správné hodnoty pro PLC Family: Momentum a pro CPU/Executive: 171 CCC IEC, ostatní ponecháme a potvrdíme. Obr. 5: Nastavení typu PLC Tím jsme nastavili typ procesoru a obslužného programu obsaženého v PLC. Dále je třeba nastavit typ vstupně/výstupního modulu připojeného k desce procesoru. Poklepáním na položku I/O Map v okně PLC Configuration se otevře dialogové okno s názvem I/O Map (nebo příkazem Configure I/O Map), kde lze vyplnit vlastnosti rozšiřovacích modulů PLC. Klepnutím na tlačítko se třemi tečkami ve sloupci Edit se otevře okno s názvem Local Momentum Drop, v němž je třeba nastavit typ modulu. 4

5 Obr. 6: Nastavení vstupně/výstupních rozšiřovacích modulů K nastavení typu modulu je třeba klepnout na tlačítko se třemi tečkami ve sloupci Module. Obr. 7: Nastavení typu modulu a adres vstupů a výstupů Tím se otevře okno I/O Module Selection pro výběr typu modulu, kde je třeba vybrat modul s názvem 170-ANR , který se nalézá v kategorii Analog Mixed a potvrdit. Obr. 8: Výběr typu modulu 5

6 V okně Local Momentum Drop je nutné dále vyplnit adresy vstupů a výstupů. Do sloupce In Ref patří počáteční adresa řady analogových vstupů a je třeba ji nastavit na hodnotu Do sloupce s názvem Out Ref patří počáteční adresa řady analogových výstupů a měla by obsahovat hodnotu Koncové adresy řad vstupů a výstupů se doplní automaticky podle jejich počtu. Obr. 9: Nastavení rozsahů adres analogových vstupů a výstupů (digitální vstupy jsou realizovány pomocí analogových) Provedená nastavení jsou nutná pro každý nový program (projekt). Tuto konfiguraci lze do PLC nahrát buď samostatně nebo společně s programem příkazem Online Download. Před nahráním je třeba navázat s PLC komunikaci. 2.2 Komunikace s PLC Concept s PLC komunikuje pomocí protokolu TCP/IP prostřednictvím Ethernetu. Spojení s PLC se provádí příkazem Online Connect. V dialogovém okně Connect to PLC je tedy třeba nastavit protokol TCP/IP a IP adresu PLC, která je Potvrzením dialogu se naváže spojení. Obr. 10: Dialogové okno pro připojení k PLC 6

7 2.3 Pomocné uživatelsky definované bloky Pro tuto laboratorní úlohu byly v Conceptu vytvořeny tři uživatelské funkční bloky, které zjednodušují vývoj programu pro sekvenční řízení. Jsou to bloky: PLC pro zpracování vstupů a výstupů, REG_T pro regulaci teploty v modelu reaktoru pomocí topení a přídavku vody a REG_C pro regulaci koncentrace soli v nádrži pomocí přídavku roztoku soli a přídavku soli Blok PLC Funkční blok PLC je určen pro zjednodušené čtení a zápis digitálních vstupů resp. výstupů automatu. Blok také zabezpečuje převod standardních signálů z čidel teploty a vodivosti na hodnoty v inženýrských jednotkách. Obr. 11: Uživatelsky definovaný blok PLC Tab. 4: Parametry bloku PLC Parametr Datový typ Význam V1 BOOL Ovládání ventilu pro přítok kapaliny V2 BOOL Ovládání ventilu pro přítok kapaliny V3 BOOL Ovládání ventilu pro odtok kapaliny V4 BOOL Ovládání ventilu pro přítok roztoku M1 BOOL Ovládání motoru míchadla Z1 BOOL Ovládání diody umístěné na panelu s tlačítky P BOOL Ovládání topné spirály Input_1 WORD 2. adresa řady analogových vstupů Input_2 WORD 3. adresa řady analogových vstupů Input_3 WORD 4. adresa řady analogových vstupů Output WORD 8. adresa řady analogových výstupů ST1 BOOL Signál generovaný tlačítkem na panelu PR1 BOOL Signál generovaný tlačítkem na panelu SP1 BOOL Signál generovaný tlačítkem na panelu T REAL Teplota kapaliny v nádrži ve C C REAL Koncentrace kapaliny v nádrži v g/l Level1 BOOL Signál ze snímače hladiny u dna nádrže Level2 BOOL Signál ze snímače hladiny uprostřed nádrže Level3 BOOL Signál ze snímače hladiny v horní části nádrže Pro správnou funkci tohoto bloku je třeba připojit ke vstupům input_1, input_2 a input_3 a výstupu bloku output adresy odpovídajících analogových vstupů a analogového výstupu. 7

