1. UVOD Regulacije parametrov v procesih so ena izmed najpomembnejših podro

1. UVOD

Regulacije parametrov v procesih so ena izmed najpomembnejših področij v tehniki nasploh, saj si naprave brez regulatorja skoraj ne moremo niti zamisliti.

Sem spadajo tudi procesi regulacije nivojev. Pojavljajo se skoraj v vseh oblikah industrije, kot so naftna, kemična, farmacevtska, jedrska, v hidroenergetiki, medicini,…

Regulacijo nivojev uporabljamo v procesih, kjer potrebujemo v posodah ali rezervoarjih konstanten tlak oz. pretok kapljevin, saj so s tem določena razmerja pri mešanju le – teh, konstanten nivo pa ima pomembno vlogo tudi pri različnih hladilnih oz. ogrevalnih sistemih ter pri sistemih za pridobivanje električne energije.

Pri tem ima zelo pomembno vlogo avtomatizacija vodenja procesov, saj omogoča enostavno in optimalno vodenje procesa z najmanjšimi stroški in visoko natančnostjo.

Avtomatizirani sistemi so tudi bolj varni, saj zmanjšajo možnost človeške napake, s predvidevanjem možnih dogodkov, pa lahko vnaprej določimo obnašanje sistema v primeru okvare. Omogoča tudi daljinsko vodenje sistemov, ki je predvsem pomembno pri sistemih s prostorsko porazdeljenimi procesi.

Študentje avtomatike na FERI, Maribor že preko petnajst let spoznavamo delovanje in možnosti regulacije nivoja in pretoka na stenskem laboratorijskem modelu v Laboratoriju za procesno avtomatizacijo. V tem modelu imamo posodo s stalnim dotokom vode, nivo v posodi pa reguliramo s črpanjem vode iz posode. Nivo merimo s senzorjem nivoja na osnovi merjenja razlike med zunanjim in hidrostatičnim tlakom na dnu posode, regulacija nivoja pa je izvedena s pomočjo analognega PID regulatorja.

Pomanjkljivost starega procesa je predvsem nizka stopnja avtomatizacije in pa starost tehnologije. Zato smo se odločili da bomo zgradili novo modelno napravo, ki bo študentom pomagala pri spoznavanju dela z avtomatiziranimi sistemi z novejšo tehnologijo.

Najprej smo naredili načrt za izgradnjo naprave, določili smo fizično postavitev elementov in zgradili ohišje. Določili smo potrebne senzorje, končna stikala in izvršne člene. V laboratoriju smo že imeli dva LENZE – ova frekvenčna pretvornika, zato smo se odločili za regulacijo nivojev s pomočjo frekvenčno vodenih črpalk. Snovanje sistema je opisano v drugem poglavju.

Nadaljevali smo s sestavo krmilja. Vezalni načrt smo naredili s programom WSCAD, ki je namenjen risanju električnih vezalnih shem. V podjetju ATES, v Slovenski Bistrici, smo z njihovo strokovno pomočjo montirali potrebne elemente v elektro omaro in naredili povezave. Sestava krmilja je opisana v tretjem poglavju. V tem poglavju je predstavljen tudi OMRON – ov na dotik občutljivi zaslon, s pomočjo katerega bomo vodili proces in njegovo programiranje s programom NT Series Support Tool. Na koncu tega poglavja smo opisali še OMRON – ov programabilni krmilnik CJ1G, s pomočjo katerega smo izvedli avtomatizacijo in regulacijo modela. Krmilnik smo programirali s programom CX – Programmer.

V četrtem poglavju je opisano vodenje procesa. Regulacijo smo izvedli s pomočjo PI regulatorja, ki pa je izveden kot program v krmilniku. Parametre regulatorja smo določili po metodi Ziegler – Nichols in sicer za več delovnih točk. Na podlagi izračunanih parametrov smo sestavili adaptivni regulator in ga zapisali v program kot opcijo vodenja.

Na koncu poglavja so prikazani odzivi reguliranega sistema na spremembe želenih vrednosti in odzivi na motnje.

V sklepnem poglavju smo predstavili rezultate dela, opisali smo probleme, ki so se pojavljali pri avtomatizaciji in podali smernice za nadaljnji razvoj in izboljšave modelne naprave.

2. MODELNA NAPRAVA ZA VODENJE NIVOJA

2.1 Opis

Shema modelne naprave za vodenje nivoja je prikazana na sliki (sl. 2.1). Sistem sestavljajo tri posode, dve pokončni posodi (P1 in P2) različnih dimenzij in rezervoar za vodo (P3). Vodo črpamo z dvema frekvenčno vodenima črpalkama (Č1 in Č2) iz spodnje posode (rezervoarja) v pokončni posodi. V pokončnima posodama merimo nivoja s senzorjema za nivo (N1 in N2), v vseh treh posodah pa so nameščena tudi končna stikala (KS1, KS2 in KS3), ki skrbijo, da se voda ne prelije iz posod oz., da ne zmanjka vode v rezervoarju. Izhodne pretoke uravnavamo z elektromotornimi ventili (EMV1 in EMV2), elektromotorni ventil (EMV3) pa tudi povezuje obe pokončni posodi. Med posodama je vgrajen tudi ročni ventil (V1) za ročno uravnavanje pretoka med posodama. Poleg tega je nameščenih še pet ročnih ventilov, dva pred črpalkama (V2 in V3) in dva za črpalkama (V4 in V5), ki omogočajo izklop črpalk iz sistema ob popravilih ter en ventil (V6), ki služi za polnjenje oz. praznjenje sistema.

Slika 2.1: Shema modelne naprave za vodenje nivoja

2.2 Zgradba modelne naprave

Na sliki (sl. 2.2) je prikazana skica, kako smo načrtovali fizično postavitev elementov modelne naprave:

Slika 2.2: Skica fizične postavitve elementov naprave

Pokončni posodi smo že imeli v laboratoriju in sicer naslednjih dimenzij:

Manjša posoda (P1):

- zunanje mere: 150 mm × 150 mm × 1250 mm - notranje mere: 145 mm × 145 mm × 1250 mm

(volumen posode je 26,3 L)

Večja posoda (P2):

- zunanje mere: 300 mm × 150 mm × 1250 mm - notranje mere: 295 mm × 145 mm × 1250 mm

(volumen posode je 53,4 L)

Ker mora volumen spodnje posode biti vsaj tolikšen kot je vsota volumnov pokončnih posod, smo ob rezervi skoraj 40 L, izračunali naslednje dimenzije rezervoarja (P3):

- zunanje mere: 1250 mm × 500 mm × 200 mm - notranje mere: 1245 mm × 495 mm × 190 mm

(volumen posode je 117,1 L)

Ogrodje, ki naj bi držalo posode in elektro omaro, smo sestavili iz aluminijastih profilov, ki so prikazani na sliki (sl. 2.3):

Slika 2.3: Dimenzije aluminijastih profilov

Dokončno tehnološko skico smo narisali s programom Visio in je prikazana na slikah (sl. 2.4) in (sl. 2.5). Pri tem so uporabljeni profili označeni kot P.1 (profil št. 1) in P.2 (profil št. 2). Mere so zapisane v metrih.

V-1

V-1 V-1V-1 Posoda

št. 1 Posoda

št. 3

Posoda št. 2

P.1

P.2

P.1 P.1

P.1

P.1 P.1

P.1

P.1

P.1 P.1 P.1 P.1

Črpalka št. 2 Črpalka št. 1

1,25

0,50 0,70

0,57

0,28

Elektro omara

Slika 2.4: Tehnološka skica modelne naprave (tloris)

V-3 0,30

V-1 V-1

0,19

0,77

1,25 V-2

V-3 V-4

0,70 0,51

0,43

0,20

0,15

0,11 0,15 0,30

1,25 0,10

Posoda št.3

Posoda št.3 Posoda

št.1 Posoda

št.2 Posoda

št.2

0,39

Pogled brez krmilne omare

1,10

0,27 0,80 0,30

P.1

P.2 P.1

P.1

P.1

P.1

P.1P.1

P.1

P.1

P.2 P.2 P.1 P.2 P.1

P.1 P.1

P.1 P.1

P.1

P.1 P.1

P.1 P.1

P.1 P.1

Kolo Kolo Kolo Kolo Kolo

Pogled od zadaj Pogled s strani

Črpalka št. 1 Črpalka št. 2

Črpalka št. 2

P.1 P.1

KS1 KS2

N1 N2

KS3 EMV3

V4 V5

V-3

V6

Elektro omara

EMV2

V2 V4

Slika 2.5: Tehnološka skica modelne naprave

Elektromotorni conski krogelni ventil

V procesu uporabljamo dva Firšt – ova elektromotorna ventila tipa EMV 110, serije 602 za reguliranje izhodnih pretokov iz pokončnih posod in en elektromotorni ventil tipa EMV 110, serije 800 za nastavljanje pretoka med posodama. Vsi trije ventili so namenjeni za pretoke neagresivnih tekočin in plinov do 16 barov. Vgrajena imajo mikrostikala, ki prekinejo zapiranje oz. odpiranje ventila, ko le – ta doseže skrajni položaj. Priključki so izvedeni z notranjim cevnim navojem. Vanj smo navili nastavke in jih povezali z bakrenimi cevmi sistema, z gumijastimi cevmi pa smo jih povezali z nastavki na posodah.

