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 Κοκκινάκη Ιωάννη του Κωνσταντίνου Αριθμός Μητρώου: 6538 Θέμα «Ανάπτυξη εφαρμογής βιομηχανικού αυτοματισμού με προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή: Συνεργατική λειτουργία εμβόλων πεπιεσμένου αέρα» Επιβλέπων Σταμάτιος Μάνεσης Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2012

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Ανάπτυξη εφαρμογής βιομηχανικού αυτοματισμού με προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή: Συνεργατική λειτουργία εμβόλων πεπιεσμένου αέρα.» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κοκκινάκη Ιωάννη του Κωνσταντίνου Αριθμός Μητρώου:6538 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Σταμάτιος Μάνεσης Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Νικόλαος Κούσουλας Καθηγητής

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Ανάπτυξη εφαρμογής βιομηχανικού αυτοματισμού με προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή: Συνεργατική λειτουργία εμβόλων πεπιεσμένου αέρα.» Φοιτητής: Κοκκινάκης Ιωάννης Επιβλέπων: Μάνεσης Σταμάτιος Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και έλεγχο, μιας πειραματικής διάταξης, στην οποία δύο πνευματικοί κύλινδροι διπλής δράσης, προσπαθούν να λειτουργήσουν συνεργατικά, για να μετακινήσουν ένα αντικείμενο που βρίσκεται ανάμεσά τους, ασκώντας του κάθε χρονική στιγμή μια επιθυμητή σταθερή δύναμη. Το σύστημα περιλαμβάνει τα δύο έμβολα, που είναι στερεωμένα σε μεταλλική βάση, το ένα απέναντι από το άλλο, με τέτοιο τρόπο ώστε να εκτείνονται το ένα προς το άλλο. Καθένας από τους τέσσερις συνολικά θαλάμους των δυο πνευματικών κυλίνδρων είναι συνδεδεμένος με μια αναλογική βαλβίδα, για τον έλεγχο της πίεσής του. Ανάμεσα στους δύο πνευματικούς κυλίνδρους τοποθετείται αισθητήρας δύναμης για τη μέτρηση της δύναμης που του ασκούν οι κύλινδροι. Οι βαλβίδες και ο αισθητήρας συνδέονται με έναν Προγραμματιζόμενο Λογικό Ελεγκτή (PLC) και αποτελούν τα αναλογικά σήματα εισόδου και εξόδου του. Ο Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής, μέσω προγραμματισμού, ελέγχει τη συνολική λειτουργία του συστήματος, με σκοπό την επίτευξη κίνησης και προς τις δυο κατευθύνσεις, με ταυτόχρονη άσκηση σταθερής δύναμης στον αισθητήρα. Η δύναμη που θέλουμε να ασκείται είναι στην αρχή μεγάλη και σταδιακά επιχειρείται όσο το δυνατόν μεγαλύτερη μείωσή της.

4 Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών Διπλωματική Εργασία Ανάπτυξη εφαρμογής βιομηχανικού αυτοματισμού με προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή: Συνεργατική λειτουργία εμβόλων πεπιεσμένου αέρα. Κοκκινάκης Ιωάννης Πάτρα 2012

5 Περιεχόμενα Σελίδες Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή 3-4 Σύντομη περιγραφή της διάταξης και της λειτουργίας της Κεφάλαιο 2. Μέρη πειραματικής διάταξης Ηλεκτροπνευματικές συσκευές Πνευματικοί κύλινδροι (έμβολα) Βαλβίδες Αισθητήρες δύναμης Δυναμοκυψέλη C2S Αισθητήρας δύναμης 201B01 της PCB Υπόλοιπος εξοπλισμός 12 Κεφάλαιο 3. Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLC) Εισαγωγή Δομή PLC Γενική Δομή PLC Το PLC S Προγραμματισμός PLC Δομή προγράμματος Block προγράμματος Γλώσσες προγραμματισμού 35 Κεφάλαιο 4. Διασύνδεση PLC με συσκευές Ι/Ο Δηλώσεις και διαμόρφωση υλικού Καλωδιώσεις 39 Κεφάλαιο 5. Ο PID ελεγκτής Θεωρία PID ελέγχου Ο PID έλεγχος στο PLC 45 Κεφάλαιο 6. Η πειραματική διαδικασία Εισαγωγή Προσπάθεια για μοντελοποίηση Προσεγγίσεις για κίνηση με σταθερή δύναμη Κίνηση προς τα δεξιά με 3 ράμπες και έναν PID Ο PID στο θάλαμο της εξόδου PQW Ο PID στους θαλάμους των εξόδων PQW 324, PQW Συμπεράσματα προσέγγισης 74 1

6 Κίνηση με μια ράμπα και έναν PID Προσέγγιση με χειροκίνητη εξαέρωση θαλάμων Γενικά συμπεράσματα και προτάσεις βελτίωσης. 92 Βιβλιογραφία- Ιστότοποι 94 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΚΩΔΙΚΩΝ

7 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή Η παρούσα διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και έλεγχο, μιας πειραματικής διάταξης, στην οποία δύο πνευματικοί κύλινδροι διπλής δράσης, προσπαθούν να λειτουργήσουν συνεργατικά, για να μετακινήσουν ένα αντικείμενο που βρίσκεται ανάμεσά τους, ασκώντας του κάθε χρονική στιγμή μια επιθυμητή σταθερή δύναμη. Το σύστημα περιλαμβάνει τα δύο έμβολα, που είναι στερεωμένα σε μεταλλική βάση, το ένα απέναντι από το άλλο, με τέτοιο τρόπο ώστε να εκτείνονται το ένα προς το άλλο. Καθένας από τους τέσσερις συνολικά θαλάμους των δυο πνευματικών κυλίνδρων είναι συνδεδεμένος με μια αναλογική βαλβίδα, για τον έλεγχο της πίεσής του. Ανάμεσα στους δύο πνευματικούς κυλίνδρους τοποθετείται αισθητήρας δύναμης για τη μέτρηση της δύναμης που του ασκούν οι κύλινδροι. Οι βαλβίδες και ο αισθητήρας συνδέονται με έναν Προγραμματιζόμενο Λογικό Ελεγκτή (PLC) και αποτελούν τα αναλογικά σήματα εισόδου και εξόδου του. Ο Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής, μέσω προγραμματισμού, ελέγχει τη συνολική λειτουργία του συστήματος, με σκοπό την επίτευξη κίνησης και προς τις δυο κατευθύνσεις, με ταυτόχρονη άσκηση σταθερής δύναμης στον αισθητήρα. Η δύναμη που θέλουμε να ασκείται είναι στην αρχή μεγάλη και σταδιακά επιχειρείται όσο το δυνατόν μεγαλύτερή μείωσή της. Για να γίνουν τα παραπάνω, επιχειρήθηκαν αρκετές διαφορετικές προσεγγίσεις. Ο ελεγκτής που χρησιμοποιείται σε όλες αυτές τις προσεγγίσεις είναι ένας PID. Τα αποτελέσματα από την εκτέλεση των πειραμάτων καταγράφονται και απεικονίζονται με το λογισμικό PLC analyzer. Μια διάταξη σαν αυτή που περιγράψαμε, μπορεί να βρει εφαρμογή σε ποικιλία βιομηχανικών εφαρμογών, στις οποίες πρέπει να μετακινηθεί ένα αντικείμενο, χωρίς η δύναμη που του ασκείται από τα έμβολα να ξεπερνά τα όρια παραμόρφωσής του. Η δύναμη αυτή μπορεί να είναι μεγάλη όπως για παράδειγμα για τη μετακίνηση ενός σασί αυτοκινήτου σε μια δεξαμενή φωσφάτωσης, χωρίς αυτό να παραμορφωθεί ή ακόμα να είναι πολύ μικρή για τη μετακίνηση ενός μικρού εύθραυστου αντικειμένου. Γενικά, η ανάγκη για συγχρονισμό πνευματικών κυλίνδρων, συναντάται συχνά σε βιομηχανικές εφαρμογές. Πράγματι, κάποιες διαδικασίες στις οποίες συμμετέχουν περισσότεροι του ενός πνευματικοί κύλινδροι, απαιτούν συγχρονισμό της κίνησης των κυλίνδρων. Όταν τα φορτία που καλούνται να μετακινήσουν οι κύλινδροι είναι ιδανικά, και το ίδιο ισχύει για τα μεγέθη και μήκη των αγωγών παροχής αέρα και για τις τριβές, τότε οι κύλινδροι μπορούν να κινούνται ταυτόχρονα και με τον ίδιο ρυθμό. Επειδή όμως σε πραγματικά συστήματα οι τριβές μεταβάλλονται σταθερά, για την επίτευξη του συγχρονισμού έχουν αναπτυχθεί συγκεκριμένες μέθοδοι. Τα σχήματα που ακολουθούν, παρουσιάζουν παραδείγματα τέτοιου είδους συγχρονισμού των πνευματικών κυλίνδρων. 3

8 Σχήμα 1.1. Εφαρμογή ανύψωσης αντικειμένου με συγχρονισμένη λειτουργία κυλίνδρων. Το σύστημα της εικόνας περιλαμβάνει δύο κυλίνδρους, παράλληλα τοποθετημένους μεταξύ τους, που συγχρονίζονται για την ανύψωση ενός φορτίου, το βάρος του οποίου μοιράζεται ομοιόμορφα στους δύο πνευματικούς κυλίνδρους. Η συνολική λειτουργία του συστήματος ελέγχεται από βαλβίδες κατεύθυνσης. Σε περίπτωση ανύψωσης φορτίου, με βάρος ανομοιόμορφα μοιρασμένο στους δύο κυλίνδρους, θα απαιτούταν η υλοποίηση πιο σύνθετων μεθόδων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα συγχρονισμένης λειτουργίας, είναι και αυτό που απεικονίζεται στο σχήμα 1.2. Οι κύλινδροι του συστήματος του σχήματος, που είναι τοποθετημένοι με ίδιο τρόπο με τους κυλίνδρους του δικού μας συστήματος, συγχρονίζονται με τέτοιο τρόπο, έτσι ώστε να συναντώνται ακριβώς στο μέσο της κίνησής τους, ακόμα και όταν «τρέχουν» με άνισες δυνάμεις. Σχήμα 1.2. Συγχρονισμός κυλίνδρων για συνάντησή τους στο μέσο της Και σε αυτή την περίπτωση ο έλεγχος λειτουργίας γίνεται με βαλβίδες κατεύθυνσης. Σε όλες τις ανάλογες περιπτώσεις που συναντήθηκαν κατά τη βιβλιογραφική αναζήτηση, ο συγχρονισμός λειτουργίας συντελούταν με χρήση ψηφιακών βαλβίδων. Δε συναντήθηκε όμως μέθοδος, για συγχρονισμό λειτουργίας πνευματικών κυλίνδρων, με ταυτόχρονο έλεγχο μιας αναλογικής τιμής, η οποία για παράδειγμα μπορεί να είναι η ασκούμενη από αυτούς δύναμη, σε ένα αντικείμενο. Το κενό αυτό επιχειρεί να καλύψει αυτή η διπλωματική εργασία, με τρόπο που θα αναλυθεί στα κεφάλαια που ακολουθούν. 4

9 Κεφάλαιο 2. Μέρη πειραματικής διάταξης. 2.1 Ηλεκτροπνευματικές συσκευές Το σύστημα που καλούμαστε να ελέγξουμε, είναι ένα ηλεκτροπνευματικό σύστημα, πρόκειται δηλαδή, για ένα σύστημα που βασίζει τη λειτουργία του στη χρήση πεπιεσμένου αέρα. Για τη χρήση του πεπιεσμένου αέρα και την εκμετάλλευση της ενέργειάς του, χρησιμοποιήσαμε δυο ενεργοποιητές (έμβολα) και τέσσερεις αναλογικές ρυθμιστικές βαλβίδες πίεσης. Η λειτουργία και ο ρόλος των παραπάνω συσκευών αναλύεται στις παραγράφους που ακολουθούν Πνευματικοί κύλινδροι (έμβολα) Οι πνευματικοί κύλινδροι (έμβολα), διαδραματίζουν σε ένα ηλεκτροπνευματικό σύστημα ρόλο ενεργοποιητή, δηλαδή μετατρέπουν την ενέργεια του πεπιεσμένου αέρα σε κίνηση. Ο πνευματικός κύλινδρος αποτελείται από ένα περίβλημα μέσα στο οποίο υπάρχει ένα πιστόνι συνδεδεμένο με μια ράβδο. Το πιστόνι χωρίζει το εσωτερικό του κυλίνδρου σε δυο θαλάμους. Ο πεπιεσμένος αέρας δύναται να εισέρχεται είτε στον ένα μόνο θάλαμο είτε και στους δυο, καθορίζοντας έτσι αν το έργο θα παράγεται μόνο κατά τη μια κατεύθυνση κίνησης ή και προς τις δύο κατευθύνσεις. Με βάση αυτό το κριτήριο οι πνευματικοί κύλινδροι διακρίνονται σε απλής ή διπλής δράσης. Στα πλαίσια της εφαρμογής μας, χρησιμοποιήθηκαν δυο κύλινδροι διπλής δράσης. Οι δυο κύλινδροι είναι στερεωμένοι σε μεταλλική βάση, ο ένας απέναντι από τον άλλο, με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να εκτείνονται προς αντίθετες κατευθύνσεις, όπως φαίνεται και στο σχήμα Σχήμα Οι πνευματικοί κύλινδροι της διάταξης. Οι κύλινδροι είναι της εταιρείας KPM, με ISO 6431 και ανήκουν στη σειρά Rx. Στο εσωτερικό τους και πιο συγκεκριμένα πάνω στο πιστόνι, διαθέτουν μαγνήτη, έτσι ώστε με τη χρήση μαγνητικών reed τερματικών διακοπτών, να λαμβάνουμε ψηφιακά σήματα, όταν οι κύλινδροι φτάνουν σε κάποια επιθυμητά σημεία της κίνησής τους, συνήθως τα ακραία. 5

10 Στο σχήμα που ακολουθεί, διακρίνουμε μια προσεγγιστική απεικόνιση του εσωτερικού των κυλίνδρων διπλής δράσης. Σχήμα Κύλινδρος διπλής δράσης. Ανεξαρτήτως σχήματος των 2 επιφανειών του πιστονιού, θεωρούμε ότι ο πεπιεσμένος αέρας ασκεί δύναμη σε επιφάνεια Α του πιστονιού, που «βλέπει» στο μεγάλο θάλαμο του κυλίνδρου και σε επιφάνεια Α του πιστονιού, που «βλέπει» στο μικρό θάλαμο του κυλίνδρου(όπου για το Α ισχύει, Α =Α-Αράβδου). Με βάση αυτά και αν υποθέσουμε ότι στον αριστερά θάλαμο υπάρχει πίεση P, ενώ στο δεξιά P μπορούμε να υπολογίσουμε τη συνισταμένη δύναμη που κινεί το θάλαμο προς τις δύο κατευθύνσεις. Για κίνηση προς τα δεξιά πρέπει F A >F A +F friction και τότε: F=F A -F A -F friction =P*A-P *A - F friction Ενώ για κίνηση προς τα αριστερά πρέπει F A >F A +F friction και τότε: F=F A -F A -F friction =P *A -P*A- F friction Όπου F είναι η δύναμη σε Ν, F friction η τριβή σε Ν, Α και Α οι επιφάνειες σε m 2 και P και P οι πιέσεις σε Pascal=Ν/m 2 (1bar=10 5 Pascal). Πρέπει να τονιστεί και να ληφθεί υπόψη κατά την εκτέλεση των πειραμάτων με την χρήση των συγκεκριμένων κυλίνδρων της KPM, ότι για ορθή λειτουργία τους, οι πιέσεις στους θαλάμους πρέπει να έχουν εύρος από 2 μέχρι 10 bar Βαλβίδες Οι βαλβίδες ανήκουν στην κατηγορία συσκευών που ελέγχουν ή ρυθμίζουν τον τρόπο λειτουργίας των πνευματικών κυλίνδρων και κινητήρων. Επιτελούν ποικίλες λειτουργίες όπως η επιλογή κατεύθυνσης ροής του πεπιεσμένου αέρα, η μεταβίβαση σημάτων-εντολών όπως start και stop, η ρύθμιση της πίεση ή της ογκομετρικής ροής κλπ. Με βάση αυτές τις διαφορετικές λειτουργίες που επιτελούν, οι βαλβίδες χωρίζονται σε πέντε κατηγορίες. Έτσι λοιπόν, έχουμε τις βαλβίδες κατεύθυνσης, τις βαλβίδες αντεπιστροφής, τις βαλβίδες ελέγχου πίεσης, τις βαλβίδες ελέγχου ροής (ογκομετρικής) και τις βαλβίδες απομόνωσης. Η εφαρμογή που καλούμαστε να αντιμετωπίσουμε απαιτεί έλεγχο πίεσης για αυτό χρησιμοποιούμε τις αντίστοιχες βαλβίδες, ρύθμισης πίεσης. 6

11 Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιούμε τους αναλογικούς ρυθμιστές πίεσης, τύπου VPPM-6L-L-1-G18-0L6H-V1N-S1, της FESTO, που φαίνονται στο σχήμα Σχήμα Αναλογικές βαλβίδες πίεσης FESTO. Στο σχήμα που ακολουθεί εντοπίζονται και εξηγούνται οι ενδείξεις και οι επιλογές συμπεριφοράς ελέγχου μιας τέτοιας βαλβίδας. Σχήμα Ενδείξεις και επιλογές βαλβίδας. Ο τύπος βαλβίδας που χρησιμοποιήσαμε δίνει ως έξοδο πιέσεις από 0 μέχρι 6 bar και δέχεται ως σήματα εισόδου, είτε τάσεις εύρους από 0V έως 10VDC, είτε ρεύματα εύρους από 4 μέχρι 20mA. Η τροφοδοσία της βαλβίδας είναι 24VDC. Η βαλβίδα αυτή, έχει σχεδιαστεί ώστε να ρυθμίζει την πίεση με αναλογικό τρόπο, έτσι ώστε αυτή να λάβει μια επιθυμητή τιμή. Για να επιτευχθεί αυτό διαθέτει ενσωματωμένο έναν αισθητήρα πίεσης, που υπολογίζει την πίεση, τη συγκρίνει με την επιθυμητή τιμή πίεσης, και ενεργοποιεί το ρυθμιστή, όταν αυτές οι δυο τιμές είναι διαφορετικές μεταξύ τους. 7