8 2.3.2 Blok REG_T Funkční blok REG_T slouží pro regulaci teploty v reaktoru. Je tvořen PID regulátorem a algoritmem pro převod analogového výstupu regulátoru na digitální signály ovládající akční členy (pulzní modulace). Obr. 12: Uživatelsky definovaný blok REG_T Vstupy bloku jsou žádaná hodnota SP, hodnota regulované veličiny PV a parametry regulace. Výstupy bloku jsou regulační odchylka ERR, analogová hodnota akčního zásahu Y_Reg a dva digitální výstupy Y_Pos a Y_Neg pro ovládání dvoupolohových akčních členů, které v případě regulace teploty odpovídají ohřevu resp. chlazení. Na vstup PV je třeba připojit proměnnou odpovídající hodnotě teploty ve C. Tab. 5: Parametry bloků REG_T a REG_C Parametr Datový typ Význam SP REAL Žádaná hodnota regulované veličiny PV REAL Hodnota regulované veličiny ModePID Mode_PID Režim regulátoru (typ regulátoru) ParaPID Para_PID Parametry regulátoru YMAN REAL Výstup regulátoru v manuálním režimu Y_Reg REAL Výstup regulátoru ERR REAL Regulační odchylka ParaPWM Para_PWM Parametry pulzní modulace Y_Pos BOOL Ovládání akčního členu pro kladné hodnoty výstupu regulátoru Y_Neg BOOL Ovládání akčního členu pro kladné hodnoty výstupu regulátoru Blok má již nastaveny vhodné parametry pro správnou funkci regulátoru. Parametry není možné měnit bez nutnosti jejich ladění Blok REG_C Funkční blok REG_C slouží pro regulaci koncentrace soli v reaktoru. Je tvořen PID regulátorem a algoritmem pro převod analogového výstupu regulátoru na digitální signály ovládající akční členy (pulzní modulace). Obr. 13: Uživatelsky definovaný blok REG_T Blok REG_C je obdobou bloku REG_T, jeho parametry mají stejný význam jako u bloku REG_T. Na vstup PV je třeba připojit proměnnou odpovídající hodnotě koncentrace v g/l. Výstupy Y_Pos a Y_Neg odpovídají přítoku roztoku soli resp. ředění vodou. 8

9 2.4 Použití připravených bloků Při řešení laboratorní úlohy bude první sekcí programu, kterou je třeba vytvořit sekce v jazyce funkčních diagramů (FBD), která bude obsahovat potřebné pomocné bloky PLC a REG_T nebo REG_C podle zadání. V nakonfigurovaném projektu se sekce vytvářejí pomocí příkazu File New Section. V dialogovém okně New Program Section je třeba zvolit typ sekce a nastavit jméno sekce. Obr. 14: Vytvoření nové sekce programu Funkční bloky se do programu vkládají pomocí dialogu FFBs from Library IEC, který se vyvolává pomocí příkazu Objects FFB selection. Kromě základních bloků Conceptu (typ EFB) jsou odtud také dostupné uživatelsky definované bloky (typ DFB), mezi kterými jsou i bloky PLC, REG_T a REG_C. Obr. 15: Dialog pro vkládání bloků do FBD sekce Pokud v dialogovém okně není zobrazena oblast DFB Type, je ji možné zobrazit klepnutím na tlačítko DFB. 2.5 Nastavení bloku PLC Po vložení bloku PLC je třeba připojit k jeho vstupům a výstupům vhodné proměnné. Na vstupy a výstup uvedené níže je třeba připojit adresy dané konfigurací PLC podle obrázku a popisu. 9