Ventili imajo tudi možnost ročnega vodenja. Tehnični podatki so zapisani v tabelah 2.1 in 2.2:

Tabela 2.1: Tehnični podatki elektromotornega ventila EMV 110, serija 602 Napajalna napetost 230 V, 50/60 Hz

Zmogljivost mikrostikal 5 (1) A, 250 V, 50 Hz Čas prevrtitve 30 s za 90°

Temperatura okolice Od 0 °C do max. 50 °C Temperatura medija Od 0 °C do 130 °C

Max. Delovni tlak 16 bar

Tabela 2.2: Tehnični podatki elektromotornega ventila EMV 110, serija 800 Napajalna napetost 230 V, 50 Hz

Zmogljivost mikrostikal 5 (1) A, 250 VAC Čas prevrtitve 30 s za 90°

Temperatura okolice od 0 °C do max. 50 °C Temperatura medija od 0 °C do 130 °C

Max. Delovni tlak 16 bar Razred izolacije motorja F 140 °C

Podrobnejše lastnosti, karakteristike in vezalne sheme elektromotornih ventilov so v Prilogi A.

Merilnik nivoja

Za merjenje nivojev v posodah P1 in P2 smo uporabili Eltra – ine merilnike nivoja PPI 100. Merilnik je sestavljen iz tlačnega senzorja in precizne elektronike, ki sta montirana v ohišju iz nerjavečega jekla. Posebna izvedba priključnega kabla omogoča prehod zračnega (atmosferskega) tlaka do vhoda tlačnega senzorja. Na drugi vhod tlačnega senzorja deluje preko vmesne membrane atmosferski tlak povečan za tlak, ki ga povzroči višina merjene tekočine. Razlika tlakov povzroči spremembo izhodnega signala, ki jo elektronika pretvori v tok od 4 do 20 mA. Tehnični podatki merilnika so zapisani v tabeli 2.3, na sliki (sl. 2.6) pa je prikazana karakteristika izhodnega toka v odvisnosti od nivoja. Vezalna shema merilnika je v Prilogi A.

Tabela 2.3: Tehnični podatki merilnika nivoja

Napajanje 12 VDC do 27 VDC

Merilno območje 0 m do 4 m

Izhodni signal 4 mA do 20 mA

Temperatura medija – 40 °C do + 85 °C Nelinearnost in histereza Max. 0,5 % merilnega območja Vpliv napajalne napetosti 0,05 % /V

Ponovljivost ± 0,1 % merilnega območja Vpliv temperature medija (0 do 70 °C) max. ± 1,5 % mer.obm.

Slika 2.6: Karakteristika izhodnega toka v odvisnosti od nivoja

4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Višina nivoja h /m

Izhodni signal /mA

Končno stikalo

Kot končna stikala v posodah smo uporabili Omron – ova kapacitivna stikala E2K – X4MF2. Ker imajo nizki izhodni tok, smo jih vezali preko relejev. Delujejo kot normalno zaprta stikala, tako da dobimo na izhodu tok (logična »1«), kadar stikalo ne zazna objekta (vode), ko pa ga zazna, pa je izhod enak nič (logična »0«). Stikala smo uporabili kot zaščito pred izlitjem vode iz pokončnih posod (KS1, KS2) oz. kot zaščito črpalk pred

»suhim« delovanjem (KS3). V tabeli 2.4 so prikazani tehnični podatki kapacitivnih stikal, na sliki (sl. 2.7) pa je prikazana vezava končnega stikala na rele in odziv v odvisnosti od prisotnosti objekta. Podrobnejše lastnosti stikal in navodila za uporabo so priložena v Prilogi A.

Tabela 2.4: Tehnični podatki kapacitivnih stikal E2K – X4MF2

Napajanje 12 VDC do 24 VDC

Reagira na razdalji < 4 mm

Izhodni signal Max. 200 mA

Poraba Max. 15 mA

Frekvenca odziva Min. 100 Hz

Temperatura okolice – 25 °C do + 70 °C

Slika 2.7: Vezava končnega stikala na rele in odziv stikala

Centrifugalna črpalka

Za črpanje vode iz rezervoarja (P3) v pokončni posodi smo uporabili dve trofazni centrifugalni črpalki Elektrokovina, VO55N. Črpalki smo priključili na Lenze – ova frekvenčna pretvornika, ki enofazno napetost pretvorita v trofazno in ju krmilili s frekvenco od 0 do 50 Hz. Črpalki sta že imeli vgrajena ventilatorja, ki sta se vrtela skupaj z rotorjema, vendar smo ju, zaradi spremenljivih hitrosti zamenjali z električnima. Tehnični podatki črpalk so podani v tabeli 2.5.

Tabela 2.5: Tehnični podatki centrifugalnih črpalk VO55N Napajanje 3 × 220 V, vezava zvezda

Moč 1,1 kW

Pretok Od 0,4 L/s do 1,3 L/s

Nazivni vrtljaji 2820 min^-1

Frekvenca Max. 50 Hz

Nazivni tok 1,7 A

Frekvenčni pretvornik¹

Za vodenje črpalk smo uporabili Lenze – ova frekvenčna pretvornika tipa 8200 Vector E82EV751S2B (sl. 2.8). Frekvenčni pretvornik pretvori enofazno napetost v trofazno, z analognim vhodom na funkcijskem modulu »Standard« pa nastavljamo izhodno frekvenco od 0 do 50 Hz.

Slika 2.8: Frekvenčni pretvornik Lenze, 8200 Vector

1 Povzeto po [7].

Frekvenčni pretvornik priključimo na napetost 240 V, tako kot je prikazano na sliki (sl.

2.9). Odločili smo se za enofazno napetost z dvema varovalkama.

Slika 2.9: Možnosti priključitev napajanja frekvenčnega pretvornika

Na spodnjo stran frekvenčnega pretvornika priključimo črpalko. Pretvornik ima tudi možnost priključitve toplotnega senzorja, ki služi kot toplotna zaščita črpalke. Shema priključitve črpalke je prikazana na sliki (sl. 2.10).

Slika 2.10: Priključitev črpalke na frekvenčni pretvornik

Frekvenčni pretvornik lahko krmilimo z napetostnimi ali tokovnimi signali. Signal pripeljemo na sponke funkcijskega modula »Standard«, kot je prikazano na sliki (sl. 2.11).

Vrsto krmilnega signala in njegovo območje izberemo s pomočjo DIP stikala in z vpisom

primerne kode (C0034) v modul. Kodo vpisujemo s pomočjo ročnega terminala, ki je prikazan na sliki (sl. 2.12).

Slika 2.11: Priključitev krmilnega signala na funkcijski modul

Slika 2.12: Ročni terminal za programiranje frekvenčnega pretvornika

Krmiljenje frekvenčnih pretvornikov smo izvedli s tokovnim signalom v območju od 4 do 20 mA, tako da smo DIP stikalo nastavili na: 1 – OFF, 2 – OFF, 3 – ON, 4 – ON, 5 – OFF; v kodo C0034 pa smo zapisali pod – kodo »1«. Izmerjena karakteristika frekvenčnega pretvornika v odvisnosti od vhodnega signala, je prikazana na sliki (sl. 2.13).

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00

4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 Vhodni signal - tok /mA

Izhodna frekvenca /Hz

Slika 2.13: Karakteristika frekvenčnega pretvornika v odvisnosti od vhodnega signala

V tabeli 2.6 so opisane lastnosti in možnost uporabe posameznih sponk funkcijskega modula »Standard«, v tabeli 2.7 pa so predstavljene pomembnejše lastnosti frekvenčnega pretvornika.

Tabela 2.6: Definicije posameznih priključnih sponk funkcijskega modula »Standard«

X3/ Vrsta signala Funkcija Območje Tehnični podatki

8 Analogni vhod Signal za nastavljanje izhodne frekvence

0 V … +5 V 0 V … +10 V –10 V … +10 V 0 mA … 20 mA 4 mA … 20 mA

Resolucija: 10 bit Linearnost: ±0,5 % Vpliv tepmperature: 0,3

% (0 … 60 °C)

62 Analogni izhod Izhodna frekvenca 0 V … 10 V

Resolucija: 10 bit Linearnost: ±0,5 % Vpliv tepmperature: 0,3

% (0 … 60 °C)

28 Vklop/izklop pretvornika 1 = START

E1 E2

E1 JOG1 1 0

JOG2 0 1

E2

Digitalni vhodi

Aktiviranje JOG² frekvenc JOG1 = 20 Hz JOG2 = 30 Hz

JOG3 = 40 Hz JOG3 1 1

Vhodna upornost: 3,3 kΩ

»1« (+12V … +30 V)

»0« (0 … 3 V)

2 JOG frekvence so vnaprej nastavljene frekvence, ki jih dobimo na izhodu ob primerni uporabi digitalnih vhodov E1 in E2. Imajo prednost pred analognim vhodom.

