Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ & ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΓΕΝΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Στεργιόπουλου Αθανάσιου του Δημητρίου Αριθμός Μητρώου: 6642 Θέμα «Βελτιστοποιημένος έλεγχος πνευματικής διάταξης εφαρμογής πίεσης σε τυχαία επιφάνεια» Επιβλέπων Μάνεσης Σταμάτιος Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2013

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Βελτιστοποιημένος έλεγχος πνευματικής διάταξης εφαρμογής πίεσης σε τυχαία επιφάνεια» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Στεργιόπουλου Αθανάσιου του Δημητρίου Αριθμός Μητρώου: 6642 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Σταμάτιος Μάνεσης Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Νικόλαος Κούσουλας Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Βελτιστοποιημένος έλεγχος πνευματικής διάταξης εφαρμογής πίεσης σε τυχαία επιφάνεια» Φοιτητής: Στεργιόπουλος Αθανάσιος Επιβλέπων: Μάνεσης Σταμάτιος Περίληψη Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην ανάπτυξη και σύγκριση διαφορετικών μεθόδων ελέγχου μιας πειραματικής διάταξης με βασικό στόχο την επίτευξη σταθερής πίεσης πάνω σε τυχαία επιφάνεια. Η διάταξη περιλαμβάνει πνευματικό κύλινδρο δύο θαλάμων πάνω στον οποίο στηρίζεται έμβολο που κινείται στον κάθετο άξονα και ασκεί σταθερή πίεση σε οποιαδήποτε τυχαία επιφάνεια που διέρχεται κάτω από αυτό. Οποιαδήποτε μεταβολή της πίεσης λόγω μετακίνησης της επιφάνειας, παρακολουθείται από τον αισθητήρα και γίνεται αυτόματη προσαρμογή της διάταξης ώστε να υπάρχει παρακολούθηση της επιφάνειας, με κριτήριο τη διατήρηση της πίεσης σε μια καθορισμένη τιμή. Για τον έλεγχο της διάταξης χρησιμοποιήθηκε Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής (PLC). Η διάταξη πεπιεσμένου αέρα αποτελείται από έναν κύλινδρο πεπιεσμένου αέρα, διπλής δράσης, δύο αναλογικές βαλβίδες και ειδικά κατασκευασμένο μηχανισμό άσκησης πίεσης στον οποίο περιλαμβάνεται και ο αισθητήρας πίεσης. Επίσης, υπάρχει ενισχυτής τάσης που παρεμβάλλεται μεταξύ του αισθητήρα και της αναλογικής εισόδου του PLC. Για συγκεκριμένα πειράματα, προστέθηκε και δεύτερος αισθητήρας για την μέτρηση της πίεσης του ενός θαλάμου του κυλίνδρου, προκειμένου να είναι δυνατή η δοκιμή και άλλων μεθόδων ελέγχου εκτός του κλασικού PID ελέγχου. Για την πραγματοποίηση δοκιμών λειτουργίας των μεθόδων ελέγχου, χρησιμοποιήθηκαν τρεις πρότυπες ξύλινες επιφάνειες μεταβλητής καμπυλότητας, οι οποίες μετακινούνται κάτω από το μηχανισμό άσκησης πίεσης.

6

7 Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Διπλωματική Εργασία Βελτιστοποιημένος έλεγχος πνευματικής διάταξης εφαρμογής πίεσης σε τυχαία επιφάνεια. Στεργιόπουλος Αθανάσιος Πάτρα 2013

8

9 Περιεχόμενα Σελίδες Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 3-48 Κεφάλαιο 2: Βιβλιογραφική ανασκόπηση O PID ελεγκτής Διαδοχικός Έλεγχος PID PID έλεγχος λόγου Πνευματικά συστήματα Αναλογικές βαλβίδες Έλεγχος κυλίνδρου δύο θαλάμων Στρατηγικές ελέγχου To μαθηματικό μοντέλο 18 Κεφάλαιο 3: Πειραματική Διάταξη Γενική περιγραφή Διάταξη πεπιεσμένου αέρα Κύλινδρος Μηχανισμός άσκησης πίεσης Πρότυπες επιφάνειες δοκιμών Αναλογικές βαλβίδες Αισθητήρας πίεσης Burster Ενισχυτής Αισθητήρας πίεσης WIKA Ψηφιακός ενδείκτης - Μετατροπέας Κ3ΗΒ- V Κεφάλαιο 4: Προγραμματιζόμενοι Λογικοί ελεγκτές (PLC) Γενική αναφορά στη χρήση του PLC Δομή PLC Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) Η μνήμη Οι βαθμίδες εισόδων/εξόδων Το τροφοδοτικό ισχύος Περιγραφή της λειτουργίας ενός PLC Το PLC S Σύνδεση PLC με τις συσκευές Ι/Ο Δήλωση υλικού Καλωδίωση Προγραμματισμός PLC Γλώσσες προγραμματισμού Δομή του προγραμματισμού

10 4.6. Ο PID ελεγκτής της διάταξης Κεφάλαιο 5: Στρατηγικές ελέγχου και προγραμματισμός Προγραμματισμός Ανάλυση στρατηγικών ελέγχου PID έλεγχος πάνω θαλάμου με σταθερή τιμή στον κάτω Ταυτόχρονος ανεξάρτητος PID έλεγχος των δύο θαλάμων Λογική εναλλάξ PID ελέγχου Διαδοχικός PID έλεγχος PID έλεγχος λόγου Κεφάλαιο 6: Συμπεράσματα Βιβλιογραφία- Κατάλογος Ιστότοπων Παράρτημα

11 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην ανάπτυξη και σύγκριση διαφορετικών μεθόδων ελέγχου μιας πειραματικής διάταξης με βασικό στόχο την επίτευξη σταθερής πίεσης πάνω σε τυχαία επιφάνεια. Η διάταξη περιλαμβάνει πνευματικό κύλινδρο δύο θαλάμων πάνω στον οποίο στηρίζεται έμβολο που κινείται στον κάθετο άξονα και ασκεί σταθερή πίεση σε οποιαδήποτε τυχαία επιφάνεια που διέρχεται κάτω από αυτό. Οποιαδήποτε μεταβολή της πίεσης λόγω μετακίνησης της επιφάνειας, παρακολουθείται από τον αισθητήρα και γίνεται αυτόματη προσαρμογή της διάταξης ώστε να υπάρχει παρακολούθηση της επιφάνειας, με κριτήριο τη διατήρηση της πίεσης σε μια καθορισμένη τιμή. Για τον έλεγχο της διάταξης χρησιμοποιήθηκε Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής (PLC). Ο όρος βελτιστοποιημένος που περιέχεται στον τίτλο της διπλωματικής, αναφέρεται στο γεγονός ότι στο παρελθόν η λειτουργία είχε βασιστεί σε PID έλεγχο, μέσω της ειδικής μονάδας λειτουργίας FM 355, μίας αναλογικής και μίας ON/OFF βαλβίδας. Σε αυτή την διπλωματική έγινε προσπάθεια να βελτιωθεί η συμπεριφορά της διάταξης με αλλαγές εξοπλισμού και διαφορετικές μεθόδους ελέγχου. Η διάταξη πεπιεσμένου αέρα αποτελείται από έναν κύλινδρο πεπιεσμένου αέρα, διπλής δράσης, δύο αναλογικές βαλβίδες και ειδικά κατασκευασμένο μηχανισμό άσκησης πίεσης στον οποίο περιλαμβάνεται και ο αισθητήρας πίεσης. Επίσης, υπάρχει ενισχυτής τάσης που παρεμβάλλεται μεταξύ του αισθητήρα και της αναλογικής εισόδου του PLC. Για συγκεκριμένα πειράματα, προστέθηκε και δεύτερος αισθητήρας για την μέτρηση της πίεσης του ενός θαλάμου του κυλίνδρου, προκειμένου να είναι δυνατή η δοκιμή και άλλων μεθόδων ελέγχου εκτός του κλασικού PID ελέγχου. Για την πραγματοποίηση δοκιμών λειτουργίας των μεθόδων ελέγχου, χρησιμοποιήθηκαν τρεις πρότυπες ξύλινες επιφάνειες μεταβλητής καμπυλότητας, οι οποίες μετακινούνται κάτω από το μηχανισμό άσκησης πίεσης. Για τον σκοπό του ελέγχου οι αναλογικές βαλβίδες ελέγχονται από το PLC. Ο κύριος έλεγχος που χρησιμοποιήθηκε είναι ο PID σε διάφορες παραλλαγές είτε ως προς ποια βαλβίδα ελέγχεται είτε ως προς τον ίδιο τον έλεγχο. Η παρακολούθηση και καταγραφή των παρακάτω πειραμάτων γίνεται με το πρόγραμμα PLC Analyzer. 3

12 Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τις εξής διαδικασίες ελέγχου: Διαδικασίες: PID έλεγχος του πάνω θαλάμου με σταθερή πίεση στον κάτω Ταυτόχρονος ανεξάρτητος PID έλεγχος και των δύο θαλάμων με αντίθετη φορά δράσης Εναλλάξ PID έλεγχος σε κάθε θάλαμο ανάλογα με την διαφορά της τιμής της πραγματικής δύναμης και της επιθυμητής. Διαδοχικός (Cascade) PID με τον πάνω θάλαμο να ελέγχεται από τον κύριο PID και τον κάτω να ελέγχεται από τον εξαρτημένο. PID έλεγχος λόγου (Ratio) με τον πάνω θάλαμο να ελέγχεται από τον κύριο PID και τον κάτω να ελέγχεται από τον εξαρτημένο. 4

13 Κεφάλαιο 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση 2.1. Ο PID ελεγκτής Σχήμα 2.1: Block διάγραμμα PID ελεγκτή Πριν αναπτυχθούν οι διάφορες στρατηγικές ελέγχου ενός πνευματικού συστήματος (και κατά συνέπεια του κυλίνδρου δύο θαλάμων), είναι σημαντικό να υπάρξει κατανόηση του PID ελεγκτή. Αρχικά, γιατί είναι ο έλεγχος πάνω στον οποίο βασίζεται η διπλωματική εργασία, αλλά και γιατί είναι ο πιο δημοφιλής στην βιομηχανία λόγω της απλότητας στην εφαρμογή και τη ρύθμιση. Ένας ελεγκτής σχεδιάζεται ώστε να παράγει μια έξοδο που ενεργεί διορθωτικά σε μια διεργασία, προκειμένου να οδηγήσει μια μεταβλητή στην επιθυμητή τιμή (set point). Οι ελεγκτές με ανατροφοδότηση (κλειστού βρόχου) λαμβάνουν υπόψη το σφάλμα, δηλαδή τη διαφορά της τρέχουσας τιμής της ελεγχόμενης μεταβλητής, με την επιθυμητή. Ο PID (Proportional Integral Derivative) είναι ένας τέτοιος ελεγκτής, μόνο που δεν λαμβάνει υπόψη του απλώς το σφάλμα. Συγκεκριμένα, λαμβάνει υπόψη του κατά σειρά την τρέχουσα τιμή του σφάλματος, το ολοκλήρωμα του σφάλματος στο πιο πρόσφατο χρονικό διάστημα και την τρέχουσα τιμή της παραγώγου του, για να προσδιορίσει τη διόρθωση αλλά και τη χρονική διάρκεια κατά την οποία θα δράσει. Αυτές οι τρεις παράμετροι πολλαπλασιάζονται με μία σταθερά ο καθένας, και το άθροισμά τους αποτελεί την έξοδο του ελεγκτή. Στην εξίσωση (1), Κ p είναι η σταθερά του αναλογικού όρου, K i είναι η σταθερά του όρου ολοκλήρωσης και Κ d η σταθερά του όρου παραγώγισης. Αν SP(t) είναι η επιθυμητή τιμή και PV(t) η τιμή της μεταβλητής ελέγχου τότε το τρέχων σφάλμα στο χρόνο είναι: 5

14 e(t) = SP(t) PV(t) (2) Ο αναλογικός όρος P αντιδρά ταχύτατα στις μεταβολές του σφάλματος e(t). Για αυτό το λόγο είναι πολύ σημαντικός για γρήγορο έλεγχο. Ο όρος Ρ τείνει προς το μηδέν όσο το σφάλμα τείνει προς το μηδέν και έτσι δεν μπορεί να επηρεάσει το σφάλμα τελικής κατάστασης (steady-state error). Ο ολοκληρωτικός όρος Ι είναι το ολοκλήρωμα του σφάλματος από την αρχή του χρόνου. Αν υποθέσουμε ότι το σφάλμα είναι θετικό, τότε ο Ι και κατά συνέπεια η έξοδος y(t), θα ανεβαίνει αργά και το σφάλμα θα μικραίνει. Η άνοδος αυτή θα συνεχίζει ώσπου το σφάλμα να γίνει μηδέν, δηλαδή το σφάλμα μόνιμης κατάστασης να είναι μηδέν. Αυτός είναι και ο βασικός ρόλος του ολοκληρωτικού όρου. Για τον όρο παραγώγισης D ας υποθέσουμε ότι το σφάλμα αυξάνεται, άρα η παράγωγος θα είναι θετική και θα αυξάνει ταχύτερα την έξοδο y(t). Αυτό σημαίνει ότι ο όρος D συμβάλει σε ταχύτερο έλεγχο. Αν υποθέσουμε όμως ότι το σφάλμα μειώνεται, τότε η παράγωγος είναι αρνητική, δηλαδή ο όρος θα προκαλεί «φρενάρισμα» ή αλλιώς σταθεροποίηση του ελέγχου. Δηλαδή ο D όρος προκαλεί ταχύτερο έλεγχο και σταθεροποίηση ταυτόχρονα. Παρόλα αυτά, ο D όρος έχει ένα σοβαρό πρακτικό πρόβλημα: μεγεθύνει τον τυχαίο θόρυβο μέτρησης προκαλώντας διακυμάνσεις στο σήμα εξόδου. Αυτές οι διακυμάνσεις μπορούν να εξαλειφθούν από ένα βαθυπερατό φίλτρο. Ωστόσο, αν το σήμα μέτρησης έχει θόρυβο ακόμα και μετά την εφαρμογή φίλτρου, ο D όρος πρέπει να παραλείπεται. Η επιλογή λοιπόν του κάθε όρου και της σταθεράς με την οποία πολλαπλασιάζεται (κέρδος), όπως είναι φανερό, εξαρτάται από τη φύση της ελεγχόμενης διαδικασίας. Η σωστή ρύθμιση είναι το κυριότερο πρόβλημα σε έναν PID έλεγχο. Για την επίτευξή του έχουν αναπτυχθεί τρεις μέθοδοι που θα αναφερθούν εδώ συνοπτικά καθώς καλύπτονται σε πληθώρα πηγών. Η πρώτη βασίζεται σε ένα μαθηματικό μοντέλο της διεργασίας. Η δεύτερη ονομάζεται Ziegler-Nichols και προτείνει τρεις κανόνες ρύθμισης για την εύρεση των παραμέτρων Ρ, Ι και D. Τέλος η τρίτη είναι εμπειρική και βασίζεται στην επαναληπτική διαδικασία «δοκιμής και σφάλματος» μέχρι να βελτιωθεί η συμπεριφορά. Ο PID έλεγχος χάρη στην απλότητα και την ευκολία του στη ρύθμιση, είναι ευρύτατα διαδεδομένος στην βιομηχανία, παρά την ανάπτυξη άλλων μεθόδων που δίνουν καλύτερη συμπεριφορά αλλά έχουν μεγαλύτερη πολυπλοκότητα. Ακόμα και σε μη γραμμικά συστήματα ο PID προτιμάται ή τουλάχιστον γίνονται προσπάθειες προσαρμογής του για καλύτερη απόδοση. Κάποιες από αυτές τις προσπάθειες θα αναφερθούν στο κεφάλαιο