10 Obr. 16: Připojení adres analogových vstupů a výstupů k bloku PLC Na vstup bloku input_1 je třeba připojit adresu analogového vstupu %300002, který ve skutečnosti nese informace o digitálních vstupech (L1, L2, L3, ST, SP a PR). Blok PLC převádí hodnotu z tohoto vstupu na odpovídající výstupy Level1, Level2, Level3, ST1, SP1 a PR1, ke kterým je třeba připojit vhodné proměnné programu. Na vstup bloku input_2 je třeba připojit adresu analogového vstupu %300003, na který je ve skutečnosti přiváděn signál z čidla teploty (hardwarový analogový vstup číslo 1). Z výstupu bloku označeného T lze potom získat hodnotu teploty ve C. Na vstup bloku input_3 je třeba připojit adresu analogového vstupu %300004, na který je ve skutečnosti přiváděn signál z vodivostního čidla (hardwarový analogový vstup číslo 2). Z výstupu bloku označeného C lze potom získat hodnotu koncentrace v g/l. K výstupu bloku output je třeba připojit adresu analogového výstupu %400008, který ve skutečnosti představuje sadu digitálních výstupů (V1, V2, V3, V4, M1, P a Z1). Na tuto adresu blok PLC posílá analogovou hodnotu odpovídající hodnotám jeho vstupů V1, V2, V3, V4, M1, P a Z1 na, které je třeba připojit vhodné proměnné programu. 2.6 Nastavení bloků REG_T a REG_C Nastavení parametrů bloků REG_T a REG_C se řídí stejnými postupy a principy. Zde bude tedy vysvětlen postup správného nastavení bloku REG_T s vysvětlením funkce jednotlivých parametrů. Po vložení bloku do sekce je třeba připojit k jeho vstupům a výstupům předem připravené proměnné. Hodnoty těchto proměnných a tím parametry bloku lze měnit i v průběhu řízení. K nastavení parametrů bloku se lze dostat poklepáním na blok. Otevře se tak dialogové okno s názvem Function Blok: REG_T, ze kterého lze klepnutím na tlačítko Advanced otevřít tzv. Advanced Monitor, kde je možné nastavovat hodnoty proměnných připojených k bloku. Složené parametry se rozbalí po klepnutí na znaménko +. 10

11 Obr. 17: Dialogové okno bloku REG_T Obr. 18: Advanced monitor pro nastavování parametrů bloku Nestrukturované parametry Nestrukturované vstupní parametry jsou: žádaná hodnota pro regulovanou veličinu SP zadávaná v inženýrských jednotkách a aktuální hodnota regulované veličiny PV. Je-li proměnná odpovídající 11

12 parametru PV připojena k výstupu bloku PLC nemá smysl její hodnotu nastavovat, protože bude vždy okamžitě přepsána. Stejně tak nemá smysl nastavovat hodnoty parametrů ERR (regulační odchylka), Y_Pos (digitální výstup pro akční zásah kladného typu topení), Y_Neg (digitální výstup pro akční zásah záporného typu chlazení) a Y_Reg (hodnota analogového výstupu regulátoru). Obr. 19: Advanced monitor se zobrazením parametrů bloku ModePID Parametry ve struktuře ModePID Aby byl regulátor zapnut (automatický režim regulátoru) musí být parametry man a halt nastaveny na hodnotu FALSE (logická 0). Pokud se parametr man nastaví na TRUE (logická 1) přepne se regulátor do manuálního režimu. V manuálním režimu je na výstup regulátoru kopírována zadaná v parametru Yman (viz strukturu ParaPID níže). Parametry en_p, en_i a en_d nastavují typ regulátoru podle následující tabulky. Tab. 6: Nastavení typu regulátoru pomocí parametrů ve struktuře ModePID Typ regulátoru en_p en_i en_d P PI PD PID I Parametry ve struktuře ParaPID Ve struktuře ParaPID jsou obsaženy parametry PID regulátoru. Gain představuje zesílení regulátoru (proporcionální konstanta), Ti je integrační časová konstanta regulátoru a Td je 12

