PID regulator u PLC-u AB MicroLogix 1500

Transcript

1 PID regulator u PLC-u AB MicroLogix 1500 Goran Malčić dip.ing. Tehničko veleučilište u Zagrebu Elektrotehnički odjel goran.malcic@tvz.hr Prilikom izgradnje automatiziranih industrijskih i drugih procesa često se javlja potreba za uporabom PID regulatora određenih procesnih veličina. Kako je danas automatizacija bilo kojeg sustava gotovo nezamisliva bez uporabe programabilnih logičkih kontrolera (PLC-a), integracija PID regulatora u PLC je došla sama po sebi. Naime PLC sa svojim A/D konverterima može primati analogne veličine iz upravljanog procesa (temperatura, tlak, itd), obraditi dobivenu informaciju i na kraju pomoću D/A konvertera poslati analognu upravljačku veličinu u proces. Ta obrada dobivenih informacija u našem je slučaju PID algoritam. U daljnjem tekstu su opisane varijable koje koristimo prilikom rada sa PID regulatoraom u Allen- Bradley PLC-u MicroLogix Definicija PID funkcije PLC-u za rad PID regulatora koristi sljedeći algoritam: 1 Izlaz = K T I d( ulaza) dt ( E) + ( E) dt + TD predpojacanje c + Tablica 1 Područje vrijednosti PID parametra Područje Djelovanje Pojačanje K R 0.01 do Proporcionalno Vrijeme integracije T I do 0.01 Integralno Derivacijsko vrijeme T D 0.01 do Derivacijsko Za rad sa AB MicroLogix 1500 koristimo programski paket RS Logix 500 koji u sebi ima posebno datoteku (PD datoteku) u kojoj se konfigurira PID regulator. PD datoteka se stvara tako da se u Data File-u stvori nova datoteka tipa PD. Svaki PID regulator sastoji se od 20 pod-elemenata. Ti pod-elementi su tipa bit, cjelobrojni ili prošireni cjelobrojni podaci. PD datoteka može sadržavati maksimalno 255 PID regulatora što je i više nego dovoljan broj za ovu klasu PLC-a. 1

2 PID instrukcija Izgled PID instrukcije iz ladder dijagrama AB MicroLogixa 1500 prikazan je na slici 1. Instrukcija se nalazi se u kartici File/Misc pod imenom PID. Slika 1 PID instrukcija Parametri PID regulatora podešavaju se u prozoru koji je prikazan na slici 2. Do njega se dolazi dvostrukim klikom na dio PID instrukcije gdje piše Setup Screen. Ekran se sastoji od 4 djela: Tuning Parameters - gdje se podešavaju osnovni parametri regulatora Input prikazuje ulaznu veličine Output prikazuje izlaznu veličinu Flags prikazuje kontrolne zastavice Slika 2 Prozor s parametrima za podešavanje PID-a 2

3 Vrijeme izvršavanja instrukcije ako je logički krug (rung) u visokom stanju je 251,8 μs, a ako je rung u niskom stanju 8,9 μs. Poželjno je da se PID instrukcija nalazi u rungu koji nema logičkih uvjeta. Ako postoje logički uvjeti, izlazna vrijednost ostat će na zadnjoj vrijednosti dok će se CVP CV% term i integracijski dio obrisati ako je krug u niskom stanju. Svakom regulatoru se pridjeljuje njegova adresa PD10:x, gdje je x redni broj regulatora. Adresa veličine koja ulazi u regulator upisuje se u polje Process Variable i u daljnjem tekstu nazivati će se ulazna varijabla. Ulazna varijabla može biti ili adresa cjelobrojnog (int) spremnika (registara) ili adresa analognog ulaza PLC-a Adresa veličine koja izlazi iz regulatora upisuje se u polje Control Variable i zvati će se izlazna varijabla. Izlazna varijabla može biti ili adresa cjelobrojnog (int) spremnika (registara) ili adresa analognog izlaza PLC-a. Ulazni parametri Setpoint (SPS) prikazuje željenu vrijednost izlazne veličine. Process Variable (PV) prikazuje vrijednost ulazne varijable. Vrijednost ulazne varijable se interpretira kao ulazna vrijednost PID