12 Σχήμα a) Γενικό κύκλωμα ελέγχου κλειστού βρόχου της VPPM βαλβίδας. b) Εσωτερικό διάγραμμα βαλβίδας. Η αναλογική βαλβίδα αυτή, διαθέτει δυνατότητα επιλογής τριών διαφορετικών συμπεριφορών ελέγχου της πίεσης. Αυτές είναι έλεγχος με γρήγορη απόκριση, αλλά υπερύψωση, ο έλεγχος που πετυχαίνει μικρό χρόνο ρύθμισης και μικρή υπερύψωση και τέλος έλεγχος με μεγάλη ακρίβεια, αλλά αυξημένο χρόνο αποκατάστασης. Η επιλεγμένη συμπεριφορά φαίνεται από το αντίστοιχο λαμπάκι της βαλβίδας, ενώ η επιλογή μπορεί να γίνει με τη χρήση των μπουτόν EDIT, UP και DOWN, τα οποία παρουσιάστηκαν νωρίτερα στο σχήμα Για τις ηλεκτρικές συνδέσεις της βαλβίδας, υπάρχουν 8 ακροδέκτες, όπως απεικονίζονται στο ακόλουθο σχήμα Σχήμα Οι ακροδέκτες της βαλβίδας. Σε κάθε ακροδέκτη αντιστοιχεί καλώδιο διαφορετικού χρώματος. Τα καλώδια αυτά είναι τα εξής: 1.Το λευκό καλώδιο (WΗ) αποτελεί την ψηφιακή είσοδο D1. 2.Το καφέ καλώδιο (ΒΝ) είναι το καλώδιο τροφοδοσίας της βαλβίδας με 24VDC. 3.Το πράσινο καλώδιο (GN) αποτελεί την αναλογική είσοδο W- (- setpoint value). 4.Το κίτρινο καλώδιο (YΕ) αποτελεί την αναλογική είσοδο W+ (+setpoint value). Μέσω των ακροδεκτών 3(W-) και 4(W+) η βαλβίδα λαμβάνει σήμα εισόδου εύρους από 0V έως 10VDC. 5.Το γκρι καλώδιο(gy) αποτελεί την ψηφιακή είσοδο D2. Μέσω των ακροδεκτών 1 και 5 (λευκό και γκρι καλώδιο αντίστοιχα) ο χρήστης της βαλβίδας μπορεί να 8

13 μεταβάλλει τη συμπεριφορά ελέγχου της αυτόματα, κατά τη διάρκεια της εφαρμογής. 6.Το ροζ καλώδιο(pk) αποτελεί αναλογική έξοδο της βαλβίδας. Το σήμα εξόδου αποτελεί την πραγματική τιμή πίεσης της βαλβίδας, που υπολογίζει ο ενσωματωμένος στη βαλβίδα αισθητήρας πίεσης. 7.Το μπλε καλώδιο (BU) είναι το καλώδιο γείωσης (0VDC ή GND). 8.Το κόκκινο καλώδιο (RD) αποτελεί την ψηφιακή έξοδο D3. Το σήμα εξόδου είναι η έξοδος του ψηφιακού συγκριτή της βαλβίδας. Έχοντας υπόψη τις παραπάνω λειτουργίες κάθε ακροδέκτη, θα γίνουν οι καλωδιώσεις των βαλβίδων στο PLC. Αυτές θα περιγραφούν αναλυτικά σε επόμενο κεφάλαιο. Στο σχήμα φαίνεται το διάγραμμα συνδέσεων για σήμα εισόδου τόσο τάση, όσο και ρεύμα. Σχήμα VPPM- διαγράμματα σύνδεσης 2.2 Αισθητήρες δύναμης Δυναμοκυψέλη C2S Για τη μέτρηση της δύναμης που ασκούν τα δύο έμβολα, αρχικά χρησιμοποιήσαμε τη δυναμοκυψέλη τύπου C2S της εταιρείας AEP. Ο αισθητήρας αυτός, μετρά τη δύναμη που του ασκείται και τη μεταφράζει σε ένα σήμα εξόδου που είναι στην περίπτωσή μας μια τάση. Επειδή δεν υπάρχει δυνατότητα απευθείας τροφοδοσίας της, η δυναμοκυψέλη συνδέεται με ένα ψηφιακό ενδείκτη τύπου MP1.523.R5. Η συσκευή αυτή, αναλαμβάνει εκτός της παροχής της τάσης τροφοδοσίας στη δυναμοκυψέλη, και τη μετατροπή του σήματος που λαμβάνει από τον αισθητήρα, σε σήμα με εύρος τιμών συμβατό με αυτό των αναλογικών εισόδων του PLC. Επιπλέον, απεικονίζει σε ψηφιακή μορφή τη μετρούμενη από τη δυναμοκυψέλη δύναμη. 9

14 Σχήμα Η δυναμοκυψέλη C2S και ο ψηφιακός ενδείκτης MP1.523.R5. Ακολούθως παρουσιάζονται κάποια βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά των δύο συσκευών της AEP. Τεχνικά χαρακτηριστικά δυναμοκυψέλης C2S: Μοντέλο: C2S Εύρος μετρήσεων 0-100kg Ευαισθησία: 2mV/V Αντίσταση εισόδου: 700 ± 2Ω Αντίσταση εξόδου: 700 ± 2Ω Προτεινόμενη τάση τροφοδοσίας: 10V Τάση τροφοδοσίας: 1-15V Μέγιστη τάση τροφοδοσίας:18v Εύρος ονομαστικής θερμοκρασίας λειτουργίας: -10 o C/ +40 o C Τεχνικά χαρακτηριστικά ψηφιακού ενδείκτη MP1.523.R5: Μοντέλο: MP1.523.R5 Ακρίβεια: ±0.05% Σφάλμα γραμμικότητας: ±0.05% Είσοδος κυψέλης φορτίου: 2 mv/v Σύστημα συνδέσεων: 4 καλώδια Παρεχόμενη τροφοδοσία: 230 Vac ± 10%, Hz Μέγιστη αποδεκτή παρεχόμενη ισχύς: 5VA Σήματα εισόδου: ± 5V, ±10V, 0-20mA, 4-20mA Παρεχόμενη τροφοδοσία αισθητήρα: 15V (-3%) Αναλογικά σήματα εξόδου: 0-5 V, 0-10V, 0-20 ma, 4-20mA Εύρος ονομαστικής θερμοκρασίας λειτουργίας: 0 o C/ +50 o C 10

15 2.2.2 Αισθητήρας δύναμης 201B01 της PCB Και αυτός ο αισθητήρας χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση δύναμης. Η διαφορά είναι ότι η χρήση του προσανατολίζεται στη μέτρηση μικρών δυνάμεων. Και στην περίπτωση αυτή, ο αισθητήρας τροφοδοτείται με τάση μέσω ενός sensor signal conditioner, ο οποίος επιπρόσθετα δέχεται σαν είσοδο το σήμα του αισθητήρα, και το μετατρέπει σε σήμα με εύρος τιμών συμβατό με αυτό των αναλογικών εισόδων του PLC. Σχήμα Ο αισθητήρας 201Β01 και ο conditioner 482A21. Ακολούθως παρουσιάζονται κάποια βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά των δύο συσκευών της PCB Piezotronics. Τεχνικά χαρακτηριστικά αισθητήρα δύναμης: Μοντέλο: 201Β01 Ευαισθησία(±15%): 500 mv/lb (1lb= kilograms) Εύρος μετρήσεων (συμπίεση): 0-10lb (0-4,5359kg) Μέγιστη στατική δύναμη (συμπίεση): 60 lb Εύρος ονομαστικής θερμοκρασίας λειτουργίας: -54 o C/ +121 o C Τάση διέγερσης: VDC Σταθερό ρεύμα διέγερσης: 2-20 ma Αντίσταση εξόδου: 100 Ω Δυναμικό πόλωσης εξόδου: 8-14 V Προφόρτωση (preload): 60 lb Ηλεκτρική σύνδεση: ομοαξονική υποδοχή (10-32 coaxial jack) Τεχνικά χαρακτηριστικά sensor signal conditioner: Μοντέλο: 482A21 11

16 Κανάλια : 1 Κέρδος τάσης (±1 %) 1:1 Εύρος ονομαστικής θερμοκρασίας λειτουργίας: 0 o C/ 50 o C Απαιτούμενη τροφοδοσία: DC τάση Τάσεις διέγερσης (για τον αισθητήρα): VDC DC τροφοδοσία: VDC Σταθερό ρεύμα διέγερσης: 2-20 ma Ηλεκτρική σύνδεση (είσοδος από αισθητήρα: υποδοχή BNC Ηλεκτρική σύνδεση (έξοδος): υποδοχή BNC Ηλεκτρική σύνδεση (είσοδος DC τροφοδοσίας): DIN υποδοχή 2.3 Υπόλοιπος εξοπλισμός Μαγνητικοί reed διακόπτες Οι διακόπτες αυτοί (σχήμα 2.3.1a) μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κάθε περίπτωση, που είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε την ακριβή θέση του ενεργοποιητή. Στην περίπτωσή μας, οi ενεργοποιητές είναι οι κύλινδροι, οι οποίοι όπως έχουμε προαναφέρει, διαθέτουν ο καθένας τους, ενσωματωμένο μαγνήτη, για την ενεργοποίηση των reed διακοπτών. Το παραγόμενο σήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οδήγηση σωληνοειδών βαλβίδων, ρελέ, ή PLC. Ο μαγνητικός reed διακόπτης μπορεί να ανιχνεύσει ένα καθορισμένο μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο που προκαλείται από τους μαγνητικούς ενεργοποιητές, προκαλεί ενεργοποίηση του reed διακόπτη. Ο μαγνητικός διακόπτης πρέπει να είναι πάντα σειριακά συνδεδεμένος με το φορτίο, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.3.1β. Η τάση τροφοδοσίας είναι 24 VDC. Σχήμα a και b. O reed διακόπτης και το ηλεκτρολογικό του διάγραμμα. 12

17 Βοηθητικά ρελέ Τα βοηθητικά ρελέ τα χρησιμοποιούμε ως φορτίο των τερματικών διακοπτών. Μέσω των βοηθητικών επαφών των ρελέ μπορούμε να στείλουμε ψηφιακά σήματα στο PLC. Σήμα τάσης 24 VDC αντιστοιχεί σε ενεργοποιημένο reed διακόπτη, ενώ σήμα τάσης 0 VDC σε απενεργοποιημένο reed διακόπτη. Μπουτόν χειρισμού Σχήμα Βοηθητικό ρελέ Με τα μπουτόν χειρισμού, στέλνουμε ψηφιακά σήματα (0 VDC ή 24 VDC) στις ψηφιακές εισόδους του PLC, για επιλογή της φοράς κίνησης των κυλίνδρων. Σχήμα Μπουτόν χειρισμού 13

18 Κεφάλαιο 3. Προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές (PLC) 3.1 Εισαγωγή Κομβικής σημασίας για την επίτευξη του στόχου της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η χρήση ενός PLC (programmable logic controller). Κρίνεται σκόπιμη λοιπόν, μια σύντομη αναφορά στο ρόλο που επιτελεί, στην ιστορική του εξέλιξη, στα πλεονεκτήματα της χρήσης του, καθώς επίσης και στα δομικά του στοιχεία και τον προγραμματισμό του. Ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής είναι ένας βιομηχανικός υπολογιστής για την υλοποίηση ηλεκτρομηχανικών διαδικασιών, καθώς και διαδικασιών αυτοματισμού. Πιο συγκεκριμένα μπορεί να ορισθεί ως μια ψηφιακή συσκευή, φέρουσα μικροεπεξεργαστή και προγραμματιζόμενη μνήμη, με τη δυνατότητα αποθήκευσης και εκτέλεσης εντολών του χρήστη, για υλοποίηση συναρτήσεων λογικής Boole, ακολουθιακής λογικής, χρονισμού, απαρίθμησης και αριθμητικών πράξεων, έτσι ώστε, μέσω ψηφιακών ή αναλογικών εισόδων/εξόδων, να ελεγχθεί η λειτουργία μιας σύνθετης μηχανής ή μιας ολόκληρης διαδικασίας. Πριν τη γέννηση των PLCs, ο συμβατικός τρόπος υλοποίησης ενός συστήματος αυτοματισμού, επέτασσε τη χρήση βοηθητικών ρελέ, χρονοδιακοπτών, ωρομετρητών, απαριθμητών κλπ. Είναι εμφανές ότι η εγκατάσταση όλων αυτών των βοηθητικών συσκευών, αλλά και οποιαδήποτε μελλοντική αλλαγή στο σύστημα αυτοματισμού, ήταν εκτός από δαπανηρή και χρονοβόρα, καθώς οι τεχνικοί θα έπρεπε να καλωδιώσουν μια προς μια, κάθε τέτοια βοηθητική συσκευή. Η ανάγκη για λύση αυτών των πρακτικών προβλημάτων, είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία των PLC. Η ανάπτυξη των PLCs άρχισε το 1968, για τους λόγους που προαναφέρθηκαν, και για λογαριασμό μιας αμερικάνικης αυτοκινητοβιομηχανίας (GE), με την πρώτη εγκατάσταση PLC σε βιομηχανικό περιβάλλον να συντελείται το Η εμβρυακή μορφή του PLC ήταν διαφορετική από τη σημερινή, καθώς περιείχε ψηφιακά στοιχεία που αντικαθιστούσαν αποκλειστικά τα βοηθητικά ρελέ. Σχήμα Το πρώτο PLC- Modicon

19 Ακολούθως η εξέλιξή τους διήλθε από διάφορα στάδια, σημαντικότερα των οποίων, ήταν η ενσωμάτωση ψηφιακών στοιχείων χρονισμού και απαρίθμησης, και κυρίως όταν βάσισαν τη δομή και λειτουργία τους σε μικροεπεξεργαστές. Σταδιακά απέκτησαν και επικοινωνιακές δυνατότητες για τη δικτύωσή τους, καθώς και δυνατότητες ψηφιακού ελέγχου κλειστού βρόχου (PID), ενώ αργότερα άρχισαν να υιοθετούνται διεθνείς τυποποιήσεις που αφορούσαν τόσο τη δικτύωσή τους, όσο και τον προγραμματισμό τους (IEC ). Βασικά πλεονεκτήματα των PLC έναντι του συμβατικού αυτοματισμού και με βάση πάντα τα όσα προαναφέρθηκαν είναι: Οικονομία χρόνου, αφού η γραφή του προγράμματος μπορεί να γίνει ταυτόχρονα με την εγκατάσταση του PLC και των συσκευών εισόδου/εξόδου, δυνατότητα που απουσιάζει στο συμβατικό αυτοματισμό. Επίσης στην οικονομία χρόνου συντελεί και η μείωση των καλωδιώσεων που προκύπτει από την αντικατάσταση πολλών βοηθητικών συσκευών με απλό κώδικα. Οικονομία χώρου, καθώς διαθέτουν δεκάδες χρονοδιακόπτες και απαριθμητές και εκατοντάδες βοηθητικά ρελέ σε συγκριτικά πολύ μικρό όγκο. Επάρκεια βοηθητικών επαφών, σε αντίθεση με το συμβατικό αυτοματισμό, καθώς κάθε θέση μνήμης που παίζει το ρόλο βοηθητικού ρελέ μπορεί να χρησιμοποιηθεί όσες φορές απαιτείται σε ένα πρόγραμμα. Εύκολη τροποποίηση της λογικής του συστήματος αυτοματισμού, καθώς η επέμβαση γίνεται στο πρόγραμμα, γεγονός που δεν απαιτεί επέμβαση στις καλωδιώσεις και στον εξοπλισμό. Έτσι αποφεύγεται παύση λειτουργίας του συστήματος, όπως συνέβαινε στη συμβατική προσέγγιση του αυτοματισμού. Εύκολος εντοπισμός βλαβών, αφού υπάρχει η δυνατότητα παρακολούθησης της κατάστασης οποιουδήποτε εσωτερικού στοιχείου κατά την εκτέλεση του προγράμματος, η δυνατότητα για παρακολούθηση με οπτικές ενδείξεις από LED, της κατάστασης ON/OFF των συσκευών εισόδου/εξόδου, καθώς επίσης η δυνατότητα για διεξαγωγή διαγνωστικών δοκιμών για τον εντοπισμό βλαβών. Τέλος δεν πρέπει να παραγνωριστεί το γεγονός ότι ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής έχει εκσυγχρονίσει τον τρόπο και τα μέσα εργασία, καθώς έχει απομακρύνει το μηχανικό από το χώρο των καλωδίων, των ρελέ κλπ και τον έφερε σε χώρο γραφείου με τη χρήση προσωπικού υπολογιστή. 15

20 3.2 Δομή PLC Γενική δομή PLC Ένα PLC γενικά αποτελείται από τα παρακάτω μέρη όπως φαίνεται και στην εικόνα : Ο επεξεργαστής (CPU) Οι βαθμίδες εισόδων Οι βαθμίδες εξόδων Η μνήμη Το τροφοδοτικό ισχύος ΣΥΣΚΕΥΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ ΤΡΟΦΟ- ΔΟΤΙΚΟ CPU MNHMH 220 V 5 V ΒΑΘΜΙΔΑ ΕΙΣΟΔΩΝ ΒΑΘΜΙΔΑ ΕΞΟΔΩΝ 5V 220 V Σχήμα Βασικά μέρη ενός PLC. Η συσκευή προγραμματισμού που φαίνεται στην εικόνα, είναι μια περιφερειακή συσκευή που χρησιμοποιείται μόνο κατά το στάδιο προγραμματισμού του PLC. Στην περίπτωσή μας είναι ένας κοινός προσωπικός υπολογιστής. Υπάρχουν δυο βασικοί τύποι PLC, αυτά με συμπαγή μορφή κατασκευής και αυτά με δομική μορφή. Τα PLCs της πρώτης κατηγορίας έχουν συγκεκριμένο αριθμό βαθμίδων εισόδου και εξόδου και είναι γενικά μη επεκτάσιμα. Περιλαμβάνουν εκτός των εισόδων/εξόδων, τροφοδοσία, επεξεργαστή, θύρα επικοινωνίας με τη συσκευή προγραμματισμού, διακόπτη επιλογής κατάστασης λειτουργίας, ενδεικτικά LED κλπ και είναι κατάλληλα για εφαρμογές μικρού μεγέθους. Η φιλοσοφία δομικής κατασκευής χρησιμοποιείται στα PLCs μεσαίου και μεγάλου μεγέθους. Τα PLC αυτής της κατηγορίας αποτελούνται από μια βάση συγκεκριμένων διαστάσεων πάνω στην οποία τοποθετούνται οι διάφορες λειτουργικές μονάδες όπως η μονάδα τροφοδοσίας, η μονάδα επεξεργαστή και οι διάφορες βαθμίδες εισόδου/εξόδου. Όπως θα γίνει αντιληπτό στο επόμενο κεφάλαιο, το PLC που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής ακολούθησε τη δομική προσέγγιση. 16

21 3.2.2 Το PLC S7-300 Το PLC που χρησιμοποιήθηκε για την επίτευξη των στόχων της διπλωματικής εργασίας είναι το S7-300 της Siemens. Συνοπτικά η όλη διάταξη του PLC περιλαμβάνει τα παρακάτω μέρη: Το πλαίσιο στήριξης(mounting Rail) Μονάδα τροφοδοσίας Τον επεξεργαστή CPU 312C Ψηφιακές εισόδους/εξόδους Βαθμίδα αναλογικών εισόδων Βαθμίδα αναλογικών εξόδων Κάρτα μνήμης (Micro Memory Card) Καλώδιο διασύνδεσης με τον υπολογιστή Στα υποκεφάλαια που ακολουθούν γίνεται αναφορά σε καθένα από αυτά τα μέρη ξεχωριστά, παρουσιάζονται τα ιδιαίτερά τους χαρακτηριστικά, καθώς και ο τρόπος τοποθέτησης και δήλωσής τους, έτσι ώστε να συγκροτηθεί ένα PLC δομικής κατασκευής, που θα ανταποκρίνεται στις ανάγκες της εφαρμογής μας. Πλαίσιο στήριξης (Mounting rail) Το πλαίσιο στήριξης (σχήμα ), απλά στηρίζει τις κάρτες που δομούν το PLC. Πάνω του βιδώνονται οι διάφορες μονάδες του PLC, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους ηλεκτρικά, με συνδετήρες στο πίσω μέρος των καρτών. Σχήμα Mounting rail του PLC. 17