15 Διαδοχικός Έλεγχος (Cascade Control) PID Σε μια διεργασία μπορεί να υπάρχουν πολλές ελεγχόμενες μεταβλητές οδηγούμενες από πλήθος βρόχων ελέγχου, κάθε ένας με διαφορετικό στόχο. Σε πολλές περιπτώσεις, οι μεταβλητές αυτές αλληλεπιδρούν και η μεταβολή της μίας επηρεάζει τις υπόλοιπες. Όταν συμβαίνει αυτό είναι αναγκαίο να σχεδιαστούν συστήματα ελέγχου με διασυνδεδεμένους ελεγκτές. Ένας τρόπος για να επιτευχτεί αυτό είναι η μέθοδος Διαδοχικού ελέγχου. Στον διαδοχικό έλεγχο, ο βρόχος ελέγχου διαιρείται σε τμήματα που ονομάζονται βρόχοι «κύριου» και «εξαρτημένου» ελεγκτή όπως φαίνεται στο σχήμα 2.2. w - y + e Κύριος Ελεγκτής wh -yh + Εξαρτημένος Ελεγκτής x Ελεγχόμενο yh Ελεγχόμενο y Υποσύστημα Υποσύστημα 1 2 Σχήμα 2.2: Block διάγραμμα διαδοχικού ελέγχου Ο κύριος ελεγκτής προσπαθεί να διατηρήσει την βασική ελεγχόμενη μεταβλητή (y) στην επιθυμητή τιμή (w) και τροφοδοτεί τον εξαρτημένο ελεγκτή με μια ρυθμιζόμενη μεταβλητή σαν επιθυμητό σημείο λειτουργίας. Βασικό πλεονέκτημα του διαδοχικού ελέγχου είναι η γρηγορότερη και καλύτερη δυναμική συμπεριφορά σε διαταραχές. Στις περισσότερες εφαρμογές ο εξαρτημένος ελεγκτής είναι πιο γρήγορος από τον κύριο, ώστε να διορθώνει άμεσα μικρές διαταραχές χωρίς να χρειάζεται να υπάρξει μεγάλη ανταπόκριση από τον κύριο. Άλλο ένα πλεονέκτημα είναι η ευκολότερη ρύθμιση του συστήματος, καθώς η βοηθητική μεταβλητή είναι πιο ελέγξιμη PID έλεγχος λόγου Άλλος ένας τρόπος ελέγχου πολλών μεταβλητών, είναι ο έλεγχος λόγου (Ratio Control) ο οποίος έχει σκοπό να διατηρήσει ένα σταθερό λόγο μεταξύ δύο ή περισσότερων μεταβλητών. Ο κύριος ελεγκτής, όπως και στον διαδοχικό έλεγχο, προσπαθεί να διατηρήσει μια ελεγχόμενη μεταβλητή (y) σταθερή σύμφωνα με την επιθυμητή τιμή (w). Ο εξαρτημένος χρησιμοποιεί την ελεγχόμενη μεταβλητή του κύριου ελεγκτή, πολλαπλασιασμένη με τον επιθυμητό λόγο, σαν επιθυμητή τιμή για μια δεύτερη βοηθητική μεταβλητή ελέγχου. 7

16 Η διατήρηση του λόγου μεγαλώνει την απόδοση του συστήματος. w + e Κύριος Ελεγκτής xg Ελεγχόμενο Υποσύστημα 1 y1 - y Πολλαπλασιαστής -y2 + Εξαρτημένος Ελεγκτής xf Ελεγχόμενο Υποσύστημα 2 y2 Σχήμα 2.3: Block διάγραμμα ελέγχου λόγου 2.2. Πνευματικά συστήματα Τα πνευματικά συστήματα είναι συστήματα που χρησιμοποιούν πεπιεσμένο αέρα για να μεταφέρουν και να ελέγχουν ενέργεια. Σήμερα, τα πνευματικά συστήματα χρησιμοποιούνται εκτενώς, τόσο στην βιομηχανία όσο και σε μικρότερες εφαρμογές. Η διάδοση τους αυτή οφείλεται σε μία πληθώρα πλεονεκτημάτων που κάνουν επιθυμητή τη χρήση τους από τον σύγχρονο μηχανικό: Υψηλή αποτελεσματικότητα: Υπάρχει ανεξάντλητη παροχή πεπιεσμένου αέρα από το περιβάλλον και η μεταφορά του γίνεται εύκολα μέσω σωλήνων, χωρίς να περιορίζεται από την απόσταση. Μετά τη χρήση του, ο πεπιεσμένος αέρας μπορεί να ελευθερωθεί στο περιβάλλον χωρίς πρόβλημα. Μεγάλη αντοχή και αξιοπιστία: Σε σύγκριση με τα ηλεκτρικά και μηχανικά συστήματα, τα πνευματικά έχουν πολύ μεγαλύτερη αντοχή και δεν παθαίνουν ζημιές εύκολα. Απλός σχεδιασμός: Σχεδιάζονται εύκολα κάτι που είναι πάντα ζητούμενο στον έλεγχο και την βιομηχανία. Προσαρμοστικότητα: Ο πεπιεσμένος αέρας επηρεάζεται λιγότερο από τις περιβαλλοντικές διαταραχές όπως η θερμοκρασία, σκόνη, διάβρωση κλπ. 8

17 Ασφάλεια: Μπορούν να λειτουργήσουν άνετα σε εύφλεκτο περιβάλλον χωρίς κίνδυνο ανάφλεξης. Επίσης, τυχόν υπερφόρτωση δεν μπορεί να οδηγήσει σε κίνδυνο πυρκαγιάς όπως συμβαίνει στα ηλεκτρικά συστήματα. Εύκολη επιλογή ταχύτητας και πίεσης: Η πίεση και η ταχύτητα του αέρα μπορεί να ελεγχθεί εύκολα με έναν ελεγκτή πίεσης. Υπάρχουν κάποιοι περιορισμοί που θα αναλυθούν παρακάτω. Επίσης, η ταχύτητα μπορεί να είναι πολύ μεγάλη, κάτι χρήσιμο σε ON-OFF εφαρμογές. Φιλικά προς το περιβάλλον: Η λειτουργία των πνευματικών συστημάτων δεν δημιουργεί μόλυνση. Ο αέρας επεξεργάζεται ειδικά ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές που απαιτούν μεγάλη καθαριότητα, όπως οι γραμμές παραγωγής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Οικονομία: Τα πνευματικά συστήματα είναι οικονομικά και επιπλέον η μεγάλη τους αντοχή καθιστά τη συντήρηση οικονομικότερη. Από τα παραπάνω είναι φανερός ο λόγος για την προτίμηση στα πνευματικά συστήματα. Ωστόσο, η χρήση τους δεν είναι πανάκεια. Τα πνευματικά συστήματα έχουν περιορισμούς που μπορούν να περιπλέξουν την εφαρμογή τους σε συγκεκριμένες περιπτώσεις. Οι περιορισμοί αυτοί είναι: Σχετικά χαμηλή ακρίβεια: Τα πνευματικά συστήματα είναι άμεσα επηρεαζόμενα από τον όγκο του αέρα. Καθώς ο όγκος αυτός μπορεί να αλλάξει λόγω συμπίεσης ή υψηλής θερμοκρασίας, η παροχή μπορεί να μην είναι ακριβής, μειώνοντας τη συνολική ακρίβεια του συστήματος. Δυνατότητα χειρισμού φορτίων: Οι κύλινδροι των εξαρτημάτων των πνευματικών συστημάτων είναι σχετικά μικροί και δεν μπορούν να μετακινήσουν πολύ μεγάλα φορτία. Απαίτηση προεπεξεργασίας του αέρα: Ο αέρας πρέπει να είναι πλήρως στερούμενος σωματιδίων νερού για να αποφευχθεί η διάβρωση των κινούμενων εξαρτημάτων λόγω τριβής. Άνιση κίνηση: Η εύκολη συμπίεση του αέρα μπορεί να οδηγήσει σε άνιση κίνηση των πιστονιών. Θόρυβος: Παράγεται κατά την απελευθέρωση αέρα. Λόγω των παραπάνω μειονεκτημάτων, τα πνευματικά συστήματα είναι ιδανικά για εφαρμογές ON-OFF και έλεγχο «από κατάσταση Α σε κατάσταση Β» που δεν απαιτούν μεγάλη ακρίβεια στη θέση και στην πίεση. Ο έλεγχος τέτοιων εφαρμογών γίνεται με δυαδικές ηλεκτροπνευματικές βαλβίδες ελέγχου κατεύθυνσης και χωρίς να λαμβάνονται υπόψη τα δυναμικά στοιχεία της διαδικασίας, παρά μόνο η τελική κατάσταση. Για εφαρμογές που απαιτούν 9

18 συνεχή έλεγχο και αναλογικές διαδικασίες, ο έλεγχος καθίσταται πιο πολύπλοκος Αναλογικές Βαλβίδες Οι βαλβίδες αποτελούν βασικό κομμάτι των πνευματικών συστημάτων, αν όχι το βασικότερο, μιας και ελέγχουν τη ροή του αέρα. Υπάρχουν πολλά είδη βαλβίδων: βαλβίδες ελέγχου κατεύθυνσης, αναλογικές βαλβίδες ελέγχου ροής κλπ. Στην διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκαν δύο αναλογικές βαλβίδες ελέγχου πίεσης της εταιρίας FESTO, τα χαρακτηριστικά των οποίων αναλύονται στο κεφάλαιο 3.4. Οι αναλογικές βαλβίδες ελέγχουν την πίεση του πεπιεσμένου αέρα ανάλογα με το ηλεκτρικό σήμα που δέχονται. Για να συμβεί αυτό, διαθέτουν ενσωματωμένο αισθητήρα πίεσης που αναγνωρίζει την πίεση, την συγκρίνει με την επιθυμητή και ενεργοποιεί τον ρυθμιστή όταν διαφέρουν μεταξύ τους. Στο εμπόριο μπορούν να βρεθούν πολλές διαφορετικές βαλβίδες, με διαφορετικά εύρη τιμών ή ακόμα και ειδικές βαλβίδες που χρησιμοποιούν ειδικά αέρια για εφαρμογές σε φαρμακοβιομηχανίες ή την παραγωγή τροφίμων. Γενικότερα οι αναλογικές βαλβίδες χαρακτηρίζονται από μεγάλη ταχύτητα αλλά πάσχουν από μια σειρά προβλημάτων που καθιστούν πολύπλοκη τη ρύθμιση εφαρμογών με υψηλή ακρίβεια. Πιο συγκεκριμένα τα προβλήματα αυτά είναι: Η νεκρή ζώνη (dead band). Όταν μια τιμή δεν ξεπερνά το εύρος της νεκρής ζώνης, τότε η βαλβίδα δεν ενεργεί. Αυτό προκαλεί πρόβλημα όταν αλλάζει κατεύθυνση το σήμα εξόδου που ελέγχει την βαλβίδα γιατί πρέπει να γίνει μεγαλύτερο από το εύρος της νεκρής ζώνης με συνέπεια την καθυστέρηση της κίνησης και την πρόκληση ταλάντωσης αν ελέγχεται από PID έλεγχο. Η συμπιεστότητα του αέρα. Το γεγονός ότι ο αέρας μπορεί να συμπιεστεί πέρα από τον έλεγχο μας, δημιουργεί καθυστερήσεις στον έλεγχο αναλογικών βαλβίδων και μειώνει την ακρίβεια. Η στατική τριβή (stiction). Όταν μια βαλβίδα σταματήσει να κινείται, δημιουργείται στατική τριβή που πρέπει να ξεπεραστεί πριν ξεκινήσει η βαλβίδα. Έτσι ο ελεγκτής συνεχίζει να ανεβάζει την έξοδο ενώ η βαλβίδα δεν ακολουθεί. Αυτό οδηγεί σε αύξηση της πίεσης ώσπου τέλος υπερνικά την στατική τριβή και κινείται γρήγορα οδηγώντας σε υπέρβαση θέσης (overshoot). Ο ελεγκτής προσπαθεί να αντιστρέψει αυτή την υπέρβαση, 10

19 υπερνικώντας εκ νέου την στατική τριβή στην καινούρια θέση και προκαλώντας πάλι υπέρβαση θέσης κ.ο.κ. Αυτό δημιουργεί ταλάντωση που ονομάζεται stick-slip cycle. Αν συμβαίνει ταλάντωση λόγω στατικής τριβής τότε η γραφική παράσταση της εξόδου του ελεγκτή παίρνει μορφή «πριονιού» ενώ η μεταβλητή μοιάζει με τετραγωνικό κύμα. Σχήμα 2.4: Επιρροή στατικής τριβής στον έλεγχο 2.4. Έλεγχος κυλίνδρου δύο θαλάμων Στρατηγικές ελέγχου Όπως αναφέρθηκε στα προηγούμενα κεφάλαια, ο έλεγχος κυλίνδρου δύο θαλάμων επηρεάζεται από μη γραμμικότητες που οφείλονται στην συμπιεστότητα του αέρα, τα χαρακτηριστικά των βαλβίδων και τη μη γραμμική συμπεριφορά των αποτελεσμάτων της τριβής, ειδικά σε ταχύτητες κοντά στο μηδέν. Αυτό το γεγονός καθιστά δύσκολη την επίτευξη ακρίβειας στον έλεγχο γενικότερα αλλά και την επίτευξη καλής συμπεριφοράς με τον απλό PID. Το γεγονός της ευρείας εφαρμογής των πνευματικών συστημάτων στη βιομηχανία, οδήγησε πολλούς ερευνητές σε προσπάθειες μοντελοποίησης των μη γραμμικοτήτων και σε προτάσεις για εξελιγμένες στρατηγικές ελέγχου. Κυριότερο αντικείμενο έρευνας μέχρι στιγμής είναι ο έλεγχος θέσης πνευματικού κυλίνδρου, με λιγότερες δημοσιεύσεις να ασχολούνται με την άσκηση πίεσης, πόσο μάλλον για τον κάθετο άξονα. Ωστόσο, οι βασικές αρχές είναι ίδιες και για αυτό θα γίνει μια αναφορά σε κάποιες στρατηγικές ελέγχου ανάμεσα στις πολλές που έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία είκοσι χρόνια. 11

20 Πριν παρουσιαστούν στρατηγικές ελέγχου θέσης ή πίεσης θα πρέπει να γίνει και μια σύντομη αναφορά στις προσπάθειες μοντελοποίησης των μη γραμμικοτήτων και της δυναμικής συμπεριφοράς των πνευματικών συστημάτων. Μια πρώτη προσπάθεια έγινε από τον Shearer το 1956 και πολλοί έχουν ακολουθήσει έκτοτε τα βήματα του. Ένα παράδειγμα είναι η προσπάθεια των V. Geleževičius και Α. Grigaitis το Σε μια προσπάθεια ανάλυσης της δυναμικής συμπεριφοράς ενός κυλίνδρου δύο θαλάμων, τοποθετημένου στον οριζόντιο άξονα (σχήμα 2.5), έφτιαξαν ένα μοντέλο της εσωτερικής του δομής.το μοντέλο αυτό φαίνεται στο σχήμα 2.6. Σχήμα 2.5: Διάταξη πειράματος Σχήμα 2.6: Δομικό μοντέλο κυλίνδρου δύο θαλάμων 12

21 Μετά την κατασκευή του μοντέλου, ερεύνησαν την συμπεριφορά σε τέσσερις περιπτώσεις: την κίνηση του εσωτερικού εμβόλου από το ένα άκρο στο άλλο λόγω διαφοράς πίεσης στους θαλάμους, την επιρροή της θέσης του στο θάλαμο όταν οι θάλαμοι έχουν ίδια πίεση, την επιρροή της αρχικής πίεσης στους θαλάμους στην εφαρμογή εξωτερικής δύναμης και τέλος, την ακινητοποίηση του εσωτερικού εμβόλου με εξαέρωση της πίεσης. Τα συμπεράσματα τους έδειξαν ότι η συμπεριφορά του κυλίνδρου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την αρχική θέση, την διαφορά πίεσης κλπ, δείχνοντας το πόσο πολύπλοκη είναι η κατανόηση των εσωτερικών διεργασιών των πνευματικών συστημάτων. Για να ξεπεραστούν αυτές οι δυσκολίες έχουν γίνει πολλές προτάσεις. Στρατηγικές ελέγχου έχουν προταθεί, είτε με βάση τον ασαφή έλεγχο (Jakub κ.ά., 2009, Kaitwanidvilai κ.ά., 2011), είτε με έλεγχο sliding mode (Bone και Ning 2007, Paul κ.ά., 1994, Richer και Hurmuzlu, 2001b, Tsai και Huang, 2008b) είτε με νευρωνικά δίκτυα (Hassan, 2010) είτε με παραλλαγές του κλασικού PID. Μια από τις πρώτες προσπάθειες πιο εξελιγμένου ελέγχου, ήταν των Hamiti κ.ά. (1996), που ασχολήθηκαν με έλεγχο θέσης με τη βοήθεια πνευματικού κυλίνδρου δύο θαλάμων, τοποθετημένου στον οριζόντιο άξονα. Σχήμα 2.7: Διάταξη του πειράματος Ανέπτυξαν μια προσέγγιση, κατά την οποία στην διαφορική συνάρτηση μεταφοράς του συστήματος, προστέθηκε εσωτερικός αναλογικός βρόχος ανατροφοδότησης με κέρδος k. Αυτή η μετατροπή απλοποιεί το σύστημα, μειώνει την επίδραση των μη γραμμικοτήτων και επιτρέπει την προσομοίωση με ένα μοντέλο πρώτης τάξης με κάποιο νεκρό χρόνο. Έτσι, το σύστημα μπορεί να ελεγχθεί εύκολα από έναν PI ελεγκτή. Ο συνδυασμός του ΡΙ με μια σταθμισμένη συνάρτηση στο ολοκληρωτικό κέρδος αποφεύγει το «stick and slip» του συστήματος λόγω τριβής. Ο ΡΙ ρυθμίζεται με την μέθοδο Chien- Hrones-Reswick. 13