E3 DC zavora (DCB) 1 = DCB aktivna E4 CW 0

E4 Spremeni smer vrtenja

CW/CCW

CCW 1

A1 Digitalni izhod Daje signal – pripravljen 0/20 V Breme: 10 mA

9 - Notranje napajanje +5,2 V Breme: 10 mA

20 - Notranje napajanje za digitalne vhode

in izhode +20 V Breme: 40 mA

59 - DC napajanje za A1 +20 V

7 - GND1, referenčni potencial za analogne

signale -

39 - GND2, referenčni potencial za digitalne

signale -

Tabela 2.7: Pomembnejši tehnični podatki frekvenčnega pretvornika

Napajanje 1/N/PE AC 240 V

Vhodni tok 9 A

Moč 0,75 kW

Frekvenca napajalne napetosti 50 Hz

Izhodni tok 4 A

Max. izhodni tok (60 s) 6 A

Teža 0,95 kg

Temperatura okolice – 10 °C do 40 °C Izhodna frekvenca – 480 Hz do 480 Hz Resolucija izh. frekvence 0,02 Hz Linearnost izh. frekvence ± 0,5 %

Analogni vhodi/izhodi 1 vhod, 1 izhod

Digitalni vhodi/izhodi 4 vhodi, 1 vhod za vklop, 1 izhod

Pri uporabi frekvenčnih pretvornikov moramo biti predvsem pozorni na motnje, ki jih le – ti povzročajo. V našem primeru sta pretvornika povzročala motnje v merilnikih nivoja in sicer spremembo izhodnega toka tudi do +0,5 mA (14 % merilnega območja). Motnje smo zmanjšali s posebnimi toroidinimi jedri, okoli katerih smo navili kable črpalk in kable

napajanj pretvornikov. Odstopanje merilnikov nivoja pri frekvenci 50 Hz sedaj znaša okoli 1 %. Obliko in dimenzije toroidnega jedra vidimo na sliki (sl. 2.14).

Slika 2.14: Toroidno jedro

Za dodatno zaščito pred motnjami smo na ohišje naprave privili bakreno cev, v katero smo speljali kable črpalk in ventilatorjev. Kable senzorjev, končnih stikal in elektromotornih ventilov smo speljali preko montiranih kanalnikov v elektro omaro.

Realizirana modelna naprava je prikazana na sliki (sl. 2.15).

Slika 2.15: Realizirana modelna naprava

3. KRMILJENJE PROCESA

Krmiljenje procesa smo izvedli z Omron – ovim programabilnim krmilnikom CJ1G.

Nanj smo preko analogne vhodne enote priključili oba merilnika nivoja. Z analogno izhodno enoto krmilimo frekvenčna pretvornika, z digitalnimi vhodi preko relejev spremljamo stanja končnih stikal, z digitalnimi izhodi pa preko relejev odpiramo in zapiramo elektromotorne ventile.

Za lažje vodenje in upravljanje z modelno napravo, smo krmilnik povezali z NT terminalom, t.j. na dotik občutljivim zaslonom, preko katerega lahko spremljamo stanja veličin procesa, postavljamo želene vrednosti parametrov in izbiramo med različnimi načini vodenja.

Ker smo želeli zgraditi kompaktno modelno napravo, ki bi imela celotno krmilje na enem mestu, smo se odločili sestaviti elektro omaro in vanj vgraditi ter povezati vse potrebne komponente.

3.1 Elektro omara

Uporabili smo zidno omaro velikosti 500 mm × 800 mm × 300mm, ki smo jo kasneje z vijaki pritrdili na aluminijasto ogrodje modelne naprave. Na vrata omare smo vgradili glavno stikalo (Q), tipko za vklop krmilja (S1), ki vsebuje tudi signalno lučko (H), zaskočno tipko (S2) za zasilni izklop in NT terminal.

Ob zagonu naprave moramo najprej vključiti glavno stikalo, nato pa s pritiskom na tipko (S1) vklopimo kontaktor (K2.1), preko katerega dobi napajanje celotna naprava. S pritiskom na tipko za zasilni izklop (S2) se napajanje prekine, ponoven vklop pa je zopet možen ko tipko izvlečemo.

V omari imamo montažno ploščo, na katero smo pritrdili štiri montažne letve:

Na najvišjo letev smo pritrdili:

varovalke Schrack, (F0) – tri polna, 25 A, (F1 in F2) – dvo polni, 10 A in (F3) – dvo polna, 4 A,

priključne sponke (X5) – sponke za merilnike nivojev,

napajalnik Schrack (T), LP702103, 0,072 kVA, 50 Hz, PRI 230 V – 400 V, SEC 24 VDC, 3 A.

Na drugo letev smo pritrdili:

krmilnik OMRON CJ1G, CPU 44 z moduli ETN11, AD081 – V1, DA041, OC211 in ID211,

Frekvenčna pretvornika (FP1 in FP2) sta pritrjena v isti višini kot krmilnik, vendar direktno na montažno ploščo.

Na tretji letvi imamo:

enajst relejev (K1.1, K1.2, K1.3, K1.4, K1.5, K1.6, K2.2, K2.3, K2.4, K2.5, K2.6), Schrack, PT570024, štirje delovni in štirje mirovni kontakti,

kontaktor (K2.1), Schrack, LAB0323, tri polni, za vklop / izklop napajanja.

Na spodnji letvi imamo:

priključne sponke (X0) – sponke za napajanje modelne naprave, priključne sponke (X1) – sponke za priključitev črpalk,

priključne sponke (X2) – sponke za priključitev elektromotornih ventilov, priključne sponke (X3) – sponke za priključitev končnih stikal,

priključne sponke (X4) – sponke za priključitev ventilatorjev.

Releji K1.1 do K1.6 so uporabljeni za odpiranje oz. zapiranje elektromotornih ventilov (EMV1, EMV2, EMV3), releji K2.2, K2.3 in K2.4 so uporabljeni za ojačenje signalov, ki jih dobimo iz končnih stikal (KS1, KS2, KS3), releja K2.5 in K2.6 pa služijo za vklop / izklop frekvenčnih pretvornikov oz. za vklop / izklop ventilatorjev na črpalkah.

Med montažnimi letvami so pritrjeni kanali širine 40 mm in višine 80 mm, po katerih smo speljali inštalacijske kable. Za ožičenje znotraj omare smo uporabili kable različnih barv in presekov:

črni kabli, preseka 2,5 mm²: za napajanje do varovalk, od varovalk (F1, F2) do frekvenčnih pretvornikov (FP1, FP2), od FP1 in FP2 do priključnih sponk za črpalke (X1) in od varovalke (F3) do napajalnika (T),

rdeči kabli, preseka 1,5 mm²: od varovalk naprej za izmenične signale (razen za naštete v zgornji alinei),

modri kabli, preseka 0,75 mm²: za nizkonapetostne signale, rumenozeleni kabli, preseka 2,5 mm²: za ozemljitev,

RS-232C kabel: za komunikacijo med krmilnikom in NT terminalom.

Kabli so v omaro speljani skozi uvodnice na spodnji levi strani, razen kabla merilnikov za nivo, ki sta speljana skozi zgornjo stranico omare. Tudi priključne sponke merilnikov so na zgornji letvi in sicer zato, da se izognemo kablom iz frekvenčnih pretvornikov, ki bi lahko še povečali motnje v merilnikih. Notranjost elektro omare je prikazana na sliki (sl.

3.1).

Slika 3.1: Notranjost elektro omare

3.2 Risanje načrta elektro omare s programom WSCAD 4.0³

Za našo nalogo smo uporabili demo verzijo programa, ki ne potrebuje ključa, ponuja pa vse funkcije licenčne verzije, le izpis na tiskalnik je omejen na 8 elementov oz. 2 % risalnega pomnilnika. Z licenčno verzijo pa tudi ni mogoče obdelovati datotek, ki so bile narejene ali spremenjene z demo verzijo programa.

Po uspešni inštalaciji programa WSCAD za Windows V4.0 in zagonu le – tega se prikaže okno, ki ga vidimo na sliki (sl. 3.2).

Slika 3.2: WSCAD za Windows V4.0

Do vseh ukazov lahko pridemo s pomočjo menijev, najpogosteje uporabljeni ukazi pa se nahajajo v ukazni vrstici v obliki ikon.

Ko želimo začeti z ustvarjanjem novega načrta, izberemo meni Datoteka / Nova in prikaže se okno, kamor vpišemo ime nove datoteke ter lokacijo, kamor naj datoteko shrani.

3 Povzeto po [1].

Ime prve strani načrta mora imeti končnico .001, vsaka naslednja stran, ki spada v isti načrt pa se shrani za eno vrednost več (npr.: .002, .003, …). Na ta način program upošteva da strani spadajo v isti načrt, med stranmi pa lahko preklapljamo s tipkama PgDn in PgUp, ali pa z ikonama v ukazni vrstici.

Za pomoč pri risanju imamo lahko prikazano mrežo, katere razmik lahko nastavimo v meniju Nastavitve / Možnosti (sl. 3.3). Tu lahko nastavimo še razne druge opcije, kot so velikost in orientacija strani, merske enote, robovi, avtomatsko povezovanje, pravokotni način, točkovno premikanje in podobno.

Slika 3.3: Meni Nastavitve / Možnosti

Na sliki (sl. 3.4) je prikazan meni Nastavitve / Splošne nastavitve. V tem meniju lahko nastavimo lastnosti datotekam, imenikom, kontaktorjem in PLC modulom, sponkam in kablom, navzkrižnemu dodeljevanju, tiskanju, …

Slika 3.4: Meni Nastavitve / Splošne nastavitve

V novi načrt moramo najprej narisati okvir, kar najlažje storimo z ukazom Datoteka / Vstavi risalni makro, s katerim lahko vstavljamo že pripravljene dele načrtov v svoj načrt.