22 Στη γενική περίπτωση, στην πρώτη θέση του πλαισίου στήριξης βιδώνεται το τροφοδοτικό, ακολούθως η CPU και ακολουθούν οι υπόλοιπες μονάδες που έχουν επιλεγεί ανάλογα με την εφαρμογή για την οποία σκοπεύουμε να χρησιμοποιήσουμε το PLC. Το PLC το οποίο χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας, δε διέθετε ξεχωριστή μονάδα τροφοδοσίας για την επίτευξη της dc τάσης (24V) που είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του, και για αυτό χρησιμοποιήθηκε εξωτερικό τροφοδοτικό. Έτσι στην πρώτη θέση βιδώθηκε η CPU, στη δεύτερη η κάρτα αναλογικών εισόδων και στην τρίτη η μονάδα αναλογικών εξόδων. Κεντρική μονάδα επεξεργασίας(cpu) Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας(cpu) είναι η μονάδα του PLC που ελέγχει και συντονίζει τη συνολική λειτουργία του, εκτελώντας εντολές που είναι αποθηκευμένες στη μνήμη. Όλα τα σύγχρονα PLC έχουν CPU βασισμένη σε μικροεπεξεργαστή, ο οποίος μαζί με τα απαραίτητα συμπληρωματικά κυκλώματα αποτελούν το μηχανισμό νοημοσύνης του PLC. Οι βασικές λειτουργίες της CPU του PLC είναι οι ακόλουθες: Λειτουργίες εισόδων /εξόδων, οι οποίες ως επί το πλείστον περιλαμβάνουν τη σάρωση των εισόδων και την ενημέρωση των εξόδων του PLC. Λογικές και αριθμητικές λειτουργίες, οι οποίες περιλαμβάνουν τις λογικές λειτουργίες της άλγεβρας Boole (όπως οι AND, OR, NAND), καθώς και βασικές αριθμητικές πράξεις όπως πρόσθεση, αφαίρεση κλπ. Τέλος σε αυτές τις λειτουργίες περιλαμβάνονται και όλες οι ειδικές λειτουργίες επεξεργασίας όπως αυτές του χρονισμού, της απαρίθμησης και της σύγκρισης δεδομένων. Λειτουργίες ανάγνωσης, γραφής και ειδικής τροποποίησης του περιεχομένου των θέσεων μνήμης που μπορεί να αφορά δεδομένα ή εντολές. Επικοινωνιακές λειτουργίες, που περιλαμβάνουν ειδικές λειτουργίες που πρέπει το PLC να υλοποιεί κατά την επικοινωνία του με περιφερειακές βαθμίδες εισόδων/εξόδων, με ειδικές βαθμίδες, με άλλο PLC κλπ. Η μονάδα CPU που χρησιμοποιήσαμε είναι η CPU 312c (σχήμα ). Εκτός από τη CPU, η μονάδα περιλαμβάνει τη μνήμη του PLC, ενώ επίσης διαθέτει ενσωματωμένες 10 ψηφιακές εισόδους και 6 ψηφιακές εξόδους. Επιπλέον, διαθέτει τις υποδοχές στις οποίες συνδέονται τόσο το καλώδιο τροφοδοσίας, όσο και το καλώδιο για την επικοινωνία με τον υπολογιστή. Ακολουθεί μια συνολική παρουσίαση των τεχνικών χαρακτηριστικών της βαθμίδας (εξωτερική και εσωτερική), έτσι ώστε να γίνει κατανοητός ο τρόπος χρήσης της, καθώς επίσης οι δυνατότητες που παρέχει στον προγραμματιστή, αλλά και οι περιορισμοί που πρέπει να ληφθούν υπ όψιν από αυτόν (πχ περιορισμοί στη διαθέσιμη μνήμη). 18

23 Σχήμα Μονάδα CPU 312c. Με μια εγγύτερη ματιά σε μια μονάδα CPU τύπου 31xC (σχήμα ) μπορούμε να διακρίνουμε τις παρακάτω ενδείξεις και λειτουργικά στοιχεία. 1.Ενδείξεις κατάστασης και σφάλματος. 2.Θέση για την SIMATIC Micro Memory Card. 3.Συνδέσεις για ενσωματωμένες εισόδους/εξόδους (10 DI/6 DO στην CPU 312c). 4.Σύνδεση τροφοδοσίας. 5.Διεπαφή Χ2 (PtP ή DP) Η διεπαφή αυτή απουσιάζει από τη μονάδα CPU 312c. 6.Διεπαφή Χ1 (MPI). 7.Διακόπτης επιλογής κατάστασης λειτουργίας. Σχήμα Λειτουργικά στοιχεία και ενδείξεις μονάδας τύπου CPU 31xC. 19

24 Οι ενδείξεις κατάστασης και σφαλμάτων λειτουργίας του PLC φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Ενδείξεις LED Χρώμα Σημασία SF Κόκκινο Σφάλμα υλικού ή λογισμικού. DC5V FRCE RUN STOP Πράσινο Κίτρινο Πράσινο Κίτρινο Τάση 5 V για τη CPU και ο S7-300 δίαυλος είναι εντάξει. Ένδειξη της κατάστασης της CPU, στην οποία οι είσοδοι και οι έξοδος είναι εξαναγκασμένα ενεργοποιημένες από μια συνάρτηση αποσφαλμάτωσης(debug function). Η CPU σε κατάσταση RUN. Το LED αναβοσβήνει σε κατάσταση STARTUP με ρυθμό 2 Hz, και σε κατάσταση HOLD με ρυθμό 0.5 Hz. Η CPU σε κατάσταση STOP και HOLD ή STARTUP. Το LED αναβοσβήνει με 0.5 Hz, όταν η CPU ζητά reset μνήμης και κατά τη διάρκεια του reset με 2 Hz. Οι πιθανές θέσεις του διακόπτη επιλογής λειτουργίας του PLC και οι λειτουργίες που αυτό εκτελεί για κάθε μια από αυτές είναι οι παρακάτω. Θέση Σημασία Περιγραφή RUN RUN λειτουργία Η CPU εκτελεί το πρόγραμμα του χρήστη. STOP STOP λειτουργία Η CPU δεν εκτελεί το πρόγραμμα του χρήστη. MRES Reset της μνήμης της CPU 20 Επιλογέας λειτουργίας με δυνατότητα reset της μνήμης της CPU. Το reset της μνήμης της CPU με τον τρόπο αυτό, απαιτεί μια ακολουθία ενεργειών. Κρατάμε το MRES πατημένο το πολύ για 3s, μέχρι το LED STOP να αρχίσει να αναβοσβήνει με μικρή συχνότητα.

25 Ακολούθως το απελευθερώνουμε, και μετά το ξαναπατάμε, μέχρι η ένδειξη του LED STOP να αρχίσει να αναβοσβήνει με μεγάλη συχνότητα. Το reset έχει πλέον γίνει. Εσωτερικά η CPU περιλαμβάνει μικροεπεξεργαστή και μνήμη. Ο μικροεπεξεργαστής είναι το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα που χρησιμοποιεί το PLC, έτσι ώστε να εκτελεί τις αποθηκευμένες στη μνήμη του εντολές, να καθορίζει τη σειρά λειτουργιών του συστήματος και να ελέγχει για λάθη. Στη CPU 312c ο μικροεπεξεργαστής φτάνει χρόνο επεξεργασίας ns για κάθε δυαδική εντολή. Μνήμη CPU Η μνήμη της CPU 312c οργανώνεται σε τρεις περιοχές. Αυτές είναι η μνήμη καταχώρησης (load memory), η μνήμη συστήματος (system memory) και η μνήμη εργασίας (work memory). Καθεμιά από αυτές, επιτελεί διαφορετικό ρόλο για τη λειτουργία του PLC, συνεπώς είναι και διαφορετικού τύπου (RAM, flash EPROM κλπ). Μνήμη καταχώρησης (load memory) Η μνήμη καταχώρησης της CPU 312c εδράζεται αποκλειστικά στη SIMATIC Micro Memory Card. Το μέγεθος της μνήμης καταχώρησης ταυτίζεται με αυτό της Micro Memory Card. Χρησιμοποιείται για να αποθηκεύσει τα μπλοκ κώδικα (code blocks), τα μπλοκ δεδομένων (data blocks), καθώς και τα δεδομένα του συστήματος (system data), όπως τις ρυθμίσεις, τις συνδέσεις, τις παραμέτρους των βαθμίδων κλπ. Από το γεγονός ότι η Micro Memory Card και μόνο, αποτελεί τη μνήμη καταχώρησης, γίνεται αντιληπτό, ότι για να φορτωθεί το πρόγραμμα χρήστη και να λειτουργήσει η CPU, θα πρέπει να έχει προηγηθεί τοποθέτηση της Micro Memory Card στο ειδικό slot της CPU. Η Micro Memory Card είναι τύπου Flash EPROM(Flash Erasable Programmable Read Only Memory). Ο τύπος αυτός μνήμης, μπορεί να διατηρήσει τα δεδομένα σε περίπτωση διακοπής της τροφοδοσίας, όπως ακριβώς και οι ηλεκτρικά διαγραφόμενες EEPROMs. Όμως, μπορεί να διαγραφεί σε συντομότερο χρονικό διάστημα από αυτές. Μνήμη εργασίας (work memory) Η μνήμη εργασίας, που είναι μνήμη τυχαίας προσπέλασης(ram), είναι ενσωματωμένη στη CPU, και δεν είναι δυνατή η επέκτασή της. Χρησιμοποιείται για να τρέξει ο κώδικας και για την επεξεργασία δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, όταν το PLC εκκινεί τη λειτουργία του, το πρόγραμμα αντιγράφεται από τη μνήμη καταχώρησης (load memory) στη μνήμη εργασίας (work memory). Το πρόγραμμα εκτελείται από τη μνήμη εργασίας. Μνήμη συστήματος (system memory) Η μνήμη συστήματος (system memory), είναι μνήμη τύπου RAM, είναι ενσωματωμένη στη CPU, και δεν είναι επεκτάσιμη. Περιλαμβάνει περιοχές διευθύνσεων για τα bit μνήμης, τους χρονιστές, 21

26 τους απαριθμητές κλπ, την περιοχή απεικόνισης εισόδων/εξόδων (process image) και τέλος τα τοπικά δεδομένα (local data). Περιοχή διευθύνσεων Η περιοχή διευθύνσεων των S7 CPU διαιρείται σε περιοχές τελεστών. Αυτές οι περιοχές είναι οι ακόλουθες: Περιοχή διευθύνσεων μνήμης απεικόνισης εισόδων: Κατά την έναρξη ενός κύκλου σάρωσης OB1, η CPU διαβάζει τις τιμές των εισόδων στις βαθμίδες εισόδων και τις αποθηκεύει στην περιοχή απεικόνισης εισόδων. Περιοχή διευθύνσεων μνήμης απεικόνισης εξόδων: Κατά τη διάρκεια ενός κύκλου σάρωσης, το πρόγραμμα υπολογίζει τις τιμές για τις εξόδους και τις γράφει στη περιοχή της μνήμης για απεικόνιση εξόδων. Στο τέλος του κύκλου σάρωσης, η CPU γράφει τις υπολογισμένες τιμές εξόδου στις βαθμίδες εξόδου. Περιοχή διευθύνσεων μνήμης bit: Η περιοχή αυτή παρέχει μνήμη για την ενδιάμεση αποθήκευση των αποτελεσμάτων των υπολογισμών του προγράμματος. Περιοχή διευθύνσεων μνήμης χρονιστών: Είναι η περιοχή μνήμης όπου είναι διαθέσιμοι οι χρονιστές. Περιοχή διευθύνσεων μνήμης απαριθμητών: Είναι η περιοχή μνήμης όπου είναι διαθέσιμοι οι απαριθμητές. Περιοχή διευθύνσεων μνήμης τοπικών δεδομένων: Στην περιοχή αυτή αποθηκεύονται τα προσωρινά δεδομένα ενός μπλοκ κώδικα (OB1, FB, FC) κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας του μπλοκ. Περιοχή απεικόνισης εισόδων/εξόδων Όταν το πρόγραμμα του χρήστη απευθύνεται στις περιοχές διευθύνσεων εισόδων/εξόδων, δεν εξετάζει απευθείας τις καταστάσεις σημάτων στις αντίστοιχες βαθμίδες εισόδου/εξόδου. Αντιθέτως, προσπελαύνει μια περιοχή μνήμης που είναι τμήμα της μνήμης συστήματος της CPU. Αυτή ακριβώς η περιοχή της μνήμης, είναι η περιοχή απεικόνισης που χωρίζεται σε περιοχή απεικόνισης εισόδων και σε περιοχή απεικόνισης εξόδων. Η προσέγγιση αυτή, πλεονεκτεί της άμεσης προσπέλασης των τιμών εισόδου/εξόδου, στο γεγονός ότι παρέχει στη CPU μια σταθερή απεικόνιση των σημάτων κατά τη διάρκεια της κυκλικής εκτέλεσης προγράμματος. Έτσι, ενώ η κατάσταση του σήματος μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της κυκλικής εκτέλεσης προγράμματος, το σήμα στην περιοχή απεικόνισης διατηρείται μέχρι να ανανεωθεί στον επόμενο κύκλο σάρωσης. Το λειτουργικό σύστημα ανανεώνει τις τιμές στην περιοχή απεικόνισης, περιοδικά, με το σχήμα που ακολουθεί (σχήμα ) να απεικονίζει την αλληλουχία της παραπάνω διαδικασίας στη διάρκεια ενός κύκλου σάρωσης. 22

27 Σχήμα Περιοχή τοπικών δεδομένων(local data) Η περιοχή τοπικών δεδομένων αποθηκεύει προσωρινές μεταβλητές των μπλοκ κώδικα, πληροφορίες έναρξης για τα OBs, παραμέτρους μεταφοράς και τέλος τα διάφορα ενδιάμεσα αποτελέσματα κατά την εκτέλεση του προγράμματος. Διατηρησιμότητα μνήμης (retentivity of memory) Η CPU διαθέτει ένα τμήμα διατηρήσιμης μνήμης, δηλαδή ένα τμήμα μνήμης, όπου τα δεδομένα διατηρούνται ελλείψει τροφοδοσίας, καθώς και κατά τη διάρκεια επανεκκίνησης (warm start). Διατηρήσιμα τμήματα μνήμης υπάρχουν και στους τρείς τύπους μνήμης που διαθέτει η CPU. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι στη μνήμη καταχώρησης, το πρόγραμμα είναι πάντα διατηρήσιμο, καθώς είναι αποθηκευμένο στη Simatic Micro Memory Card, όπου είναι προστατευμένο από απώλεια ισχύος και επανεκκίνηση της μνήμης της CPU. Επίσης και στη μνήμη συστήματος υπάρχει τμήμα της, που ορίζεται από τον ίδιο το χρήστη μέσα από τις ιδιότητες της CPU, η οποία μπορεί να διατηρεί bit μνήμης, τιμές χρονιστών και απαριθμητών. Οι πίνακες που ακολουθούν συνοψίζουν βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά της μονάδας CPU 312c, η γνώση των οποίων θεωρείται κρίσιμη για τον μετέπειτα προγραμματισμό της. Τεχνικά χαρακτηριστικά CPU 312c Τάσεις και ρεύματα Τάση τροφοδοσίας Επιτρεπόμενο εύρος τάσης Κατανάλωση ρεύματος (χωρίς φορτίο) Μνήμη Μνήμη εργασίας Ενσωματωμένη Επεκτάσιμη Μνήμη καταχώρησης VDC 20.4V μέχρι 28.8 V DC Συνήθως 60 ma 32 ΚΒ Όχι Τοποθετούμενη ως Micro Memory Card (max 4 MB )

28 Χρόνος ζωής δεδομένων στην MMC Τουλάχιστον 10 χρόνια (αμέσως μετά τον τελευταίο προγραμματισμό) Χρονιστές/απαριθμητές και οι διατηρήσιμες περιοχές διευθύνσεών τους S7 απαριθμητές 128 Διατηρησιμότητα Διαμορφώσιμη Προεπιλεγμένες διευθύνσεις Από C 0 μέχρι C7 Εύρος απαρίθμησης 0 μέχρι 999 Τεχνικά χαρακτηριστικά CPU 312c IEC απαριθμητές Ναι Τύπος SFB Αριθμός Απεριόριστος (περιορίζεται μόνο από τη μνήμη εργασίας)) S7 χρονιστές 128 Διατηρησιμότητα Διαμορφώσιμη Προεπιλεγμένες διευθύνσεις Μη διατηρήσιμες Εύρος χρονιστή 10 ms μέχρι 9990s IEC χρονιστές Ναι Τύπος SFB Αριθμός Απεριόριστος (περιορίζεται μόνο από τη μνήμη εργασίας)) Περιοχές δεδομένων και οι διατηρήσιμες περιοχές διευθύνσεών τους Bit μνήμη(βοηθητική μνήμη) 128 bytes Διατηρησιμότητα Διαμορφώσιμη Προκαθορισμένες διατηρήσιμες ΜΒ0 μέχρι ΜΒ15 περιοχές διευθύνσεων Μπλοκ δεδομένων(data block) Max 511 (σε εύρος αριθμών 1-511) Μέγεθος Max 16 KB Τοπικά δεδομένα για κάθε τάξη Max 256 bytes προτεραιότητας Περιοχές διευθύνσεων (I/O) Συνολική περιοχή διευθύνσεων Ι/Ο Είσοδοι 1024 bytes Έξοδοι 1024 bytes Απεικόνιση Ι/Ο Είσοδοι 128 bytes Έξοδοι 128 bytes Ψηφιακά κανάλια Ενσωματωμένα κανάλια(di/do) 10/6 Είσοδοι

29 Έξοδοι 262 Αναλογικά κανάλια Ενσωματωμένα κανάλια(ai) Κανένα Ενσωματωμένα κανάλια(aο) Κανένα Είσοδοι 64 Έξοδοι 64 Τεχνικά χαρακτηριστικά CPU 312c Χρόνοι εκτέλεσης: Ναι Λειτουργίες bit Min 0.2 μs Εντολές λέξεων Min 0.4 μs Αριθμητική σταθερής υποδιαστολής Min 5 μs Αριθμητική κινητής υποδιαστολής Min 6 μs Ενσωματωμένες Ι/Ο Προκαθορισμένες διευθύνσεις για ενσωματωμένα: Ψηφιακή είσοδος μέχρι Ψηφιακή έξοδος μέχρι Ενσωματωμένες συναρτήσεις Απαριθμητές Απαριθμητές συχνότητας Μετρήσεις διάρκειας κύκλου Παλμικές έξοδοι 2 κανάλια 2 κανάλια, max 10 khz 2 κανάλια 2 κανάλια για διαμόρφωση εύρους παλμού, max 2.5 khz Μπλοκ (block) Συνολικά 1024(DBs, FCs, FBs) Ο μέγιστος αριθμός μπλοκ που μπορεί να φορτωθεί μπορεί να μειωθεί αν χρησιμοποιηθεί άλλη MMC OBs Μέγεθος Max 16 KB Αριθμός free-cycle OBs 1 (OB 1) Αριθμός time-of-the-day interrupt OBs 1 (OB 10) Αριθμός time-delay interrupt OBs 1 (OB 20) Αριθμός watchdog interrupts 1 (OB 35) Αριθμός process interrupt OBs 1 (OB 40) Αριθμός startup OBs 1 (OB 100) Αριθμός ΟΒs ασύγχρονων σφαλμάτων 4 (OB 80, 82, 85, 87) Αριθμός ΟΒs σύγχρονων σφαλμάτων 2 (OB 121, 122) 25