22 Σχήμα 2.8: Block διάγραμμα της μεθόδου Άλλες έρευνες χρησιμοποιούν αντιστάθμιση τριβής. Οι van Varseveld και Bone (1997) έκαναν μετατροπές στον PID, προσθέτοντας αντιστάθμιση τριβής, φραγμένο ολοκληρωτικό όρο και ανατροφοδότηση προς τα εμπρός της θέσης. Με αυτό τον τρόπο έκαναν τον ελεγκτή σθεναρό σε αύξηση μέχρι έξι φορές της μάζας του συστήματος και το σφάλμα μόνιμης κατάστασης μειώθηκε κατά 40%. Σε επακόλουθη έρευνα, οι Bone και Ning χρησιμοποίησαν μια μέθοδο ελέγχου sliding mode βασισμένο σε γραμμικό και μη-γραμμικό σύστημα, αποκαλούμενο SMCL (Sliding Mode Control Linear) και SMCN (Sliding Mode Control Nonlinear) αντίστοιχα για να βελτιώσουν ακόμα περισσότερο την επίδοση. Το 2002 οι Šulc και Jan χρησιμοποίησαν ελεγκτή ασαφούς ελέγχου για να αντιμετωπίσουν τις μη γραμμικότητες. Στη έρευνα τους έγινε σύγκριση μεταξύ του ασαφούς ελεγκτή και ενός PD ελεγκτή για εξαγωγή συμπερασμάτων. Σχήμα 2.9: Ο πνευματικώς κύλινδρος των Šulc και Jan Για τον ασαφή έλεγχο, επέλεξαν έναν ασαφή ελεγκτή τύπου Mamdani με δύο εισόδους (σφάλμα ελέγχου και την παράγωγό του) και μία έξοδο (το σήμα 14

23 ελέγχου). Οι κανόνες λειτουργίας ορίζονται ως εξής: για την περιοχή στην οποία υπάρχει μεγάλο σφάλμα, είναι αναγκαίο ένα μεγάλο συνεχές και μέγιστο σήμα ελέγχου ενώ για περιοχές μικρού σφάλματος ο ελεγκτής συμπεριφέρεται σαν μη γραμμικός PD ελεγκτής. Σχήμα 2.10: Ασαφής έλεγχος Με ασαφή έλεγχο δούλεψαν και οι Ming-Hung Tsai κ.ά. που ανέπτυξαν μια εφαρμογή με ασαφή έλεγχο sliding mode για τον έλεγχο της θέσης του κυλίνδρου στον κάθετο άξονα υπό την επίδραση φορτίου. Η δύναμη που ασκείται από το φορτίο προσομοιώνεται με τον έλεγχο της πίεσης Ρ L από αναλογική βαλβίδα. Σχήμα 2.11: Διάταξη του πειράματος 15

24 Οι Ming-Hung Tsai κ.ά. χρησιμοποίησαν έναν ασαφή ελεγκτή σχεδιασμένο με βάση την ανθρώπινη εμπειρία, χωρίς ακριβές μαθηματικό μοντέλο και με τη σταθερότητα του να εγγυάται η προσέγγιση του με Lyapunov. Το block διάγραμμα του, φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 2.12: Διάγραμμα block Πιο πρόσφατες έρευνες έχουν εστιάσει στην αντιμετώπιση των μη γραμμικοτήτων αλλά κρατώντας τον δημοφιλή PID ελεγκτή. To 2007 οι Παπουτσιδάκης κ.ά. πρότειναν μία μέθοδο ελέγχου θέσης με εφαρμογή PD ελεγκτή με αυτόματη ενεργοποίηση του ολοκληρωτικού όρου όταν το σφάλμα είναι μέσα σε ένα συγκεκριμένο διάστημα. Σχήμα 2.13: Διάταξη του πειράματος 16

25 Με την ενεργοποίηση του ολοκληρωτικού όρου μόνο για μικρά σφάλματα, το σφάλμα μόνιμης κατάστασης μηδενίζεται και ταυτόχρονα μειώνεται ο χρόνος απόκρισης του συστήματος. Εδώ πρέπει να γίνει η παρατήρηση ότι αυτή η έρευνα ήταν η έμπνευση πίσω από την λογική αυτόματης μείωσης του εύρους που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη διπλωματική εργασία. Τέλος, το 2012 οι M.F.Rahmat κ.ά. σχεδίασαν έναν μη γραμμικό ελεγκτή PID (NPID, Nonlinear PID) για να ελέγχουν τη θέση ενός πνευματικού κυλίνδρου, χρησιμοποιώντας ένα αυτόματο μη γραμμικό κέρδος. Σχήμα 2.14: Διάταξη πειράματος Το μη γραμμικό κέρδος παράγεται ανάλογα με την τιμή του σφάλματος: παίρνει μεγάλες τιμές για να διορθώσει ένα μεγάλο σφάλμα και μειώνεται όσο μειώνεται για να εξαλείψει την υπερύψωση. Σχήμα 2.15: Block διάγραμμα NPID 17

26 Οι παραπάνω μελέτες, είναι λίγες ανάμεσα σε πολλές άλλες που έχουν αναπτυχθεί. Σχεδόν όλες όμως, εστιάζουν σε πολύπλοκους ελεγκτές με πολλούς παραμέτρους που απαιτούν εξειδικευμένη ρύθμιση οδηγώντας τις βιομηχανίες να προτιμούν τον PID Το μαθηματικό μοντέλο Οι περισσότερες μελέτες πάνω στον κύλινδρο δύο θαλάμων έχουν γίνει στον οριζόντιο άξονα. Στον κάθετο άξονα που αφορά αυτή την διπλωματική το μαθηματικό μοντέλο είναι το εξής: mÿ + by = (P A A A P B A B ) +mg F f * sgn(y ) (3) όπου m η συνολική μάζα του μηχανισμού άσκησης πίεσης, y η θέση του στον κάθετο άξονα, b ο συντελεστής ιξώδους τριβής του αερίου, P A και P B η πίεση στον Α και τον Β θάλαμο αντίστοιχα, A A και A B η επιφάνεια του πιστονιού σε κάθε θάλαμο και F f είναι δύναμη τριβής. Sgn(x) είναι η εξίσωση: Ως θετική φορά έχει τεθεί η προς τα κάτω. Η ασκούμενη δύναμη της διάταξης (η ζητούμενη πίεση στην τυχαία επιφάνεια για την διπλωματική) είναι η F applied η οποία ισούται με: F applied = P A A A P B A B + mg (5) Είναι φανερό ότι για τον πλήρη έλεγχο του κυλίνδρου είτε αφορά την ταχύτητα είτε την θέση είτε την ασκούμενη δύναμη, είναι απαραίτητη η γνώση όλων των παραμέτρων κάτι που είναι δύσκολο καθώς υπάρχουν πολλές αβεβαιότητες και μη γραμμικές συμπεριφορές. Για αυτό τον λόγο σε πολλές στρατηγικές έχει αντικατασταθεί το ακριβές μαθηματικό μοντέλο για χάρη ενός πιο απλοποιημένου, ενώ η ρύθμιση γίνεται βασισμένη στην παρατήρηση της συμπεριφοράς. 18

27 Κεφάλαιο 3. Πειραματική Διάταξη 3.1. Γενική Περιγραφή Σχήμα 3.1: Πειραματική διάταξη Η πειραματική διάταξη αποτελείται από τα εξής στοιχεία: Λίστα επιμέρους στοιχείων πειραματικής διάταξης Κύλινδρος πεπιεσμένου αέρα διπλής ενέργειας χωρίς έμβολο Μηχανισμός άσκησης πίεσης ενσωματωμένος στον κύλινδρο Δύο αναλογικές βαλβίδες Αισθητήρας πίεσης Burster ενσωματωμένος στο έμβολο Αισθητήρας πίεσης θαλάμου WIKA Ενισχυτής τάσης 1/1000 Οι πρότυπες επιφάνειες 19

28 Η διάταξη τροφοδοτείται με πεπιεσμένο αέρα από το δίκτυο του εργαστηρίου Διάταξη πεπιεσμένου αέρα Κύλινδρος Σχήμα 3.2: Κύλινδρος πεπιεσμένου αέρα Ο κύλινδρος πεπιεσμένου αέρα είναι η βάση της διάταξης, καθώς επάνω του στηρίζεται ο μηχανισμός άσκησης πίεσης και μέσω αυτού γίνεται η κίνηση. Πρόκειται για κύλινδρο διπλής δράσης. Στα δύο άκρα του κυλίνδρου γίνεται η παροχή πεπιεσμένου αέρα μέσω των αναλογικών βαλβίδων και ανάλογα με την διαφορά πιέσεων στους δύο θαλάμους, το εσωτερικό έμβολο κινείται προς τα πάνω ή προς τα κάτω, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3. Ο εξωτερικός φορέας συνδέεται με το εσωτερικό έμβολο μαγνητικά. 20

29 Επίσης, στα τελευταία πειράματα συνδέεται στο πάνω θάλαμο του κυλίνδρου, ο αισθητήρας πίεσης WIKA. Σχήμα 3.3: Λειτουργία του κυλίνδρου Μηχανισμός άσκησης πίεσης Σχήμα 3.4: Μηχανισμός άσκησης πίεσης Ο μηχανισμός άσκησης πίεσης είναι στην ουσία ένα έμβολο πακτωμένο επάνω στον εξωτερικό φορέα του κυλίνδρου πεπιεσμένου αέρα. Το έμβολο αποτελείται από ένα εξωτερικό, μεταλλικό, κυλινδρικό κέλυφος, έναν εσωτερικό, πλαστικό κύλινδρο, μια μπίλια κύλισης και ένα ελατήριο. Μέσα στο κέλυφος βρίσκεται επίσης και ο αισθητήρας πίεσης. Ο μηχανισμός λειτουργεί ως εξής: Η μπίλια υπάρχει για να διευκολύνει την κίνηση της ξύλινης επιφάνειας στο κάτω μέρος του μηχανισμού και είναι ενσωματωμένη στον πλαστικό κύλινδρο. Ο πλαστικός κύλινδρος έχει την δυνατότητα να ανεβοκατεβαίνει μέσα στο εξωτερικό κέλυφος. Το ελατήριο 21

30 παρεμβάλλεται ανάμεσα στον κύλινδρο και τον αισθητήρα πίεσης στο επάνω μέρος του κελύφους, δίνοντας σχετική ελευθερία κίνησης και ανοχή στις μεταβολές. Το σχεδιάγραμμα φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 3.5.: Σχεδιάγραμμα μηχανισμού 3.3. Πρότυπες επιφάνειες δοκιμών Προκειμένου να διαπιστωθεί η σωστή λειτουργία της διάταξης για οποιαδήποτε τυχαία επιφάνεια, κατασκευάστηκαν ξύλινες πλατφόρμες πάνω στις οποίες ακουμπά ο μηχανισμός πίεσης. Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, οι επιφάνειες κινούνται χειροκίνητα και το έμβολο θα πρέπει να ανεβοκατεβαίνει διατηρώντας την F applied σταθερή. Σχήμα: 3.6: Τριγωνική επιφάνεια 22

31 Σχήμα 3.7: Καμπυλωτή Επιφάνεια 3.4. Αναλογικές Βαλβίδες Σχήμα 3.8: Αναλογικές Βαλβίδες Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ο κύλινδρος τροφοδοτείται με πεπιεσμένο αέρα από το δίκτυο του εργαστηρίου και του οποίου η πίεση ρυθμίζεται από μέσω αναλογικών βαλβίδων. Στην διάταξη χρησιμοποιήθηκαν δύο αναλογικές βαλβίδες της εταιρίας FESTO, μοντέλο VPPM-6F-L-1-F-0L6H-V1N. Οι VPPM βαλβίδες σχεδιάζονται ώστε να ρυθμίζουν αναλογικά την πίεση σύμφωνα με μια καθορισμένη τιμή (setpoint). Περιέχουν ενσωματωμένο αισθητήρα που συγκρίνει την τιμή της εξόδου με το setpoint και σε περίπτωση 23

32 απόκλισης, ο ρυθμιστής προσαρμόζει την πίεση μέχρι να συμφωνεί με το setpoint. Το μοντέλο VPPM-6F-L-1-F-0L6H-V1N μας δίνει επίσης την δυνατότητα να επιλέξουμε μεταξύ τριών συμπεριφορών ελέγχου: Fast control behavior: Γρήγορη απόκριση αλλά μεγαλύτερος χρόνος αποκατάστασης της πίεσης λόγω υπερύψωσης Universal control behavior: Προεπιλεγμένη εργοστασιακή ρύθμιση με μικρό χρόνο αποκατάστασης. Παρουσιάζει μικρή υπερύψωση Precise control behavior: Μεγάλη ακρίβεια αλλά μεγάλος χρόνος αποκατάστασης Στη διάταξη χρειαζόταν άμεση απόκριση ώστε να παρακολουθείται ικανοποιητικά η επιφάνεια οπότε χρησιμοποιήθηκε ο πρώτος τρόπος ελέγχου. Τεχνικά χαρακτηριστικά: Αναλογικός ρυθμιστής πίεσης VPPM 3 δρόμων με ηλεκτρική ενεργοποίηση Ονομαστική διάμετρος εισόδου 6mm /εξόδου 4,5 mm Βαλβίδα τύπου F ( Flange) Dynamics τύπου L (Low) Λειτουργία βαλβίδας τύπου-1: 3-way ρυθμιστής, normally closed Μέσο λειτουργίας: πεπιεσμένος αέρας Εύρος ασφαλούς λειτουργίας: 0 έως 6 bar Μέγιστη επιτρεπόμενη πίεση 8 bar Ακρίβεια ελέγχου 2% Καθορισμός setpoint μεταβλητής σε τάση V1 (0-10 V) Διακοπτική έξοδος τύπου Ν (ΝΡΝ) Ένδειξη λειτουργίας LED Τάση λειτουργίας 24V +/- 10%: V 24

33 Επιτρεπόμενη θερμοκρασία λειτουργίας 0-60 C Βάρος 400 gr Αισθητήρας πίεσης Burster Σχήμα 3.9: Αισθητήρας Ο αισθητήρας πίεσης που χρησιμοποιείται, είναι το μοντέλο miniature ring load cell της εταιρίας Burster. Η μετρούμενη δύναμη πρέπει να εφαρμοστεί στον αισθητήρα μέσω της εξωτερικής ή εσωτερικής ζώνης και μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα με μέσω ειδικών στελεχών πίεσης συνδεδεμένων μεταξύ τους σε πλήρες κύκλωμα γέφυρας. Το εύρος μετρήσεων του αισθητήρα είναι 0-50Ν. Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά: Αντίσταση γέφυρας: 350Ω (ονομαστική) Τροφοδοσία: max 5V DC Εύρος μετρήσεων: 2mV/V ονομαστική Στη συγκεκριμένη διάταξη παρέχεται τροφοδοσία 5V οπότε ο αισθητήρας δίνει εύρος μετρήσεων 0-10mV. 25

34 Καλωδίωση: Τροφοδοσία (θετικό): Κόκκινο Τροφοδοσία (αρνητικό): Μαύρο Σήμα εξόδου θετικό: Λευκό Σήμα εξόδου αρνητικό: Πράσινο 3.6. Ενισχυτής Σχήμα 3.10: Ενισχυτής Ο αισθητήρας πίεσης δίνει σήμα εξόδου με εύρος 0-10mV. Ωστόσο, η αναλογική είσοδος του PLC δέχεται τιμές της τάξης των Volt. Για αυτό τον λόγο χρησιμοποιήθηκε ο ενισχυτής τάσης για να συνδέσει τον αισθητήρα με το PLC. Ο ενισχυτής είναι χειροποίητος και κατασκευάστηκε στο εργαστήριο με τις παρακάτω προδιαγραφές: 26

35 Έχει κέρδος 1000 και ενισχύει το σήμα του αισθητήρα Burster από mv σε V. Παρέχει τροφοδοσία 5 V στον αισθητήρα Burster. Δέχεται τροφοδοσία 24.5 V ως εξής: Στην είσοδο τροφοδοσίας ο κεντρικός πόλος συνδέεται με την γη. Στον αρνητικό πόλο παρέχεται τάση 11 V και στον θετικό 13.5 V. Σχήμα 3.11: Σύνδεση τροφοδοσίας Εδώ πρέπει να αναφερθεί ότι για μηδενική πίεση ο ενισχυτής έδινε αρνητική τιμή -0,5V αντίθετα με αυτά που ανέφεραν οι προδιαγραφές Αισθητήρας πίεσης WIKA Σχήμα 3.12: Αισθητήρας C-10 27