Da lažje najdemo posamezne komponente v načrtu, je le – ta razdeljen na oštevilčene vertikalne pasove. Preko te številke v kombinaciji s številko strani lahko s pomočjo navzkrižnega dodeljevanja enostavno najdemo določeno komponento.

Meni Prosto risanje vsebuje ukaze za risanje linij, pravokotnikov, krogov, lokov, besedil in enostavnih besedil, poleg tega pa še ukaz za ponovitev prejšnjega ukaza, kopiranje, brisanje, razveljavitev ukaza, nastavitev barv, širine in tip linij.

V meniju Izbriši/Premakni so ukazi za premikanje, vlečenje, rotiranje, zrcaljenje, kopiranje in brisanje objektov. Pri vsakem od teh ukazov pa imamo možnost izvedbe ukaza nad enim objektom, več objekti, enim oknom ali več okni.

Parametri elementov

Vsak element je opisan z naslednjimi parametri:

• referenčno ime,

• ime elementa,

• številka artikla,

• funkcijsko besedilo,

• tip elementa.

Vsaka komponenta ima svoje referenčno ime, ki je sestavljeno iz referenčne črke in številke, s tem da imajo elementi enakega tipa enako referenčno črko. Pri izbiri tipa elementa pa imamo naslednje možnosti:

• standard,

• tuljava,

• kontakt,

• sponka,

• kabelski vodnik,

• glavni element,

• stranski element,

• kontaktni križ.

Vstavljanje elementov iz knjižnice

Najprej moramo izbrati ustrezno knjižnico, katero najdemo v meniju Načrt / Knjižnica.

Iz seznama vseh knjižnic izberemo ustrezno glede na vrsto elementa, ki ga iščemo.

Elemente iz knjižnic pa lahko vstavljamo tudi s pomočjo orodnih vrstic z ikonami, ki predstavljajo posamezne elemente. Orodne vrstice si lahko urejamo sami, v njih pa imamo lahko elemente iz katerekoli knjižnice.

WSCAD vsebuje tudi urejevalnik elementov, s katerim lahko po želji spreminjamo že obstoječe elemente iz knjižnice ali pa ustvarjamo povsem nove elemente. Imamo možnost urejanja tipa elementa, njegovih parametrov, oblike, priključkov.

Baza podatkov

Poleg tega pa WSCAD omogoča tudi uporabo baze podatkov (sl. 3.5). Če imamo omogočeno jemanje vrednosti iz baze podatkov, se nam ob izboru elementa iz knjižnice pokaže seznam ustreznih elementov iz baze podatkov. Pokažejo pa se nam tisti elementi, ki imajo enak parameter Izbor kot izbrani element iz knjižnice.

Med številnimi podatki, ki jih lahko vpišemo v bazo za posamezen element, so najpomembnejši naslednji:

• ime,

• številka artikla,

• proizvajalec,

• besedilo,

• izbor,

• dimenzije.

Slika 3.5: Baza podatkov

Avtomatske funkcije

Risanje načrtov v WSCAD – u zelo poenostavijo številne avtomatske funkcije:

• avtomatsko oštevilčenje,

• avtomatsko navzkrižno dodeljevanje,

• seznam materiala,

• seznam povezav,

• spončna lista,

• upravljalec kontaktov,

• spremenljivke,

• PLC lista.

Kot smo že omenili je vsak element opremljen z referenčnim imenom, ki je sestavljeno iz črke in številke. Referenčna črka pomeni tip elementa, funkcija avtomatskega oštevilčenja pa poda številko, ki edinstveno identificira posamezen element.

Funkcija avtomatskega navzkrižnega dodeljevanja je uporabna za sorodne linije, kontaktorje in PLC – je z glavnimi ter stranskimi elementi, saj omenjenim elementom doda številko, ki je sestavljena iz koordinate in številke strani, kjer se nahaja pripadajoči element. Navzkrižno dodeljevanje lahko uporabimo za konce linij, ki imajo enako ime in se nadaljujejo na drugi lokaciji, na primer na drugi strani (sl. 3.6). Pri kontaktih nam služi kot povezava med tuljavami in pripadajočimi kontakti, pri krmilnikih pa navzkrižno dodeljevanje povezuje glavne in stranske elemente.

Slika 3.6: Navzkrižno dodeljevanje sorodnih linij

Program lahko tudi sestavi kompleten seznam uporabljenega materiala (sl. 3.7), ki vsebuje ime, številko, proizvajalca, referenčno ime, stran in pozicijo, funkcijo, tip, izbor in oznako.

Slika 3.7: Seznam uporabljenega materiala

Za razčlenjen pregled nad sponkami, ki povezujejo notranje elemente elektro omare z zunanjimi, lahko generiramo spončno listo, ki predstavlja nazoren prikaz vseh uporabljenih sponk in poleg oznake spončne letve in posameznih sponk prikazuje zunanje in notranje ciljne elemente, stran in pozicijo, ime in vrsto uporabljenih kablov ter mostičke.

Zelo uporabno orodje programa WSCAD je tudi Upravljalec kontaktov, ki nadzoruje vse elemente tipa tuljava in kontakt, ki sestavljajo releje in kontaktorje. Skrbi tudi za navzkrižno dodeljevanje med tuljavami in pripadajočimi kontakti. Na shemi kontaktov, ki pripada k določeni tuljavi, je jasno razvidna zasedenost kontaktov in pozicija, kjer se nahajajo posamezni kontakti (sl. 3.8).

Slika 3.8: Navzkrižno dodeljevanje kontaktov

Funkcija Spremenljivke omogoča avtomatsko razdelitev določenega teksta na vseh straneh na enaki poziciji. S tem se izognemo ponovnemu vnašanju podatkov, kot je naslov, datum, avtor in podobno na vsak nov list.

Vse zgoraj naštete funkcije in lastnosti zelo poenostavijo delo s programom WSCAD.

Načrtovanje vezij je hitro in učinkovito, označevanje posameznih elementov pa poveča preglednost in natančnost načrta, kar je zelo pomembno tudi pri kasnejših posegih v vezje.

Načrt elektro omare, ki smo ga naredili s programom WSCAD je priložen v Prilogi B.

3.3 NT terminal⁴

NT terminal omogoča spremljanje vrednosti posameznih parametrov procesa, grafični prikaz vrednosti parametrov po času, vnos želenih vrednosti parametrov, krmiljenje izvršnih členov in alarmiranje ob določenih dogodkih.

Terminal NT620C tehta približno 2 kg, dimenzije pa so prikazane na slikah (sl. 3.9) in (sl. 3.10). Za napajanje potrebuje enosmerno napetost 24 V (20,4 V do 26,4 V), maksimalna poraba pa je 20 W. Na sprednji strani sta dva LED indikatorja in sicer zgornji sveti zeleno kadar je priključeno napajanje, spodnji pa sveti zeleno med delovanjem, oranžno, če je napetost rezervne baterije nizka in rdeče, ko je potrebna zamenjava baterije.

4 Povzeto po [1] in [5].

Slika 3.9: Dimenzije NT620C

Slika 3.10: Dimenzije za inštalacijo

Opis zaslona

Zaslon je večbarven LCD, velikosti 192 mm × 144 mm, z resolucijo 640 pik vertikalno

× 480 pik horizontalno in je lahko osvetljen z osmimi različnimi barvami (črna, modra, svetlo modra, rdeča, vijoličasta, zelena, rumena, bela). Ima možnost nastavitve avtomatskega izklopa in sicer po desetih minutah ali po eni uri. Zaslon je občutljiv na pritisk, reagira pa na silo večjo od 100 g. Razdeljen je na 32 × 24 delov, kar pomeni 768 polj.

Elementi zaslona so:

prikazi znakov, grafični elementi,

prikazi znakovnih nizov; do 50 pozicij na eno stran, številčni prikazi; do 50 osem mestnih pozicij na eno stran,

grafi; do 50 pozicij na stran, možnost prikaza predznaka in prikaza vrednosti v odstotkih,

luči; do 1024 luči v eni datoteki; do 256 luči na eno stran,

tipke/stikala; do 1024 luči v eni datoteki; do 256 luči na eno stran, vnos številskih vrednosti; do 50 na eno stran,

vnos znakovnih nizov; do 50 na eno stran, lista alarmov; štiri skupine na stran,

zgodovina alarmov; alarmi so razporejeni glede na čas nastopa in pogostost ponavljanja,

prikaz interne ure.

Opis elementov

Za črke, številke in simbole sta na voljo dve velikosti: polovična (8 × 8 pik) in navadna (8 × 16 pik). Posebne oznake (Mark) so lahko velike 16 × 16 pik, 32 × 32 pik ali 64 × 64 pik, vstavljene slike lahko obsegajo od 8 × 8 pik do 640 × 480 pik, elementi iz knjižnice pa 1 × 1 pik do 640 × 480 pik. Znake lahko povečamo na dvojno višino, dvojno širino, 4 –

krat, 9 – krat, 16 – krat ali 64 – krat, pri čemer imamo za znake, ki so vsaj štirikrat povečani, možnost zgladitve robov.