30 Τεχνικά χαρακτηριστικά CPU 312c FBs Αριθμός, μέγιστο FCs Μέγεθος Αριθμός, μέγιστο Μέγεθος Προγραμματισμός Γλώσσα προγραμματισμού Προστασία προγράμματος χρήστη 1024 (σε εύρος αριθμών από 0 μέχρι 2047) Max 16 KB 1024 (σε εύρος αριθμών από 0 μέχρι 2047) Max 16 KB LAD/FBD/STL Ναι Βαθμίδες ψηφιακής εισόδου/εξόδου Η βαθμίδα ψηφιακών εισόδων είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε να δέχεται διακριτά σήματα (ηλεκτρικές τάσεις AC ή DC) από τις συσκευές εισόδου και ακολούθως να τα μετατρέπει κατάλληλα και να τα απομονώνει ηλεκτρικά, πριν τη μεταφορά τους στη μνήμη του PLC. Το διακριτό σήμα εισόδου είναι σήμα δυο καταστάσεων ON και OFF, με το ON να αντιστοιχεί στην ονομαστική τάση εισόδου (24VDC η πιο δημοφιλής), ενώ το OFF στη μηδενική τιμή. Τέτοια σήματα δίνουν συσκευές πεδίου, όπως μπουτόν κάθε είδους, οριακοί διακόπτες, διακόπτες προσέγγισης, φωτοκύτταρα κλπ. Στη βαθμίδα εισόδων, αρχικά συντελείται μετατροπή του επιπέδου τάσης και μια διαμόρφωση των σημάτων εισόδου, έτσι ώστε αυτά να είναι συμβατά με την τάση λειτουργίας του μικροεπεξεργαστή (5 VDC) και των υπόλοιπων ηλεκτρονικών στοιχείων. Ακολούθως, τα διαμορφωμένα σήματα οδηγούνται στη μονάδα ηλεκτρικής απομόνωσης, για να απομονωθούν τα υψηλά επίπεδα ισχύος που χαρακτηρίζουν τις συσκευές εισόδου, από τα ασθενή (λογικά) σήματα του μικροεπεξεργαστή. Σε επόμενη φάση το διαμορφωμένο και ηλεκτρικά απομονωμένο πλέον σήμα, πολυπλέκεται με άλλα παρόμοια σήματα που παράγει η βαθμίδα εισόδου, προκειμένου αυτά να μεταφερθούν σειριακά στο μικροεπεξεργαστή. Η ψηφιακή βαθμίδα εξόδων είναι η βαθμίδα μέσω της οποίας, τα αποθηκευμένα στη μνήμη απεικόνισης εξόδων αποτελέσματα της λογικής επεξεργασίας του προγράμματος, μεταφέρονται στις συσκευές εξόδου (ρελέ ισχύος, πηνία ηλεκτροβαλβίδων, ενδεικτικές λυχνίες, πηνία ηλεκτροπνευματικών βαλβίδων κλπ). Η λογική λειτουργίας τους, είναι η αντίστροφη αυτής των βαθμίδων ψηφιακών εισόδων. Τα σήματα που προέρχονται από την εκτέλεση του προγράμματος είναι ασθενή (λογικά), συνεπώς ρόλος της βαθμίδας εξόδων είναι να τα μετατρέψει σε σήματα ικανά να ενεργοποιήσουν συσκευές εξόδου. Αμέσως μετά τη σειριακή μεταφορά των λογικών σημάτων από τη μνήμη απεικόνισης εξόδων, αυτά αποπολυπλέκονται στην αντίστοιχη μονάδα της βαθμίδας και μεταφέρονται στην αντίστοιχη επιμέρους έξοδο της βαθμίδας εξόδων. Ακολουθεί η είσοδος των αποπολυπλεγμένων σημάτων στη μονάδα διατήρησης (δεν υπάρχει αντίστοιχη στις βαθμίδες ψηφιακών εισόδων). Η ανάγκη για την ύπαρξη αυτής της μονάδας οφείλεται στην περιοδική ενημέρωση των εξόδων από τον μικροεπεξεργαστή κατά τη διάρκεια ενός κύκλου σάρωσης. Στη 26

31 μονάδα διατήρησης λοιπόν, μέσω ολοκληρωμένων κυκλωμάτων latch ή hold, το σήμα της βαθμίδας εξόδου διατηρεί την τελευταία τιμή που απέστειλε ο μικροεπεξεργαστής, μέχρι την επόμενη ανανέωση αυτής στο τέλος του επόμενου κύκλου σάρωσης. Οι υπόλοιπες μονάδες της βαθμίδας λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο με τις αντίστοιχες των ψηφιακών βαθμίδων εισόδου και είναι κατά σειρά οι μονάδες της ηλεκτρικής απομόνωσης, της οπτικής ένδειξης και της μετατροπής σε επίπεδα σημάτων ισχύος. Στην περίπτωσή μας, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως στα τεχνικά στοιχεία της CPU 312c, αυτή διαθέτει ενσωματωμένες 10 ψηφιακές εισόδους και 6 ψηφιακές εξόδους. Οι ενσωματωμένες είσοδοι και έξοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως κανονικές είσοδοι και έξοδοι είτε για την υλοποίηση άλλων τεχνολογικών λειτουργιών, όπως απεικονίζεται και στο σχήμα Σχήμα Pin-out of the integrated DI/DO(Connector X1). Βαθμίδες αναλογικής εισόδου Η βαθμίδα αναλογικών εισόδων περιέχει όλα τα απαραίτητα κυκλώματα για την υποδοχή των αναλογικών σημάτων και τη διακριτοποίησή τους. Κύρια μονάδα της βαθμίδας αυτής είναι ο A/D μετατροπέας(analog to Digital), ο οποίος μετατρέπει το αναλογικό σήμα εισόδου σε μια ψηφιακή τιμή. Στη συνέχεια, η τιμή αυτή μεταβιβάζεται στη μνήμη αναλογικών εισόδων, όπου η CPU τη χειρίζεται με βάση το πρόγραμμα χρήστη. Για προφανείς λόγους οικονομίας, οι κατασκευαστές φροντίζουν η κάθε βαθμίδα αναλογικών εισόδων να μπορεί να δεχθεί περισσότερα του ενός είδη σήματος. Για αυτό το λόγο, σε βαθμίδες με μεγάλο αριθμό εισόδων, της μονάδας A/D μετατροπής προηγείται ένα μπλοκ προσαρμογής, το οποίο είναι ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα που μετατρέπει το αναλογικό σήμα εισόδου, σε σήμα που εκ κατασκευής δέχεται ο A/D μετατροπέας. Τα αναλογικά σήματα που μπορεί να δεχτεί μια βαθμίδα αναλογικών εισόδων, είναι τυποποιημένα και συμβατά με τα αντίστοιχα σήματα εξόδου των αναλογικών συσκευών εισόδου. Τα σήματα αυτά μπορεί να είναι είτε σήματα τάσης (πχ 0-10V, 0-5 V κλπ) είτε σήματα ρεύματος(πχ 4-20 ma κλπ). 27

32 Αξίζει να τονιστεί ότι οι αναλογικές βαθμίδες εισόδων σε αντίθεση με τις αντίστοιχες ψηφιακών εισόδων διαθέτουν τοπική μνήμη στην οποία αποθηκεύονται τα αποτελέσματα της διακριτοποίησης του αναλογικού σήματος. Επιπλέον, η βαθμίδα αναλογικών εισόδων διαθέτει έναν A/D μετατροπέα κοινό για κάθε αναλογική είσοδο. Ο μετατροπέας επεξεργάζεται το σήμα μιας αναλογικής εισόδου κάθε φορά, και η εναλλαγή των σημάτων που προωθούνται στο μετατροπέα κάθε στιγμή, γίνεται με τη βοήθεια ενός επιλογέα εισόδων, που στέλνει το σήμα μιας μόνο εισόδου σε κάθε παλμό ενός ρολογιού. Η βαθμίδα αναλογικών εισόδων έχει χρόνο λειτουργίας ανεξάρτητο από τον κύκλο σάρωσης του PLC, ο οποίος εξαρτάται, τόσο από το χρόνο για τη διακριτοποίηση των σημάτων όλων των αναλογικών εισόδων με τη σειρά, όσο και από τη μέθοδο διακριτοποίησης που έχει επιλεχθεί. Παρόλα αυτά, ο χρόνος αυτός είναι σημαντικά μικρότερος του κύκλου σάρωσης του PLC, γεγονός που δε δημιουργεί πρόβλημα στη λειτουργία του PLC. Η κάρτα αναλογικών εισόδων που χρησιμοποιήσαμε είναι η SM331-AI 8x16 Bit (6ES7331-7NF10-0AB0). Περιέχει 8 εισόδους ομαδοποιημένες σε 4 ομάδες των δυο καναλιών. Κάθε ομάδα καναλιών μπορεί να ρυθμισθεί έτσι ώστε να δέχεται σήμα είτε τάσης είτε ρεύματος. Τα εύρη τάσης που μπορεί να δεχθεί είναι από -5V μέχρι +5V, από 1V μέχρι 5V και από -10V μέχρι 10V. Τα αντίστοιχα εύρη ρεύματος(για την περίπτωση των αισθητήρων 4 καλωδίων), είναι από 0 ma μέχρι 20 ma, από 4 ma μέχρι 20 ma, και από -20 ma μέχρι 20 ma. Η κάρτα για τη λειτουργία της απαιτεί εξωτερική τροφοδοσία 24 VDC. Τα 16 bit (15 bit+πρόσημο) αναφέρονται στη διακριτικότητα (resolution) κάθε ομάδας καναλιών. Η έννοια της διακριτικότητας, εκφράζει τη μικρότερη διαφορά που μπορεί να προσδιορίσει ο A/D μετατροπέας, σε σχέση με το μεταβαλλόμενο σήμα εισόδου, και αναφέρεται στον αριθμό των bits της δυαδικής λέξης που παριστά την ψηφιακή τιμή του αναλογικού σήματος. Όπως προείπαμε, ο μετατροπέας της μονάδας είναι 16 bit, άρα υπάρχουν 2 16 =65536 διαφορετικές ψηφιακές τιμές μεταξύ του ελαχίστου και μεγίστου, επομένως έχουμε 2-16 =0, βήματα της πλήρους κλίμακας. Στην περίπτωσή μας, είσοδος στην κάρτα αναλογικών εισόδων είναι το σήμα από τους αισθητήρες δύναμης. Το ηλεκτρολογικό διάγραμμα της βαθμίδας αναλογικών εισόδων SM331-AI 8x16 Bit (6ES7331-7NF10-0AB0) που χρησιμοποιήσαμε, παρουσιάζεται στο σχήμα που ακολουθεί. 28

33 Σχήμα Βαθμίδα αναλογικών εισόδων SM331-AI 8x16 Bit. Βαθμίδες αναλογικής εξόδου Οι βαθμίδες αναλογικών εξόδων λαμβάνουν τα ψηφιακής μορφής αποτελέσματα της εκτέλεσης του προγράμματος χρήστη από τη CPU, και τα μετατρέπουν σε ένα σήμα (τάση ή ρεύμα) αναλογικής μορφής, για να ελέγξουν τη λειτουργία μιας αναλογικής συσκευής. Στην περίπτωσή μας η αναλογική συσκευή είναι οι αναλογικές βαλβίδες. Αρχικά, η ψηφιακή λέξη φθάνει σε ένα D/A μετατροπέα (Digital to Analog converter), ο οποίος παράγει στην έξοδό του μια αντίστοιχη σταθερή ηλεκτρική τάση. Είναι εμφανές, ότι η έξοδος του μετατροπέα συνεχίζει να είναι διακριτή, παρουσιάζοντας έναν αριθμό επιπέδων τάσης που εξαρτάται από τη διακριτικότητα της βαθμίδας. Επομένως το σήμα στην έξοδο του μετατροπέα, είναι μια μεταβαλλόμενη, αλλά και βαθμισμένη τάση. Για να προσομοιάζει αυτό το σήμα περισσότερο σε ένα αναλογικό, οδηγείται σε κυκλώματα ενισχυτή και φίλτρου τα οποία ομαλοποιούν την βαθμισμένη τάση ή το ρεύμα εξόδου. Η ακρίβεια εξόδου μιας αναλογικής βαθμίδας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό και από τη συχνότητα ενημέρωσης της ψηφιακής λέξης εισόδου και κατ επέκταση από τον κύκλο σάρωσης του PLC, καθώς τα δεδομένα που προκύπτουν από την επεξεργασία του προγράμματος και αφορούν τη βαθμίδα αναλογικών εξόδων, αποστέλλονται σε αυτή μια φορά σε κάθε κύκλο σάρωσης. Πρέπει να τονιστεί ότι στις αναλογικές βαθμίδες είτε εισόδου είτε εξόδου έχουμε οπτική απομόνωση της CPU από τα αναλογικά κυκλώματα. Επιπλέον και οι δυο απαιτούν εξωτερική τροφοδοσία ρεύματος ή τάσης συγκεκριμένων προδιαγραφών. Αρκετές βαθμίδες αναλογικών εξόδων, εκτός της τυπικής σύνδεσης με τις αναλογικές συσκευές, παρέχουν δυνατότητα τροφοδοσίας των συσκευών εξόδου με σύνδεση 4 αγωγών, για μεγαλύτερη ακρίβεια στον προσδιορισμό της εφαρμοζόμενης τάσης, η οποία είναι αρκετές φορές διαφορετική από την κανονική. Οι δυο επιπλέον αγωγοί συνδέονται απευθείας στο φορτίο. Με τον τρόπο αυτό 29

34 η βαθμίδα μετρά άμεσα την τάση στα άκρα του φορτίου και επιφέρει αυτόματα την απαιτούμενη διόρθωση. Η κάρτα αναλογικών εξόδων που χρησιμοποιήσαμε εμείς, είναι η SM332-AO 4x12 bit (6ES7332-5HD01-0AB0). Περιέχει 4 εξόδους ομαδοποιημένες σε ένα γκρουπ. Για καθεμία από αυτές μπορούμε να επιλέξουμε αν το σήμα εξόδου θα είναι τάση ή ρεύμα. Τα εύρη τάσης εξόδου είναι από 1V μέχρι 5V, από 0V μέχρι 10V και από -10V μέχρι 10V. Τα αντίστοιχα εύρη ρεύματος είναι από 0 ma μέχρι 20 ma, από 4 ma μέχρι 20 ma και από -20mA μέχρι 20 ma. Η κάρτα για τη λειτουργία της απαιτεί εξωτερική τροφοδοσία 24 VDC. Η διακριτικότητα της βαθμίδας είναι 12 bit με το ένα από αυτά να έχει ρόλο προσήμου στην περίπτωση εξόδων με εύρη από -10V μέχρι 10V ή από -20 ma μέχρι 20 ma. Τέλος, οι συγκεκριμένη κάρτα αναλογικών εξόδων υποστηρίζει εκτός της τυπικής καλωδίωσης 2 αγωγών, και την καλωδίωση 4 αγωγών, η χρησιμότητα της οποίας αναλύθηκε προηγουμένως. Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται το ηλεκτρολογικό διάγραμμα της βαθμίδας. Σχήμα Βαθμίδα αναλογικών εξόδων SM332-AO 4x12 bit. Μονάδα προγραμματισμού Ο προγραμματισμός του PLC γίνεται είτε μέσω ειδικής αποσπώμενης συσκευής προγραμματισμού είτε μέσω απλού προσωπικού υπολογιστή. Στην περίπτωσή μας, για τον προγραμματισμό του PLC χρησιμοποιήθηκε ένας προσωπικός υπολογιστής με λειτουργικό σύστημα Windows XP. Το πρόγραμμα γράφτηκε με χρήση του λογισμικού της Siemens Simatic Step7. Η επικοινωνία του υπολογιστή με το PLC για τη φόρτωση του προγράμματος, αλλά και για παρακολούθηση διαφόρων μεταβλητών του PLC στη διάρκεια της λειτουργίας του, συντελείται μέσω του Multipoint Interface(MPI) και της PC Adapter USB της Siemens. 30

35 3.3 Προγραμματισμός PLC Δομή προγράμματος Σε κάθε PLC υπάρχουν αποθηκευμένα δυο είδη προγράμματος, που είναι ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Αυτά είναι το λειτουργικό σύστημα ή εκτελέσιμο πρόγραμμα και το πρόγραμμα χρήστη. Το λειτουργικό σύστημα είναι ένα ειδικό πρόγραμμα γραμμένο σε γλώσσα μηχανής, το οποίο οδηγεί το μικροεπεξεργαστή της CPU στο να πραγματοποιήσει τις διάφορες εσωτερικές λειτουργίες όπως επεξεργασία, έλεγχο και επικοινωνία. Οδηγεί δηλαδή όλες τις βασικές λειτουργίες, που έχουν ήδη προαναφερθεί, τις οποίες εκτελεί η CPU του PLC. Το πρόγραμμα αυτό αποθηκεύεται μόνιμα σε ένα τμήμα της μνήμης, που είναι πάντα τύπου ROM. Αναπτύσσεται από τον κατασκευαστή και αποθηκεύεται στη μνήμη μόνιμα χωρίς να χρειάζεται, αλλά και να επιδέχεται αλλαγών. Το πρόγραμμα χρήστη, από την άλλη πλευρά, είναι το σύνολο των εντολών του χρήστη, έτσι ώστε το PLC να εκτελέσει την εκάστοτε λειτουργία αυτοματισμού ή ελέγχου για την οποία το χρησιμοποιεί ο χρήστης. Το πρόγραμμα αυτό, όπως προαναφέρθηκε, αποθηκεύεται στη μνήμη καταχώρισης της CPU (στη flash EPROM MMC στην περίπτωσή μας), επιδέχεται αλλαγών, και επιτρέπει στο χρήστη με τρόπο που αυτός κρίνει αποδοτικότερο, να αξιοποιήσει όλες τις δυνατότητες που του παρέχει το PLC για την υλοποίηση της εκάστοτε εφαρμογής. Το πρόγραμμα χρήστη, σύμφωνα με το πρότυπο IEC , δεν δομείται ως μια απλή ακολουθία ομάδων εντολών μέσα σε ένα πρόγραμμα. Αντίθετα, αποτελείται από συστατικά μέρη διαφορετικά μεταξύ τους και με διαφορετική αποστολή το καθένα, ως δομικά στοιχεία του προγράμματος. Ο τρόπος αυτός δόμησης του προγράμματος καλείται «Δομικός Προγραμματισμός» Block προγράμματος Τα δομικά στοιχεία ενός προγράμματος χρήστη αναφέρονται στο πρότυπο IEC ως Μονάδες Οργάνωσης Προγράμματος. Το λογισμικό προγραμματισμού Simatic Step7 που χρησιμοποιήσαμε, περιλαμβάνει τις Μονάδες Οργάνωσης Προγράμματος ή αλλιώς block κώδικα που περιγράφονται ακολούθως: Organization Blocks (OBs) Τα OBs αποτελούν τη διεπαφή μεταξύ του λειτουργικού συστήματος και του προγράμματος χρήστη. Καλούνται από το λειτουργικό σύστημα και ελέγχουν την κυκλική και οδηγούμενη από διακοπές (interrupt-driven) εκτέλεση προγράμματος, την εναρκτήρια συμπεριφορά του PLC και την αντιμετώπιση λαθών. Τα ΟΒs είναι μπλοκ προγράμματος που «κτίζονται» από άλλες Μονάδες Οργάνωσης Προγράμματος, όπως τα FBs και FCs που θα αναφερθούν παρακάτω, καθώς και από απλές εντολές. Αποφασίζουν την ακολουθία με την οποία τα διάφορα κομμάτια του προγράμματος εκτελούνται. 31

