PRAUT - 2007-08 - Predavanje05

8/19/2019 PRAUT - 2007-08 - Predavanje05

1/40

Praktikum automatizacije

Predavanje 05 – Obrada

analognih vrijednosti PLC-om.

Upravljanje u zatvorenoj petlji.


2/40

Praktikum automatizacije -- Predavanje 05 2

Sažetak Predavanja 04 (1)• Veće količine podataka u PLC-u se spremaju u

podatkovne blokove – U podatkovnim blokovima podatci se mogu

jednostavno strukturirati u složenije podatkovnetipove

• Preglednost i ponovna uporabljivost kôdapovećavaju se upotrebom funkcija s pridruživimparametrima i funkcijskih blokova

• Statičke varijable i ulazno-izlazni parametrifunkcijskog bloka spremaju se u podatkovni blokpridružen funkcijskom bloku


3/40


Sažetak Predavanja 04 (2)• Na lokalni stog spremaju se privremene

varijable bloka i ulazno-izlazni parametrifunkcija

• Upoznali smo se s naredbama zaindirektno adresiranje u PLC-u


4/40


Pregled Predavanja 05• Princip obradbe analognih veličina PLC-om

– Spajanje analognih signala na PLC

– Rad analognih ulaznih i izlaznih modula

– Prikaz analogne vrijednosti u memoriji PLC-a• Implementacija PID algoritma upravljanja

standardnim funkcijskim blokom PLC-a


5/40


Međudjelovanje PLC-a i procesaProcesFizikalnaveličina

Standardnianalog. signal

osjetilo pretvornik

• Tlak• Temperatura• Protok• Brzina• pH vrijednost• Viskozitet• itd.

± 500mV± 1V± 5V± 10V± 20mA4...20mAitd.

DAC

PQW ...PQW ...:::PQW ...

Modul analognih izlaza

CPU

:::

:::L PIW 352

T PQW 368:

Analogniizvr. član

Fizikalnaveličina

........

..................

............

ADC

Memorija zaspremanjerezultata

PIW ...PIW ...:::PIW ...

Modul analognih ulaza

Upravljački

algoritam

MUX


6/40


Vrste senzora• Mjerni član (senzor) neke fizikalne veličine u procesu

sastoji se od osjetila i pretvornika – Osjetilo promjenu fizikalne veličine procesa pretvara u promjenu

neke svoje električke veličine (najčešće otpora):

• Temperatura u procesu otpor osjetila;

• Sila u procesu rastezanje/stezanje osjetila otpor osjetila

– Pretvornik promjenu električke veličine osjetila pretvara ustandardni analogni signal; prema tipu tog signala postoje:

• Strujni senzor (dvožični, četverožični): +/- 20 mA, 4-20 mA,...

• Naponski senzor: +/-10 V, 0-10 V, 0-5 V,...

• Neki mjerni članovi sastoje se samo od otporničkogosjetila, pri čemu se ono direktno spaja na ulazanalognog ulaznog modula – npr. Pt100 otporničkoosjetilo za mjerenje temperature


7/40


Spajanje senzora na sučelje

analognog ulaznog modula• Za prijenos analognih signala od senzora do priključnica

analognog ulaznog modula koriste se upleteni oklopljeni

vodovi• Prijenos signala se pritom obavlja diferencijalno, a na

strani modula se nalazi diferencijalno pojačalo

• Vrlo je povoljno za kvalitetu prenešenog signala da

senzor bude izoliran – U tom slučaju signalnu liniju se na strani senzora spaja na oklop,

a oklop na referentnu točku pojačala


8/40


Spajanje senzora na sučelje

analognog ulaznog modula• Često signalne linije senzora nije moguće izolirati od

okoline senzora, pa je potencijal signalnih linija vezan s

potencijalom te okoline• Tada je preporuka da se kapacitivne smetnje s plašta

odvode u jedno od uzemljenja, ili na strani senzora ili nastrani pojačala

• Kvaliteti signala značajno se, međutim, doprinosiuzemljenjem plašta na oba kraja, kada je to moguće (tj.kada struja kroz petlju uzemljenja nije prevelika) – Ponekad se radi kvalitetnog mjerenja točke uzemljenja pojačala i

senzora spajaju vodljivom metalnom šipkom


9/40


Strujni vs. naponski senzori• U industrijskom okruženju prijenos strujnog

signala pouzdaniji je od naponskog pa sesenzori sa strujnim izlazom češće susreću