36 Για τις τεχνικές ελέγχου λόγου (Ratio control) και διαδοχικού ελέγχου (Cascade control) χρειάστηκε η εφαρμογή ενός δεύτερου αισθητήρα για την μέτρηση της πίεσης στον ένα από τους δύο θαλάμους του κυλίνδρου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ο αισθητήρας C-10 της εταιρείας WIKA. Το εύρος του είναι 0-10 bar και με τροφοδοσία 24V δίνει εύρος μετρήσεων από 0 έως 10V γεγονός που μας επιτρέπει να το συνδέσουμε απευθείας στην αναλογική είσοδο του PLC. Η συνδεσμολογία του φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 3.13: Συνδεσμολογία αισθητήρα 3.8. Ψηφιακός ενδείκτης - Μετατροπέας Κ3ΗΒ-V Εικόνα 3.14: Ψηφιακός ενδείκτης Κ3ΗΒ-V Για την ακριβή μέτρηση της ασκούμενης δύναμης χρησιμοποιήθηκε ο ψηφιακός ενδείκτης μετατροπέας Κ3ΗΒ-V της εταιρίας Omron. Η συσκευή αυτή, λαμβάνει την τάση του σήματος του αισθητήρα Burster, την μετατρέπει σε σήμα με συμβατό εύρος τιμών με το PLC και εμφανίζει σε ψηφιακή μορφή 28

37 την ασκούμενη δύναμη σε κιλά. Επίσης μπορεί να τροφοδοτήσει αισθητήρα με τάση. Τεχνικά χαρακτηριστικά Μοντέλο Τροφοδοσία Εύρος τροφοδοσίας αισθητήρα Αναλογικά σήματα εισόδου Κ3ΗΒ-V 24VAC/DC 100mA, 10V mV mV ±100mV ±199.99mV Αναλογικά σήματα εξόδου 0-20mA, 4-20mA 0-5V 1-5V 0-10V Oνομαστική θερμοκρασία -10 C - 55 C Σφάλμα γραμμικότητας ±0.5% Ο ενδείκτης μπορεί να λάβει πέντε πλακέτες που εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες. Στην συγκεκριμένη διπλωματική συμπεριλήφθηκε η πλακέτα της τροφοδοσίας, της αναλογικής εισόδου και της αναλογικής εξόδου/ τροφοδοσίας του αισθητήρα. Λόγω της απαίτησης του αισθητήρα Burster για τροφοδοσία 5V, η τροφοδοσία του δεν έγινε μέσω του ενδείκτη Κ3ΗΒ-V αλλά από την πλακέτα του ενισχυτή. Επίσης, η αναλογική έξοδος του ενδείκτη ορίστηκε στο εύρος 1-5V ώστε να συμβαδίζει με τις προδιαγραφές της αναλογικής εισόδου 331-7ΝF10-0AB0, η οποίες αναλύονται στο κεφάλαιο

38 30

39 Κεφάλαιο 4. Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLC) Σχήμα 4.1: Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής 4.1. Γενική αναφορά στη χρήση του PLC Από την θεωρία γνωρίζουμε ότι ένας Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής (Programmable Logic Controller ή για συντομία PLC) ορίζεται ως εξής: «Μια ψηφιακή συσκευή με μικροεπεξεργαστή και προγραμματιζόμενη μνήμη η οποία μπορεί να αποθηκεύσει και να εκτελέσει εντολές του χρήστη για υλοποίηση συναρτήσεων λογικής Boole, ακολουθιακής λογικής, χρονισμού, απαρίθμησης και αριθμητικών πράξεων προκειμένου, μέσω ψηφιακών ή αναλογικών εισόδων/εξόδων, να ελέγξει τη λειτουργία μιας σύνθετης μηχανής ή μιας ολόκληρης διεργασίας» Σε αυτή την διπλωματική εργασία η χρήση του PLC ήταν απαραίτητη για την επικοινωνία, τον έλεγχο και τον προγραμματισμό των λειτουργιών της πειραματικής διάταξης και για αυτό θα αναλυθούν εν συντομία σε αυτό το κεφάλαιο. Αναλυτικότερη αναφορά δεν θα γίνει γιατί το αντικείμενο έχει αναλυθεί εκτενώς στη βιβλιογραφία ( πχ. Συστήματα Προγραμματιζόμενων Βιομηχανικών Αυτοματισμών του Σταμάτιου Μάνεση) και σε άλλες 31

40 διπλωματικές εργασίες (πχ. «Ανάπτυξη εφαρμογής βιομηχανικού αυτοματισμού με προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή: Συνεργατική λειτουργία εμβόλων πεπιεσμένου αέρα», του Ιωάννη Κοκκινάκη) Πριν την ανάπτυξη των PLC, η υλοποίηση ενός συστήματος αυτοματισμού απαιτούσε μια πληθώρα βοηθητικών συσκευών όπως χρονοδιακόπτες, απαριθμητές, βοηθητικά ρελέ, ακολουθιακούς ελεγκτές κ.α. Η εγκατάσταση, διασύνδεση και ενσυρμάτωση όλων αυτών των συσκευών, καθώς και οποιαδήποτε αλλαγή ήταν ακριβή και χρονοβόρα. Η ανάπτυξη των PLC επέτρεψε στην σταδιακή αντικατάσταση των παραπάνω συσκευών με απευθείας γραφή αντίστοιχου προγράμματος, απλοποιώντας την διαδικασία της συρμάτωσης του κυκλώματος αυτοματισμού. Το PLC ωστόσο δεν αντικαθιστά τις συσκευές εισόδου (διακόπτες, μπουτόν χειρισμού) ή εξόδου (ρελέ ισχύος, πηνία βαλβίδων, λυχνίες). Το έργο που επιτελεί είναι η διασύνδεση με αυτές. Από τις συσκευές εισόδου δέχεται εντολές ή πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση του συστήματος και αποφασίζει για τις δράσεις στις συσκευές εξόδου, μέσω του προγράμματος που είναι αποθηκευμένο στη μνήμη του. Σήμερα, κατασκευάζονται συνεχώς νέα μοντέλα με όλο και περισσότερες δυνατότητες, μικρότερο όγκο και κόστος. Ο σύγχρονος έλεγχος κάθε βιομηχανικής παραγωγής ή σύνθετης μηχανής πραγματοποιείται πλέον με τη βοήθεια PLC, ακόμα και μικρότερες εφαρμογές όπως πλυντήρια αυτοκινήτων, αντλιοστάσια κλπ. Η αλματώδης διάδοση των PLC οφείλεται στα πολλά πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν: Οικονομία Χρόνου: Η γραφή του προγράμματος μπορεί να γίνει ταυτόχρονα με την εγκατάσταση του PLC και τη διασύνδεση του με τις συσκευές εισόδου/εξόδου. Στα συμβατικά κυκλώματα αυτοματισμού πρέπει να γίνει πρώτα το κύκλωμα αυτοματισμού, να κατασκευασθεί ο βιομηχανικός πίνακας και μόνο τότε, να γίνει η εγκατάσταση και σύνδεση του. Οικονομία Χώρου: Τα PLC είναι ψηφιακές συσκευές με μικρό όγκο αλλά αντικαθιστούν βοηθητικές συσκευές καθώς και τον βιομηχανικό πίνακα. Εύκολη τροποποίηση: Τυχόν αλλαγές ή τροποποιήσεις της λογικής του αυτοματισμού γίνονται εύκολα με αλλαγή του προγράμματος και φόρτωση του στο PLC. Σε συμβατικό κύκλωμα θα απαιτούταν αφαίρεση καλωδίων, προσθήκη νέων, αλλαγές εξοπλισμού και το χειρότερο, παύση της λειτουργίας. Εύκολος εντοπισμός βλαβών: Με τη βοήθεια του PLC μπορούμε να παρακολουθήσουμε την κατάσταση οποιουδήποτε εσωτερικού στοιχείου κατά την εκτέλεση του προγράμματος. Επιπλέον, η κατάσταση ON-OFF μπορεί να 32

41 διαπιστωθεί εύκολα με ενδεικτικά LED. Τέλος, η πλασματική αλλαγή κατάστασης μιας συσκευής εισόδου και παρατήρηση των αντιδράσεων του συστήματος επιτρέπουν την εύκολη πραγματοποίηση δοκιμών. Επάρκεια επαφών: Στον συμβατικό αυτοματισμό και σχεδίαση του αντίστοιχου κυκλώματος, πρέπει να γνωρίζουμε ακριβώς πόσες βοηθητικές επαφές είναι διαθέσιμες σε ένα ρελέ ισχύος και όταν δεν φτάνουν, να προσθέσουμε δεύτερο μπλοκ επαφών ή να το παραλληλίσουμε με δεύτερο ρελέ για να χρησιμοποιήσουμε τις επαφές του. Στα PLC δεν υφίσταται τέτοιο πρόβλημα καθώς κάθε θέση μνήμης παίζει το ρόλο βοηθητικού ρελέ. Σύγχρονος τρόπος και μέσα εργασίας: Η χρήση των PLC επιτρέπει στους μηχανικούς να δουλεύουν με υπολογιστή στη θέση των καλωδίων, βοηθητικών ρελέ, κατσαβιδιών κλπ., αξιόπιστη λειτουργία και οικονομία στην κατανάλωση ενέργειας. Η άνετη χρήση ενός προσωπικού υπολογιστή συνιστά ένα πιο ευχάριστο και σύγχρονο περιβάλλον εργασίας Δομή και λειτουργία του PLC Τα βασικά συστατικά μέρη ενός PLC είναι τα εξής: Συστατικά PLC: Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) Η μνήμη Οι βαθμίδες εισόδων/εξόδων Το τροφοδοτικό ισχύος 33

42 Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) Σχήμα 4.2: Η CPU Η CPU αποτελείται από τον μικροεπεξεργαστή, που είναι και το σημαντικότερο κομμάτι και όλα τα απαραίτητα συμπληρωματικά κυκλώματα που αποθηκεύουν ή καλούν πληροφορίες από τη μνήμη, καθώς και τα κυκλώματα για την επικοινωνία του μικροεπεξεργαστή με τη συσκευή προγραμματισμού (συνήθως έναν προσωπικό υπολογιστή). Η λειτουργία του μικροεπεξεργαστή ελέγχεται από ένα πρόγραμμα που αποκαλείται λειτουργικό ή εκτελέσιμο πρόγραμμα και που οδηγεί τον μικροεπεξεργαστή να πραγματοποιήσει διάφορες εσωτερικές λειτουργίες όπως επεξεργασία, έλεγχο και επικοινωνία. Η CPU εκτελεί τις ακόλουθες βασικές λειτουργίες: Λειτουργίες εισόδων/εξόδων, δηλαδή την επικοινωνία με τον εξωτερικό κόσμο (σάρωση εισόδων,ενημέρωση εξόδων) Λογικές και αριθμητικές λειτουργίες Λειτουργίες ανάγνωσης, γραφής και ειδικής τροποποίησης του περιεχομένου των θέσεων μνήμης. Επικοινωνιακές λειτουργίες για την επικοινωνία με περιφερειακές βαθμίδες κλπ Η μνήμη Στην μνήμη του υπολογιστή αποθηκεύεται το εκτελέσιμο πρόγραμμα, το πρόγραμμα του χρήστη, οι καταστάσεις των εισόδων/εξόδων και άλλα δεδομένα προσωρινής φύσης. Κάθε κατασκευαστής PLC οργανώνει την μνήμη διαφορετικά, όλοι όμως ακολουθούν την ίδια στρατηγική. Μια τυπική δομή μνήμης πέντε τμημάτων φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 34

43 Σχήμα 4.3: Οργάνωση μνήμης PLC Το κάθε τμήμα έχει διαφορετικό σκοπό και ανάλογο μέγεθος και μπορεί να αποτελεί ακόμα και διαφορετικό είδος μνήμης. Οι διάφοροι τύποι μνήμης είναι: Η μνήμη ROM (Read Only Memory) που είναι σχεδιασμένη μόνο για ανάγνωση. Σε αυτή τοποθετούνται πληροφορίες που αφορούν τη λειτουργία του PLC, συγκεκριμένα το εκτελέσιμο πρόγραμμα. Η μνήμη RAM (Random Access Memory), η μνήμη τυχαίας προσπέλασης που είναι σχεδιασμένη ώστε να μπορούν να γραφτούν και να διαβαστούν ελεύθερα δεδομένα. Σε αυτή τη μνήμη αποθηκεύονται το πρόγραμμα του χρήστη και όλα τα προσωρινά δεδομένα. Σε περίπτωση απώλειας ενέργειας, τα δεδομένα της RAM διαγράφονται και για αυτό περιλαμβάνει συνήθως μια μπαταρία για την αποφυγή αυτού του γεγονότος. H μνήμη EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) είναι μια μνήμη ROM, η οποία όμως μπορεί να επαναπρογραμματιστεί αφού προηγηθεί διαγραφή των περιεχομένων με εφαρμογή υπεριώδους ακτινοβολίας. Χρησιμοποιείται κυρίως για την οριστική αποθήκευση του προγράμματος αυτοματισμού καθώς τα δεδομένα της δεν χάνονται σε περίπτωση απώλειας ρεύματος. Η μνήμη EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) είναι παρόμοια με την EPROM με τη διαφορά ότι τα 35

44 περιερχόμενα της μπορούν να σβηστούν με εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης στους ακροδέκτες της αντί για υπεριώδη ακτινοβολία Οι βαθμίδες εισόδων/εξόδων Μετά τον μικροεπεξεργαστή, οι βαθμίδες εισόδων/εξόδων είναι το πιο σημαντικό κομμάτι ενός PLC αφού αποτελούν το μέσο διασύνδεσης των διάφορων συσκευών εισόδων/εξόδων και του μικροεπεξεργαστή. Όλες οι βαθμίδες, ανεξάρτητα από τον κατασκευαστή έχουν τα ίδια κοινά σημεία: όλες απαιτούν μια πηγή ισχύος, φέρουν τα απαραίτητα ηλεκτρονικά κυκλώματα για την μετατροπή σημάτων εισόδου/εξόδου και για την επικοινωνία με τον μικροεπεξεργαστή, έχουν μπλοκ ακροδεκτών για υποδοχή καλωδίων και φέρουν τον απαραίτητο μηχανισμό για την ανάρτηση τους στη βάση του PLC. Οι βαθμίδες χωρίζονται σε: Βαθμίδες ψηφιακών εισόδων που σχεδιάζονται ώστε να δέχονται διακριτά σήματα, να τα μετατρέπουν κατάλληλα και να τα απομονώνουν ηλεκτρικά, πριν μεταφερθούν στην μνήμη. Τυπικές συσκευές εισόδου που χρησιμοποιούν αυτές τις βαθμίδες για την επικοινωνία τους, είναι διακόπτες και μπουτόν κάθε είδους, φωτοκύτταρα, επαφές πληκτρολογίων κ.α. Βαθμίδες ψηφιακών εξόδων που πραγματοποιούν στην ουσία την ακριβώς αντίθετη διαδικασία με τις βαθμίδες ψηφιακών εισόδων και μετατρέπουν τα ασθενή σήματα λογικής του PLC σε σήματα ισχύος, ικανά να ενεργοποιήσουν τις συσκευές εξόδου, όπως ρελέ ισχύος, πηνία, ενδεικτικές λυχνίες κ.α. Βαθμίδες αναλογικών εισόδων που υποδέχονται αναλογικά σήματα και τα μετατρέπουν σε ψηφιακά που μπορούν να επεξεργασθούν από τον μικροεπεξεργαστή, με τη βοήθεια ενός μετατροπέα A/D. Χρησιμοποιούνται από αναλογικές συσκευές εισόδου όπως αισθητήρες θερμοκρασίας, πίεσης, ροής, αναλογικούς μετατροπείς και ηλεκτρονικές συσκευές με αναλογική έξοδο. Βαθμίδες αναλογικών εξόδων που λαμβάνουν αριθμητικά δεδομένα σε ψηφιακή μορφή και τα μετατρέπουν σε αναλογική τάση ή ρεύμα προκειμένου να ελέγξουν την λειτουργία μιας αναλογικής συσκευής όπως σερβοβαλβίδες, αναλογικά όργανα, μικρούς κινητήρες κ.α. Πέραν αυτών υπάρχουν και άλλες βαθμίδες ειδικού σκοπού, όπως εισόδων ταχείας απόκρισης, ελέγχου βηματικών κινητήρων ή βαθμίδων επικοινωνίας. 36