Znake lahko prikazujemo na več načinov:

normalno – določimo barvo znaka in barvo ozadja inverzno – obrne vlogi barve znaka in barve ozadja utripajoče – znak utripa v barvi znaka in ozadja inverzno utripajoče – utripajoče ozadje

transparentno – ozadje je prosojno

Za risanje so na voljo naslednje oblike: črta (polna ali več vrst prekinjenih), krog, lok, izsek kroga, pravokotnik ali večkotnik. Liki so lahko prikazani normalno, inverzno, utripajoče ali zapolnjeno (10 vzorcev).

Količina shranjenih podatkov

znakovni nizi – 1000 × 40 znakov normalne velikosti; od tega 744 samo za branje,

številske vrednosti – 100 × 8 mestne številke, podatkovni biti – 265 × en kontakt,

posebne oznake – 224 v velikosti 16 × 16 pik, slike – 224 slik,

knjižnica – 896 elementov,

luči in tipke/stikala – vsakih po 1024.

Strani

Maksimalno lahko shranimo 2000 strani, ki jih izdelamo s posebnimi programskimi orodji in jih prenesemo v NT terminal, s tem da imajo strani 1997, 1998 in 1999 posebne funkcije.

Tipi strani:

navadne strani; strani od 1 do 1899, stran 2000,

pokrivajoče se strani; največ osem strani se lahko prekriva naenkrat, povezane strani; največ osem strani je lahko zaporedoma povezanih,

okenske strani; tem so namenjene strani od 1900 do 1979, namenjene pa so za strani preko katerih vnašamo številke in črke s tipkovnico,

strani za prikazovanje zgodovine; 1997 in 1998, začetna stran, 1999; pojavi se, če ni povezave.

Posebne funkcije

Mednje sodijo med drugim vzdrževalne funkcije (samotestiranje, test komunikacije), hranjenje podatkov s pomočjo baterije (hranjenje zgodovine), pisk ob pritisku na tipko, funkcije za tiskanje strani, funkcija nadaljevanja (za ohranitev vsebine brez inicializacije podatkovnih tabel ob vklopu napajanja).

Komunikacija

NT 620C ima dve možnosti komunikacije, Host Link in NT Link in sicer z 9600 ali 19200 bps hitrostjo, z EIA RS – 232C komunikacijskim standardom. Na spodnji strani ohišja ima devet pinski, D – SUB konektor (ženski), ki ga z ustreznim kablom povežemo z osebnim računalnikom oz. krmilnikom.

Za obe vrsti komunikacije (Host Link, NT Link) obstaja več različic komunikacijskega kabla. Za naš primer smo uporabili komunikacijo Host Link in smo sestavili dva različna kabla:

kabel za komunikacijo med NT620C in osebnim računalnikom (sl. 3.11), kabel za komunikacijo med NT620C in krmilnikom (sl. 3.12).

Slika 3.11: Zgradba kabla RS – 232C za povezavo z osebnim računalnikom

Slika 3.12: Zgradba kabla RS – 232 za povezavo s krmilnikom

Ker je NT620C terminal starejše izdelave kot krmilnik, smo najprej imeli probleme s komunikacijo. Zato smo morali zamenjati program v terminalu (firmware) z novejšo verzijo.

Najprej smo v terminalu izbrisali stari program, tako da smo na DIP stikalu nastavili stikalo SW8 na ON in ponovno zagnali terminal. Na zaslonu se pojavi možnost za izbris programa. Ko smo potrdili brisanje, smo nastavili stikalo SW8 zopet na OFF in ponovno zagnali terminal. Nato smo s programom NT Series System Installer naložili nov program.

S tem je bil problem s komunikacijo odpravljen.

Kljub temu, NT terminal še vedno ne deluje čisto brezhibno. Problem se pojavi pri postavljanju posameznih bitov, saj terminal brez znanega vzroka vklopi ali izklopi še druge bite.

3.4 Programiranje NT terminala

3.4.1 NT Series Support Tool⁵

Za programiranje NT terminala smo uporabili program NT Series Support Tool V4.6, ki omogoča enostavno izdelavo strani in pripadajočih tabel in je prirejen za delo v Windows okolju. Program je prikazan na sliki (sl. 3.13).

Omogoča enostavno shranjevanje izdelanih strani na NT terminal, pa tudi pregled že shranjenih strani na terminalu. V ta namen je potrebno nastaviti nekatere splošne nastavitve, kot so vrsta terminala, velikost pomnilnika, način komunikacije in naslov v pomnilniku preko katerega komunikacija poteka. Slika (sl. 3.14) prikazuje okno za vnos nastavitev.

Slika 3.13: Program NT Series Support Tool V4.6

5 Povzeto po [8].

Slika 3.14: Splošne nastavitve v NT Series Support Tool

Izdelovanje strani pričnemo, tako da z ukazom File / New naredimo novo stran. Za vsako stran lahko posebej določimo barvo ozadja (črna, modra, svetlo modra, rdeča, zelena, vijoličasta, rumena in bela), ime strani, določimo lahko shranjevanje pogostosti uporabe strani, uporabo tipkovnice, zvočni signal (nepretrgano piskanje, dolgi piski, kratki piski), kar pride prav pri straneh z alarmi.

Elementi, ki jih lahko vstavljamo v strani:

o nespremenljivi objekti (črte, pravokotniki, krogi, tekst, posebni znaki), o lučke,

o tipke / stikala,

o številski prikazovalniki, o tekstovni prikazovalniki, o stolpčni prikazovalniki, o vnos števil,

o vnos besedila, o grafi,

o lista alarmov in o zgodovina alarmov.

Vsak element ima še nastavitev dodatnih lastnosti, kot so oblika, barva, oblika okvirja,… Lučkam in tipkam (stikalom) lahko nastavimo še bit v krmilniku na katerega se element nanaša in barvo ob vklopu / izklopu le – tega ter oznako. Številskim prikazovalnikom nastavimo naslov v krmilniku, način prikaza (desetiški, šestnajstiški), število decimalnih mest, prikaz znaka »±«. Grafom določimo širino risanja, čas vzorčenja, pomnilniško mesto v tabeli, prikaz vrednosti v odstotkih…

Shranjevanje strani in tabel v NT terminal opravimo z ukazom Connect / Download / Application. Med tem časom mora terminal biti v stanju Transmit Mode, ki ga nastavimo v sistemskem meniju terminala.

3.4.2 Opis posameznih strani terminala

Ob vklopu napajanja NT terminala se prikaže prva stran (sl. 3.15), kjer imamo tri tipke in sicer za izbiranje vodenja med ročnim in avtomatskim ter regulacijo s tabeliranim ojačenjem.

Slika 3.15: Prva stran

Če pritisnemo tipko Rocno Vodenje, se prikaže druga stran (sl. 3.16), kjer je prikazana modelna naprava z vsemi merilniki in aktuatorji. V tem načinu vodenja imamo možnost odpiranja / zapiranja elektromotornih ventilov, vklop / izklop črpalk (ob vklopu se obarvata zeleno) in spreminjanje hitrosti črpalk. Za vsako črpalko imamo prikazovalnik frekvence. Posode so stolpčni prikazovalniki, tako da dobivamo tudi vizualno informacijo o nivoju, hkrati pa sta nad pokončnima posodama tudi številska prikazovalnika. Ob posodah sta tudi številčna prikaza pretoka v posodah. V vseh treh posodah so končna stikala, ki se ob vklopu obarvajo rdeče.

S pritiskom na tipko Graf preidemo na tretjo stran (sl. 3.17), kjer imamo prikaz časovnega poteka frekvenc črpalk in vrednosti nivojev. S pritiskom na tipko Izhod se vrnemo na prvo stran, kjer zopet lahko izbiramo med načini vodenja. Ob tem se črpalki izklopita.

Slika 3.16: Stran za ročno vodenje

Slika 3.17: Stran za prikaz odzivov ročnega vodenja

Če na prvi strani pritisnemo tipko Avtomatsko Vodenje, se nam pojavi podobna stran (sl. 3.18) kot pri ročnem vodenju, le da tukaj nimamo možnosti direktnega vpliva na frekvence črpalk, imamo pa možnost vpisovanja parametrov dveh PID regulatorjev in vpisa želenih vrednosti nivojev ter opazovanja odzivov na prikazovalnikih oz. opazovanja časovnega spreminjanja na grafu, če pritisnemo na tipko Graf. V tem načinu vodenja imamo tudi možnost spreminjanja želene vrednosti nivoja kar iz strani Odziv nivojev na želene vrednosti (sl. 3.19).

Slika 3.18: Stran za avtomatsko vodenje

Slika 3.19: Stran za prikaz odzivov avtomatskega vodenja

Če na prvi strani pritisnemo tipko Adaptivna Regulacija, preidemo na stran za vodenje nivoja z regulatorjem s tabeliranim ojačenjem (sl. 3.20). Na tej strani imamo samo možnost vodenja elektromotornih ventilov in določevanja želenih vrednosti nivojev ter spremljanje odzivov na grafu, ki je enaka stran kot pri avtomatskem vodenju (sl. (3.19). Ko pritisnemo na tipko Regulator, se vklopijo obe črpalki in nivoja v posodah se postavita na želeni

vrednosti. Ko zopet pritisnemo na tipko Regulator ali pa na tipko Izhod za vrnitev na prvo stran, se obe črpalki avtomatsko izklopita, želene vrednosti pa se postavijo na nič.