regulatora. Setpoint MAX (MAXS) - najveća vrijednost skalirane željene veličine. Setpoint MIN (MINS) najmanja vrijednost skalirane željene veličine. MINS i MAXS omogućuju rad s inženjerskim jedinicama. Mrtva zona, regulacijska pogreška i vrijednost ulazne varijable biti će prikazane u inženjerskim jedinicama ako koristimo MINS i MAXS. Sama vrijednost ulazne varijable mora i dalje biti u granicama od 0 do Koristeći MINS i MAXS ne smanjuje se rezolucija ulazne varijable. Skalirana pogreška veća od biti će prikazana kao , skalirana pogreška manja od biti će prikazana kao Old Setpoint Value (OSV) zamjena za referentnu vrijednost ako ona prijeđe granice skalirane (ograničene) referentne vrijednosti. Output Limit (OL) bit ograničavanja vrijednosti izlazne varijable. Jedinica uključuje ograničavanje izlazne veličine, dok nula isključuje ograničavanje izlazne veličine. Control Variable High Limit (CVH) Ako je bit ograničenja izlazne veličine (PD10:0/OL) uključen, vrijednost zapisana u polju biti će najveća vrijednost (u postocima) koja se može pojaviti u izlaznoj varijable. Ako PID regulator izračuna vrijednost izlazne varijable veću od vrijednosti CVH, izlazna varijabla će se postaviti na vrijednost CVH i uključiti će se alarmni bit (UL) prekoračenja gornje ograničene vrijednosti izlazne varijable. Ako ograničenje izlazne varijable (PD10:0/OL) nije postavljeno, CVH vrijednost pokazuje kada će se uključiti alarmni bit (UL) prekoračenja gornje vrijednosti izlazne varijable, ali on neće utjecati na vrijednost izlazne varijable. Control Variable Low Limit (CVL) - Ako je bit ograničenja izlazne varijable (PD10:0/OL) uključen, vrijednost zapisana u polju biti će najmanja vrijednost (u postocima) koja se može pojaviti u izlaznoj varijabli. Ako PID regulator izračuna vrijednost izlazne varijable manju od vrijednosti CVL, izlazna varijabla će se postaviti na vrijednost CVL i uključiti će se alarmni bit (LL) prekoračenja donje granične vrijednosti izlazne varijable. Ako ograničenje izlazne varijable (PD10:0/OL) nije postavljeno, CVL vrijednost pokazuje kada će se uključiti alarmni bit (LL) prekoračenja donje vrijednosti izlazne varijable, ali on neće utjecati na vrijednost izlazne varijable. 3

4 Izlazni parametri Control Variable (CV) Izlazna varijabla. U nju se sprema vrijednost koja izlazi iz regulatora. Control Variable Percent (CVP) Prikazuje vrijednost izlazne varijable u postocima (0 do 100%). Ako je PD10:0/AM bit isključen (automatski mod rada), CVP prikazuje vrijednost izlazne varijable izračunate od strane PID regulatora. Ako je PD10:0/AM bit uključen (ručni mod rada), CVP prikazuje vrijednost izlazne varijable koja se može ručno mijenjati u polju CV. Jedini način da korisnik može kontrolirati vrijednost izlazne varijable je taj da PID regulator postavi u ručni mod rada i zatim da u polje CV upisuje željenu vrijednost izlazne varijable. Ako se u ručnom modu nije mijenjala vrijednost CV, CVP će pokazivati zadnju vrijednost izračunatu od strane PID regulatora. Scaled Process Variable (SPV) skalirana vrijednost ulazne varijable. Ako je skaliranje uključeno tada područje vrijednosti ulazne varijable ide od MINS pa do MAXS. Ako je SPV konfiguriran da bude pročitan u inženjerskim jedinicama tada ovaj parametar prikazuje vrijednost ulazne varijable u inženjerskim jedinicama. Parametri za podešavanje PID regulatora Controller Gain (K C ) proporcionalno pojačanje PID regulatora. Pojačanje može ići od 0 do 3276,7 (ako je RG=0), ili