45 Το τροφοδοτικό ισχύος Το τροφοδοτικό ισχύος είναι μονάδα δευτερεύουσας σημασίας και παρέχει απλά τις διάφορες τάσεις που απαιτούνται σε κάθε τμήμα του PLC. Σε μερικά PLC τροφοδοτεί τα κυκλώματα βαθμίδων εισόδου αλλά ποτέ δεν τροφοδοτεί τα κυκλώματα ενεργοποίησης των συσκευών εξόδου. Η απαιτούμενη ισχύς για την ενεργοποίηση των συσκευών εξόδου πρέπει να προέρχεται από εξωτερική πηγή Περιγραφή της λειτουργίας ενός PLC Η λειτουργία ενός PLC ακολουθεί μια πολύ συγκεκριμένη σειρά Αρχικά, η κεντρική μονάδα επεξεργασίας μεταφέρει τις καταστάσεις των εισόδων στη μνήμη αποθήκευσης εισόδων. Στη συνέχεια ο μικροεπεξεργαστής εκτελεί τις εντολές του προγράμματος αυτοματισμού μία προς μία. Τα αποτελέσματα των εντολών ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης των συσκευών εξόδων αποθηκεύονται στη μνήμη αποθήκευσης εξόδων. Όταν οι εντολές αφορούν βοηθητικά bit και άλλα εσωτερικά στοιχεία, ο μικροεπεξεργαστής ανατρέχει στις αντίστοιχες θέσεις στην μνήμη. Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας μεταφέρει τις καταστάσεις των εξόδων από τη μνήμη αποθήκευσης εξόδων στις αντίστοιχες εξόδους. Η ενημέρωση αυτών των εξόδων επιφέρει αλλαγές στις καταστάσεις λειτουργίας των συσκευών εξόδου. Όλες οι παραπάνω ενέργειες οδηγούνται από το λειτουργικό πρόγραμμα που βρίσκεται αποθηκευμένο στη μνήμη ROM Το PLC S7-300 Το PLC που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση της διπλωματικής εργασίας είναι το S7-300 της Siemens. Η διάταξη του PLC περιλαμβάνει τα παρακάτω μέρη: Το πλαίσιο στήριξης Πάνω στο πλαίσιο στήριξης (mounting rail) βιδώνονται οι διάφορες μονάδες του PLC και συνδέονται ηλεκτρικά με συνδετήρες στο πίσω μέρος. 37

46 Την μονάδα CPU 312-1AE14-0AB0 Οι λειτουργίες της CPU αναλύονται στο κεφάλαιο Βαθμίδα ψηφιακών εισόδων 312-1ΒΗ02-0ΑΑ0 16 x DC24V Περιέχει δεκαέξι ψηφιακές εισόδους που απαιτούν 24V τάση στην είσοδο τους για να ενεργοποιηθούν. Μπορούν να ενεργοποιηθούν ταυτόχρονα και οι δεκαέξι είσοδοι. Σχήμα 4.4: Βαθμίδα DI 16x 24V Βαθμίδα αναλογικών εισόδων 331-7NF10-0AB0 8x16 bit Περιέχει οχτώ εισόδους ομαδοποιημένες σε τέσσερις ομάδες των δύο καναλιών. Κάθε ομάδα ρυθμίζεται ώστε να δέχεται σήμα τάσης (- 5V..5V, 1V 5V, -10V 10V) ή ρεύματος (0 20mA, 4 20mA, mA ). Η κάρτα απαιτεί τροφοδοσία 24VDC. Τα δεκαέξι bit εκφράζουν την διακριτικότητα κάθε ομάδας, δηλαδή την μικρότερη διαφορά που μπορεί να προσδιορίσει ο μετατροπέας Α/D που μετατρέπει τις αναλογικές τιμές σε ψηφιακές. Δεκαέξι bit σημαίνουν 2 16 διαφορετικές τιμές μεταξύ μέγιστου και ελάχιστου, δηλαδή 2-16 βήματα της πλήρους κλίμακας. Το ηλεκτρολογικό διάγραμμα φαίνεται στο σχήμα

47 Σχήμα 4.5: Βαθμίδα ΑΙ 8x16 bit Βαθμίδα αναλογικών εξόδων 332-5HF00-0AB0 4x12 bit Περιέχει τέσσερις εισόδους ομαδοποιημένες σε μία ομάδα. Όπως και στην βαθμίδα αναλογικών εισόδων ρυθμίζεται για να δίνει τάση (1V 5V, 0V 10V, V) ή ρεύμα (0 20mA, 4 20mA, mA). Η διακριτικότητα είναι δώδεκα bit. Σχήμα 4.6: Βαθμίδα ΑΟ 4x12 bit 39

48 Καλώδιο διασύνδεσης με PC/MPI USB adapter Για την διασύνδεση του υπολογιστή με το MPI (Multiple Point Interface) του PLC είναι απαραίτητος ο μετατροπέας PC/MPI USB. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για Siemens S7-200/300/400 PLC και UniMAT UN200/300 PLC και δέχεται τροφοδοσία μέσω της επαφής USB. Τέλος, ο μετατροπέας διαθέτει επαρκή ηλεκτρομαγνητική προστασία ενάντια σε θόρυβο επιτρέποντας του την τοποθέτηση σε οποιοδήποτε βιομηχανικό περιβάλλον Σύνδεση PLC με τις συσκευές Ι/Ο Δήλωση υλικού Βασικό βήμα στην προετοιμασία του PLC για χρήση είναι η ενημέρωση του λογισμικού προγραμματισμού, στην συγκεκριμένη περίπτωση το Simatic STEP 7 για τις μονάδες που απαρτίζουν το PLC και τα χαρακτηριστικά τους. Η διαδικασία δήλωσης είναι απλή: Στο ανοικτό project ακολουθούμε τη διαδρομή Project name Simatic 300 Station και επιλέγουμε Hardware. Στη σελίδα που ανοίγει μπορούμε να δηλώσουμε το υλικό από μια λίστα που παρέχεται, επιλέγοντας τον κωδικό αριθμό και το μοντέλο των μονάδων που χρησιμοποιούμε με τη σειρά που φαίνεται στο σχήμα 4.5. Σχήμα 4.6: Πίνακας δηλώσεων υλικού Πρέπει να υπογραμμιστεί ότι οι θέσεις δεν είναι τυχαίες. Η πρώτη κενή θέση αντιστοιχεί στη μονάδα του τροφοδοτικού η οποία δεν υπάρχει αφού έχουμε εξωτερική τροφοδοσία. Στη δεύτερη θέση δηλώνεται η CPU 312. Επιλέγοντας properties μπορούμε να επιλέξουμε διάφορα χαρακτηριστικά της όπως μέγεθος διατηρήσιμης μνήμης, διαγνωστικές λειτουργίες, interrupts κλπ. Στην περίπτωση της διπλωματικής αυτής εργασίας, αφέθηκαν ως είχαν. 40

49 Η τρίτη θέση προορίζεται για τη βαθμίδα διεπαφής (Interface Module-IM) που δεν υπάρχει οπότε παραμένει κενή. Στην τέταρτη θέση μπαίνει η βαθμίδα ψηφιακών εισόδων της οποίας το εύρος διευθύνσεων δηλώνεται από Ι 0.0 έως Ι 1 ανοίγοντας το παράθυρο με τις ιδιότητες τους. Στην πέμπτη θέση μπαίνει η βαθμίδα αναλογικών εισόδων. Από τις ιδιότητες το εύρος των διευθύνσεων τους δηλώνεται από PIW 272 έως PIW 287. Επίσης, επειδή οι είσοδοι της βαθμίδας είναι ομαδοποιημένες σε τέσσερα κανάλια, επιλέγουμε ποιες θα είναι ενεργοποιημένες, τον τύπο της εισόδου (τάση ή ρεύμα) και το εύρος του. Στην περίπτωση μας διαλέξαμε το κανάλι 1 και τάση με εύρος -10V..10V ώστε να μπορεί να δεχτεί σήμα από 0 έως 10V από τον ενισχυτή που δέχεται με τη σειρά του 0-10mV (ιδανικά) από τον αισθητήρα Burster. Το σήμα αυτό τοποθετήθηκε στην διεύθυνση PIW 272. Επίσης ο αισθητήρας WIKA τοποθετήθηκε στη διεύθυνση PIW 274 στο κανάλι 1.. Όταν συνδέθηκε ο ψηφιακός ενδείκτης Κ3ΗΒ-V, ενεργοποιήθηκε το κανάλι 2 και το εύρος τέθηκε ως 1V 5V. Τέλος, στην έκτη θέση μπαίνει η βαθμίδα αναλογικών εξόδων. Όπως και παραπάνω το εύρος των διευθύνσεων της τέθηκε PQW 288 έως PQW 303. Στην έξοδο συνδέονται οι δύο αναλογικές βαλβίδες με τάση εισόδου 0-10V άρα ενεργοποιούμε τις εξόδους της βαθμίδας με τάση εύρους 0V 10V Καλωδίωση Τελευταίο αλλά πολύ σημαντικό βήμα πριν τον προγραμματισμό είναι η σωστή καλωδίωση του PLC, τόσο με την τροφοδοσία του όσο και με τις συσκευές εισόδων/εξόδων. Συνοπτικά λοιπόν, η βαθμίδα αναλογικών εξόδων συνδέεται με τις δύο αναλογικές βαλβίδες, η βαθμίδα εισόδων με τον ενισχυτή που μετατρέπει το σήμα του αισθητήρα Burster σε μετρήσιμο από το PLC, απευθείας με τον αισθητήρα WIKA και απευθείας με τον ψηφιακό ενδείκτη. Είναι προφανές ότι το πλήθος των καλωδίων κάνει αδύνατη την παρακολούθηση όλων των συνδέσεων με μια ματιά. 41

50 Σχήμα 4.7: Καλωδίωση PLC Για αυτό το λόγο, θα αναπτυχθεί σε αυτό το κεφάλαιο λεπτομερώς η σωστή καλωδίωση και πώς προέκυψε. Αρχικά η CPU συνδέθηκε με ένα εξωτερικό τροφοδοτικό. Έπειτα, συνδέθηκε η βαθμίδα ψηφιακών εισόδων, τοποθετώντας τη πάνω στο πλαίσιο στήριξης και συνδέοντας τη με την τροφοδοσία. Στην βαθμίδα ψηφιακών εισόδων δεν συνδέεται κάποια συσκευή. Ο μόνος ρόλος της σε αυτή την διπλωματική εργασία ήταν η επιλογή του ελέγχου που θα πραγματοποιούνταν με την εφαρμογή τάσης στην αντίστοιχη είσοδο της βαθμίδας. Για την εφαρμογή της τάσης χρησιμοποιείται ένα καλώδιο, του οποίου η μια άκρη είναι τοποθετημένη στην είσοδο της τροφοδοσίας της βαθμίδας και η άλλη τοποθετείται στην επιθυμητή είσοδο. Εικόνα 4.8: Καλωδίωση βαθμίδας ψηφιακών εισόδων Αμέσως μετά τοποθετήθηκε η βαθμίδα αναλογικών εισόδων η οποία συνδέθηκε με την τροφοδοσία και τις συσκευές εισόδου όπως φαίνεται στο σχήμα 4.9: 42

51 Σχήμα 4.9: Καλωδίωση βαθμίδας αναλογικών εισόδων Το πράσινο καλώδιο του ενισχυτή συνδέεται στον ακροδέκτη 3 και το κόκκινο στον 4. Η διεύθυνση που αντιστοιχεί είναι η PIW 272. Αντίστοιχα, το πράσινο καλώδιο του WIKA συνδέεται στον ακροδέκτη 5 και το κόκκινο στον 6. Η διεύθυνση που του αντιστοιχεί είναι η PIW 274. Όπως φαίνεται στο σχήμα οι δύο αισθητήρες (όταν το σήμα του Burster μεταφέρεται μέσω του ενισχυτή και όχι του ενδείκτη) έχουν συνδεθεί στο κανάλι 0 αφού έχουν ίδιο εύρος τιμών Για τον ίδιο ακριβώς λόγο όταν συνδέεται ο αισθητήρας Burster μέσω του ψηφιακού ενδείκτη, τοποθετείται σε διαφορετικό κανάλι (το κανάλι 1) γιατί έχει διαφορετικό εύρος τιμών. Το κόκκινο καλώδιο του θετικού ακροδέκτη του τροφοδοτικού συνδέεται με τον ακροδέκτη 21 και το γαλάζιο του αρνητικού συνδέεται στον 40. Να σημειωθεί ότι τα χρώματα στο σχήμα είναι καλλιτεχνική αναπαράσταση για ευκολότερη κατανόηση. Τα πραγματικά χρώματα των καλωδίων των αισθητήρων παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 3 ενώ όλα τα καλώδια τροφοδοσίας είχαν κίτρινο χρώμα. Με την παραπάνω καλωδίωση, σε κάθε κύκλο σάρωσης, αποθηκεύονται στις αντίστοιχες θέσεις μνήμης οι τάσεις στην είσοδο, αφού μετατραπούν σε ψηφιακή λέξη PLC με εύρος από το 0 έως το

52 Τελευταία, συνδέθηκε η βαθμίδα αναλογικών εξόδων. Σχήμα 4.10: Καλωδίωση βαθμίδας αναλογικών εξόδων Ο θετικός ακροδέκτης του τροφοδοτικού συνδέεται με τον ακροδέκτη 1 και ο αρνητικός με τον 20. Η κάθε βαλβίδα έχει οχτώ καλώδια αλλά αξιοποιούμε τα τέσσερα. Πιο συγκεκριμένα, το καφέ καλώδιο είναι το καλώδιο τροφοδοσίας, το μπλε το καλώδιο γείωσης, το κίτρινο το καλώδιο θετικού σήματος και το πράσινο του αρνητικού. Τα καφέ καλώδια συνδέονται όλα μαζί με κοινό καλώδιο για οικονομία χώρου. Το ίδιο συμβαίνει με τα μπλε. Τα καλώδια σήματος της κάτω βαλβίδας συνδέονται στους ακροδέκτες 3 και 6 που αντιστοιχούν στην διεύθυνση PQW 288 και της πάνω στους ακροδέκτες 6 και 10 που αντιστοιχούν στη διεύθυνση PQW Προγραμματισμός PLC Για τον έλεγχο μιας βιομηχανικής διεργασίας μέσω ενός PLC απαιτείται η ύπαρξη ενός προγράμματος εντολών βάσει των οποίων να εκτελούνται όλες οι λειτουργίες του. Αυτό το πρόγραμμα έχει δύο ξεχωριστά τμήματα: το 44

53 λειτουργικό που αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο και αναπτύσσεται από τον κατασκευαστή και το τμήμα το οποίο περιέχει τις εντολές για τις διεργασίες που θέλει ο χρήστης να πραγματοποιήσει το PLC. Μέχρι περίπου το 1990, οι κατασκευαστές των PLC χρησιμοποιούσαν ο καθένας τη δική του γλώσσα, πλήρως ασύμβατη προς τις άλλες. Προφανώς, αυτό οδηγούσε σε μεγάλη σύγχυση και δημιουργούσε προβλήματα στην εκμάθηση, τη συντήρηση και την αναβάθμιση των συστημάτων καθώς και στην επιλογή του εξοπλισμού. Για τη λύση αυτής της κατάστασης, η διεθνής ηλεκτροτεχνική επιτροπή (International Electrotechnical Commission, IEC) διατύπωσε το ανοικτό πρότυπο IEC που εκδόθηκε αρχικά το 1992 και αναφερόταν γενικά στα PLC. Το τρίτο μέρος του προτύπου, το IEC εκδόθηκε το 2003 και αναφερόταν στις γλώσσες προγραμματισμού των PLC. Κύριος στόχος του προτύπου είναι η τυποποίηση των υπαρχουσών γλωσσών και η προώθηση της παραγωγή επαναχρησιμοποιήσιμου, διαλειτουργικού κώδικα Γλώσσες προγραμματισμού Το πρότυπο IEC ενσωματώνει πέντε γλώσσες προγραμματισμού: Γλώσσες προγραμματισμού Κλιμακωτό διάγραμμα (Ladder Diagram, LAD) - Γραφική γλώσσα Διάγραμμα λογικών γραφικών (Function Block Diagram, FBD) - Γραφική γλώσσα Λίστα εντολών (Instruction List, IL ή Statement List, STL ή Boole ) Γλώσσα βασισμένη σε κείμενο Δομημένο κείμενο (Structured Text, SL) - Γλώσσα βασισμένη σε κείμενο Γράφος διαδοχικών λειτουργιών (Sequential Function Chart, SFC) Γραφική γλώσσα που χρησιμοποιεί τμήματα IL Από τις παραπάνω γλώσσες οι LAD, FBD και Boole ξεχωρίζουν κυρίως για την μεγαλύτερη ευκολία στην εκμάθησή τους. 45