Slika 3.20: Stran za vodenje s tabeliranim regulatorjem

Za vnos številskih vrednosti potrebujemo tipkovnico, ki smo jo sestavili na posebni, okenski strani (sl. 3.21). S pritiskom na katerikoli številski vnos se pojavi številska tipkovnica, s katero vpišemo vrednost, jo potrdimo in tipkovnico zapremo s pritiskom na tipko Zapri.

Na koncu imamo še stran Alarm (sl. 3.22), ki se nam prikaže v primeru, ko je v rezervoarju premalo vode. Stran Alarm spremlja tudi zvočni signal. S pritiskom na tipko POTRDI, se alarm izklopi, vrnemo se na prvo stran, ob tem pa se izklopijo tudi obe črpalki.

Slika 3.21: Tipkovnica za vnos številskih vrednosti

Slika 3.22: Stran Alarm

3.5 Programabilni krmilnik OMRON CJ1G

3.5.1 Uvod

Programabilni krmilnik je centralno procesna enota, ki vsebuje program ter vhodne in izhodne enote. Program vodi krmilnik tako, da se le – ta ob spremembi signala na vhodni enoti ustrezno odzove. Ponavadi to pomeni spremembo signala na določeni izhodni enoti.

Vhodne enote so lahko stikala, senzorji, končna stikala ali katera druga naprava, ki lahko generira signale, katere lahko vodimo na krmilnik. Izhodne naprave, na katere lahko vplivamo s signali iz krmilnika, pa so tuljave, luči, releji in druge.

3.5.2 Splošno⁶

Krmilniki serije CJ so zelo majhni programabilni krmilniki (širina 65 mm × višina 90 mm), katerih posebnosti so:

zelo hitro izvajanje inštrukcij večja programska kapaciteta

programska in sistemska kompatibilnost z CS krmilniki pritrditev direktno na montažno letev (brez backplane plošče) do tri razširitvene I/O rack – e, kar omogoča uporabo do 40 enot ročna ali avtomatska dodelitev I/O tabel

razdelitev programa na opravila (strukturno programiranje)

različni načini komunikacije (Ethernet, Controller Link, DeviceNet) daljinsko programiranje/nadzorovanje preko mreže

Krmilnik sestavljajo:

napajalnik CPU enota

osnovne I/O enote specialne I/O enote CPU Bus enote

6 Povzeto po [2] in [3].

končni pokrov (End Cover)

Slika (sl. 3.23) prikazuje možno sestavo krmilnika (I/O Control enoto potrebujemo, če imamo enega ali več razširitvenih rack – ov), v tabeli 3.1 pa so opisane osnovne značilnosti CJ1G CPU44 krmilnika.

Slika 3.23: Sestava CPU Rack – a

Tabela 3.1: Osnovne značilnosti CJ1G CPU44 krmilnika Napajalna napetost 100 V do 240 V AC

Poraba 100 VA max.

Maksimalno število vhodov / izhodov 1280

Programska kapaciteta 30 Ksteps

Spominska kapaciteta 64 Kwords

Čas izvajanja inštrukcij:

Osnovne inštrukcije Posebne inštrukcije

0,08 µs min.

0,12 µs min.

Čas osveževanja I/O:

Osnovne enote Posebne enote

0,005 ms 0,12 ms Komunikacijska vrata Peripheral Port

RS – 232C Port Temperatura okolice 0 °C do 55 °C

Pomnilniška področja

Krmilnik CJ1G ima pomnilniški prostor razdeljen na naslednja področja:

Tabela 3.2: Pomnilniški prostor CJ1G pomnilnika

Področje Velikost Pomen

I/O Area 1280 bit (80 besed) Za osnovne I/O enote Data Link Area 3200 bit (200 besed) Za Controller Link komun.

CPU Bus Units Area 6400 bit (400 besed) Za CPU Bus enote Special I/O Units Area 15360 bit (960 besed) Za specialne I/O enote

DeviceNet Area 9600 bit (600 besed) Za DeviceNet komunikacijo CIO

Area

Internal I/O Area 37504 bit (2344 besed) Uporaba samo v programu Work Area 8192 bit (512 besed) Samo v programu Holding Area 8192 bit (512 besed) Shranijo stanje po izklopu Auxiliary Area 15360 (960 besed) Vsebuje flag-e in kontrolne bite Temporary Relay Area 16 bit Začasne spremenljivke

Data Memory Area 32768 besed Podatkovni spomin Extended Data Memory Area 32768 besed Razširjeni podatkovni spomin

Timer Area 4096 besed Števci

Counter Area 4096 besed Časovniki

Nekatera pomnilniška področja vsebujejo zastavice (flags) in kontrolne bite. Zastavice so biti, ki se avtomatsko postavilo na 0 ali 1 in s tem indicirajo določeno stanje. Kontrolne bite postavlja ali briše uporabnik in z njihovo pomočjo določa različne načine delovanja.

Osnovne I/O enote

Za modelno napravo smo uporabili dve osnovni I/O enoti (sl. 3.24):

ID211 – vhodna enota, 16 bit, 24 V DC,

OC211 – relejska izhodna enota, 250 V AC/24 V DC, 2 A, 16 izhodov.

Slika 3.24: Osnovna I/O enota

Obe enoti sta povezani z releji. ID211 sprejema signale o stanju končnih stikal, OC211 pa preko relejev krmili odpiranje in zapiranje ventilov. Primer uporabe in vezave je prikazan na sliki (sl. 3.25).

Slika 3.25: Vezalna shema za osnovne I/O enote

Specialne I/O enote⁷

Kot specialne I/O enote smo uporabili dve analogni I/O enoti:

AD081-V1 – analogna vhodna enota, 8 vhodov, DA041 – analogna izhodna enota, 4 izhodi.

S pomočjo AD081-V1 enote sprejemamo signale iz merilnikov nivoja. Glavne lastnosti le – te enote so prikazane v tabeli 3.3.

Tabela 3.3: Lastnosti analogne vhodne enote AD081-V1

Poraba 420 mA max. pri 5 V DC

Teža 140 g

Število vhodov 8

Vrsta in območje vhodnega signala

1 V do 5 V 0 V do 5 V 0 V do 10 V -10 V do 10 V 4 mA do 20 mA Maksimalna vrednost vhoda Napetostni vhod: ±15 V

Tokovni vhod: ±30 mA Vhodna impedanca Napetostni vhod: 1 MΩ min.

Tokovni vhod: 2,5 kΩ

Resolucija 4000/8000

Pretvorba 16 bitna

Natančnost Napetostni vhod: ±0,4 % vhodnega območja Tokovni vhod: ±0,6 % vhodnega območja

Vhodne signale povežemo na analogno vhodno enoto AD081-V1, tako kot je prikazano na sliki (sl. 3.25).

7 Povzeto po [4].

Slika 3.25: Shema priključitve merilnih signalov na AD081-V1

Pred začetkom uporabe določimo številko enote in obliko vhodnih signalov s stikali na sprednji strani analogne vhodne enote (sl. 3.26).

Slika 3.26: Prikaz stikal za določitev številke enote in oblike vhodnih signalov

Ko vključimo napajanje, moramo kreirati I/O tabele. S programirno konzolo ali osebnim računalnikom (CX - Programmer) določimo specialna I/O spominska področja (DM), določimo vhode, ki jih uporabljamo in območja vhodnih signalov.

Analogno izhodno enoto DA041 smo uporabili za krmiljenje frekvenčnih pretvornikov s tokovnima signaloma od 4 do 20 mA. Glavne lastnosti DA041 enote so prikazane v tabeli 3.4, na sliki (sl. 3.27) pa je prikazana shema priključitve izhodnih signalov na DA041.

Tabela 3.4: Lastnosti analogne izhodne enote DA041

Poraba 5 V DC, 120 mA max.

Zunanje napajanje 24 V DC, 200 mA max.

Teža 150 g

Število izhodov 4

Vrsta in območje izhodnega signala

1 V do 5 V / 4 mA do 20mA 0 V do 5 V

0 V do 10 V -10 V do 10 V

Izhodna impedanca 0,5 Ω

Resolucija 1/4000

Natančnost Napetostni izhod: ±0,5 % izhodnega območja Tokovni izhod: ±0,8 % izhodnega območja

Slika 3.27: Shema priključitve izhodnih signalov na DA041

Pred začetkom uporabe moramo enako kot za AD081-V1 nastaviti številko enote, kreirati I/O tabele, določiti moramo specialna I/O spominska področja (DM) in vhode, ki jih bomo uporabljali ter območja izhodnih signalov.

CPU Bus enote⁸

ETN11 Ethernet enota omogoča krmilniku podpiranje širokega spektra protokolov preko Ethreneta, kot so TCP/IP in UDP/IP, Omron – ov standardni protokol FINS, ali FTP in SMTP komunikacija s sporočili. UDP/IP in TCP/IP protokola omogočata komunikacijo z drugimi Ethrenet napravami, delovnimi postajami, osebnimi računalniki in Ethernet enotami drugih proizvajalcev. FINS komunikacija omogoča komunikacijo z drugimi Omron – ovimi krmilniki z ukazi v programu, kot so SEND, RECV in CMND. V tabeli 3.5 so opisane glavne lastnosti ETN11 enote.