• Pritom se na strani pojačala struja prolaskom

kroz otpornik malog iznosa pretvara u napon• Kod strujnih senzora moguće je upotrijebiti i

nazivni raspon signala sa živom nulom (4-20

mA), pri čemu se analognim modulom možedetektirati i prekid dovodnih signalnih žica


10/40


Izolirani i neizolirani AI moduli• Ukoliko točke referentnog

potencijala analognog ulaznogmodula (M ANA) i CPU modula (M)

nisu električki spojene, radi se oizoliranom AI modulu, inače je onneizoliran

• U pravilu je poželjno da AI modulbude izoliran, no pritom treba

pripaziti da razlika referentnihpotencijala točaka M i M ANA, U ISO,ne prijeđe granično dozvoljeniiznos

• Također kod spajanja senzora

treba obratiti pažnju da razlikanapona između signalnih vodova(M+ i M-) i referentne točke M ANA,U CM , ne prijeđe granično dozvoljeniiznos

L+ M

AI

modul

CPU

modul

ML+

M+

M-

M+M-

M ANA

UISO

UCM


11/40


Izolirani i neizolirani senzori• Izolirani senzor nije spojen niti

jednom signalnom linijom na lokalni

potencijal zemlje• Kako se u režimu izrazitihelektromagnetskih smetnji ne biprekoračio zadani iznos naponaUCM, poželjno je spojiti signalnu

liniju M- s M ANA• Neizolirani senzor spojen je jednomsvojom signalnom linijom na lokalnipotencijal zemlje; M ANA u ovomslučaju mora biti spojen na nekireferentni potencijal

• Prekomjerni UCM u ovom se slučajusprječava vodičem koji spajalokalne potencijale zemlje svihsenzora s M ANA


12/40


Spajanje naponskih senzora• Primjer izoliranih naponskih senzora

spojenih na izolirani analogni modul


13/40


Spajanje strujnih senzora• Kod strujnih senzora se

promjena električne veličine

osjetila pretvornikom pretvarau strujni signal

• Postoje dvožične ičetverožične verzijepretvornika

• Kod dvožične verzijenapajanje se pretvornikuosigurava signalnim linijamaiz modula, dok se kodčetverožične verzijenapajanje izvodi zasebno

• Kod dvožičnih pretvornika niti jedna signalna linija ne smijebiti lokalno uzemljena, dakletakvi senzori moraju bitiizolirani

Osjetila, npr.

rastezne trake

Dvožični

pretvornik

Dvožični

pretvornik

Spoj dvožičnih strujnih pretvornika na

neizolirani analogni modul

Spoj četverožičnih strujnih pretvornika

na izolirani analogni modul

Osjetila, npr.

rastezne trake

Č e t v e r o

ž i č n i

p r e t v o r n

i k


14/40


Spajanje otporničkih termometara i

otpornika

• Otporniku se privodi konstantna struja IC

putem IC+ i IC- priključnica, a mjeri senapon uspostavljen na otporniku


15/40


Vrijeme pretvorbe jednog kanala

• Vrijeme pretvorbe ulaznog analognog signala s

nekog kanala sastoji se – od vremena pretvorbe na A/D sklopu,

– dodatnog vremena potrebnog za proračun u slučaju

mjerenja otpora ili provjere prekida žice• Metode pretvorbe:

– Sukcesivna aproksimacija (brza, manje točna)

– Metoda integracije (spora -- 20 ms po kanalu plusdodatno vrijeme, točnija)