od 0 do 327,67 (ako je RG=1). Reset Term (T i ) integracijsko vrijeme PID regulatora. Može poprimiti vrijednost od 0 do 3276,7 (ako je RG=0), ili od 0 do 327,67 (ako je RG=1) minuta. Rate Term (T d ) derivacijsko vrijeme. Može poprimiti vrijednost od 0 do 327,67 minuta. Time Mode (TM) Ovaj bit određuje vremenski način rada PID regulatora. Ako je postavljen onda PID regulator radi u vremenskom modu rada, a ako nije postavljen onda radi u STI (prekidnom modu rada). Bit se može postaviti/izbrisati i pomoću instrukcija u ladder programu. Kada PID regulator radi u vremenskom modu rada osvježava izlaznu varijablu u vremenu koje je specificirano u parametru LUT (PD10:0.LUT). Kada PID regulator radi u STI modu rada osvježava izlaznu varijablu svaki put kad ga program skenira u prekidnoj rutini. Kada se koristi STI mod rada PID regulator mora biti postavljen u STI (prekidnoj) rutini. Vrijeme između STI prekida trebalo bi biti isto koliko i vrijeme između Loop Update (LUT). Vrijeme prekida (STI) postavlja se u riječi STI:0.SPM. Npr. ako LUT ima vrijednost 10 (100ms), onda vrijeme između prekida (STI) mora biti isto tako dugačko 100ms, tj. u STI:0.SPM upisujemo 100. Kada koristimo vremenski mod rada procesorsko vrijeme skeniranja programa mora biti najmanje 10 puta kraće od vremena Loop Update da bi se osigurao pravilan rad programa. Loop Update Time (LUT) vrijeme između dva računanja PID jednadžbe. Najmanji vremenski razmak je 0.01s. Lut mora biti najmanje 5 do 10 puta kraći od vlastite periode osciliranja sustava koji se regulira. Kod STI moda rada mora biti istog vremenskog intervala kao i vrijeme između prekida. Vremenski razmak između osvježavanja izlazne varijable može se kretati od 0,01 do 10,24 s. Zero Crossing Deadband (ZCD) zona neosjetljivosti oko referentne vrijednosti. Zona neosjetljivosti proteže se iznad i ispod referentne veličine za vrijednost upisanu u ovom parametru. ZCD počinje djelovati tek kad vrijednost ulazne varijable dosegne referentnu veličinu i prijeđe je. Zona se može namjesti od 0 do ako ne koristimo skaliranje, ili do 0 do maksimalne vrijednosti prilikom skaliranja. Feed Forward Bias (FF) Koristi se da bi se kompenzirala smetnja koja može djelovati na izlaznu veličinu. Scaled Error (SE) razlika između referentne i ulazne vrijednosti. Može se prikazivati u dva formata, kao: greška = referenca ulaz ili greška = ulaz referenca, što ovisi o stanju CM bita. Automatic / Manual (AM) kada je nula PID regulator radi automatskom modu. Kada je jedan PID radi u ručnom modu. Prilikom automatskog moda rada vrijednost izlazne varijable ovisi o izračunu PID jednadžbe, dok u ručnom modu rada korisnik sam zadaje vrijednost izlazne varijable. Bit se može setirati/resetiati programski. 4

5 Control Mode (CM) određuje kako će se računati regulacijska pogreška. Ako je bit resetiran pogreška se računa prema formuli SE=SP-PV, što znači da će se vrijednost izlazna varijabla smanjivati ako je vrijednost ulazne varijable veća od referentne vrijednosti. Ako je bit postavljen pogreška se računa po formuli SE=PV-SP, što znači da će se vrijednost izlazne varijable povećavati ako je vrijednost ulazne varijable veća od referentne vrijednosti. PV in Deadband (DB) Bit će se postaviti u jedinicu ako se vrijednost ulazne varijable nalazi u mrtvoj zoni, ali tek onda kada prijeđe vrijednost referentne veličine. PLC 5 Gain Range (RG) Kada je bit postavljen u jedinicu vrijednost u polju pojačanja (K C ) i polju integracijskog vremena (T i ) množi se s 0,01. Kada bit nije postavljen u jedinicu vrijednost u polju pojačanja (K C ) te u polju integracijskog vremena (T i ) množi se s 0,1. Ako je bit postavljen u jedinicu i ako za pojačanje stavimo vrijednost 1 te integracijsko vrijeme također na 1, PID regulator će to interpretirati kao da regulacijsku razliku pomnožimo s 0,01 i da je integracijsko vrijeme 0,01 minuta (0,6s). Ako pak bit nije postavljen u jedinicu za iste vrijednosti PID regulator će regulacijsku razliku množiti s 0,1 i imati integracijsko vrijeme od 0,1 minute (6 sekundi). RG bit ne djeluje na derivacijsko vrijeme. Setpoint Scaling (SC) bit koji je postavljen u jedinicu kada nije specificirana skalirana referentna vrijednost. Loop Update Too Fast (TF) Bit koji će biti postavljen u jedinicu kada PID regulator neće stići osvježivati svoju izlazu varijablu brzinom postavljenom u Loop Update parametru. Ako se ovaj bit postavi u jedinicu tada se mora ili sporije osvježivati izlaznu varijablu PID regulatora ili PID regulator premjestiti u STI rutinu. Vrijednost izlazne varijable biti će pogrešna ako ovaj bit stoji u jedinici. Derivative Action Bit (DA) Ako je bit postavljen u jedinicu derivacijsko djelovanje djeluje na regulacijsku razliku, a ako nije postavljen u jedinicu derivacijsko djelovanje djeluje na ulaznu varijablu. CV Upper Limit Alarm (UL) Bit je postavljen u jedinicu kada je izračunata vrijednost izlazne varijable veća od ograničene gornje vrijednosti izlazne varijable. CV Lower Limit Alarm (LL) Bit je postavljen u jedinicu kada je izračunata vrijednost izlazne varijable manja od ograničene donje vrijednosti izlazne varijable. Setpoint Out of Range (SP) Bit je postavljen u jedinicu kada je referentna veličina ili veća ili manja od najveće odnosno najmanje skalirane vrijednosti referentne veličine. PV Out of Range (PV) Kada je bit postavljen u jedinicu tada je neskalirana vrijednost ulazne varijable veća od ili manja od 0. Done (DN) Bit se postavi u jedinicu za vrijeme jednog skeniranja PID instrukcije od strane programa PID regulator osvježi svoj izlaz. Bit ju resetira svaki put kada program skenira PID instrukciju, a ona ne osvježi svoj izlaznu varijablu. Enable (EN) Bit je postavljen u jedinicu kada je omogućeno izvršavanje PID instrukcije. Integral Sum (IS) ovdje je zapisan rezultat integracije: K T C i E ( dt) Altered Derivative Term (AD) Služi za praćenje promjena vrijednosti ulazne varijable u Loop Update vremenu. U praksi Iz popisa parametara koje možemo pratiti i konfigurirati vidljivo je da rad sa PID regulatorom u AB MicroLogix 1500 seriji PLC-a omogućuje potpunu kontrolu reguliranog sustava i za najzahtjevnije korisnike. Često ste čuli da pojedini regulatori nisu dobri zbog određenih nedostataka u pogledu konfigurabilnosti što je ovdje u potpunosti izbjegnuto. Nadalje u radu sa klasičnim PID regulatorima često su se u pogledu prihvata i pretvorbe signala javljali dodatni problemi koji su izbjegnuti korištenjem analognih ulaza i izlaza visoke rezolucije integriranih u PLC. Naime programski kod se može u svakom trenutku podesiti tako da PID prestane sa radom i pređe se na npr. dvopoložajnu regulaciju ili da se izlazna veličina postavi kao konstanta. Naravno da samo uporaba PID regulatora zahtjeva znanja iz područja automatske regulacije i dosta prakse, ali na ovakav način korištenje je postalo znatno jednostavnije. Kako se PID integrirao u izvršni program PLC-a i mogućnosti rada sa njime su dobile nove dimenzije. 5