54 Δομή του προγραμματισμού Το πρότυπο IEC , εκτός από τις γλώσσες προγραμματισμού, ορίζει την έννοια και τα συστατικά μέρη του δομικού προγραμματισμού. Με τον όρο Δομικός προγραμματισμός εννοούμε ότι το πρόγραμμα αποκτά συστατικά μέρη ως δομικά στοιχεία. Τα δομικά αυτά στοιχεία ονομάζονται Μονάδες Οργάνωσης Προγράμματος. Το λογισμικό Simatic Step7 της Siemens που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την διπλωματική περιέχει τα παρακάτω δομικά στοιχεία: Organization Blocks (OB): Πρόκειται για την πιο βασική μονάδα οργάνωσης του προγράμματος και συνδέει το πρόγραμμα του χρήστη με το λειτουργικό πρόγραμμα. Τα ΟΒ καλούνται από το λειτουργικό πρόγραμμα και ελέγχουν την εκτέλεση του προγράμματος, την εναρκτήρια συμπεριφορά του PLC και την αντιμετώπιση λαθών. Κάθε ΟΒ αποτελείται από άλλες μονάδες οργάνωσης που θα αναφερθούν παρακάτω και από απλές εντολές. Γενικότερα, στο λογισμικό Step7 περιλαμβάνονται ΟΒ διαφορετικών τύπων και με διαφορετική προτεραιότητα. Η προτεραιότητα αποφασίζει το αν ένα ΟΒ μπορεί να διακόψει την λειτουργία ενός άλλου, δηλαδή ένα ΟΒ υψηλότερης προτεραιότητας μπορεί να διακόψει ένα χαμηλότερης. Από τους τύπους ΟΒ δύο είναι οι σημαντικότεροι: ΟΒ κυκλικής εκτέλεσης προγράμματος και ΟΒ κυκλικών διακοπών. Τα ΟΒ κυκλικής εκτέλεσης (cyclic program processing) είναι ο πιο συνήθης και εκτελούνται από το λειτουργικό πρόγραμμα μια φορά σε κάθε βρόχο, δηλαδή σε κάθε κύκλο λειτουργίας. Το πρόγραμμα που περιέχει το ΟΒ λοιπόν, εκτελείται κυκλικά χωρίς διακοπές άρα ο χρόνος εκτέλεσης του βρόχου εξαρτάται μόνο από το χρόνο εκτέλεσης του. Αντίθετα, τα ΟΒ κυκλικών διακοπών (cyclic interrupt) διακόπτονται σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα που καθορίζονται από το ΟΒ ή από το χρήστη. Function Blocks (FB): Είναι μονάδες οργάνωσης που προγραμματίζονται από τον ίδιο το χρήστη. Ένα FB, είναι ένα μπλοκ προγράμματος το οποίο έχει μια ή περισσότερες εισόδους αλλά και εξόδους. Επιπλέον μπορεί να αποθηκεύσει μια πληροφορία για την κατάσταση του καθώς του αντιστοιχεί ένα μπλοκ δεδομένων (instance data block) όπου αποθηκεύονται οι τιμές του. Αυτό σημαίνει ότι οι τιμές των εξόδων εξαρτώνται από τις εισόδους αλλά και την αποθηκευμένη πληροφορία. Τα FB μπορεί να είναι έτοιμα ή ορισμένα από τον χρήστη. Τα έτοιμα FB ονομάζονται System Function Blocks (SFB) και χρειάζεται μόνο να κληθούν από το χρήστη για να χρησιμοποιηθούν. Instance Data Blocks (instance DB): Πρόκειται για μπλοκ δεδομένων που αντιστοιχούν σε ένα FB και δημιουργούνται αυτόματα. Ο όρος instance 46

55 σημαίνει ότι δημιουργούνται για κάθε φορά που καλείται το αντίστοιχο τους FB. Η χρήση των instance DB έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα στον προγραμματισμό. Αρχικά, μπορεί να αντιστοιχεί διαφορετικό DB σε κάθε ξεχωριστή κλήση ενός FB κάτι που μας επιτρέπει τον έλεγχο πολλών παρόμοιων συσκευών εξόδου (τα δεδομένα για την λειτουργία της κάθε συσκευής θα βρίσκονται σε διαφορετικό DB). Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο ένα DB για πολλαπλές κλήσεις του ίδιου FB. Δηλαδή τα ίδια δεδομένα, μπορούν να φορτωθούν σε διαφορετικές συσκευές από το ίδιο DΒ εξοικονομώντας μνήμη. Τέλος, αν ένα FB περιέχει ένα άλλο FB, τα δεδομένα για την κλήση του μπορούν αν αποθηκευτούν στο ίδιο DB. Shared Data Blocks (DB): Μπλοκ δεδομένων για αποθήκευση δεδομένων από το χρήστη. Σε αντίθεση με τα instance DB, τα δεδομένα των shared DB μπορούν να χρησιμοποιηθούν από κάθε μπλοκ του προγράμματος. Functions (FC): Όπως και τα FB, προγραμματίζονται και οι FC από το χρήστη. Σε αντίθεση όμως με αυτά, έχουν μια ή περισσότερες εισόδους αλλά μόνο μία έξοδο. Επίσης, οι FC δεν μπορούν να αποθηκεύσουν κάποια πληροφορία για την κατάσταση τους. Το πρότυπο IEC ορίζει έτοιμες FC που παρέχονται από τον κατασκευαστή και FC που ορίζει ο χρήστης, επομένως αυτή η δυνατότητα παρέχεται και στην Step7. Έτοιμες FC είναι οι συναρτήσεις AND, OR, ADD, SQRT κλπ. Επίσης υπάρχουν System Functions (SFC) που ενσωματώνονται στην Step7 και εκτελούν ειδικές λειτουργίες όπως διευθυνσιοδότηση βαθμίδων, μεταφορά πακέτων κλπ. Για να εκτελεστούν πρέπει να κληθούν από το χρήστη αλλά δεν απαιτούν περαιτέρω προγραμματισμό Ο PID ελεγκτής της διάταξης Ο PID έλεγχος από PLC μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: είτε με ειδική βαθμίδα είτε με ενσωματωμένο αλγόριθμο. Η ειδική βαθμίδα PID διαθέτει δικό της μικροεπεξεργαστή και αναλογικές εισόδους και εξόδους και δεν επιβαρύνει το χρόνο σάρωσης του PLC. Αντίθετα, ο αλγόριθμος καλείται σαν υπορουτίνα από τον χρήστη, ο οποίος ορίζει τις επιθυμητές παραμέτρους και τις αναλογικές εισόδους και εξόδους πριν ενταχτεί στο κυρίως πρόγραμμα. Στη συγκεκριμένη διπλωματική χρησιμοποιήθηκε ο πρώτος τρόπος καθώς ο χρόνος σάρωσης δεν αυξάνεται υπερβολικά (ο κύριος λόγος για τη χρήση των ειδικών βαθμίδων PID) αλλά και για λόγους οικονομίας. Η Siemens Step7 παρέχει τρία διαφορετικά μπλοκ για την υλοποίηση PID ελέγχου. Το CONT_C για συνεχή έλεγχο, το CONT_S για βηματικό έλεγχο και το PULSEGEN για διαμόρφωση διάρκειας παλμού. Η φύση του ελέγχου που απαιτείται για την εφαρμογή της διπλωματικής εργασίας απαιτεί προφανώς τη χρήση του 47

56 CONT_C για συνεχή έλεγχο. Ο αλγόριθμος αυτός απαιτεί την εκτέλεση του προγράμματος με διακοπές οπότε χρησιμοποιείται το ΟΒ35. Για την κλήση του αλγορίθμου, επιλέξαμε το αντίστοιχο μπλοκ FB 41 από την βιβλιοθήκη της Step7 και εμφανίστηκε ένα πλήθος παραμέτρων προς συμπλήρωση. Η κλήση του FB 41 συνοδεύεται με τη δημιουργία ενός DB 41 (Data Block), όπου αποθηκεύονται τα δεδομένα που είναι απαραίτητα για την εκτέλεση του ελέγχου. Στο σχήμα και τον πίνακα που ακολουθεί, εξηγείται η λειτουργία του αλγορίθμου και των παραμέτρων του αντίστοιχα. Σχήμα 4.11: Block διάγραμμα του CONT_C Παράμετ ροι COM_R ST Τύπος Δεδομ ένων BOO L Εύρη τιμών Default τιμές FALSE Περιγραφή COMPLETE RESTART: Το μπλοκ διαθέτει μια πλήρη ρουτίνα επανεκκίνησης, όταν η τιμή γίνει TRUE. 48

57 MAN_O N BOO L TRUE MANUAL VALUE ON: Αποτελεί διακόπτη, που όταν είναι κλειστός (τιμή TRUE), διακόπτει το βρόχο ελέγχου και ενεργοποιεί χειροκίνητη εισαγωγή τιμής. Όπως θα δούμε παρακάτω, η επιλογή αυτή θα βοηθήσει στο να αποφευχθούν ανεπιθύμητες υπερυψώσεις κατά τα switching του PID από θάλαμο σε θάλαμο. PVPER_ ON BOO L FALSE PROCESS VARIABLE PERIPHERAL ON: Αν η μεταβλητή προς έλεγχο διαβάζεται από τις βαθμίδες εισόδου/εξόδου, η είσοδος PV_PER πρέπει να συνδεθεί στις εισόδους/εξόδους και η PVPER_ON να έχει την τιμή TRUE. P_SEL BOO L TRUE PROPORTIONAL ACTION ON: Οι δράσεις του PID μπορούν να ενεργοποιηθούν και να απενεργοποιηθούν μεμονωμένα στον αλγόριθμο του PID. Η είσοδος αυτή είναι διακοπτική και όταν είναι TRUE, ενεργοποιείται ο αναλογικός όρος του PID. I_SEL BOO L TRUE INTEGRAL ACTION ON: Η είσοδος αυτή είναι διακοπτική και όταν είναι TRUE ενεργοποιείται ο ολοκληρωτής του PID. INT_HO LD BOO L FALSE INTEGRAL ACTION HOLD: Η έξοδος του ολοκληρωτή μπορεί να «παγώσει» θέτοντας την είσοδο αυτή ως TRUE. I_ITL_O N BOO L FALSE INITIALIZATION OF THE INTEGRAL ACTION: Η έξοδος του ολοκληρωτή μπορεί να συνδεθεί στην είσοδο I_ITL_VAL θέτοντας TRUE την είσοδο I_ITL_VAL. D_SEL BOO L FALSE DERIVATIVE ACTION ON: Η είσοδος αυτή είναι διακοπτική και 49

58 CYCLE TIME >=1ms T#1s όταν είναι TRUE ενεργοποιείται ο όρος παραγώγισης του PID. SAMPLING TIME: Ο χρόνος μεταξύ των κλήσεων του μπλοκ πρέπει να είναι σταθερός, Η είσοδος αυτή καθορίζει το χρόνο μεταξύ των κλήσεων του μπλοκ. SP_INT REAL (%) or physical value 0.0 INTERNAL SETPOINT: Η είσοδος αυτή χρησιμοποιείται για τον καθορισμό του επιθυμητής τιμής (στην περίπτωσή μας το setpoint η δύναμη που θέλουμε να πετύχουμε) PV_IN REAL (%) or physical value 0.0 PROCESS VARIABLE IN: Στην παράμετρο αυτή μπορεί να δοθεί μια αρχική τιμή ή μια εξωτερική μεταβλητή της διαδικασίας σε μορφή κινητής υποδιαστολής. PV_PER WOR D W#16#0 000 PROCESS VARIABLE PERIPHERAL: Στην είσοδο αυτή συνδέουμε τη μεταβλητή προς έλεγχο σε μορφή εισόδου/εξόδου. Στην περίπτωση μας αυτή είναι η μέτρηση του αισθητήρα δύναμης. MAN REAL (%) or physical value 0.0 MANUAL VALUE: Η είσοδος αυτή χρησιμοποιείται για να τεθεί χειροκίνητα η τιμή στη μεταβλητή που ελέγχουμε. GAIN REAL (%) or physical value 2.0 PROPORTIONAL GAIN: Η είσοδος αυτή προσδιορίζει τη σταθερά ΚP του αναλογικού όρου του PID. TI TIME >=CYC LE T#20s RESET TIME: Ο χρόνος επαναφοράς καθορίζει τη χρονική απόκριση του ολοκληρωτή. TD TIME >=CYC Τ#10s DERIVATIVE TIME: Ο χρόνος 50

59 LE παραγώγισης αποφασίζει τη χρονική απόκριση του όρου παραγώγισης. TM_LA G TIME >=CYC LE/2 Τ#2s TIME LAG OF THE DERIVATIVE ACTION: Ο αλγόριθμος της δράσης του D όρου περιλαμβάνει χρονική καθυστέρηση που μπορεί να καθοριστεί από την είσοδο αυτή. DEADB _W LMN_H LM REAL REAL >=0.0 (%) or physical value LMN_L LM (%) or physical value DEAD BAND WIDTH: Στο σφάλμα εφαρμόζεται μια ανοχή. Η είσοδος αυτή καθορίζει το μέγεθος αυτής της ανοχής του σφάλματος. MANIPULATED VALUE HIGH LIMIT: Η ελεγχόμενη μεταβλητή περιορίζεται από ένα ανώτατο και κατώτατο όριο. Η είσοδος αυτή καθορίζει το ανώτατο όριο. LMN_L LM REAL LMN_H LM(%) or physical value 0.0 MANIPULATED VALUE LOW LIMIT: Η ελεγχόμενη μεταβλητή περιορίζεται από ένα ανώτατο και κατώτατο όριο. Η είσοδος αυτή καθορίζει το κατώτατο όριο. PV_FA C REAL 1.0 PROCESS VARIABLE FACTOR: Η είσοδος αυτή πολλαπλασιάζεται με το αποτέλεσμα της συνάρτησης CRP_IN που μετατρέπει την περιφερειακή τιμή PV_PER σε μορφή αριθμού κινητής υποδιαστολής ( %). Χρησιμοποιείται για να προσαρμόσει το εύρος της μεταβλητής που προκύπτει ως έξοδος της CRP_IN συνάρτησης. PV_OFF REAL 0.0 PROCESS VARIABLE OFFSET: Η μεταβλητή αυτή προστίθεται στο αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού του PV_FAC με την έξοδο της CRP_IN συνάρτησης. Χρησιμοποιείται για να προσαρμόσει το εύρος της 51

60 LMN_F AC LMN_O FF REAL 1.0 REAL 0.0 μεταβλητής που προκύπτει ως έξοδος της CRP_IN συνάρτησης. MANIPULATED VALUE FACTOR: Η ελεγχόμενη μεταβλητή πολλαπλασιάζεται με την είσοδο αυτή. Χρησιμοποιείται για να προσαρμόσει το εύρους της ελεγχόμενης μεταβλητής. MANIPULATED VALUE OFFSET: Η ελεγχόμενη μεταβλητή προστίθεται στην είσοδο αυτή. Χρησιμοποιείται για να προσαρμόσει το εύρους της ελεγχόμενης μεταβλητής. I_ITLV AL REAL (%) or physical value 0.0 INITIALIZATION VALUE OF THE INTEGRAL ACTION: Η τιμή αρχικοποίησης καθορίζεται στην είσοδο αυτή. DISV REAL (%) or physical value 0.0 DISTURBANCE VARIABLE: Στην είσοδο αυτή συνδέεται η μεταβλητή για feedforward έλεγχο. LMN REAL 0.0 MANIPULATED VALUE: Μέσω αυτής της εξόδου εξέρχεται η ελεγχόμενη μεταβλητή ελέγχου σε μορφή αριθμού κινητής υποδιαστολής. LMN_P ER WOR D W#16#0 000 MANIPULATED VALUE PERIPHERAL: Στην έξοδο αυτή συνδέεται στον ελεγκτή η ελεγχόμενη μεταβλητή, ως λέξη, σε μορφή δηλαδή εισόδων/εξόδων. QLMN_ HLM BOO L FALSE HIGH LIMIT OF MANIPULATED VALUE REACHED: Η ελεγχόμενη μεταβλητή περιορίζεται πάντα από ένα ανώτατο και ένα κατώτατο όριο. Η έξοδος αυτή 52