16/40


Ciklus pretvorbe na analognom

ulaznom modulu

• Kanali se pretvaraju sekvencijalno, jedan

za drugim, pri čemu se A/D sklopu signaliprivode multipleksiranjem

• Kad su kanali grupirani u grupe kanala,

tada se svi kanali iz grupe pretvarajuodjednom

• Npr., 8-kanalni ulazni modul s četiri grupe

kanala od po dva kanala – ciklus traječetiri pretvorbe


17/40


Format pretvorene vrijednosti• Rezultat pretvorbe na nekom kanalu smješta se

u njemu pripadni 16-bitni registar PIW x nasamom modulu

• Pretvorena vrijednost tumači se kao cijeli broj uintervalu [-32768,32767]

• Najčešće rezolucije mjerenja su od 8 bita +predznak do 15 bita + predznak

• Kod rezolucije manje od 15 bita, određeni brojnajdesnijih bitova riječi PIW x postavljen je uvijeku ‘0’


18/40


Adresiranje rezultata pretvorbe s

kanala

• Predodređeno položajem slota u kojem se

nalazi analogni modul, primjer S7-300:

IM 256

do

270

336

do

350

352

do

366

368

do

382

304

do

318

320

do

334

272

do

286

288

do

302

(Slanje)

Utor 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

384

do

398

400

do

414

432

do

446

448

do

462

464

do

478

480

do

494

496

do

510

416

do

430

Okvir 1

Okvir

0

Napaja-

nje

IM

(Prijem)

Napaja-

nje CPU

512

do

526

528

do

542

544

do

558

560

do

574

576

do

590

592

do

606

608

do

622

624

do

638

Okvir 2 IM

(Prijem)

Napaja-

nje

Okvir 3 640

do

654

656

do

670

672

do

686

688

do

702

704

do

718

720

do

734

736

do

750

752

do

766

IM

(Prijem)

Napaja-

nje


19/40


Pridruženje vrijednost signala - broj

Područ je

Preljev

Prekoračenje

Nazivni raspon

Podbačaj

Podljev

Mjer. podr.± 10V

Naponnpr.:

>= 11.759

11.7589:

10.0004

10.007.50:

-7.5-10.00

- 10.0004:

- 11.759

= 22.815

22.810:

20.0005

20.00016.000

::

4.000

3.9995:

1.1852

= 1000.1

1000.0:

850.1

850.0:::

-200.0

- 200.1:

- 243.0

=352.778

352.767:

300.011

300.000225.000

::

0.000

Negativnevrijednostinisumoguće

Jedinice

32767

32511:

27649

2764820736

::

0

- 32768

- 1:

- 4864


20/40


Pridruženje vrijednost signala - brojBipolarno mjerenje:

Nazivni raspon

P r e

b a č a j

P o d b a č a j

Preljev

Podljev

Analogna

vrijednost

Broj u PIW32767

32511

27648

-27648-32512

-32768

10 V

5 V

20 mA

...

-10 V

-5 V

-20 mA

...

Unipolarno mjerenje:

Broj u PIW

Analogna

vrijednost

Nazivniraspon

P o d b a č a j

P r

e b a č a j

Preljev

Podljev

27648

3251132767

0 V

1 V

4 mA

0Ω

...

10 V

5 V

20 mA

300Ω

...

-4864

-32768


21/40


Parametriranje analognih ulaznih

modula• Kod S7-300 serije

moduli su

višenamjenski, tj. istiulaz na modulu možese koristiti za raznetipove mjerenja i razne

nazivne raspone• Tip mjerenja i nazivniopseg zadaje se zapojedinu grupu kanalasklopovskom

konfiguracijom (HWConfig alat) i položajemkodnog ključića namodulu

SM331


22/40


Parametriranje analognih ulaznih

modula• Uz tip i raspon mjerenja, parametriranjem

modula moguće je i: – Podesiti tip pretvorbe i rezoluciju

– Omogućiti/onemogućiti dijagnostički prekid s modula(OB82), koji se može dogoditi zbog

• prekida signalnih žica (samo za mjerenje 4-20 mA)• događaja podljeva ili preljeva

• prekoračenja dozvoljenog iznosa U CM kod izoliranih modula

– Omogućiti/onemogućiti sklopovski prekid zbog

premašivanja donje ili gornje granične vrijednostisignala (OB40) – te vrijednosti su takođerparametrabilne


23/40


Analogni izlazni moduli• Analogni izlazni moduli mogu na

svojim kanalima davati standardne

strujne ili naponske signale (+/-10V, 0-10 V, 1-5 V, +/-20 mA, 4-20mA, 0-20 mA,...)