13 derivační časová konstanta regulátoru. Časové parametry se zadávají jako časový údaj ve formátu t#00s. Parametry ymax a ymin udávají rozmezí hodnot výstupu regulátoru. Tyto hodnoty musí odpovídat hodnotám parametrů up_pos a up_neg ze struktury ParaPWM (viz níže). Pokud by nebyly hodnoty ve stejném poměru došlo by k chybnému převodu na pulzní signál a i při správných hodnotách parametrů regulátoru by regulaci neprobíhala správně. Do parametru ymin se zadávají záporné hodnoty a do ymax hodnoty kladné. Hodnoty je vhodné volit tak, aby bylo možné si představit jak velký je akční zásah. Např. volbou rozmezí (100, -100), kdy hodnota 100 znamená nejvyšší možnou hodnotu výstupu regulátoru (např. 100% výkonu) nebo (50, -50) kdy hodnota 50 znamená opět 100% výkonu. Záporná hodnota dolního rozsahu výstupu akčního zásahu se volí kvůli převodu na pulzní hodnoty. Kladné hodnoty výstupu regulátoru Y_Reg se převádí na pulzní signál Y_Pos a záporné hodnoty Y_Reg se převádí na pulzní signál Y_Neg. V případě ohřevu kapaliny slouží výstup Y_Pos pro ovládání topné spirály a Y_Neg pro ovládání ventilu pro ochlazování obsahu reaktoru vodou. Obr. 20: Advanced monitor se zobrazením parametrů bloku ParaPID Parametry ve struktuře ParaPWM Ve struktuře ParaPWM jsou obsaženy parametry pro pulzní modulaci. Parametr t_period je délka periody, t_min je minimální délka periody a t_max je maximální délka periody. 13

14 Obr. 21: Advanced monitor se zobrazením parametrů bloku ParaPWM Průběh výstupní parametru Y_Pos reprezentuje kladnou hodnotu výstupní veličiny Y_Reg. Platí, že Y_Pos=1, když t_pause = t_brake = 0 a t_max = t_period. Průběh výstupního parametru Y_Neg prezentuje zápornou hodnotu výstupní veličiny Y_Reg a platí, že Y_Neg=1, když t_pause = t_brake = 0 a t_max = t_period. Obr. 22: Grafické znázornění smyslu parametrů struktury ParaPWM 14

15 2.7 Záznam dat Pro zobrazení průběhu vybraných proměnných v grafickém nástroji Conceptu je třeba označit požadované parametry v Advanced monitoru pomocí tlačítko CTRL a klepnout na tlačítko Graphics. Po otevření okna s názvem Concept Graphic Tool se začnou data zobrazovat v grafu. Obr. 23: Popis okna grafického nástroje Conceptu Záznam probíhá zprava do leva v zadaném časovém intervalu s jemností podle zadaného počtu bodů. Parametry zápisu lze měnit pomocí příkazu Options Graphic. Obr. 24: Nastavení zobrazovaného intervalu v grafickém nástroji Conceptu Počet zobrazovaných bodů záznamu je limitován hodnotou 400 a interval záznamu je maximálně ms což nám poskytuje prostor pro zobrazení cca 60 minut. V praxi je přijatelný záznam na 200 bodů s intervalem ms (16 minut). Hodnoty parametrů zápisu se musí nastavovat podle rychlosti sledovaných dějů. Příkazem Graphic Scaling je možné nastavovat rozsah vertikální osy a toto nastavení je možné uložit příkazem Options Save. 15

16 Obr. 25: Nastavení rozsahu zobrazovaných proměnných v grafickém nástroji Conceptu 3. Úkoly 1. Sestavte diagram sekvenčního řízení podle zadání. 2. Vytvořte v Conceptu program realizující sekvenční řízení podle zadání s využitím uživatelsky definovaných bloků PLC a REG_T a/nebo REG_C. 3. Ověřte funkci programu a zdokumentujte ji pomocí grafů s průběhem řízení, které získáte sejmutím obrazovek grafického nástroje Conceptu. 4. Sepište protokol o laboratorní úloze. 16