Tabela 3.5: Glavne lastnosti ETN11 Ethernet enote

Tip 10Base – T

Primerni krmilniki CJ serija

Način dostopa do medija CSMA/CD

Modulacija Baseband

Baud rate 10 Mbps

Prenosni medij UTP kabel

Dolžina medija 100 m max.

Poraba 380 mA max. pri 5 V DC

Temperatura okolice 0 °C do 55 °C

Preden jo lahko začnemo uporabljati, moramo ETN11 enoti določiti IP številko. To lahko storimo v DM področju besed, ki so dodeljene CPU Bus enotam, ali pa s programom CX – Programmer z PLC Network Configuration orodjem.

Prav tako moramo nastaviti številko enote in številko vozlišča (node) ETN11 enote in sicer s stikali na sprednji strani enote (sl. 3.28).

8 Povzeto po [6].

Slika 3.28: ETN11 Ethernet enota

3.6 Programiranje krmilnika⁹

Krmilnik CJ1G je mogoče programirati s programirno konzolo ali preko osebnega računalnika, na katerem imamo inštalirano programsko orodje za stikalni način programiranja (Ladder Support Software), kot je CX – Programmer. Programirna konzola je najpreprostejša oblika programirne naprave za krmilnike Omron in je priključena neposredno na CPU brez dodatnih vmesnikov (sl. 3.29).

Slika 3.29: Programirna konzola in priključitev na krmilnik

9 Povzeto po [3].

CX – Programmer omogoča vse operacije programirne konzole, poleg tega pa še številne druge. Program pišemo v stikalni obliki, zato je pregleden in enostaven za preverjanje ali popravljanje.

3.6.1 Delo s programom CX – Programmer

Za programiranje krmilnika smo uporabljali program CX – Programmer V3.01 (sl.

3.30). Program omogoča vse osnovne funkcije kot programirna konzola, njegove prednosti pa so delovanje v Windows okolju, uporaba funkcij preko orodnih vrstic, večja preglednost, shranjevanje različnih verzij programa na trdi disk računalnika, pomoč pri spoznavanju funkcij in podobno.

Slika 3.30: Program CX – Programmer

Ko začenjamo delo s CX – Programer – jem, moramo najprej določiti vrsto krmilnika in obliko povezave. To storimo v oknu, ki se nam odpre, ko odpremo nov projekt (File /

New). Slika (sl. 3.31) prikazuje okno za vpis imena projekta, vrsto krmilnika in načina povezave.

Slika 3.31: Okno za vpis novega projekta

Sedaj lahko pričnemo s pisanjem programa. Program pišemo v obliki lestve, od leve proti desni, od zgoraj navzdol. Na levi strani vrstice postavimo neki pogoj (stanje določenega bita) v obliki stikala, proti desni pa postavljamo inštrukcije, ki naj se izvedejo ob izpolnjenem pogoju. Pogoj je lahko v obliki odprtega stikala, zaprtega stikala, več vzporedno (logični ALI) ali zaporedno (logični IN) vezanih stikal.

Najpogostejše inštrukcije so:

izhodne inštrukcije (OUT, OUTNOT, SET, RSET,…), kontrolne inštrukcije (CJP, BREAK, END,…),

števci in časovniki (CNT, CNTX, TIM, MTIM,…), primerjalne inštrukcije (<, >, =, >=, CMP, BCMP,…), podatkovno premikanje (MOV, MOVB, MOVD, XFER,…), matematične inštrukcije (+, -, *B, /BL,…),

pretvorbene inštrukcije (BCD, BIN, HEX, NEG,…), logične inštrukcije (ANDL, COM, ORW,…),

kontrolne podatkovne inštrukcije (PID, SCL, SCL2, AVG,…), subrutine (SBS, SBN, RET,…).

Mi smo uporabljali predvsem osnovne funkcije, kot so SET, RSET za postavljanje bitov na želeno vrednost, <, >, = za primerjavo podatkov, +B, -B, *B, +, - za matematične operacije nad števili, BCD in BIN za pretvorbo med desetiškimi in binarnimi števili, MOV za shranjevanje podatkov na določena spominska mesta,…

Poleg tega smo uporabili še dve posebni kontrolno podatkovni funkciji in sicer PID in SCL ter funkcijo za kreiranje podprograma (subrutine).

PID funkcija

Ko je pogoj na levi strani izpolnjen, PID(190) funkcija izračunava izhodno vrednost PID regulacije glede na vhodno besedo S (PV) in parametre C do C + 8 ter jo zapiše v izhodno besedo D (CV). Primer uporabe je prikazan na sliki (sl. 3.32).

Slika 3.32: Primer uporabe PID(190) funkcije

S pomočjo parametrov v C do C + 8 nastavljamo:

parametre regulatorja, semplirni korak, smer integriranja,

koeficient vhodnega filtra (α), vhodno / izhodno resolucijo,

osveževanje parametrov regulatorja.

Parametre regulatorja, ki so opisani v tabeli 3.5 lahko nastavljamo s programsko konzolo, CX – Programmer – jem ali preko NT terminala.

Tabela 3.5: Opis parametrov PID funkcije

Beseda Bit Parameter

C 00 do 15 Želena vrednost – SV

C + 1 00 do 15 Proporcionalni pas – P(v enotah po 0,1 %) C + 2 00 do 15 Integralni čas – Ti(1 – 8191; 9999 – ne dela) C + 3 00 do 15 Diferencialni čas – Td(1 – 8191; 0000 – ne dela) C + 4 00 do 15 Korak sempliranja – τ(1 – 9999 v enotah po 10 ms)

00 Smer proporcionalnega delovanja 01 Določitev osveževanja parametrov regulacije 03 Določitev izhodne vrednosti regulatorja ob PV = SV C + 5

04 do 15 Koeficient vhodnega filtra (α)

00 do 03 Določitev enote za izražanje Ti in Td parametrov 04 do 07 Število izhodnih podatkovnih bitov 08 do 11 Število vhodnih podatkovnih bitov C + 6

12 Vklop / izklop limitiranja izhoda C + 7 00 do 15 Določitev spodnje meje limitiranja C + 8 00 do 15 Določitev zgornje meje limitiranja

Proporcionalni pas (P) je definiran kot potrebna sprememba vhodnega signala (v odstotkih) za spremembo izhodnega signala za 100 %. Če P zmanjšamo, bo enaka sprememba vhodnega signala povzročila večjo spremembo izhodnega signala. Preveliko zmanjšanje P povzroči nestabilnost sistema (preide v oscilacije).

Integralni del (TI) odpravlja statični pogrešek, ki nastane, če uporabimo samo proporcionalni del. Ko je dejanska vrednost pod želeno vrednostjo, integrator k izhodu prišteva vrednost proporcionalnega dela, dokler pogrešek ni izničen. Manjša vrednost Ti pomeni hitrejše naraščanje izhoda, premajhen Ti pa lahko povzroči prenihaj in nestabilnost.

Diferencialni del (TD) pospeši odziv na motnje in omogoči boljši stopnični odziv.

Večja vrednost Td relativno poveča vpliv diferencialnega dela glede na proporcionalni del.

Prevelik Td lahko povzroči oscilacije.

SCL funkcija

SCL(194) funkcija ob izpolnjenem pogoju pretvarja binarno vrednost vhoda S v decimalno vrednost izhoda R po linearni funkciji predpisani v P1, pri čemer je P1 prva beseda zapisanih parametrov v P1 do P1 + 3. SCL funkcijo smo uporabili za pretvarjanje binarnih vrednosti, ki jih dajeta merilnika nivoja v desetiške vrednosti in pa pri izračunu frekvenc črpalk in sicer iz izhodnih vrednosti PID regulatorjev. Primer uporabe funkcije SCL je prikazan na sliki (sl. 3.33).

Slika 3.33: Primer uporabe funkcije SCL(194)

SBS funkcija

Funkcija SBS(091) ob izpolnjenem pogoju pokliče podprogram ali subrutino z enako vrstno številko. Subrutine pišemo na koncu glavnega programa (pred funkcijo END) in sicer s funkcijo SBN(092), ki določa začetek subrutine ter funkcijo RET(093), ki subrutino zaključi. Primer uporabe funkcij SBS, SBN in RET je prikazan na sliki (sl. 3.43).

Slika 3.34:Primer uporabe funkcij SBS, SBN in RET

Za naš primer smo naredili subrutino za izračunavanje pretokov v posodah in subrutino, ki iz tabele ojačenj prebere ustrezno vrednost proporcionalnega dela PID regulatorja glede na želeno vrednost nivoja. Program kliče subrutino pod pogojem, da je vključen potrebni bit, katerega postavljamo preko NT terminala. Poleg tega.

4. VODENJE MODELNE NAPRAVE

Za snemanje statičnih karakteristik procesa in odzivov reguliranega sistema smo uporabili program CX – Supervisor V1.1. CX – Supervisor spada v SCADA programsko opremo in služi za nadzor in kontrolo procesov preko osebnega računalnika. Omogoča hitro in enostavno vizualizacijo procesa, popoln nadzor nad dogajanjem, zajem in prikaz podatkov iz krmilnika v realnem času, dostop do zgodovine dogajanja v procesu, alarmiranje in podobno.