36 Ένα OB μπορεί να διακόψει την εκτέλεση ενός άλλου OB. Το ποιο ΟΒ επιτρέπεται να διακόψει ένα άλλο ΟΒ εξαρτάται από την προτεραιότητά του. Τα ΟΒs με υψηλότερη προτεραιότητα μπορούν να διακόψουν τα χαμηλότερης προτεραιότητας. «Διακοπές»(interrupts) είναι τα γεγονότα που προκαλούν την κλήση ενός ΟΒs. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται όλοι οι τύποι ΟΒ, η λειτουργία τους, καθώς και η προτεραιότητά τους. 32

37 Από τους παραπάνω πίνακες ξεχωρίζουμε δύο βασικούς τύπους ΟΒ, οι οποίοι είναι αυτός της κυκλικής εκτέλεσης προγράμματος (cyclic program processing) και αυτός των κυκλικών διακοπών (cyclic interrupt), Η κυκλική εκτέλεση προγράμματος (cyclic program processing) είναι ο συνήθης τρόπος εκτέλεσης προγράμματος στα PLC. Αυτό σημαίνει ότι το λειτουργικό σύστημα τρέχει σε ένα βρόχο προγράμματος (κύκλος) και εκτελεί το organization block OB1 μια φορά σε κάθε βρόχο. Το πρόγραμμα χρήστη που είναι γραμμένο στο OB1, εκτελείται στο εξής κυκλικά. Η χρονική διάρκεια εκτέλεσης ενός βρόχου εξαρτάται από το πλήθος και το είδος των εντολών του προγράμματος χρήστη. Τα OB κυκλικών διακοπών (cyclic interrupt) εξασφαλίζουν τη διακοπή της εκτέλεσης του προγράμματος σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα. Οι διακοπές ενεργοποιούνται σε σταθερά χρονικά διαστήματα. Τα ΟΒs της κατηγορίας αυτής, που φαίνονται στο παραπάνω πίνακα, αντιστοιχούν το καθένα σε διαφορετικό και ορισμένο εκ των προτέρων χρονικό διάστημα διακοπής. Το PLC που χρησιμοποιήσαμε υποστηρίζει μόνο το block κυκλικής διακοπής OB35. Το χρονικό διάστημα διακοπής μπορεί να καθοριστεί από το χρήστη μέσω των ρυθμίσεων hardware της CPU του PLC. Function Blocks (FB) Τα Function Blocks (FBs) ανήκουν στις Μονάδες Οργάνωσης Προγράμματος που ο χρήστης μπορεί να προγραμματίσει ο ίδιος. Διαθέτουν μία ή περισσότερες εισόδους και ομοίως μια ή περισσότερες εξόδους. Τέτοια μπλοκ διαθέτουν μνήμη, καθώς είναι αντιστοιχισμένα σε ένα μπλοκ δεδομένων (data block) έκαστο, το οποίο και αποτελεί τη μνήμη τους (instance data block). Οι παράμετροι που μεταφέρονται στο FB και οι στατικές μεταβλητές αποθηκεύονται στο instance data block. Οι προσωρινές μεταβλητές είναι αποθηκευμένες στη στοίβα τοπικών δεδομένων. Τα περιεχόμενα του instance data block δε χάνονται μετά την εκτέλεση του FB, σε αντίθεση με αυτά της στοίβας τοπικών δεδομένων που παύουν να υπάρχουν. Το γεγονός ότι τα function block διαθέτουν μνήμη σημαίνει ότι οι τιμές των εξόδων εξαρτώνται εκτός από τις τιμές των εισόδων και από την αποθηκευμένη πληροφορία στα instance data blocks. Περισσότερα για τα FBs και τη διασύνδεσή τους με τα instance data block θα αναφερθούν στη συνέχεια, αφού γίνει περαιτέρω κατανοητή και η λειτουργία των instance data block. System function blocks (SFBs) Τα System function blocks(sfbs) είναι ενσωματωμένα στη S7 CPU και δίνουν στο χρήστη πρόσβαση σε σημαντικά function block του συστήματος. Αυτά τα function block δε χρειάζεται να τα προγραμματίσει ο ίδιος ο χρήστης, αλλά μπορεί να τα καλέσει στο πρόγραμμά του. Τα SFBs, είναι μέρος του λειτουργικού συστήματος και δεν φορτώνονται σαν μέρος του προγράμματος. Όπως και τα FBs διαθέτουν μνήμη, δηλαδή η κλήση τους πρέπει να συνοδεύεται από τη δημιουργία ενός instance data block, έτσι ώστε να φορτωθούν στη CPU ως μέρος του προγράμματος. Οι S7 CPUs παρέχουν SFBs για επικοινωνίες μέσω ρυθμισμένων συνδέσεων, καθώς και για ενσωματωμένες ειδικές συναρτήσεις. 33

38 Instance Data Blocks (instance DBs) Τα Instance Data Blocks (instance DBs), όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, σχετίζονται με την κλήση ενός FB ή SFB. Δημιουργούνται αυτόματα κατά τη διάρκεια της μεταγλώττισης (compilation). Οι πραγματικές παράμετροι και οι στατικές μεταβλητές ενός FB αποθηκεύονται σε ένα τέτοιο μπλοκ. Με τον όρο instance εννοούμε την κλήση ενός FB. Έτσι για παράδειγμα, αν ένα FB καλείται πέντε φορές στο πρόγραμμα χρήστη, υπάρχουν πέντε instances αυτού του μπλοκ. Η δημιουργία ενός instance DB προϋποθέτει την ύπαρξη του αντίστοιχου FB, επομένως είναι απαραίτητη η δήλωση του αριθμού του FB κατά τη δημιουργία του instance DB. Η ύπαρξη αυτού του είδους μνήμης παρέχει μια σειρά πλεονεκτημάτων στο προγραμματιστή, ανάλογα με τον τρόπο που τα χρησιμοποιεί και τα αντιστοιχεί στα διάφορα FBs. Πρώτα απ όλα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα instance data block για κάθε ξεχωριστή κλήση ενός FB. Το γεγονός αυτό καθιστά τα FBs απολύτως επαναχρησιμοποιήσιμα, καθώς με ένα τέτοιο μπλοκ μπορούν να ελεγχτούν πλήθος ομοειδών συσκευών εξόδου (πχ διαφορετικοί κινητήρες). Τα απαραίτητα στοιχεία για κάθε συσκευή μπορούν να είναι αποθηκευμένα σε διαφορετικό instance DB. Είναι προφανές ότι το DB που θα ανατεθεί στο δεδομένο FB, είναι αυτό που θα καθορίσει ποια θα είναι η προς έλεγχο συσκευή εξόδου. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα χρήσης ενός instance DB για διαφορετικές κλήσεις ενός FB. Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να μεταφέρουμε ταυτόχρονα τα ίδια δεδομένα για μια σειρά συσκευών προς έλεγχο. Με τη μέθοδο αυτή συντελείται εξοικονόμηση μνήμης και βελτιστοποιημένη χρήση των μπλοκ δεδομένων. Τέλος υπάρχει η δυνατότητα χρήσης ενός instance DB, για διαφορετικές κλήσεις, διαφορετικών FBs. Μέσα σε ένα FB είναι δυνατή η κλήση άλλων υπαρχόντων FBs. Ο χρήστης μπορεί να αναθέσει τα δεδομένα κλήσης (instance data) που απαιτούνται για αυτό στο instance DB του υπάρχοντος FB, επομένως στην περίπτωση αυτή δεν απαιτούνται επιπλέον DBs για τα καλούμενα FBs. Στα πλαίσια της σύντομης αυτής παρουσίασης δεν κρίνεται σκόπιμη περαιτέρω αναφορά στον προγραμματισμό των τριών παραπάνω μεθόδων. Για περισσότερες λεπτομέρειες ο αναγνώστης μπορεί να απευθυνθεί στο αντίστοιχο τεχνικό εγχειρίδιο της Siemens. Functions (FCs) Οι Functions (FCs) ανήκουν και αυτές στα μπλοκ που προγραμματίζει ο ίδιος ο χρήστης, Μπορεί να έχουν περισσότερες από μια εισόδους, αλλά μόνο μια έξοδο. Σε αντίθεση με τα FBs που αναφέρθηκαν παραπάνω, δε διαθέτουν μνήμη. Οι προσωρινές μεταβλητές που ανήκουν στη FC αποθηκεύονται στη στοίβα τοπικών δεδομένων, συνεπώς η ύπαρξη τους παύει με το πέρας της εκτέλεσης της Function. Επιπλέον δεν είναι δυνατή η ανάθεση αρχικών τιμών στα τοπικά δεδομένα μιας FC. Από το γεγονός αυτό, και αν συνυπολογίσουμε την απουσία μνήμης, γίνεται εύκολα κατανοητό ότι η εκτέλεση μιας FC με τις ίδιες τιμές εισόδου, δίνει κάθε φορά τα ίδια αποτελέσματα στην έξοδο. Εκτός των FCs που γράφει ο χρήστης, ο κατασκευαστής παρέχει έτοιμες και κάποιες Standard FCs, πχ AND, ADD, OR, SQRT κλπ, μερικές εκ των οποίων είναι επεκτάσιμες, δίνουν δηλαδή τη δυνατότητα στο χρήστη να αποφασίσει το πλήθος των εισόδων 34

39 τους. Μια FC από τη στιγμή που θα ορισθεί μπορεί να κληθεί όσες φορές θέλει ο χρήστης μέσα στο πρόγραμμα χωρίς περιορισμούς. System Functions (SFCs) Κατ αντιστοιχία με τις SFBs υπάρχουν και οι System Functions, που είναι και αυτές ενσωματωμένες στην S7 CPU. Η κλήση τους μπορεί να γίνει μέσα από το πρόγραμμα χρήστη. Οι SFCs είναι μέρος του λειτουργικού συστήματος και δε φορτώνονται σα μέρος του προγράμματος. Όπως και οι απλές FCs, οι SFCs είναι μπλοκ χωρίς μνήμη. Οι SFCs που παρέχονται από τις S7 CPUs έχουν ποικιλία λειτουργιών όπως είναι ο έλεγχος προγράμματος, η μεταφορά πακέτων δεδομένων, η ανανέωση των μνημών απεικόνισης εισόδων/εξόδων, η διευθυνσιοδότηση των βαθμίδων κλπ. Shared Data Blocks (DBs) Τα Shared DBs είναι περιοχές δεδομένων για αποθήκευση των δεδομένων χρήστη. Εκτός από τα δεδομένα που είναι αντιστοιχισμένα σε ένα FB ή SFB τα Shared Data μπορούν να ορισθούν και να χρησιμοποιηθούν από κάθε μπλοκ. Σε αντίθεση με τα λογικά μπλοκ (ΟΒs, FCs, FBs, SFCs,SFΒs), τα DBs δεν περιέχουν εντολές της STEP 7. Χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση δεδομένων χρήστη, δηλαδή περιέχουν δεδομένα-μεταβλητές με τα οποία το πρόγραμμα χρήστη λειτουργεί. Το μέγεθός τους ποικίλει με το μέγιστο μέγεθος να εξαρτάται από τον τύπο της CPU. Όταν καλείται ένα λογικό μπλοκ (ΟΒ, FC, FB) μπορεί να καταλαμβάνει προσωρινά, χώρο στην περιοχή μνήμης τοπικών δεδομένων. Εκτός της περιοχής αυτής, ένα λογικό μπλοκ μπορεί να δεσμεύσει μια περιοχή μνήμης με τη μορφή ενός DB, από το οποίο μπορεί να διαβάσει ή να γράψει δεδομένα. Σε αντίθεση με τα δεδομένα στην περιοχή τοπικών δεδομένων, τα δεδομένα σε ένα DB δε σβήνονται όταν αυτό κλείσει, δηλαδή μετά την εκτέλεση του λογικού μπλοκ που το καλεί. Είναι φανερό ότι η διαφορά ενός instance και ενός shared DB, έγκειται στο γεγονός ότι το instance αντιστοιχεί αποκλειστικά σε ένα FB, ενώ τα shared είναι προσβάσιμα από κάθε λογικό μπλοκ Γλώσσες προγραμματισμού Οι γλώσσες προγραμματισμού των PLC ορίζονται από το τρίτο μέρος του διεθνούς προτύπου IEC το οποίο είναι αποδεκτό από το σύνολο των κατασκευαστών PLC. Το πρότυπο αυτό ενσωματώνει πέντε προσεγγίσεις προγραμματισμού οι οποίες είναι το κλιμακωτό διάγραμμα (Ladder Diagram ή LAD), το διάγραμμα λογικών γράφων (Function Block Diagram, FBD), η λίστα εντολών (Statement List-STL), το δομημένο κείμενο (Structured Text, ST) και τέλος ο γράφος διαδοχικών λειτουργιών (Sequential Function Chart, SFC). Από αυτές τις πέντε προσεγγίσεις η STEP 7 υποστηρίζει τις τρεις πρώτες (LAD, FBD, STL) για τις οποίες κρίνεται σκόπιμη περαιτέρω αναφορά. Οι άλλες γλώσσες προγραμματισμού είναι στη STEP 7 διαθέσιμες μέσω προαιρετικών πακέτων. Κλιμακωτό διάγραμμα (Ladder Diagram, LAD) Το κλιμακωτό διάγραμμα (LAD) είναι μια γραφική αναπαράσταση της γλώσσας προγραμματισμού της STEP 7. Η μορφή του είναι παρόμοια με τα αυτή των κλασικών συρματωμένων κυκλωμάτων 35

40 αυτοματισμού, έτσι ώστε να είναι οικεία στο μηχανικό αυτοματισμών. Η LAD επιτρέπει στον προγραμματιστή να κατευθύνει τη ροή ισχύος, καθώς αυτή περνά από ποικίλες επαφές, περίπλοκα στοιχεία, και πηνία εξόδων. Στην εικόνα που ακολουθεί (Σχήμα ) απεικονίζεται ένα πρόγραμμα PLC γραμμένο σε γλώσσα LAD. Σχήμα Πρόγραμμα γραμμένο σε LAD. Διάγραμμα Λογικών Γράφων (Function Block Diagram, FBD) Το διάγραμμα λογικών γράφων (FBD) είναι και αυτό μια γραφική απεικόνισης της γλώσσας προγραμματισμού της STEP 7. Χρησιμοποιεί ως σύμβολα για την αναπαράσταση της λογικής, ορθογώνια σχήματα (μπλοκ), τα οποία περιέχουν λογικές συναρτήσεις, που είναι οικείες στον προγραμματιστή από την άλγεβρα Boole. Επιπλέον είναι δυνατή η απευθείας αναπαράσταση σύνθετων συναρτήσεων, πχ μαθηματικών συναρτήσεων, σε συνδυασμό με τα λογικά μπλοκ. Παραδείγματα τέτοιων στοιχείων προγραμματισμού σε FBD φαίνονται στα σχήματα α και β. Σχήμα α. Λογική πράξη OR σε FBD. 36

41 Σχήμα β. Πρόσθεση ακεραίων σε FBD. Λίστα εντολών (Statement List, STL) Η λίστα εντολών (STL) είναι γλώσσα προγραμματισμού βασισμένη σε κείμενο. Είναι χαμηλού επιπέδου και ομοιάζει με τη γλώσσα μηχανής. Όταν το πρόγραμμα είναι γραμμένο σε STL, οι μεμονωμένες εντολές αντιστοιχούν στα βήματα με τα οποία η CPU εκτελεί το πρόγραμμα. Για τη διευκόλυνση του προγραμματισμού, η STL έχει επεκταθεί για να περιλαμβάνει και κάποιες δομές προγραμματισμού υψηλού επιπέδου. Κάθε εντολή της γλώσσας αυτής χωρίζεται σε δυο μέρη: τη λειτουργία που επιτελεί η εντολή, και το όνομα της μεταβλητής για την οποία θα υλοποιηθεί η λειτουργία αυτή. Και τα δυο μέρη της εντολής συντομογραφούνται κατά το μέγιστο δυνατό, με τις εντολές να γράφονται η μια κάτω από την άλλη εν είδει λίστας, εξ ου και το όνομα της γλώσσας. Τα προγράμματα που γράφτηκαν στα πλαίσια της παρούσης διπλωματικής είναι όλα γραμμένα σε αυτή τη γλώσσα προγραμματισμού. 37

42 Κεφάλαιο 4. Διασύνδεση PLC με συσκευές Ι/Ο 4.1 Δηλώσεις και διαμόρφωση υλικού. Το βήμα που ακολουθεί την τοποθέτηση στο πλαίσιο στήριξης (mounting rail) των μονάδων που συνθέτουν το PLC, είναι η ενημέρωση του λογισμικού προγραμματισμού, που είναι στην περίπτωσή μας το Simatic Step7, για το ποιες ακριβώς μονάδες απαρτίζουν το PLC και για τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά καθεμιάς από αυτές. Η δήλωση αυτή στη Step7 γίνεται αν στο project που έχουμε ανοικτό ακολουθήσουμε τη διαδρομή Project name Simatic 300 Station και επιλέξουμε Hardware. Στη σελίδα HW Config που ανοίγει, μπορούμε πλέον να επιλέξουμε και να τοποθετήσουμε στο κατάλληλο rack, το μοντέλο και τον κωδικό αριθμό των μονάδων που χρησιμοποιούμε, από μια λίστα που περιέχει όλες τις συμβατές μονάδες υλικού. Η δήλωση των μονάδων του PLC και η αντιστοίχησή τους με αυτές του πίνακα δηλώσεων, φαίνονται στο σχήμα που ακολουθεί. Σχήμα Αντιστοίχηση μονάδων PLC με μονάδες πίνακα δηλώσεων. Παρατηρούμε στο παραπάνω σχήμα ότι η πρώτη θέση του πίνακα είναι κενή. Αυτό συμβαίνει διότι σε αυτή τη θέση δηλώνεται αποκλειστικά η μονάδα τροφοδοτικού η οποία όμως, όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, απουσιάζει, καθώς έχουμε εξωτερική τροφοδοσία. 38