• D/A pretvorba na kanalima setakođer obavlja ciklički

• Analogna vrijednost na izlazukanala dobiva se D/A pretvorbom16-bitnog cijelog broja zapisanog uregistru PQW x koji se nalazi nasamom modulu i kojem se možeprogramski pristupati

• Maksimalno moguće vrijemekašnjenja između upisa podatka uPQW registar i postavljanja ispravneanalogne vrijednosti na izlaz uz naktivnih izlaznih kanala:

t 1: trenutak u kojem se u PQW registar

upisuje novi podatak

t 2 : trenutak pretvorbe

t 3: trenutak kada se ispravna analogna

vrijednost smiri na analognom izlaznom

kanalu

t A: vrijeme reakcijet Z : vrijeme ciklusa pretvorbe (n x

vrijeme pretvorbe), cca. n ms

t E : vrijeme postavljanja, ovisno o tipu

priključenog tereta, max. cca. 3 ms


24/40


Pridruženje broj – vrijednost signala

kod analognih izlaznih modulaRaspon

Preljev

Prebačaj

Nazivni raspon

Podbačaj

Podljev

Jedinice

>32511

32511:

27649

27648:0

:- 6912

- 6913:

::- 27648

- 27649:

- 32512


25/40


Standardne funkcije za rad s

podacima s analognih modula• Kod S7-300 u standardnoj biblioteci blokova, grupa TI-

S7 Converting Blocks, nalaze se funkcije FC105 i FC106

• FC105:cjelobrojni podatak u PIW analognog ulaznog modulafizikalna veličina koju se mjeri kanalom kao realni broj(volti, amperi, ohmi) ili mjerena fizikalna veličina ako je

senzor linearan (newtoni, pascali,kelvini)• FC106:

željena izlazna fizikalna veličina cijeli broj za PQWregistar analognog izlaznog modula

• Funkcijama se kao ulaze mora dati donji i gornji rubnazivnog raspona, te bit kojim se signalizira radi li se ounipolarnom ili bipolarnom tipu nazivnog raspona


26/40


Primjeri upotrebe FC105 i FC106• Na analogni ulazni kanal

(adresa PIW272) spojen je

senzor mase s linearnomkarakteristikom: – 0 kg 4 mA

– 500 kg 20 mA

• U MD16 treba zapisivati

vrijednost mase sa senzora

• Na analogni izlazni kanal(adresa PQW290) raspona +/-

10 V treba postavljati naponkoji je u voltima zapisan kaorealni broj u MD20

MD20=5.010

PQW290=1382410

I=12.68 mA

PIW272=1500010 MD16=271.2710


27/40


PID upravljanje

• Shema upravljanja (Predavanje 20, kolegij

Automatsko upravljanje)

• Regulacijsko odstupanje E(s)=R(s)-Y(s)

obrađuje se PID algoritmom te se tako

tvori upravljački signal U(s) za proces

RK 1

I T s

1 D

T s

T sν

+

( ) pG s

+

+

+

+

−

( ) R s ( )Y s( ) E s

( )PU s

( ) I U s

( ) DU s

( )U s

PID

algoritam


28/40


PID upravljanje korištenjem

standardnih funkcijskih blokova PLC-a• PID algoritam korištenjem standardnih funkcijskih

blokova izvodi se u PLC-u vremenski diskretno

– U T -ekvidistantno raspoređenim vremenskim trenutcima naduzorcima r (kT ) i y (kT ) poziv bloka je u OB35

• Parametri PID regulatora K R , T I , T D, T ν određuju se natemelju statičkih i dinamičkih svojstava (prijenosne

funkcije) lineariziranog modela procesa oko odabraneradne točke (Automatsko upravljanje, Predavanje 22) – Postupak sinteze parametara za standardne blokove obavlja se

u s-domeni te se u skladu s preporukama odredi perioduzorkovanja T :