4.1 Statične karakteristike

Statični karakteristiki smo posneli, tako da smo spreminjali frekvenci črpalk od 10 Hz do 50 Hz v korakih po 5 Hz in opazovali nivoja v posodama. Na sliki (sl. 4.1) so prikazane statične karakteristike nivojev v odvisnosti od frekvenc črpalk. Pri tem sta nivoja prikazana v enotah po 0,1 % območja, hitrosti črpalk pa v enotah po 0,1 Hz. Na spodnji sliki vidimo, da nivo vode v prvi posodi doseže maksimum že pri 30 Hz delovanja črpalke, nivo vode v drugi posodi pa pri 35 Hz.

Slika 4.1: Karakteristike nivojev v odvisnosti od frekvenc črpalk

Ker v modelni napravi nimamo merilnikov pretoka, smo pretok v posameznih posodah ocenjevali in sicer tako, da smo odvod nivoja pomnožili s konstanto. Odvod nivoja preračunavamo s pomočjo realnega diferenciatorja, ki smo ga izvedli s programom v krmilniku. Enačba realnega diferenciatorja je¹⁰:

[

]

) 1

( ⋅ − − + ⋅ −

= + h k h k T dh k

T k T

dh _f

s f

(4.1) pri čemer so:

Tf = 0,3 s ………. konstanta filtra, Ts = 1 s ……… semplirni čas,

h(k) ………. meritev nivoja v k – tem koraku, h(k – l) ……… meritev nivoja v (k – 1) – em koraku, dh(k)……… odvod nivoja v k – tem koraku, dh(k – 1) ………. odvod nivoja v (k – 1) – tem koraku.

Konstanto s katero množimo odvod nivoja, dobimo tako, da izračunamo spremembo količine vode za spremembo nivoja za 1 bit v določeni časovni periodi (1 s):

1 bit = 0,1 % območja = 1,105 mm (4.2)

145 mm × 145 mm = 21025 mm² … presek posode P1 (4.3) 21025 mm² × 1,105 mm = 23232,6 mm³ = 0,0232326 L (4.4)

Če se torej nivo v eni sekundi spremeni za en bit, povzroči spremembo volumna vode v posodi za 0,0232326 L. Če preračunamo v enoto L/min, dobimo:

K1 = 1,39 L/min (4.5)

Na enak način izračunamo konstanto za drugo posodo in dobimo K2 = 2,84 L/min.

Na sliki (sl. 4.2) sta prikazana izračunana pretoka v posodama pri snemanju statičnih karakteristik nivojev glede na spremembo frekvenc črpalk. Vidimo, da je ocena pretoka v

10 Povzeto po [9].

prvi posodi dokaj dobra, medtem ko pretok v drugi posodi precej niha, predvsem pri manjših spremembah nivoja. Problem so dimenzije druge posode (dolžina 295 mm × širina 145 mm), saj nivo počasneje narašča, gladina vode v posodi pa precej bolj niha kot pri prvi posodi, kar tudi povzroča motnje pri merjenju nivoja.

Slika 4.2: Izračunana pretoka v posodama

4.2 Regulacija nivojev

Za regulacijo nivojev smo uporabili dva PID regulatorja, ki smo jih izvedli s programom v krmilniku. Blokovna shema regulacije je prikazana na sliki (sl. 4.3).

PID regulator glede na razliko med dejanskim in želenim nivojem na izhodu daje ustrezno vrednost krmilnega signala, s katerim preko frekvenčnega pretvornika vodimo črpalko. Ker vsako posodo in črpalko opazujemo kot proces za sebe, potrebujemo dva PID regulatorja. Pretok, ki se pojavi med posodama ko odpremo ventil, obravnavamo kot motnjo.

Slika 4.3: Blokovna shema regulacije nivojev

Simboli: h1ž, h2ž …….. želene vrednosti nivojev, h1d, h2d …….. dejanske vrednosti nivojev, E1, E2………. regulacijska odstopanja, F1, F2 ………. frekvence črpalk.

Izračun parametrov PID regulatorjev

Za določitev parametrov PID regulatorjev smo uporabili metodo po Zieglerju in Nicholsu, ki je uporabna za procese, katere lahko privedemo v mejno nihanje. Najprej smo v regulacijski krog vključili samo P regulator, tako da smo integralni in diferencialni del nastavili na TI = ∞ oz. TD = 0. Nato smo večali ojačenje KR tako dolgo, dokler ni začel regulacijski krog nihati s konstantno amplitudo. Tako smo dobili kritično vrednost ojačenja KRK ter periodo nihanja regulirane vrednosti TK. S pomočjo teh dveh podatkov lahko izračunamo optimalne vrednosti parametrov za izbrani regulator.

V našem primeru smo se odločili za PI regulator, saj nam diferencialni del ne pripomore veliko pri izboljšanju odziva. Na sliki (sl. 4.4) vidimo regulacijski krog v mejnem nihanju, s katerim smo izmerili in izračunali naslednje parametre (h1ž = 30 %):

KRK = 140 TK = 3 s

PI regulator:

TI = 0,85 * TK = 2,55 s KR = 0,45 * KRK = 63

XP = (1 / KRK) * 100 % = 1,6 %

Slika 4.4: Regulacijski krog v mejnem nihanju

4.2.1 Regulator s tabeliranim ojačenjem

Izkazalo se je, da so parametri, ki jih določimo po zgoraj opisani metodi uporabni predvsem za bližnjo okolico točke nivoja, pri kateri izvajamo mejno nihanje. Bolj ko je želena vrednost nivoja odmaknjena od točke nihanja, slabši je odziv reguliranega sistema (večji je prenihaj). Zato smo se odločili sestaviti regulator s tabeliranim ojačenjem.

Izmerili in izračunali smo parametre PID regulatorjev za osem različnih nivojev mejnega nihanja ter v programu krmilnika določili tabelo ojačenj za posamezne nivoje.

Tako krmilnik primerja želeno vrednost nivoja s tabelo v programu in sproti osvežuje

potrebne parametre. Odzivi regulatorjev so prikazani v naslednjem poglavju, v tabeli 4.1 pa so podana ojačenja za posamezne želene nivoje.

Tabela 4.1: Tabela ojačenj

Posoda P1 Posoda P2

Želene vrednosti

nivojev /% XP /% TI (s) XP /% TI (s)

hž< 12,5 1,2 2,5 1,3 2,0

12,5 ≤ hž< 25,0 1,4 2,5 1,5 2,0

25,0 ≤ hž< 37,5 1,6 2,5 1,8 2,0

37,5 ≤ hž< 50,0 1,8 2,5 2,0 2,0

50,0 ≤ hž< 62,5 2,0 2,5 2,3 2,0

62,5 ≤ hž< 75,0 2,2 2,5 2,6 2,0

75,0 ≤ hž< 87,5 2,6 2,5 2,9 2,0

87,5 ≤ hž 2,8 2,5 3,2 2,0

4.3 Odzivi reguliranega sistema

4.3.1 Odzivi na spremembo želenih vrednosti

Na sliki (sl. 4.5) je prikazana regulacija nivoja v prvi posodi (P1). Želeno vrednost nivoja smo spreminjali od 0 do 100 % v koraku po 20 %. Želeni in dejanski nivo v posodi sta prikazana v enotah po 0,1 %, frekvenca črpalke v enotah po 0,1 Hz, pretok pa v L/min.

Vidimo zelo hiter in natančen odziv sistema s prenihaji manjšimi od 1,5 %. Tudi ocena pretoka je za posodo P1 dokaj natančna.

Slika 4.5: Regulacija nivoja v prvi posodi (P1)

Želeni nivo smo nato manjšali proti 0 %. Kot lahko vidimo na sliki (sl. 4.6), je tudi tokrat odziv hiter in natančen. Pretoka v posodi v tem primeru ne vidimo, saj je negativen.

Slika 4.6: Regulacija nivoja v prvi posodi (P1)

Enako smo storili za posodo P2. Na slikah (sl. 4.7) in (sl. 4.8) lahko vidimo odzive na spremembo želene vrednosti, ki so počasnejši kot pri posodi P1, saj je količina potrebne vode večja.

Slika 4.7: Regulacija nivoja v drugi posodi (P2)

Slika 4.8: Regulacija nivoja v drugi posodi (P2)

4.3.2 Odzivi na motnje

Odzive na motnje smo posneli, tako da smo najprej postavili oba nivoja na želene vrednosti (h1ž = 60 %, h2ž = 30%). Nato smo najprej povzročili motnjo z odpiranjem ročnega ventila V1, ki povezuje obe posodi. Kot je vidno na sliki (sl. 4.9), je ta motnja v obeh posodah zelo hitro odpravljena. Nato smo ventil V1 zopet zaprli. Naslednja motnja je bila zapiranje elektromotornega ventila EMV1, ki je na izhodu iz posode P1. Tudi to motnjo je regulator hitro odpravil. Ventil EMV1 smo nato nazaj odprli in povzročili še motnjo v posodi P2 z zapiranjem elektromotornega ventila EMV2. Enako kot prej je motnja dokaj hitro odpravljena. Na koncu smo ventil EMV2 nazaj odprli. Vse motnje in odzivi na njih so predstavljene na sliki (sl. 4.9).

Odpiranje V1

Zapiranje V1

Zapiranje

EMV1 Odpiranje EMV1

Zapiranje EMV2

Odpiranje EMV2

Slika 4.9: Odziv sistema na motnje