43 Πρώτη δηλώνεται η CPU στη δεύτερη θέση του πίνακα και της ανατίθεται η MPI διεύθυνση 2. Η διεύθυνση αυτή αφορά τη σύνδεση του PLC με τον υπολογιστή. Παρατηρούμε ότι με τη δήλωση της μονάδας CPU 312c, δηλώνονται αυτόματα στις θέσεις 2.2 και 2.4 αντίστοιχα, οι ενσωματωμένες μονάδες ψηφιακών εισόδων/εξόδων και οι 2 απαριθμητές που αποτελούν τεχνολογικές συναρτήσεις (technological functions). Επιλέγοντας properties για τη CPU, μπορούμε να ρυθμίσουμε χαρακτηριστικά της, όπως τις ρυθμίσεις επικοινωνίας, το μέγεθος διατηρήσιμης μνήμης, μνήμης απαριθμητών και χρονιστών, διάφορες διαγνωστικές λειτουργίες, τα interrupts διαφόρων τύπων (πχ time-of-day interrupts, cyclic interrupts, hardware interrupts) κλπ. Στις αντίστοιχες ιδιότητες των ενσωματωμένων ψηφιακών εισόδων/εξόδων επιλέγουμε τις διευθύνσεις καθεμιάς από αυτές. Έτσι για τις ψηφιακές εισόδους επιλέγουμε εύρος 0 ως 1 που συνεπάγεται διαθέσιμες διευθύνσεις εισόδων τις Ι 0.0 έως Ι 0.7 και Ι 1.0, Ι 1.1. Ομοίως για τις ψηφιακές εξόδους επιλέγουμε εύρος 0 έως 0 που συνεπάγεται διαθέσιμες διευθύνσεις εξόδων τις Q 0.0 έως Q 0.5. Η τρίτη θέση του πίνακα μένει και αυτή κενή, καθώς προορίζεται αποκλειστικά για τη μονάδα διεπαφής (Interface Module-IM). Τέτοια μονάδα δεν υπάρχει στο δικό μας PLC. Στην τέταρτη θέση δηλώνεται η μονάδα αναλογικών εισόδων. Από το παράθυρο ιδιοτήτων τους, δηλώνουμε εύρος διευθύνσεων 256 έως 271, το οποίο συνεπάγεται διευθύνσεις από PIW 256 έως PIW 270. Ταυτόχρονα, επειδή όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι αναλογικές είσοδοι είναι ομαδοποιημένες σε ομάδες των δυο καναλιών, δηλώνουμε ποιες ομάδες είναι ενεργές και ποιες όχι. Ακολούθως επιλέγουμε τον τύπο σήματος (τάση ή ρεύμα), καθώς και τα εύρη των σημάτων αυτών. Στην περίπτωσή μας επιλέξαμε να είναι ενεργοποιημένα τα κανάλια 4 και 5 με σήμα εισόδου τάση εύρους από -10V έως 10V. Η επιλογή του είδους σήματος, και του εύρους αυτού, έγινε με βάση το σήμα εξόδου του αισθητήρα δύναμης που καλωδιώθηκε στην παρούσα είσοδο. Τέλος στην πέμπτη θέση δηλώθηκε η μονάδα αναλογικών εξόδων. Με τρόπο όμοιο με την περίπτωση των αναλογικών εισόδων, δηλώνουμε εύρος διευθύνσεων από 320 έως 327, δηλαδή οι διαθέσιμες διευθύνσεις είναι από PQW 320 έως PQW 326. Οι συσκευές που συνδέονται στην έξοδο, είναι οι τέσσερις βαλβίδες με τάση εισόδου από 0V έως 10V, συνεπώς επιλέγουμε ως ενεργοποιημένες και τις τέσσερις αναλογικές εξόδους τις βαθμίδας και ως σήμα εξόδου, τάση εύρους από 0V μέχρι 10V. 4.2 Καλωδιώσεις Επόμενο βήμα πριν το όποιο προγραμματισμό του PLC, ώστε να ανταποκρίνεται στις ανάγκες της εφαρμογής μας, είναι η καλωδίωσή του, η σύνδεση δηλαδή των επιμέρους μονάδων του PLC, τόσο με την τροφοδοσία όσο και με τις συσκευές εισόδου και εξόδου. Έτσι λοιπόν, από τη βαθμίδα ψηφιακών εισόδων χρησιμοποιούμε πέντε ψηφιακές εισόδους για σύνδεση με τα μπουτόν χειρισμού και δύο για τους μαγνητικούς reed τερματικούς διακόπτες. Στη βαθμίδα αναλογικών εισόδων συνδέθηκαν οι αισθητήρες δύναμης που χρησιμοποιήθηκαν. Τέλος στη βαθμίδα αναλογικών εξόδων συνδέθηκαν οι αναλογικές βαλβίδες. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται το PLC όπως προέκυψε μετά από τις απαραίτητες καλωδιώσεις. 39

44 Σχήμα Το PLC πλήρως καλωδιωμένο. Είναι εμφανές ότι μια τέτοια εικόνα, εκτός από χαοτική, επιτρέπει λίγα περιθώρια κατανόησης, για αυτό και στη συνέχεια επιχειρείται μια λεπτομερής επεξήγηση του πώς αυτή προέκυψε. Έτσι λοιπόν, αρχικά συνδέθηκε η μονάδα CPU 312c με το τροφοδοτικό. Ακολούθως συνδέεται με την τροφοδοσία, αλλά και με τις εισόδους που της αντιστοιχούν, η μονάδα ψηφιακών εισόδων, όπως φαίνεται και στο σχήμα Σχήμα Καλωδίωση ψηφιακών εισόδων. 40

45 Παρατηρούμε ότι στις θέσεις 3 μέχρι 7 συνδέονται τα μπουτόν χειρισμού. Οι θέσεις αυτές αντιστοιχούν στις διευθύνσεις Ι 0.1 μέχρι Ι 0.5. Στις θέσεις 8 και 9 που αντιστοιχούν στις διευθύνσεις Ι 0.6 και Ι 0.7, συνδέουμε τα καλώδια που δίνουν τα σήματα από τους μαγνητικούς reed τερματικούς διακόπτες. Οι δυο μαγνητικοί διακόπτες δε συνδέονται απευθείας στις ψηφιακές εισόδους. Αυτό γίνεται με τη χρήση του βοηθητικού ρελέ, καθώς οι διακόπτες διαθέτουν δυο μόνο καλώδια για την τροφοδοσία τους και όχι καλώδια για τα σήματα εξόδου. Στη συνέχεια συνδέουμε τη μονάδα αναλογικών εισόδων με την τροφοδοσία και με τους αισθητήρες δύναμης όπως φαίνεται και στο σχήμα Σχήμα Καλωδιώσεις στη μονάδα αναλογικών εισόδων. Το κόκκινο καλώδιο στον ακροδέκτη 21, συνδέθηκε με το + του τροφοδοτικού, ενώ το κίτρινο καλώδιο στον ακροδέκτη 40, στο -, για την επίτευξη της τροφοδοσίας της βαθμίδας (24 VDC). Παρατηρούμε ότι έγινε χρήση των καναλιών 4 και 6 για την καλωδίωση των αισθητήρων. Πρέπει να τονιστεί ότι η καλωδίωση των αισθητήρων δεν έγινε στην ίδια ομάδα καναλιών (4-5 ή 6-7), καθώς οι δύο αισθητήρες έχουν διαφορετικά εύρη σήματος εξόδου και όπως έχει προαναφερθεί η ρύθμιση του εύρους σήματος εισόδου γίνεται για ομάδες καναλιών και όχι για μεμονωμένα κανάλια. Στο κανάλι 4 συνδέσαμε τον πρώτο αισθητήρα δύναμης. Το μπλε καλώδιο συνδέεται στον ακροδέκτη 23 και είναι το καλώδιο σήματος, ενώ το γαλάζιο στον ακροδέκτη 26 και είναι το καλώδιο γείωσης. Η είσοδος αυτή αντιστοιχεί στη διεύθυνση PIW 264. Στο κανάλι 6 συνδέσαμε με τον ίδιο τρόπο το δεύτερο αισθητήρα δύναμης. Το μαύρο καλώδιο συνδέεται στον ακροδέκτη 31 και είναι το καλώδιο σήματος, ενώ το γαλάζιο στον ακροδέκτη 34 και είναι το καλώδιο γείωσης. Η είσοδος αυτή αντιστοιχεί στη διεύθυνση PIW 268. Με την καλωδίωση που περιγράψαμε, στις θέσεις μνήμης με τις παραπάνω διευθύνσεις, φορτώνεται σε κάθε κύκλο σάρωσης μια ψηφιακή λέξη PLC από το 0 μέχρι το 27648, που αποτελεί 41

46 μια ανηγμένη τιμή της τάσης εισόδου. Με βραχυκύκλωση των ακροδεκτών και των καναλιών 4 και 6 αντίστοιχα θα μπορούσαμε να έχουμε μια απευθείας απεικόνιση της μέτρησης του αισθητήρα. Για παράδειγμα, με την επιπλέον καλωδίωση, η απεικόνιση μέτρησης 0.5 kg θα ήταν η ψηφιακή λέξη 500 και όχι 138 όπως συμβαίνει με την αρχική καλωδίωση. Η πρώτη προσέγγιση καθιστά την τιμή στη μνήμη απεικόνισης εισόδου άμεσα αξιοποιήσιμη από το πρόγραμμα, ενώ η δεύτερη διευκολύνει το χρήστη στην παρακολούθηση των μετρήσεων. Όπως θα διαφανεί και στα επόμενα κεφάλαια, όποια προσέγγιση και να ακολουθηθεί, θα χρειαστεί να υπολογιστεί προγραμματιστικά και η τιμή που δίνει η άλλη προσέγγιση. Στα πλαίσια του προγραμματισμού για αυτή την εφαρμογή, προτιμούμε να αφήσουμε κενούς τους ενδιάμεσους ακροδέκτες. Τελευταία καλωδιώσαμε τη μονάδα αναλογικών εξόδων. Σε αυτή συνδέσαμε την απαραίτητη για τη λειτουργία της τροφοδοσία, καθώς και τις συσκευές εξόδου, που είναι στην περίπτωσή μας οι τέσσερις βαλβίδες, όπως φαίνεται και στο σχήμα Σχήμα Καλωδιώσεις στη μονάδα αναλογικών εξόδων. Το κόκκινο καλώδιο στον ακροδέκτη 1 (L+), συνδέθηκε με το + του τροφοδοτικού, ενώ το κίτρινο καλώδιο στον ακροδέκτη 20, στο -, για την επίτευξη της τροφοδοσίας της βαθμίδας (24 VDC). 42

47 Από τα 8 καλώδια σύνδεσης που διαθέτει η κάθε βαλβίδα, αξιοποιούμε μόνο τα τέσσερα. Το καφέ καλώδιο (ακροδέκτης 2 της βαλβίδας) αφορά την τροφοδοσία της βαλβίδας με +24VDC. Για πρακτικούς λόγους οικονομίας καλωδίων και χρόνου καλωδίωσης, τα καφέ καλώδια ομαδοποιούνται και λαμβάνουν τροφοδοσία με κοινό καλώδιο. Το μπλε καλώδιο (ακροδέκτης 7 της βαλβίδας) είναι καλώδιο γείωσης (0V ή GND). Και στην περίπτωση αυτή έχει γίνει η ομαδοποίηση που περιγράφηκε για τα καφέ καλώδια. Στους ακροδέκτες 3, 7, 11, 15 συνδέουμε τα κίτρινα καλώδια (ακροδέκτης 4 της βαλβίδας) των τεσσάρων βαλβίδων. Τα καλώδια αυτά, είναι τα καλώδια αναλογικής εισόδου στις βαλβίδες W+ (Analog input W+), με εύρος σήματος από 0 έως 10V. Στους ακροδέκτες 6, 10, 14, 18 συνδέουμε τα πράσινα καλώδια (ακροδέκτης 3 της βαλβίδας), που είναι καλώδια αναλογικής εισόδου στις βαλβίδες W- (Analog output W- ). Με τη σειρά που καλωδιώθηκαν, ανατίθενται στις τέσσερις βαλβίδες οι διευθύνσεις εξόδων PQW 320, PQW 322, PQW 324, PQW

48 Κεφάλαιο 5. Ο PID ελεγκτής 5.1 Θεωρία PID ελέγχου. Ο έλεγχος δύναμης, που απαιτεί η εφαρμογή που κληθήκαμε να αντιμετωπίσουμε, έγινε με τη χρήση ενός PID ελεγκτή. Η είσοδος του ελεγκτή αυτού είναι η έξοδος του αισθητήρα δύναμης, και η έξοδός του, μια τάση εισόδου σε μια από τις βαλβίδες, έτσι ώστε αυτή να παραγάγει μια πίεση, με σκοπό τη ρύθμιση της δύναμης που ασκούν οι δύο πνευματικοί κύλινδροι στον αισθητήρα. Επειδή λοιπόν η χρήση του PID είναι κομβικής σημασίας για την υλοποίηση της εφαρμογής μας, στο κεφάλαιο που ακολουθεί επιχειρείται μια σύντομη αναφορά στο ελεγκτή αυτό, στα χαρακτηριστικά του, καθώς επίσης και στο πώς αυτός υλοποιείται από το PLC. Ο PID ελεγκτής (proportional-integral-derivative controller) είναι ένας ελεγκτής με ανατροφοδότηση, ευρέως χρησιμοποιούμενος στη βιομηχανία. Υπολογίζει την έξοδό του βάσει ενός αλγορίθμου ο οποίος λαμβάνει υπόψη την τρέχουσα τιμή του σφάλματος, το ολοκλήρωμά του στο πιο πρόσφατο χρονικό διάστημα και την τρέχουσα τιμή της παραγώγου του σφάλματος, με σκοπό να προσδιοριστεί εκτός του μεγέθους του σφάλματος και η χρονική διάρκεια δράσης της διόρθωσης. Οι 3 αυτές ποσότητες πολλαπλασιάζονται με μια σταθερά η κάθε μία και το άθροισμά τους αποτελεί την έξοδο CO(t) του ελεγκτή. d 1 1 d CO( t) K e( t) K e( ) d K e( t) K e( t) e( ) d e( t) dx Ti Td dx P I D P 0 0 e( t) SP( t) PV( t) t Η K P αποτελεί τη σταθερά του αναλογικού όρου, η K Ι αποτελεί σταθερά του ολοκληρωτικού όρου και η K D αποτελεί τη σταθερά του όρου παραγώγισης. Το Τi αποτελεί το χρόνο επαναφοράς (reset time), που αποφασίζει τη χρονική απόκριση του ολοκληρωτή, ενώ το Td αποτελεί το χρόνο παραγώγισης (derivative time), ο οποίος αποφασίζει τη χρονική απόκριση της μονάδας παραγώγισης. Τέλος τα SP(t) και PV(t) που η διαφορά τους αποτελεί το σφάλμα, είναι η επιθυμητή τιμή της ελεγχόμενης ποσότητας (setpoint) και η πραγματική τιμή της ελεγχόμενης ποσότητας αντίστοιχα. Κάθε όρος του PID ελεγκτή επιτελεί και διαφορετικό ρόλο, ο οποίος δεν είναι ίδιος σε κάθε εφαρμογή, αλλά εξαρτάται από τη φύση αυτής. Σε γενικές γραμμές όμως, ο αναλογικός όρος χρησιμοποιείται για να γίνει το σύστημα πιο γρήγορο, καθώς μειώνει το χρόνο υπερύψωσης. Με τον τρόπο αυτό, το σφάλμα πλησιάζει στο να μηδενιστεί χωρίς όμως αυτό να επιτυγχάνεται πλήρως. Για το μηδενισμό του μόνιμου σφάλματος εισάγουμε τον ολοκληρωτικό όρο, ο οποίος όμως προκαλεί ταλαντώσεις αυξάνοντας τη μεταβατική κατάσταση. Τέλος, ο όρος παραγώγισης, έρχεται να ελαττώσει τη μεταβατική κατάσταση. Σε βρόχους ελέγχου γρήγορων συστημάτων ο όρος παραγώγισης αποφεύγεται, διότι τείνει να πάρει μεγάλες τιμές λόγω των γρήγορων αλλαγών 44 t

49 του σφάλματος και της απουσίας μεγάλων καθυστερήσεων. Δεν είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν και οι τρεις όροι του ελεγκτή. Έτσι λοιπόν, μπορεί να προκύψει P ελεγκτής, PI, PD και PID. Για τη ρύθμιση του PID ελεγκτή υπάρχουν τρεις τεχνικές. Η πρώτη βασίζεται στο μαθηματικό μοντέλο του συστήματος, το οποίο και χρησιμοποιεί για την εύρεση των σταθερών του PID. Η δεύτερη είναι η τεχνική Ziegler-Nichols που επιτρέπει τον υπολογισμό των σταθερών Κ P, K I, K D με τη χρήση συγκεκριμένων παραμέτρων του συστήματος. Τέλος η τρίτη τεχνική είναι εμπειρική και βασίζεται στην επαναληπτική διαδικασία δοκιμής και σφάλματος (διαδικασία trial and error), στην οποία δοκιμάζουμε τριάδες τιμών για τις σταθερές και παρατηρούμε το τη συμπεριφορά του σφάλματος. Αυτή η τελευταία τεχνική είναι η τεχνική που ακολουθήθηκε για την υλοποίηση της εφαρμογής μας, και είναι εξαιρετικά επίπονη, καθώς απαίτησε πλήθος δοκιμών για τη βέλτιστη ρύθμιση του ελεγκτή. 5.2 Ο PID έλεγχος στο PLC. Στα PLC υπάρχουν δύο τρόποι υλοποίησης του PID. Στην πρώτη περίπτωση ο PID αλγόριθμος είναι ενσωματωμένος στο λογισμικό προγραμματισμού του PLC και καλείται ως ένα Function Block που έχει αναπτύξει ο κατασκευαστής του PLC και υπάρχει στη σχετική βιβλιοθήκη. Ο προγραμματιστής πρέπει απλά να δηλώσει τις μεταβλητές και τις παραμέτρους της ελεγχόμενης διαδικασίας. Στη δεύτερη περίπτωση χρησιμοποιούμε μια ξεχωριστή βαθμίδα PID ελέγχου για την υλοποίηση του ελεγκτή. Η βαθμίδα αυτή, διαθέτει δικό της μικροεπεξεργαστή και δικές της ανεξάρτητες αναλογικές εισόδους και εξόδους. Έτσι, δρα ανεξάρτητα από τον κύκλο σάρωσης της CPU του PLC, αλλά επικοινωνεί με αυτή για ανταλλαγή τιμών των παραμέτρων και των μεταβλητών. Ο δεύτερος τρόπος υλοποίησης, εκτός του ότι παρέχει στον προγραμματιστή περισσότερες δυνατότητες σε σχέση με τον πρώτο (πχ υλοποίηση πολλαπλών βρόχων ελέγχου), εκτελεί πιο ακριβείς υπολογισμούς, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα για καλύτερη και ακριβέστερη ρύθμιση της επιθυμητής τιμής. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, ο PID ελεγκτής υλοποιήθηκε ακολουθώντας την πρώτη προσέγγιση, δηλαδή μέσω του λογισμικού προγραμματισμού του PLC (software controller). Η STEP7 παρέχει τρία διαφορετικά function block για την υλοποίηση PID ελεγκτών. Αυτά είναι το μπλοκ για συνεχή έλεγχο (CONT_C), το μπλοκ για βηματικό έλεγχο (CONT_S), και το μπλοκ για διαμόρφωση διάρκειας παλμού (PULSEGEN). Είναι προφανές ότι η επιλογή του μπλοκ για την υλοποίηση του PID εξαρτάται από την εκάστοτε εφαρμογή. Στην περίπτωσή μας η φύσης της εφαρμογής επέβαλε τη χρήση του FB41 για συνεχή έλεγχο (CONT_C). Από την αντίστοιχη βιβλιοθήκη της STEP7, επιλέξαμε το έτοιμο function block FB41. Με την επιλογή του, εμφανίστηκε στη σελίδα προγραμματισμού ένα πλήθος παραμέτρων και μεταβλητών για δήλωση. Η δημιουργία του FB41 συνοδεύεται από την αυτόματη δημιουργία του αντίστοιχου instance data block, DB41, όπου αποθηκεύονται τα απαραίτητα για την εκτέλεση του PID αλγορίθμου δεδομένα. Στο σχήμα που ακολουθεί, απεικονίζεται ο τρόπος λειτουργίας του ελεγκτή και στον πίνακα που το διαδέχεται εξηγούνται όλες οι παράμετροι και μεταβλητές του FB41 με τη σειρά που ζητείται η δήλωσή τους κατά την υλοποίηση του PID. 45