61 δείχνει ότι το ανώτατο όριο έχει ξεπεραστεί. QLMN_ LLM BOO L FALSE LOW LIMIT OF MANIPULATED VALUE REACHED: Η ελεγχόμενη μεταβλητή περιορίζεται πάντα από ένα ανώτατο και ένα κατώτατο όριο. Η έξοδος αυτή δείχνει ότι το κατώτατο όριο έχει ξεπεραστεί. LMN_P BOO L 0.0 PROPORTIONAL COMPONENT: Η έξοδος αυτή περιλαμβάνει το αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού του σφάλματος με το GAIN (αναλογικός όρος). LMN_I BOO L 0.0 INTEGRAL COMPONENT: Η έξοδος αυτή περιλαμβάνει το αποτέλεσμα της ολοκλήρωσης του σφάλματος (όρος ολοκλήρωσης). LMN_D BOO L 0.0 DERIVATIVE COMPONENT: Η έξοδος αυτή περιλαμβάνει το αποτέλεσμα της παραγώγισης του σφάλματος (όρος παραγώγισης). PV REAL 0.0 PROCESS VARIABLE: Η έξοδος αυτή είναι το αποτέλεσμα των συναρτήσεων CRP_IN και PV_NORM. H PV αφαιρείται από το SP_INT για τον προσδιορισμό του σφάλματος. ER REAL 0.0 ERROR SIGNAL: Η έξοδος αυτή, μας δίνει το σφάλμα του PID, τη διαφορά δηλαδή της PV μεταβλητής από το setpoint. Σχήμα 4.12: Παράμετροι FB41 Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας, δεν είναι σημαντικές όλες οι παραπάνω παράμετροι. Στην πραγματικότητα οι περισσότερες διατηρήθηκαν στην default τιμή τους και μόνο λίγες απαιτούσαν ειδική επεξεργασία και θα αναλυθούν εκτενέστερα παρακάτω: 53

62 PV_PER: Εδώ συνδέεται η αναλογική είσοδος σε μορφή λέξης PLC και μετατρέπεται σε μορφή floating-point με εύρος από -100% - 100% μέσω της συνάρτησης CRP_IN. Από τους πειραματισμούς προέκυψε (όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο 3.6) ότι ο ενισχυτής σήματος που είναι συνδεδεμένος με το PLC, για μηδενική πίεση δεν έδινε μηδενική τάση αλλά αρνητική. Αυτό μεταγλωττιζόταν σε πρόβλημα στην τιμή του PV_PER. Για να επιλυθεί αυτό το πρόβλημα, χρειάστηκε να γραφεί μια λογική ΑΝ μέσα στο πρόγραμμα ώστε για τιμές πάνω από (που είναι και το κανονικό εύρος για λέξη PLC) η τιμή που διαβάζει το PLC να θέτεται μηδέν. SP_INT: Ένα δίλημμα υπήρξε ως προς ποια θα είναι η τιμή του set point (επιθυμητή τιμή) κατά τους πειραματισμούς. Τελικά, μετά από πολλές δοκιμές, διαπιστώθηκε πως η συμπεριφορά του ελέγχου χειροτέρευε για πολύ μικρές ή πολύ μεγάλες τιμές ενώ ήταν στην ουσία η ίδια για τιμές μεταξύ 15 και 40 Newton. Λαμβάνοντας υπόψη αυτή τη σταθερότητα στην συμπεριφορά δεν κρίθηκε αναγκαίο να γίνει καταγραφή των αποτελεσμάτων για διαφορετικά set point. Το τελικό set point για το οποίο έγινε καταγραφή αποτελεσμάτων ήταν το σε ψηφιακή λέξη PLC που έπειτα από μέτρηση ακριβείας με τον ψηφιακό ενδείκτη, μεταφράστηκε σε 2.8 κιλά δηλαδή 28Ν. Το set point κατά τον προγραμματισμό δίνεται σε μορφή λέξης PLC όμως το SP_INT πρέπει να είναι σε μορφή floating-point οπότε μετατρέπεται κατά τον προγραμματισμό με τις εντολές ITD, DTR που εκτελούν αυτή την λειτουργία. LMN_LLM: Η κατώτερη τιμή της βαλβίδας τέθηκε στο 1 bar. Αυτή η απόφαση πάρθηκε γιατί για πολύ μικρές τιμές η βαλβίδα δεν δίνει αμέσως αέρα, οπότε με το να κρατείται μια μόνιμη ελάχιστη τιμή γινόταν πιο γρήγορη η απόκριση και αποφεύγονταν απώλειες από την στατική τριβή. LMN_HLM: Οι βαλβίδες έχουν εύρος έως 6 bar όμως για λόγους ασφαλείας κρίθηκε φρόνιμο η μέγιστη τιμή να περιοριστεί στα 5 bar. Μετά από πειραματισμούς, διαπιστώθηκε πως θέτοντας την παράμετρο LMN_HLM στα 4 bar μείωνε την υπερύψωση στον έλεγχο και οδηγούσε σε καλύτερη συμπεριφορά. 54

63 MAN_ΟΝ: Η παράμετρος αυτή χρησιμοποιείται κατά την λογική εναλλάξ ελέγχου που αναλύεται στο κεφάλαιο για να ενεργοποιήσει την επιλογή manual τιμής στον PID έλεγχο. Αυτό γίνεται με απευθείας ενεργοποίηση του bit της με την εντολή{ S (ή R) DBχχ.DBX 0.1 }που μετατρέπει το bit σε 1 (ή 0) αποκτώντας πρόσβαση στο Instant Data Block του ελέγχου. Το χχ αντιστοιχεί στο νούμερο του ελέγχου (εδώ είτε 41 για τον έλεγχο της πάνω βαλβίδας είτε 42 για της κάτω) και το 0.1 είναι η αποθηκευμένη θέση της παραμέτρου στο DB. MAN: Η manual τιμή τοποθετείται με την εντολή{ DBχχ.DBD 16 }. Λειτουργεί αντίστοιχα με την { DBχχ.DBX } PVPER_ON: Το bit πρέπει να είναι στο 0 σε περίπτωση που απαιτείται manual mode. D_SEL: Ο D όρος τέθηκε ανενεργός σε όλα τα πειράματα, δηλαδή στην ουσία ο έλεγχος που εφαρμόστηκε ήταν παντού PΙ έλεγχος και όχι PID. Αυτό ήταν γνωστό από την βιβλιογραφία ( Ο PID έλεγχος στη βιομηχανία, του Σταμάτιου Μάνεση) όπου αναφέρεται ότι για γρήγορους βρόχους όπως είναι αυτός που χρησιμοποιείται εδώ, ο D όρος είναι περιττός. Επίσης το σύστημα έχει μεγάλο ποσοστό θορύβου, κάτι που όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο 2.1, σημαίνει ότι ο D όρος θα προκαλεί ταλαντώσεις. Αυτό εξακριβώθηκε και μέσα από τις δοκιμές. CYCLE: Ο κύκλος τέθηκε στα 100ms για να ταιριάζει με τον κύκλο σάρωσης του OB35. GAIN: Από τις πιο σημαντικές παραμέτρους του ελέγχου. Από την βιβλιογραφία περιμέναμε ότι θα ήταν μικρό και αυτό επιβεβαιώθηκε και από τις δοκιμές καθώς για τιμές του μεγαλύτερες από 2,5 το σύστημα έπεφτε σε ατέρμονη ταλάντωση ενώ για πολύ μικρές ο έλεγχος ήταν υπερβολικά αργός. Η ιδανική του τιμή ήταν δύσκολη να βρεθεί και διέφερε όχι μόνο από μια στρατηγική ελέγχου σε άλλη, αλλά και για κάθε βαλβίδα μερικές φορές. TI: Ακόμα, πρέπει να αναφερθεί ότι για τον έλεγχο της πίεσης του κάτω θαλάμου ήταν αναγκαίο ο PID έλεγχος να ασκεί την ακριβώς αντίθετη δράση από τον PID που ελέγχει την πίεση στον πάνω θάλαμο. Για να γίνει αυτό το GAIN του πρέπει να είναι αρνητικό. 55

64 Ο χρόνος επαναφοράς. Ξέρουμε ότι θα πρέπει να είναι πολύ μικρός ώστε ο όρος Ι να είναι μεγάλος και να είναι σίγουρο ότι το σφάλμα μόνιμης κατάστασης θα μηδενίζεται. Ωστόσο, δεν πρέπει να παραβλέψουμε ότι οι απαιτήσεις του συστήματος είναι για έναν γρήγορο έλεγχο καθώς η πίεση στην επιφάνεια μεταβάλλεται συνέχεια όσο αυτή μετακινείται. Έτσι έπρεπε να βρεθεί μια ισορροπία ώστε το σφάλμα μόνιμης κατάστασης να εξαλείφεται όσο το δυνατόν περισσότερο αλλά χωρίς να μεγαλώνει πολύ ο χρόνος διόρθωσης. Σε αντίθεση με το αναλογικό κέρδος, ο χρόνος επαναφοράς ρυθμίστηκε με την ίδια τιμή σε κάθε στρατηγική ελέγχου και ήταν 800ms. LMN_PER: Η έξοδος του ελεγκτή είναι σε μορφή λέξης PLC κ τροφοδοτείται απευθείας στις αναλογικές βαλβίδες. ER: Το σφάλμα του ελεγκτή που είναι SP_INT PV_PER. Για θετικό σφάλμα ο μηχανισμός πίεσης δεν ασκούσε όσο δύναμη έπρεπε στην επιφάνεια ενώ για αρνητικό ασκούσε πάρα πολύ. PV_IN: Στον έλεγχο λόγου, ο έλεγχος της κάτω βαλβίδας δεν δέχεται είσοδο από περιφερειακή συσκευή άρα χρησιμοποιεί PV_IN αντί για PV_PER. 56

65 Κεφάλαιο 5. Στρατηγικές ελέγχου και προγραμματισμός 5.1. Προγραμματισμός Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναλυθεί ο κώδικας που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση των διάφορων στρατηγικών ελέγχου που αναπτύχθηκαν σε αυτή την διπλωματική εργασία. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε είναι το Simatic Step7. Η γλώσσα προγραμματισμού που επιλέχθηκε ήταν η STL (Statement list) και ακολουθήθηκε τεχνική δομικού προγραμματισμού. Ο κορμός του προγράμματος, είναι ένα OB από το οποίο γίνεται κλήση διαφορετικών FC που αφορούν τις διάφορες λειτουργίες του ελέγχου. Καθώς για την υλοποίηση του PID ελέγχου χρησιμοποιήθηκε το Function Block FB41, το ΟΒ πάνω στο οποίο στηρίχθηκε το πρόγραμμα είναι το ΟΒ35 με χρόνο σάρωσης 100ms. Το πρόγραμμα λοιπόν περιλαμβάνει το ΟΒ35, δύο FC, το FC1 για αρχικοποίηση διάφορων παραμέτρων και το FC2 στο οποίο υλοποιείται ο έλεγχος, το FB41 για την υλοποίηση του PID και δύο instance DB, το DB41 για την αποθήκευση των παραμέτρων του PID του πάνω θαλάμου και το DB42 για την αποθήκευση των παραμέτρων του PID του κάτω. Σχήμα 5.1: Τα block του project Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται ο προγραμματισμός του ΟΒ35 και του FC1. Για κάθε διαφορετική στρατηγική ελέγχου το FC2 αλλάζει, οπότε θα αναλυθεί ξεχωριστά για κάθε μία στα παρακάτω κεφάλαια. Για εξοικονόμηση χώρου, θα παρατίθενται μόνο τα κομμάτια του FC2 που είναι διαφορετικά για κάθε στρατηγική. 57

66 OB35 Το OB35 είναι ο βασικός κορμός του προγράμματος και από εδώ γίνεται η κλίση των διάφορων διαδικασιών. Με εισαγωγή τάσης 24V στην θέση 0 της βαθμίδας ψηφιακών εισόδων, καλείται η FC1 που αρχικοποιεί την πίεση στους θαλάμους του κυλίνδρου της διάταξης. Με εισαγωγή ίδιας τάσης στην θέση 1, καλείται η FC2 που υλοποιεί τον έλεγχο. Είναι προφανές ότι η FC1 και η FC2 δεν πρέπει να καλούνται ταυτόχρονα. A I 0.0 // Αν δοθεί τάση στην θέση 0 S M 20.1 // ενεργοποιείται το memory bit 20.1 R M 20.2 // Το memory bit 20.2 απενεργοποιείται να επιβεβαιώσει ότι δεν θα κληθεί η // FC2 A I 0.1 //Αν δοθεί τάση στη θέση 1 S M 20.2 //ενεργοποιείται το memory bit 20.2 R M 20.1 //απενεργοποιείται το 20.1 αν ήταν ίσο με 1 A M 20.1 JC strt A M 20.2 JC ctrl BE strt: CALL "START" //Κλήση του FC1 στο οποίο έχει δοθεί το όνομα START BE ctrl: CALL "CONTROL" //Κλήση του FC2 στο οποίο έχει δοθεί το όνομα STOP BE FC1 Το FC1 είναι μια function που δημιουργήθηκε ώστε να δίνεται μια αρχική πίεση στους δύο θαλάμους του κυλίνδρου και για να αρχικοποιούνται κάποια βοηθητικά bit που χρησιμοποιούνται στην FC2. Εδώ πρέπει να αναφερθεί ότι η πίεση που ανατίθεται στις εξόδους και η δύναμη που διαβάζεται από τον αισθητήρα είναι σε μορφή λέξης PLC με εύρος τιμών Οι βαλβίδες έχουν εύρος από 0-6 bar και ο αισθητήρας από 0-5 kg (0-50Ν). Η αντιστοίχηση των πραγματικών τιμών με αυτές της 58

67 λέξης PLC μπορεί να γίνει με απλή μέθοδο των τριών. //Αρχικοποίηση πάνω θαλάμου με 4 bar L T PQW290 //Μεταφορά της τιμής στην πάνω βαλβίδα //Αρχικοποίηση κάτω θαλάμου με 3 bar L T PQW288 //Μεταφορά τιμής στην κάτω βαλβίδα //Αρχικοποίηση βοηθητικών παραμέτρων S M 20.4 //Βοηθητικό bit ώστε να διατηρηθεί σταθερή η πίεση στους θαλάμους για έναν κύκλο R M 20.3 //Βοηθητικό bit για την λογική εξάλειψης των αρνητικών τιμών του αισθητήρα R M 21.0 //Βοηθητικό bit για τη λογική αυτόματης μείωσης εύρους στον ταυτόχρονο PID //έλεγχο BE Αφού κληθεί η FC1 ο χειριστής του συστήματος πρέπει να εφαρμόσει τάση στη θέση 1 της βαθμίδας αναλογικών εισόδων για να ξεκινήσει ο έλεγχος. Οι διάφορες στρατηγικές ελέγχου που αναπτύχθηκαν για αυτή τη διπλωματική εργασία θα αναλυθούν στο υπόλοιπο του κεφαλαίου Ανάλυση στρατηγικών ελέγχου Στο κεφάλαιο παρουσιάστηκε το μαθηματικό μοντέλο ενός κυλίνδρου δύο θαλάμων στον κάθετο άξονα, καθώς και η μαθηματική σχέση που συνδέει την δύναμη που ασκεί στην επιφάνεια ο μηχανισμός άσκησης πίεσης με την πίεση στους θαλάμους. Για υπενθύμιση, οι σχέσεις αυτές δίνονται και εδώ: mÿ + by = (P A A A P B A B ) +mg F f * sgn(y ) (3) F applied = P A A A P B A B + mg (5) Όσον αφορά την συγκεκριμένη διπλωματική κρίθηκε αναγκαίο να χρησιμοποιηθεί ένα πιο απλοποιημένο και κατά προσέγγιση μαθηματικό μοντέλο για να εκφραστεί η F applied, λόγω της μεγάλης δυσκολίας στην μέτρηση και τον έλεγχο των παραμέτρων του αληθινού. F applied = P1 P2 + mg (6) όπου F applied η ασκούμενη δύναμη, P 1 η πίεση του επάνω θαλάμου του κυλίνδρου, Ρ 2 η πίεση του κάτω και mg το βάρος του μηχανισμού πίεσης. 59

68 Αυτή η επιλογή οδήγησε σε προβλήματα στον έλεγχο και κυρίως κατά την κίνηση του εμβόλου προς τα πάνω, καθώς επηρεάζεται περισσότερο από τους παράγοντες που δεν λήφθηκαν υπόψη. Επίσης άγνωστες είναι και οι απώλειες των βαλβίδων, του κυλίνδρου κλπ. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων έγιναν εκτενείς δοκιμές ώστε να ληφθούν συμπεράσματα σχετικά με την συμπεριφορά του συστήματος. Βασικότερο συμπέρασμα και ταυτόχρονα σημαντική έννοια κατά τον σχεδιασμό όλων των στρατηγικών ελέγχου ήταν μια πολύ σημαντική προϋπόθεση για την λειτουργία της διάταξης: Η ελάχιστη πίεση Ρ 2 που εφαρμόζεται στον κάτω θάλαμο πρέπει να είναι τέτοια ώστε να μπορεί να υπερνικά το βάρος της διάταξης και να επιτυγχάνεται κίνηση προς τα πάνω όταν είναι αναγκαίο PID έλεγχος πάνω θαλάμου με σταθερή τιμή στον κάτω Σχήμα 5.2: Διάγραμμα διαδικασίας Σε αυτή τη διαδικασία, έγινε προσπάθεια ελέγχου της δύναμης F applied διατηρώντας σταθερή την πίεση Ρ 2 και ελέγχοντας την πίεση Ρ 1 με PID έλεγχο. 60