( ) 10.63 1.05b

T ω

= ÷

1 1

10 4

r T t ⎛ ⎞

= ÷⎜ ⎟

⎝ ⎠

-- širina pojasa kontinuiranog sustava

upravljanja

-- vrijeme porasta od 10 do 90% prijelazne

funkcije kontinuiranog sustava upravljanja

bω

r t

ili


29/40


r

(PIWx) y

(PQW )u zFB41

4 mA

20 mA

T

"CONT_C"

PID upravljanje korištenjem

standardnih funkcijskih blokova PLC-a• Izlaz regulatora potrebno je prilagoditi izvršnom članu

procesa koji može biti (Predavanje 21, kolegij

Automatsko upravljanje): – Proporcionalnog djelovanja koji zahtijeva kontinuirani analogni

upravljački signal – u se prosljeđuje na izlazni analogni modul:

A n a l o g n i

i z

l a z

– Proporcionalnog djelovanjakoji zahtijeva impulsno-širinskimodulirani upravljački signal sdva stanja

– Integracijskog djelovanja kojizahtijeva impulsniupravljački signal s tri stanja

r

(PIWx) y (REAL)

(-100.0 100.0)

u

÷

FB41"CONT_C"

100%−

100%

T

FB43"PULSEGEN" (BOOL) B

T

u

B

D i g

i t a l n i

i z

l a z

r

(PIWx) y

FB42"CONT_S" u

1 (BOOL) B

2 (BOOL) B

10

00

01


30/40


Funkcijski blok FB41• Funkcijski blok PID regulatora ne sadrži samo

PID algoritam, već i standardne zaštitne iproširne funkcije industrijskog PID regulatora(Predavanje 21, kolegij Automatsko upravljanje): – Kondicioniranje upravljačkog signala i mjernog

signala iz procesa

– Smanjenje utjecaja šuma mjernog signala korištenjemzone neosjetljivosti

– Ograničenje upravljačkog signala i potrebni izlazi zaimplementaciju anti-windup funkcije

– Ručno namještanje upravljačke veličine i blagi prijelaziz ručnog u automatski način rada

Vodeća veličina REAL


31/40


Funkcijski blok FB41Vodeća veličina, REAL

Mjerena veličina, WORD

Mjerena veličina, REAL

KR, REAL

e, REALy, REAL

uP, REAL

uI, REAL

uD, REAL

Predupravljanje,

REAL

Ručno zadani iznosupravljačkog signala, REAL

Aktiviran goornji/donji limit,

obje BOOL

Kondicioniranje y:

OUT=IN*100/27648

OUT=IN*PV_FAC+PV_OFF

Kondicioniranje u:

OUT=IN*LMN_FAC+LMN_OFF

OUT=IN*27648/100

u, REAL

u, WORD

TI, TIME

TD, TIME Tν, TIME

T, TIME


32/40


Primjer (1)• Upravljanje temperaturom žarne peći

[ ]4,20 mAi∈ Aktuator

Žarna peć

Otporničko osjetilo

temperature

I Q

C I +

C I −

ANA M

M +

M −

[ ]100,600 °Cθ ∈

PLC

AI modul

AO modul

PQW300

PIW272


33/40


Primjer (2)• Neka je proces razvijanja temperature

proporcionalnog djelovanja

• Dinamika procesa se može aproksimirati s

0% 4 mA 100°C R=50

100% 20 mA 600°C R=300

i i

i i

θ θ

θ θ

= = → = → = → Ω

= = → = → = → Ω

( ) ( )

( )51

1 50

s

p

sG s e I s s

−Θ

= = +


34/40


Primjer (3)• Potrebno je PID algoritmom upravljati

temperaturom žarne peći u okolini zadane radnetočke, te pritom koristiti gotovi blok za PID

regulaciju FB41

• Korištenjem opcije ručnog moda rada potrebno

je osigurati da se proces vrati u radnu točkuΘ0=200°C ukoliko se isključi automatskaregulacija:

– I0.0=‘0’ – ručna regulacija – I0.0=‘1’ – automatska regulacija


35/40


pretpostavljamo da je u t=0 iznos upisan u integrator

Isto tako taj iznos trebamo postaviti na MAN ulaz bloka da se pri

ručnom upravljanju temperatura postavi na

Rješenje (1)• Nazivni raspon izlaznog analognog modula podešava se na 4-20

mA, a nazivni raspon ulaznog analognog modula na 0-300

• Normirana radna točka:

• Parametriramo PID regulator za sljedeću regulacijsku petlju:

RK 1

I T s

1 D

T s

T sν

+

( ) pG s

+

+

+

+

−

( ) R sΘ ( )sΘ( ) E s

( )PU s

( ) I U s

( ) DU s

( ) I s

0 I

0 I

0Θ

0 max0

max min

100% 20%Θ − Θ

Θ = ⋅ =Θ − Θ

0 020% I = Θ =

MAN=20.0


36/40


Rješenje (2)• Određeni su sljedeći parametri kontinuiranog

regulacijskog kruga:

• Simulacijom prijelazne funkcije zatvorenog

kontinuiranog regulacijskog kruga određeno jepripadno vrijeme porasta t r =5 s

– shodno tome je odabrano sljedeće vrijeme

diskretizacije:

6, 13 s, 2.5 s, T 0.5 s R I DK T T ν = = = =

0.8 sT =P_SEL=‘1’, I_SEL=‘1’, D_SEL=‘1’, GAIN=6.0, TI=T#13s, TD=T#2s500ms,

TM_LAG=T#500ms, CYCLE=T#800ms


37/40


Rješenje (3)• Referentnu veličinu regulacijskog kruga

zadavat ćemo u postotcima, a izlaznuveličinu uzimati direktno s modula:

• Analogni ulazni modul:

SP_INT=0.0%..100.0%

10

10

27648100 C 50 PIW272=50 4608

300

27648600 C 300 PIW272=300 27648

300

R

R

θ

θ

= ° → = Ω → ⋅ =

= ° → = Ω → ⋅ =

Output of

CRP_IN=4608*100%/27648=16.67%

Output of

CRP_IN=27648*100%/27648

=100.0%

PVPER_ON=‘1’

PV

PV=0.0%

PV=100.0%

PV_FAC=1.20, PV_OFF=-20.0

Kondicioniranje y:

OUT=IN*100/27648

OUT=IN*PV_FAC+PV_OFF


38/40


Rješenje (4)• Izlazna veličina PID algoritma normalno se kreće u

rasponu 0.0%-100.0%, te ćemo ju shodno tome iograničiti u bloku LMNLIMIT

• Izlaznu veličinu nije potrebno normirati pa stoga

• Blok CRP_OUT pretvorit će postotak iz intervala [0,100]u INT broj iz intervala [0,27648] kojeg s izlaza LMN_PERprebacujemo u PQW300

LMN_HLM=100.0

LMN_LLM=0.0

LMN_FAC=1.0

LMN_OFF=0.0


39/40


Rješenje (5)• CPU treba

parametrirati da seblok OB35 poziva speriodom 800 ms

• FB41 pozivamo izOB35 (spridruženim

podatkovnimblokom)


40/40


Zaključak

• Analogni moduli – Analogni signali prenose se na analogne ulazne module

diferencijalno, upletenom i oklopljenom paricom – Konkretan način spajanja ovisi o tome izvodi li se senzor kao

izoliran ili uzemljen

– Pretvoreni analogni signal zapisuje se u lokalnu registarsku riječ

kojoj je moguće programski pristupiti

• PID regulacija PLC-om – Postoje gotovi funkcijski blokovi za izvedbu PID algoritma, s

dodatnim zaštitnim funkcijama (preklapanje ručni-automatski

način rada, ograni

čenje izlazne veli

čine regulatora, mrtva zona) – Upoznali smo se s izvedbom bloka FB41 kod S7-300 serije

Documents

PRAUT - 2007-08 - Predavanje05