50 Σχήμα Block diagram του PID. 46

51 Παράμετροι Τύπος δεδομένων Εύρη τιμών Default τιμές Περιγραφή COM_RST BOOL FALSE MAN_ON BOOL TRUE PVPER_ON BOOL FALSE P_SEL BOOL TRUE COMPLETE RESTART: Το μπλοκ διαθέτει μια πλήρη ρουτίνα επανεκκίνησης, όταν η τιμή γίνει 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. 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. 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. 47

52 I_SEL BOOL TRUE INT_HOLD BOOL FALSE I_ITL_ON BOOL FALSE D_SEL BOOL FALSE CYCLE TIME >=1ms T#1s INTEGRAL ACTION ON: Η είσοδος αυτή είναι διακοπτική και όταν είναι TRUE ενεργοποιείται ο ολοκληρωτής του PID. INTEGRAL ACTION HOLD: Η έξοδος του ολοκληρωτή μπορεί να «παγώσει» θέτοντας την είσοδο αυτή ως TRUE. INITIALIZATION OF THE INTEGRAL ACTION: Η έξοδος του ολοκληρωτή μπορεί να συνδεθεί στην είσοδο I_ITL_VAL θέτοντας TRUE την είσοδο I_ITL_VAL. DERIVATIVE ACTION ON: Η είσοδος αυτή είναι διακοπτική και 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. INTERNAL SETPOINT: Η SP_INT REAL (%) or physical value 0.0 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 48

53 κινητής υποδιαστολής. PV_PER WORD W#16#0000 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 PROPORTIONAL GAIN: Η GAIN REAL (%) or physical 2.0 είσοδος αυτή προσδιορίζει τη σταθερά Κ P του value αναλογικού όρου του PID. TI TIME >=CYCLE T#20s TD TIME >=CYCLE Τ#10s TM_LAG TIME >=CYCLE/2 Τ#2s RESET TIME: Ο χρόνος επαναφοράς καθορίζει τη χρονική απόκριση του ολοκληρωτή. DERIVATIVE TIME: Ο χρόνος παραγώγισης αποφασίζει τη χρονική απόκριση του όρου παραγώγισης. TIME LAG OF THE DERIVATIVE ACTION: Ο αλγόριθμος της δράσης του D όρου περιλαμβάνει χρονική καθυστέρηση που μπορεί να καθοριστεί από την είσοδο αυτή. DEAD BAND WIDTH: Στο >=0.0 (%) or σφάλμα εφαρμόζεται μια DEADB_W REAL physical 0.0 ανοχή. Η είσοδος αυτή value καθορίζει το μέγεθος αυτής της ανοχής του σφάλματος. 49

54 MANIPULATED VALUE HIGH LMN_HLM REAL LMN_LLM (%) or physical value LIMIT: Η ελεγχόμενη μεταβλητή περιορίζεται από ένα ανώτατο και κατώτατο όριο. Η είσοδος αυτή καθορίζει το ανώτατο όριο. MANIPULATED VALUE LOW LIMIT: Η ελεγχόμενη LMN_LLM REAL LMN_HLM(% ) or physical value 0.0 μεταβλητή περιορίζεται από ένα ανώτατο και κατώτατο όριο. Η είσοδος αυτή καθορίζει το κατώτατο όριο. PV_FAC REAL 1.0 PV_OFF REAL 0.0 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. 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 μεταβλητής που προκύπτει ως έξοδος της CRP_IN συνάρτησης. 50

55 LMN_FAC REAL 1.0 LMN_OFF REAL 0.0 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_ITLVAL REAL (%) or physical value 0.0 INITIALIZATION VALUE OF THE INTEGRAL ACTION: Η τιμή αρχικοποίησης καθορίζεται στην είσοδο αυτή DISTURBANCE VARIABLE: DISV REAL (%) or physical 0.0 Στην είσοδο αυτή συνδέεται η μεταβλητή για value feedforward έλεγχο. LMN REAL 0.0 MANIPULATED VALUE: Μέσω αυτής της εξόδου εξέρχεται η ελεγχόμενη μεταβλητή ελέγχου σε μορφή αριθμού κινητής υποδιαστολής. MANIPULATED VALUE PERIPHERAL: Στην έξοδο LMN_PER WORD W#16# 0000 αυτή συνδέεται στον ελεγκτή η ελεγχόμενη μεταβλητή, ως λέξη, σε μορφή δηλαδή εισόδων/εξόδων. QLMN_HLM BOOL FALSE HIGH LIMIT OF MANIPULATED VALUE REACHED: Η ελεγχόμενη 51

56 μεταβλητή περιορίζεται πάντα από ένα ανώτατο και ένα κατώτατο όριο. Η έξοδος αυτή δείχνει ότι το ανώτατο όριο έχει ξεπεραστεί. QLMN_LLM BOOL FALSE LMN_P BOOL 0.0 LMN_I BOOL 0.0 LMN_D BOOL 0.0 PV REAL 0.0 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. PROPORTIONAL COMPONENT: Η έξοδος αυτή περιλαμβάνει το αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού του σφάλματος με το GAIN (αναλογικός όρος). INTEGRAL COMPONENT: Η έξοδος αυτή περιλαμβάνει το αποτέλεσμα της ολοκλήρωσης του σφάλματος (όρος ολοκλήρωσης). DERIVATIVE COMPONENT: Η έξοδος αυτή περιλαμβάνει το αποτέλεσμα της παραγώγισης του σφάλματος (όρος παραγώγισης). PROCESS VARIABLE: Η έξοδος αυτή είναι το αποτέλεσμα των συναρτήσεων CRP_IN και PV_NORM. H PV αφαιρείται από το SP_INT 52

57 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. 53

58 Κεφάλαιο 6. Η πειραματική διαδικασία 6.1 Εισαγωγή Στα κεφάλαια που προηγήθηκαν, έγινε περιγραφή των μερών που απαρτίζουν την πειραματική διάταξη, ανάλυση της λειτουργίας τους, καθώς και του τρόπου διασύνδεσής τους, έτσι ώστε να συνθέσουν το προς έλεγχο σύστημα. Το κεφάλαιο αυτό, αφορά την αξιοποίηση όλου αυτού του εξοπλισμού για την επίτευξη του στόχου αυτής της διπλωματικής εργασίας, που είναι η συνεργατική λειτουργία των δύο εμβόλων, έτσι ώστε να ασκηθεί μια σταθερή δύναμη στο αντικείμενο που έχουν ανάμεσά τους. Θα περιγραφούν οι προσεγγίσεις που ακολουθήθηκαν για κίνηση προς μια κατεύθυνση με σταθερή την ασκούμενη δύναμη, ο προγραμματισμός για την υλοποίησή τους, η επίλυση των προβλημάτων που δημιουργήθηκαν, τα αποτελέσματα κάθε προσέγγισης, και πώς αυτά οδήγησαν σε άλλες προσεγγίσεις. Τέλος, οι βέλτιστες προσεγγίσεις θα γενικευθούν για επίτευξη του στόχου, με κίνηση και προς τις δύο κατευθύνσεις. Τα αποτελέσματα εκτέλεσης των προγραμμάτων που υλοποίησαν τις διάφορες προσεγγίσεις, καταγράφηκαν online και απεικονίστηκαν με τη χρήση του λογισμικού PLC-Analyzer-Pro5 της AUTEM. Με τη χρήση του, δόθηκε λοιπόν η δυνατότητα, για απεικόνιση των σημάτων εισόδου και εξόδου του PLC, καθώς και άλλων κρίσιμων τιμών που ήταν αποθηκευμένες σε συγκεκριμένες θέσεις μνήμης του, όπως θα διαφανεί και στη συνέχεια. 6.2 Προσπάθεια για μοντελοποίηση Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η πίεση κάθε θαλάμου των πνευματικών κυλίνδρων, ελέγχεται από μια αναλογική βαλβίδα. Η πίεση αυτή καθορίζει την δύναμη που κινεί το έμβολο και κατ επέκταση τη δύναμη που ασκείται από αυτό. Κατά το πρώτο στάδιο αυτής της εργασίας επιχειρήθηκε με βάση τις μετρήσεις της δυναμοκυψέλης C2S, να γίνει μια αντιστοίχηση μεταξύ των μεταβολών της πίεσης των θαλάμων των κυλίνδρων, με τις μεταβολές στη μετρούμενη δύναμη. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων, παρατηρήθηκε ότι η βάση πάνω στην οποία ήταν τοποθετημένοι οι δύο κύλινδροι, άρχισε να κάμπτεται όσο οι πιέσεις στους θαλάμους αυξανόταν, με τρόπο που φαίνεται στο σχήμα 6.2.1b που ακολουθεί. Σχήμα 6.2.1a. Διάταξη κυλίνδρων με κενούς θαλάμους. 54

59 Σχήμα 6.2.1b. Κάμψη διάταξης όσο η πίεση αυξάνεται. Το γεγονός αυτό κατέστησε τις μετρήσεις μη αξιοποιήσιμες, καθώς η ένδειξη της δυναμοκυψέλης δεν ήταν η ασκούμενη συνολική δύναμη από τους πνευματικούς κυλίνδρους, αλλά μια συνιστώσα αυτής, όπως φαίνεται και στο σχήμα Σχήμα a) Μετρούμενη δύναμη (F) από τον αισθητήρα σε σύστημα που δεν κάμπτεται. b) Μετρούμενη δύναμη (Fμ) στο σύστημα, λόγω της κάμψης Χαρακτηριστικά αναφέρουμε, ότι για μέγιστη πίεση (6 bar) στο θάλαμο με τη μεγάλη επιφάνεια, του ενός μόνο εμβόλου, η ένδειξη ήταν 44.5kg (445N), ενώ για μέγιστη πίεση στους θαλάμους με τη μεγάλη επιφάνεια και των δυο εμβόλων, η ένδειξη ήταν περίπου 55kg (550N), γεγονός που οφείλεται κυρίως στη μεγαλύτερη κάμψη της βάσης. 6.3 Προσεγγίσεις για κίνηση με σταθερή δύναμη Έχει ήδη αναφερθεί στο κεφάλαιο 5, ότι ο ελεγκτής που θα χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση της εφαρμογής είναι ένας PID. Η είσοδος του ελεγκτή αυτού, θα είναι η μετρούμενη από τη δυναμοκυψέλη δύναμη, και η έξοδός του μια τάση εισόδου στις βαλβίδες για την παροχή στους θαλάμους των πνευματικών κυλίνδρων, της αντίστοιχης σε αυτή την τάση πίεσης. Η απόφαση για το ποιος θα είναι ο θάλαμος του οποίου η πίεση θα ελέγχεται από τον PID, καθώς επίσης για το ποια θα είναι η πίεση των άλλων θαλάμων και με ποιον τρόπο αυτή θα μεταβάλλεται, θα ορίζει την προσέγγιση που θα ακολουθείται κάθε φορά. Οι προσεγγίσεις αυτές αναλύονται στα κεφάλαια που ακλουθούν. Επειδή κάθε αναλογική έξοδος του PLC αντιστοιχεί σε μια βαλβίδα, η οποία με τη σειρά της αντιστοιχεί σε ένα θάλαμο εμβόλου, στο εξής, και για λόγους συντομίας, θα αναφερόμαστε στους 55

60 θαλάμους αντιστοιχίζοντάς τους απευθείας στις αναλογικές εξόδους, όπως φαίνεται και στο σχήμα που ακολουθεί. Σχήμα Αντιστοιχία θαλάμων και αναλογικών εξόδων Κίνηση προς τα δεξιά με 3 ράμπες και έναν PID. Γενική λογική της προσέγγισης Στην προσέγγιση αυτή, ο PID ελεγκτής μεταβάλλει την πίεση σε ένα θάλαμο, ενώ στους υπόλοιπους θαλάμους εφαρμόζονται αυξητικές ή πτωτικές ράμπες, ανάλογα με το αν διευκολύνουν την κίνηση προς τα δεξιά ή αντιστέκονται σε αυτή. Ο PID ελεγκτής εφαρμόζεται στο θάλαμο της εξόδου PQW 320, και προσπαθεί να πετύχει την άσκηση της επιθυμητής δύναμης στο αντικείμενο το οποίο βρίσκεται εντελώς αριστερά και είναι ακίνητο. Κατά τη διάρκεια της ρύθμισης οι υπόλοιποι θάλαμοι δε μεταβάλλουν την πίεσή τους και παραμένουν στην αρχική τους πίεση. Αφού επιτευχθεί η αρχική ρύθμιση, ο PID ελεγκτής εφαρμόζεται σε άλλο θάλαμο, ενώ οι υπόλοιποι 3 θάλαμοι μεταβάλλουν την πίεσή τους με ράμπες, με στόχο να κινηθεί το σύστημα χωρίς όμως να μεταβάλλεται η ασκούμενη στη δυναμοκυψέλη δύναμη. Έγιναν δοκιμές, στις οποίες, ο PID μετά τη ρύθμιση, άρχισε να εφαρμόζεται κατά τη σειρά των πειραμάτων στους θαλάμους που αντιστοιχούν στις εξόδους PQW 326, PQW 324 και PQW O PID στο θάλαμο της εξόδου PQW 326 Στη δοκιμή αυτή, επιλέγουμε, μετά τη ρύθμιση της δύναμης στην επιθυμητή τιμή, ο PID ελεγκτής να ξεκινάει να εφαρμόζεται στο θάλαμο της εξόδου PQW 326. Οι θάλαμος των εξόδων PQW 324 και PQW 320 μεταβάλλουν τις πιέσεις τους με πτωτική ράμπα, ενώ ο θάλαμος που αντιστοιχεί στην έξοδο PQW 322 μεταβάλλει την πίεσή του με αυξητική ράμπα, όπως απεικονίζεται και στο σχήμα που ακολουθεί. Οι καταστάσεις λειτουργίας που αριθμούνται στο σχήμα είναι οι εξής: 1.Κενοί θάλαμοι 2.Ενεργοποίηση PI, αρχικοποίηση πιέσεων υπολοίπων θαλάμων 3.Εφαρμογή του PID στο θάλαμο της εξόδου PQW Κίνηση προς τα δεξιά 56

61 Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα σεναρίου. Προγραμματισμός PLC για υλοποίηση προσέγγισης. Ακολούθως θα περιγραφεί το πρόγραμμα που συντάχτηκε για την υλοποίηση της παραπάνω προσέγγισης από το PLC. Το πρόγραμμα συντάχτηκε, όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, με το λογισμικό της Siemens Simatic Step7. Η γλώσσα στην οποία συντάχτηκε είναι η STL (statement list) και ακολουθήθηκε η τεχνική του δομικού προγραμματισμού. Στη συνέχεια θα αναλυθεί η δομή του προγράμματος και θα σχολιαστεί ο κώδικας που αυτό περιλαμβάνει. Επειδή μεγάλα τμήματα κώδικα, επαναλαμβάνονται μελλοντικά στις επόμενες προσεγγίσεις, η επεξήγηση του κώδικά τους, θα γίνεται μόνο για τις αλλαγές και τις νέες προσθήκες κώδικα στο πρόγραμμα. Ο αναγνώστης θα μπορεί να μελετά το σύνολο του κώδικα στο κεφάλαιο του Παραρτήματος, και να ανατρέχει στο παρόν κεφάλαιο για την κατανόησή του. 57

62 Όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενο κεφάλαιο, το μπλοκ που ελέγχει την εκτέλεση του προγράμματος, είναι το OB (Organization Block). Μέσα σε αυτό κτίζουμε το πρόγραμμα και καλούμε τις FCs (functions) που το απαρτίζουν. Το FB41 για την υλοποίηση του PID ελεγκτή συνεχούς χρόνου που χρησιμοποιούμε, θα καλείται μέσα από τις FCs. Για την υλοποίηση του PID ελεγκτή απαιτείται, ο έλεγχος της εκτέλεσης του προγράμματος να γίνεται με τη χρήση OB κυκλικής εκτέλεσης σε σταθερά χρονικά διαστήματα (cyclic interrupts). Το επιλεχθέν λοιπόν ΟΒ είναι το ΟΒ35, το οποίο και ρυθμίζουμε να έχει σταθερό κύκλο σάρωσης τα 50 ms. Το πρόγραμμα που υλοποιεί την παρούσα προσέγγιση περιλαμβάνει το ΟΒ35, δύο FCs, τις FC1 και FC2, το FB41 για την υλοποίηση του PID και το οποίο καλείται μέσω των FC1 και FC2, και τέλος το DB41, όπου ανατίθενται τα δεδομένα του PID κατά την εκτέλεσή του αλγορίθμου του. Σχήμα Project για υλοποίηση προσέγγισης με SP=30kg. Στη συνέχεια παρατίθεται και αναλύεται ο κώδικας των παραπάνω μπλοκ: ΟΒ35: Cyclic Interrupt Το ΟΒ35 περιλαμβάνει τη βασική δομή του προγράμματος. Η λογική της προσέγγισης που ακολουθούμε υλοποιείται εδώ. Η διαδικασία ενεργοποιείται με μπουτόν χειρισμού συνδεδεμένο με την ψηφιακή είσοδο με διεύθυνση Ι 0.4 του PLC. Ακολούθως επιχειρείται αυτοματοποιημένη υλοποίηση της εφαρμογής. Όταν η ψηφιακή είσοδος λάβει σήμα 24V, το πρόγραμμα καλεί τη συνάρτηση FC1 για αρχικοποίηση της πίεσης θαλάμων και την εκκίνηση λειτουργίας του PID αλγορίθμου για έλεγχο της πίεσης του θαλάμου που αντιστοιχεί στην έξοδο PQW 320. Μετά από ένα ικανό χρονικό διάστημα 20 δευτερολέπτων, δηλαδή 400 (400*50ms= 20s) κύκλων σάρωσης, η ρύθμιση θεωρείται πετυχημένη και το ΟΒ35 καλεί το μπλοκ FC2 για να κινηθεί η διάταξη. Για την μέτρηση των κύκλων σάρωσης έχει υλοποιηθεί μετρητής, που αυξάνει την τιμή μιας μεταβλητής σε κάθε κύκλο σάρωσης. Επειδή οι θέσεις μνήμης είναι περιορισμένες, όταν οι προσεγγίσεις γίνουν πιο πολύπλοκες, η αλλαγή των PID (switching), θα γίνεται χειροκίνητα με ψηφιακό σήμα. Τέλος πρέπει να τονιστεί ότι οι θέσεις μνήμης MD, είναι διπλές λέξεις, καταλαμβάνουν 58