69 Εκτός από τα κλασικά θέματα σωστής ρύθμισης του PID, κύριο πρόβλημα προς επίλυση ήταν η εύρεση της σωστής τιμής της πίεσης Ρ 2. Για πολύ μικρή τιμή της Ρ 2, το έμβολο δεν μπορεί να κινηθεί προς τα πάνω. Για μεγαλύτερη αλλά ακόμα μικρή τιμή, η Ρ 2 είναι αρκετή για να ανασηκώσει το έμβολο αλλά «κολλάει» λόγω αδράνειας και αργεί να μειώσει την ασκούμενη δύναμη οδηγώντας τον PID έλεγχο σε stick-slip φαινόμενα. Για μεγάλη τιμή η Ρ 2 χάνει επαφή με την επιφάνεια και οδηγεί σε συνεχείς ταλαντώσεις λόγω μεγάλου σφάλματος. Παραλλαγές αυτού του προβλήματος αντιμετωπίστηκαν και σε όλες τις υπόλοιπες μεθόδους αλλά με λιγότερη σημασία λόγω της εφαρμογής ελέγχου και στην πίεση του κάτω θαλάμου. Μετά από δοκιμές, η βέλτιστη τιμή βρέθηκε στα 2,5 bar. Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4.6 δεν παρατηρήθηκε αλλαγή για set point μεταξύ 10 και 45 Newton οπότε καταγράφηκαν αποτελέσματα μόνο για set point 28Ν πίεσης στην τυχαία επιφάνεια. FC2 Σε αυτό το μπλοκ πραγματοποιείται ο PID έλεγχος της πίεσης του πάνω θαλάμου μέσω της αντίστοιχης αναλογικής βαλβίδας που αντιστοιχεί στην αναλογική έξοδο PQW 290 και διατηρείται η τιμή των 2,5 bar στην κάτω που αντιστοιχεί στην έξοδο PQW 288. Ο αισθητήρας αντιστοιχεί στην αναλογική είσοδο PIW 272. Ο ελεγκτής που υλοποιείται είναι PI, καθώς πρόκειται για γρήγορο βρόχο και με μεγάλο θόρυβο μετρήσεων κάτι που καθιστά τον D όρο μη επιθυμητό. Ο PID πραγματοποιείται με την CONT_C που αναλύθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Επίσης γίνεται αρχικοποίηση ώστε να μην υπάρξει διαταραχή από την μεταφορά από το FC1. Τέλος, λύνεται το πρόβλημα της παρουσίασης αρνητικών βολτ για μηδενική πίεση. Για αρνητική τάση, η αντίστοιχη λέξη PLC είναι διπλάσια του μέγιστου του ορίου τιμών 27648, οπότε απλά γίνεται χρήση λογικής ΑΝ τάση σήματος <0 ΤΟΤΕ θέτω τάση σήματος =0. // Αρχικοποίηση της πίεσης στους θαλάμους A M 20.4 JCN t1 L

70 T PQW290 L T PQW288 R M 20.4 // Η τιμές μεταφέρονται μόνο για έναν κύκλο JU t3 // Διατήρηση σταθερής τιμής 2,5 bar στον κάτω θάλαμο t1: L T PQW288 // Αντιμετώπιση του προβλήματος των αρνητικών βολτ θέτοντας 0 όταν εμφανίζονται. t3: L PIW272 //Διάβασμα τιμής αισθητήρα L >D //Αν η τιμή του αισθητήρα είναι μεγαλύτερη από JCN cont // που σημαίνει ότι είναι αρνητική L 0 //φορτώνεται T MW 98 // μηδενική τιμή στο PV_PER S M 20.3 JC cnt2 cont: R M 20.3 L PIW272 T MW 100 //αληθινή τιμή αισθητήρα στο PV_PER // Ανάθεση τιμής PV_PER τιμής αισθητήρα σε μορφή λέξης PLC που διαβάζει ο PID cnt2: A M 20.3 JCN cnt L MW 98 //Για αρνητικές τιμές φορτώνεται η μηδενική τιμή στο PV_PER T MW 58 JU cnt3 cnt: L MW 100 //Για θετικές τιμές φορτώνεται η αληθινή τιμή του αισθητήρα T MW 58 // Μετατροπή PV_PER σε % για διάβασμα από το PLC Analyzer με την απλή μέθοδο των τριών cnt3: L MW 58 ITD // DTR //μετατροπή του PV_PER σε πραγματικό αριθμό L e+002 *R L e+004 /R T MD 64 //Καθορισμός LMN_LΗM (ανώτερη τιμή της εξόδου του PID) και μετατροπή σε % L L e e

71 -R L e+000 // θέτω τα 4 bar ως ανώτερο όριο για την προστασία της // βαλβίδας *R L e+000 /R T MD 72 // Καθορισμός LMN_LLM (κατώτερη τιμή εξόδου του PID) και μετατροπή σε % L e+002 L e+000 -R L e+000 //θέτω 1 bar ως το κατώτερο όριο ώστε να μειώνονται οι απώλειες *R L e+000 /R T MD 76 // Καθορισμός SP_INT δηλ. επιθυμητής τιμής της ασκούμενης δύναμης στην επιφάνεια και // μετατροπή σε % για διάβασμα από τον PID. L // 2,8 kg επιθυμητή ασκούμενη δύναμη ITD DTR T MD 50 L e+002 L 0 -R L MD 50 *R L e+004 /R T MD 54 // Κλήση PID συνεχούς ελέγχου και ανάθεση παραμέτρων. CALL "CONT_C", DB41 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=FALSE PVPER_ON:=TRUE P_SEL :=TRUE I_SEL :=TRUE INT_HOLD:=FALSE I_ITL_ON:=FALSE D_SEL :=FALSE CYCLE :=T#100MS SP_INT :=MD54 PV_IN := e+000 PV_PER :=MW58 MAN := e+000 //manual mode off //η είσοδος γίνεται από περιφερειακή είσοδο // ενεργός o "P" όρος //ενεργός o "I" όρος //ανενεργός o "D" όρος GAIN := e+000 //αναλογικό κέρδος 63

72 TI :=T#800MS //χρόνος επαναφοράς TD :=T#1S TM_LAG :=T#1S DEADB_W := e+000 LMN_HLM :=MD72 LMN_LLM :=MD76 PV_FAC := e+000 PV_OFF := e+000 LMN_FAC := e+000 LMN_OFF := e+000 I_ITLVAL:= e+000 DISV := e+000 LMN :=MD84 LMN_PER :=MW88 QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER :=MD80 // Σφάλμα του ελέγχου L MW 88 T PQW290 //Ανάθεση τιμής στην πάνω βαλβίδα BE Αποτελέσματα Sensor (0-100%), Error ( %), V1 ( ) Σχήμα 5.3: Αποτελέσματα ελέγχου Σε αυτό το σχήμα όπως και στα επόμενα που ακολουθούν, οι παράμετροι έχουν την ίδια κλίμακα. Η τιμή του αισθητήρα (sensor) είναι σε μορφή επί τοις εκατό. Για 0%, η F applied είναι μηδενική και για 100% είναι 50Ν. Η επιθυμητή τιμή (set point) των 28Ν είναι 50,63%. Το σφάλμα (error) είναι η διαφορά SP_INT-PV_PER που είναι και τα δύο σε μορφή επί τοις εκατό άρα θα έχει εύρος -50% έως 50%. Οι τιμές που δίνονται στις βαλβίδες των δύο θαλάμων 64

73 (V1 και V2 για τον πάνω και κάτω αντίστοιχα) είναι σε μορφή λέξης PLC με το γνωστό εύρος Από την γραφική παράσταση παρατηρείται μια μεγάλη διαφορά στο σφάλμα κατά την ανηφορική και την κατηφορική κλήση της επιφάνειας που χρησιμοποιείται. Αυτό συμβαίνει λόγω του ότι κατά την ανηφορική κλίση, ο έλεγχος πρέπει να υπερνικήσει το βάρος της διάταξης για να ανεβάσει το έμβολο και να μειωθεί η δύναμη που ασκείται στην επιφάνεια. Αυτή η άνοδος του εμβόλου στηρίζεται ολοκληρωτικά στην τιμή της πίεσης του κάτω θαλάμου, η οποία δεν ελέγχεται και παρουσιάζει τα προβλήματα που αναφέρθηκαν παραπάνω. Αυτά τα προβλήματα λοιπόν, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η διάταξη έχανε την επαφή της με την επιφάνεια αρκετές φορές, οδήγησαν στην απόρριψη αυτής της μεθόδου ελέγχου. Για τον ίδιο λόγο δεν έγινε και δοκιμή για καμπυλωτή επιφάνεια Ταυτόχρονος ανεξάρτητος PID έλεγχος των δύο θαλάμων Σχήμα 5.4: Διάγραμμα διαδικασίας 65

74 Σε μια προσπάθεια αποφυγής των προβλημάτων του προηγούμενου ελέγχου έγινε προσπάθεια ελέγχου της πίεσης και των δύο θαλάμων με τον PID αλγόριθμο. Στην πράξη όμως, ο συγχρονισμός δύο ανεξάρτητων PID ελέγχων με την ίδια ελεγχόμενη μεταβλητή αποδείχτηκε ανέφικτος και οδήγησε σε ατέρμονη ταλάντωση. Για να διορθωθεί αυτό το πρόβλημα, δοκιμάστηκε μία παραλλαγή της διαδικασίας μειώνοντας το εύρος των τιμών της πάνω βαλβίδας από 1-4 bar σε 3,5-4 bar. Οι τιμές αυτές επιλέχτηκαν μετά από πειραματισμούς. Με την αλλαγή αυτή, ελαττώθηκε το ποσοστό κατά το οποίο επηρέαζε την κοινή μεταβλητή ελέγχου και την κίνηση του εμβόλου ο PID έλεγχος της πάνω βαλβίδας. Επίσης, για καθαρά ερευνητικούς λόγους δοκιμάστηκε δεύτερη παραλλαγή αντίστοιχη της προηγούμενης με την διαφορά ότι μειώθηκε το εύρος τιμών της κάτω βαλβίδας στα 2,5-3 bar. Και οι δύο παραλλαγές είχαν σημαντική βελτίωση σε σχέση με τον απλό ταυτόχρονο PID έλεγχο αλλά για μεγάλα στιγμιαία σφάλματα έπεφταν πάλι σε ατέρμονη ταλάντωση. Τέλος, επιχειρήθηκε μια τελευταία παραλλαγή του ταυτόχρονου ανεξάρτητου PID με λογική αυτόματης μείωσης του εύρους των τιμών και των δύο βαλβίδων όταν το σφάλμα έπεφτε κάτω από συγκεκριμένη τιμή. Αυτό έγινε σε μια προσπάθεια αποφυγής της ευαισθησίας σε μεγάλα σφάλματα και μείωσης του σφάλματος. FC2 ταυτόχρονου PID: Παρακάτω παρατίθεται μόνο το κομμάτι του κώδικα που αφορά τον PID έλεγχο της κάτω βαλβίδας και την αρχικοποίηση των τιμών. Το υπόλοιπο μπλοκ είναι ίδιο με της προηγούμενης διαδικασίας και δεν θα παρουσιαστεί εδώ για λόγους εξοικονόμησης χώρου. // Αρχικοποίηση τιμών A M 20.4 JCN t3 L T PQW290 L T PQW288 R M

75 // Εδώ παραβλέπονται οι ίδιες εντολές με την προηγούμενη διαδικασία. //...// //Καθορισμός LMN_LΗM και μετατροπή σε % L e+002 L e+000 -R L e+000 *R L e+000 /R T MD 92 //Καθορισμός LMN_LLM και μετατροπή σε % L e+002 L e+000 -R L e+000 *R L e+000 /R T MD 102 //Κλήση PID ελέγχου CALL "CONT_C", DB42 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=FALSE PVPER_ON:=TRUE P_SEL :=TRUE I_SEL :=TRUE INT_HOLD:=FALSE I_ITL_ON:=FALSE D_SEL :=FALSE CYCLE :=T#100MS SP_INT :=MD54 PV_IN := e+000 PV_PER :=MW58 MAN := e+000 GAIN := e+000 TI :=T#800MS TD :=T#1S TM_LAG :=T#1S DEADB_W := e+000 LMN_HLM :=MD92 LMN_LLM :=MD102 PV_FAC := e+000 PV_OFF := e+000 LMN_FAC := e+000 LMN_OFF := e+000 I_ITLVAL:= e+000 // ενεργός ο P όρος //ενεργός ο "I" όρος //ανενεργός ο "D" όρος // ίδιο setpoint με τον προηγούμενο //ίδιο pv_per 67

76 DISV LMN LMN_PER :=MW68 QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := := e+000 :=MD60 PV := ER :=MD110 L MW 68 T PQW288 BE Ο κώδικας για τις παραλλαγές με μικρό εύρος τιμών για πάνω και κάτω βαλβίδα αντίστοιχα είναι ίδιος εκτός από το LMN_LΗM και το LMN_LLM. Για την πρώτη τέθηκαν 4 και 3,5 bar αντίστοιχα ενώ για τη δεύτερη 2,5 και 3 bar. FC2 λογικής αυτόματης μείωσης εύρους: Εδώ θα παρατεθεί μόνο το κομμάτι του κώδικα που αφορά την λογική της αλλαγής του εύρους. Τα υπόλοιπα παραμένουν ίδια. //Αρχικοποίηση, διάβασμα αισθητήρα κλπ. //...// A M 21.0 // αν είναι 1 σημαίνει μικρό σφάλμα JC lmt2 //Καθορισμός LMN_LΗM και μετατροπή σε % L e+002 L e+000 -R L e+000 *R L e+000 /R T MD 92 //Καθορισμός LMN_LLM και μετατροπή σε % L e

77 L e+000 -R L e+000 *R L e+000 /R T MD 102 JU pid // Αλλαγή του LMN_LLM για μικρότερο εύρος lmt2: L e+002 L e+000 -R L e+000 // 3,5 αντί για 1 bar *R L e+000 /R T MD 76 //Κλήση PID pid: CALL "CONT_C", DB41 //Ακολουθούν ίδιες εντολές //...// A M 21.0 // αν είναι 1 σημαίνει μικρό σφάλμα JC lmt6 //Καθορισμός LMN_LΗM και μετατροπή σε % L e+002 L e+000 -R L e+000 *R L e+000 /R T MD 92 //Καθορισμός LMN_LLM και μετατροπή σε % L e+002 L e+000 -R L e+000 *R L e+000 /R T MD

78 JU pid2 // Αλλαγή του LMN_LLM για μικρότερο εύρος lmt6: L e+002 L e+000 -R L e+000 // 3 αντί για 1 bar //Κλήση PID pid2: CALL "CONT_C", DB42 //...// //Λογική μικρού σφάλματος L MW 68 T PQW 288 L MD 80 //έλεγχος σφάλματος L 5 <I JCN end S M 21.0 end: BE Αποτελέσματα Σχήμα 5.5: Αποτελέσματα ταυτόχρονου PID Με μια γρήγορη ματιά φαίνεται πως αυτή η μέθοδος δεν είναι εφαρμόσιμη. Ο λόγος είναι απλός: δύο PID έλεγχοι με την ίδια ελεγχόμενη μεταβλητή σε έναν τόσο γρήγορο βρόχο ήταν επόμενο να οδηγούν σε ταλάντωση καθώς η συνδυασμένη τους δράση οδηγούσε σε υπερβολική αντίδραση στα σφάλματα. Πριν εξεταστούν οι παραλλαγές, έγιναν έλεγχοι με διαφορετικά κέρδη ελεγκτών αλλά με μικρή διαφορά στο αποτέλεσμα. Για την παραλλαγή με μικρό εύρος πάνω βαλβίδας: 70

79 Sensor (0-100%), Error ( %), V1 ( ), V2( ) Σχήμα 5.6: Αποτελέσματα για τριγωνική επιφάνεια Sensor (0-100%), Error ( %), V1 ( ), V2( ) Σχήμα 5.7: Αποτελέσματα για καμπυλωτή επιφάνεια Σε αυτή την παραλλαγή υπάρχει σημαντική βελτίωση. Αρχικά, η ατέρμονη ταλάντωση εξαλείφθηκε από την συμπεριφορά, αν και για μεγάλα σφάλματα επανερχόταν. Ωστόσο, αν και το μέγιστο θετικό σφάλμα μειώθηκε, το σύστημα τείνει να χάνει επαφή με την επιφάνεια και έχει αργή απόκριση. Αυτό οφείλεται στο μικρό εύρος τιμών της αναλογικής βαλβίδας του πάνω θαλάμου, που δεν αρκούν για γρήγορη κίνηση του εμβόλου. Για μικρό εύρος κάτω βαλβίδας: 71