63 δηλαδή 4 bytes. Με δεδομένο ότι ο αριθμός των bytes που αντιστοιχούν σε αυτόν τον τύπο μνήμης είναι περιορισμένος (128), και επίσης, ότι μέρος αυτών είναι retentive, απαιτείται μεγάλη προσοχή για να μη χρησιμοποιηθούν αλόγιστα, γεγονός που θα δυσχέραινε την πορεία προγραμματισμού. A( O I 0.4 //ενεργοποίηση λειτουργίας O M 10.1 ) = M 10.1 JC chck BEU chck: L MD 36 //Μέτρηση κύκλων σάρωσης L 1 +D T MD 36 L MD 36 L ==D JC rst L MD 36 L 400 <=D JC PID L MD 36 L 401 >D JC PID1 BE rst: L 401 T MD 36 PID: CALL "PIDarxikopoihsh" L PIW 264 BE PID1: CALL "PIDkinisi" //Επαναφορά του MD36 στην τιμή 401 αν πιάσει την τιμή //27648 που είναι η μέγιστη δυνατή τιμή της θέσης //μνήμης MD36, έτσι ώστε να συνεχίζεται απρόσκοπτα //η λειτουργία του προγράμματος. //κλήση συνάρτησης FC1, για ενεργοποίηση του PI // και αρχικοποίηση πιέσεων στους υπόλοιπους //θαλάμους //κλήση συνάρτησης FC2,για αλλαγή θαλάμου, που //εφαρμόζεται ο PID και ράμπες στους υπόλοιπους //θαλάμους, 59 με σκοπό την κίνηση με σταθερή δύναμη

64 BE FC1: Στο μπλοκ αυτό αρχίζει η ρύθμιση της δύναμης στο αριστερό μηχανικό άκρο του συστήματος, με το σύστημα ακίνητο, με εφαρμογή PID ελεγκτή στο θάλαμο που αντιστοιχεί στην έξοδο PQW 320. Επίσης γίνεται η αρχικοποίηση των πιέσεων των θαλάμων που αντιστοιχούν στις εξόδους PQW 324, PQW 322, PQW 326. O ελεγκτής που υλοποιείται είναι PI. Μετά την ανάθεση παραμέτρων οι μόνες αλλαγές έγιναν στην δυάδα τιμών GAIN, Ti. Επιπλέον πρέπει να αναφέρουμε ότι η πίεση ανατίθεται στις εξόδους ως ψηφιακή λέξη PLC. Ίδια είναι και η μορφή της δύναμης, και ως τέτοια τη διαβάζει το PLC από τον αισθητήρα. Οι λέξεις PLC έχουν εύρος τιμών από 0 έως Για το λόγο αυτό, στη διάρκεια του κώδικα, απαιτείται η μετατροπή τιμών είτε από λέξεις PLC σε πραγματικές τιμές για να γίνονται άμεσα αντιληπτές από τον άνθρωπο είτε το αντίθετο. Επειδή και η πίεση έχει εύρος τιμών από 0 έως 6 bar, και η δύναμη από 0 έως 100kg (0-1000N), η μετατροπή τους σε λέξεις PLC και το ανάποδο μπορεί να γίνει εύκολα με μια απλή μέθοδο των τριών. // Ανάθεση αρχικών τιμών πιέσεων των θαλάμων των εξόδων PQW 324, //PQW 322, PQW 326 L 4608 T MD 20 T PQW 324 L 0 T MD 72 T PQW 326 L 4608 T MD 102 T PQW 322 //PVPER- τιμή που διαβάζει ο αισθητήρας σε μορφή λέξεων PLC L PIW 264 T MW 40 T MD 116 //Μετατροπή της PVPER σε τιμή σε kg για παρακολούθηση με Analyzer L e+002 L MD

65 DTR //μετατροπή ψηφιακής σε λέξης σε πραγματικό αριθμό L e+004 T MD 120 //% sp_int- Υπολογισμός επί τοις % του Setpoint για υπολογισμός της SP_INT //παραμέτρου του PID L e+001 //sp 30 kg T MD 124 //full scale kg T MD 48 // Deadband %- Υπολογισμός επί τοις % του Deadband για υπολογισμό της //DEADB_W παραμέτρου του PID L e-001 //ανοχή 0.22 kg //εύρος μετρήσεων αισθητήρα L e+002 T MD 52 // % τιμή deadband // LMN_HLM % - Υπολογισμός της LMN_ΗLΜ παραμέτρου του PID. //επί τοις % ανώτατο όριο πίεσης T MD 56 // LMN_LLM % - Υπολογισμός της LMN_LLM παραμέτρου του PID. L e+000 // επί τοις % κατώτατο όριο πίεσης T MD 60 // Κλήση PID συνεχούς ελέγχου και απόδοση των παραμέτρων του CALL "CONT_C", DB41 // δήλωση από βιβλιοθήκη της STEP7 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=FALSE PVPER_ON:=TRUE P_SEL :=TRUE // Ο P όρος ενεργοποιημένος I_SEL :=TRUE //Ο I ενεργοποιημένος INT_HOLD:=FALSE I_ITL_ON:=FALSE 61

66 D_SEL :=FALSE //Ο D απενεργοποιημένος CYCLE :=T#50MS SP_INT :=MD48 PV_IN := e+000 PV_PER :=MW40 MAN := e+000 GAIN := e+000 //Τιμή του Kp TI :=T#1S //Τιμή του Ti TD :=T#1S TM_LAG :=T#1S DEADB_W :=MD52 LMN_HLM :=MD56 LMN_LLM :=MD60 PV_FAC := e+000 PV_OFF := e+000 LMN_FAC := e+000 LMN_OFF := e+000 I_ITLVAL:= e+000 DISV := e+000 LMN :=MD64 LMN_PER :=MW68 // έξοδος PID QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER :=MD76 // ανάθεση τιμής εξόδου στην έξοδο PQW 320 L MW 68 T MD 112 T PQW 320 // μετατροπή της εξόδου από λέξη PLC σε bar για παρακολούθηση από Analyzer L MD 112 DTR L e+000 L e

67 T MD 90 BEU FC2: Στο μπλοκ αυτό ο PID ελεγκτής αρχίζει να εφαρμόζεται στο θάλαμο της εξόδου PQW 326.Ο ελεγκτής πλέον έχει και D όρο. Ο D όρος προστέθηκε στον ελεγκτή μετά από αποτυχημένες δοκιμές με PI ελεγκτή, και απέδωσε καλύτερα. Ο θάλαμος που εφαρμοζόταν μέχρι πριν ο ελεγκτής, αρχίζει να μειώνει την τιμή της πίεσης του με πτωτική ράμπα πολύ μικρής κλίσης(50 μονάδες PLC, δηλαδή bar πίεσης). Οι θάλαμοι των εξόδων PQW 322 και PQW 324 μεταβάλλουν τις πιέσεις τους με ανοδική και πτωτική ράμπα αντίστοιχα. Για την υλοποίηση της ράμπας εκμεταλλευόμαστε το σταθερό κύκλο σάρωσης του PLC. Έτσι, χρησιμοποιούμε ένα μετρητή κύκλων σάρωσης και αυξάνουμε ή μειώνουμε τις προηγούμενες τιμές των μνημών που αντιστοιχούν στις βαλβίδες κατά ένα σταθερό αριθμό μετά το πέρας κάποιου αριθμού κύκλων σάρωσης. Δεν κρίνεται σκόπιμο να σχολιαστεί και πάλι η υλοποίηση του PID. Αντίθετα δίνεται έμφαση στο κομμάτι κώδικα που υλοποιεί τις ράμπες. //PVPER L PIW 264 T MW 40 T MD 116 //Μετατροπή της PVPER σε τιμή σε kg για παρακολούθηση με Analyzer L e+002 L MD 116 DTR L e+004 T MD 120 //% SP_INT L e+001 //sp 30 kg T MD 124 L e+002 L e+002 T MD 48 63

68 // DEAD_W L e-001 //ανοχή 0.22kg T MD 52 // LMN_HLM % T MD 56 // LMN_LLM L e+000 T MD 60 CALL "CONT_C", DB41 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=FALSE PVPER_ON:=TRUE P_SEL :=TRUE // ο P όρος ενεργοποιημένος I_SEL :=TRUE // ο Ι όρος ενεργοποιημένος INT_HOLD:=FALSE I_ITL_ON:=FALSE D_SEL :=TRUE //ο D όρος ενεργοποιημένος CYCLE :=T#50MS SP_INT :=MD48 PV_IN := e+000 PV_PER :=MW40 MAN := e+000 GAIN := e+000 //Kp TI :=T#50MS //Ti TD :=T#100MS //Td TM_LAG :=T#1S DEADB_W :=MD52 LMN_HLM :=MD56 LMN_LLM :=MD60 PV_FAC := e+000 PV_OFF := e+000 LMN_FAC := e+000 LMN_OFF := e

69 I_ITLVAL:= e+000 DISV := e+000 LMN :=MD64 LMN_PER :=MW24 QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER :=MD76 L MD 112 //πίεση στον θάλαμο της εξόδου 320-πτωτική ράμπα T PQW 320 L MD 102 //πίεση στον θάλαμο της εξόδου 322-ανοδική ράμπα T PQW 322 L MD 20 //πίεση στον θάλαμο της εξόδου 324-πτωτική ράμπα T PQW 324 L MW 24 //πίεση στον θάλαμο της εξόδου 326-PID T PQW 326 // μετατροπή της εξόδου από λέξη PLC σε bar για παρακολούθηση από Analyzer L MW 24 T MD 72 DTR L e+000 L e+004 T MD 90 // Μετρητής για υλοποίηση ράμπας L MD 94 L 25 >D JC M001 L MD 94 L 1 +D 65

70 T MD 94 BEU // υλοποίηση ραμπών με προσθαφαίρεση σταθερών ποσοτήτων από τις προηγούμενες //τιμές πίεσης(για την ακρίβεια τάσεις που μεταφράζονται σε πίεση) μετά το //πέρας 25 κύκλων σάρωσης M001: L 0 //μηδενισμός μετρητή T MD 94 L MD 102 L 50 +D T MD 102 L MD 112 L 50 -D T MD 112 L MD 20 L 50 -D T MD 20 BE Αποτελέσματα κώδικα Η εκτέλεση του παραπάνω κώδικα είχε τα παρακάτω αποτελέσματα που φαίνονται στο σχήμα Σχήμα Αποτελέσματα κώδικα στον PLC analyzer. 66

71 Δίπλα σε κάθε διάγραμμα φαίνεται μια θέση μνήμης, οι τιμές της οποίας κατά την εκτέλεση του προγράμματος συνθέτουν το διάγραμμα αυτό. Οι αντιστοιχίες τους με τις ποσότητες που αφορούν τον έλεγχο δύναμης είναι οι εξής: MD 48: Η επιθυμητή τιμή της δύναμης MD 120: Η τρέχουσα τιμή της δύναμης που διαβάζει ο αισθητήρας. MD 76: Το σφάλμα του PID κάθε χρονική στιγμή. ΜD 102, MD 112, MD 20, MD 72: Τιμές που ανατίθενται στις εξόδους του PLC, PQW 320, PQW 322, PQW 324 και PQW 326 αντίστοιχα. Έχουν μορφή λέξεων PLC, διπλής ακρίβειας. Παρατηρώντας το διάγραμμα της δύναμης παρατηρούμε ότι τα 20 πρώτα δευτερόλεπτα γίνεται ρύθμιση με ικανοποιητική ακρίβεια στα kg. Μετά το πέρας των δευτερολέπτων αυτών, παρατηρείται η μετάβαση του PID από την έξοδο PQW 320 στην έξοδο PQW 326 και η PQW 320 αρχίζει να μειώνει την τιμή της με ράμπα. Στους υπόλοιπους θαλάμους οι τιμές των πιέσεων μεταβάλλονται και εκεί με ράμπες. Το γεγονός που προβληματίζει είναι το μεγάλο διάστημα που μεσολαβεί από την μετάβαση του PID στο νέο θάλαμο μέχρι η διάταξη να μετακινηθεί. Οι θάλαμοι των εξόδων PQW 322 και 324, επηρεάζουν σε μικρό βαθμό τον έλεγχο και την έναρξη της κίνησης, καθώς ξεκινάνε από μικρές αρχικές τιμές. Έτσι λοιπόν είναι εύλογο να υποθέσουμε ότι ο θάλαμος της εξόδου PQW 320 έχει μεγαλύτερη πίεση κάθε χρονική στιγμή από τον άλλο θάλαμο του ίδιου εμβόλου, καθώς εξαιτίας της εφαρμογής του PID σε αυτόν αύξησε την τιμή της πίεσής του σε μεγάλο βαθμό για να πετύχει τη ρύθμιση της δύναμης. Αυτό σημαίνει πως σε όλη τη λειτουργία της διάταξης, το δεξιά έμβολο ασκεί μια δύναμη που αντιστέκεται στην κίνηση. Η δύναμη αυτή ελαττώνεται με αργό ρυθμό εξαιτίας της πτωτικής ράμπας στο θάλαμο της εξόδου PQW 320 και της ανοδικής στο θάλαμο της εξόδου PQW 322, χωρίς ποτέ να αλλάζει φορά. Ο θάλαμος της εξόδου PQW 326, εξαιτίας της άσκησης σε αυτόν πίεσης ελεγχόμενης από τον PID, τείνει να αυξάνει την δύναμη που ασκεί στη δυναμοκυψέλη, αντισταθμίζοντας έτσι την ελάττωση της δύναμης που ασκεί το δεξιά έμβολο. Είναι φανερό ότι για να αρχίσει να κινείται η διάταξη θα πρέπει η ασκούμενη δύναμη από το αριστερά έμβολο να γίνει μεγαλύτερη από αυτή που ασκεί ως αντίσταση στην κίνηση το δεξιά έμβολο, αλλά και από τη στατική τριβή. Όταν γίνει αυτό, το έμβολο θα κινηθεί. Στο γεγονός αυτό οφείλεται το μεγάλο διάστημα μετάβασης από την ακινησία στην κίνηση. Θεωρώντας ότι το από αριστερά έμβολο ασκεί μια συνολική δύναμη F1 στη διάταξη, το από δεξιά μια συνολική δύναμη F2 και ότι οι στατικές τριβές της διάταξης ομαδοποιούνται σε μια συνολική στατική τριβή Τs, η κίνηση προς τα δεξιά προϋποθέτει F1> F2+Ts. Σχήμα Ασκούμενες δυνάμεις στην ακινησία. Κίνηση όταν F1>F2+Ts. 67

72 Παρατηρώντας τις κυματομορφές παρατηρούμε επίσης ότι το διάστημα κίνησης είναι πολύ μικρό, με τη δύναμη να εμφανίζει μια μικρή βύθιση σε αυτό. Επίσης όταν το σύστημα φτάνει στο δεξί μηχανικό όριό του, η ρύθμιση χαλά και το σύστημα γίνεται ασταθές. Τέλος παρατηρείται μια μικρή υπερύψωση της κυματομορφής της δύναμης τη στιγμή της εφαρμογής του PID στο νέο θάλαμο. Η αλλαγή στη δύναμη προκαλείται από μια υπερύψωση της κυματομορφής της πίεσης που ασκείται στο θάλαμο της εξόδου PQW 326, η οποία παρατηρείται την ίδια ακριβώς χρονική στιγμή. Αυτό συμβαίνει γιατί συνεχίσαμε να εκτελούμε τον αλγόριθμο του PID αντιστοιχισμένο στο ίδιο Data Block (DB41). Έτσι λοιπόν, κατά την αλλαγή του θαλάμου στον οποίο ασκείται ο PID, η έξοδος PQW 326 έλαβε την τελευταία τιμή που υπολόγισε ο αλγόριθμος, χωρίς να υπολογίσει την προηγούμενη τιμή πίεσης του θαλάμου της εξόδου PQW 326. Αυτό προκάλεσε απότομη αύξηση της τιμής της εξόδου PQW 326, όπως θα προκαλούσε αντίστοιχα απότομη εξαέρωση αν η τιμή της εξόδου ήταν μεγαλύτερη της τιμής που είχε σαν έξοδο ο αλγόριθμος του PID. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος υλοποιήθηκε βελτιστοποιημένο πρόγραμμα, το οποίο περιγράφεται παρακάτω. Αποφυγή υπερύψωσης κατά τη μετάβαση του PID Για τη διόρθωση αυτού του προβλήματος που διαπιστώθηκε παραπάνω θα αναθέσουμε την αποθήκευση των δεδομένων της εκτέλεσης του PID αλγορίθμου σε διαφορετικό Data block για κάθε θάλαμο. Αυτό όμως δεν αρκεί καθώς κατά τη μετάβαση του PID σε άλλο θάλαμο, ο αλγόριθμος θα εκκινούσε τη λειτουργία του με βάση τα αποθηκευμένα δεδομένα από την προηγούμενη εκτέλεσή του, επομένως και πάλι δε θα αποφεύγαμε υπερυψώσεις ή βυθίσεις κατά τη μετάβαση του PID σε άλλο θάλαμο. Για το λόγο αυτό θα πρέπει τα DB να παρακολουθούν την εκτέλεση του προγράμματος, ακόμα και όταν οι PID δεν ελέγχουν τους θαλάμους τον έλεγχο της πίεσης των οποίων αφορούν τα συγκεκριμένα DB. Κάνουμε λοιπόν χρήση της επιλογής για MANUAL λειτουργία του PID αλγορίθμου. Με τον τρόπο αυτό, κάθε χρονική στιγμή, ο PID που αφορά τον ένα θάλαμο είναι σε MANUAL λειτουργία, και ο άλλος σε AUTO. Κατά τη μετάβαση του ελέγχου στον άλλο θάλαμο, οι δύο θάλαμοι αλλάζουν τη λειτουργία των PID, από MANUAL σε AUTO και από AUTO σε MANUAL αντίστοιχα. Το πρόγραμμα είναι ίδια λογικής με το προηγούμενο, και το μόνο που αλλάζει είναι όσα περιγράφηκαν παραπάνω. Ο κώδικας που θα παρουσιαστεί στη συνέχεια θα περιλαμβάνει μόνο τις προσθήκες στα FC1 και FC2, οι οποίες θα είναι και οι μόνες που θα σχολιαστούν. FC1 (μόνο οι προσθήκες): Στο βελτιωμένο αυτό αλγόριθμο εμφανίζονται δύο ομάδες παραμέτρων PID για ρύθμιση. Στην καθεμία από αυτές ανατίθεται και διαφορετικό data block. Στον PID που αφορά την έξοδο PQW 320 ανατίθεται το DB41, ενώ στον PID που αφορά την έξοδο PQW 326 ανατίθεται το DB411. //PID αλγόριθμος για την έξοδο PQW 320 CALL "CONT_C", DB41 // αποθήκευση τιμών στο DB41 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=FALSE // ενεργοποιημένος PID έλεγχος PVPER_ON:=TRUE 68

73 P_SEL :=TRUE // Ο P όρος ενεργοποιημένος I_SEL :=TRUE // Ο Ι όρος ενεργοποιημένος INT_HOLD:=FALSE I_ITL_ON:=FALSE D_SEL :=FALSE // Ο D όρος απενεργοποιημένος CYCLE :=T#50MS SP_INT :=MD48 PV_IN := e+000 PV_PER :=MW40 MAN := e+000 GAIN := e+000 //Kp TI :=T#1S //Ti TD :=T#1S TM_LAG :=T#1S DEADB_W :=MD52 LMN_HLM :=MD56 LMN_LLM :=MD60 PV_FAC := e+000 PV_OFF := e+000 LMN_FAC := e+000 LMN_OFF := e+000 I_ITLVAL:= e+000 DISV := e+000 LMN := LMN_PER :=MW68 //έξοδος ελεγκτή QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER :=MD76 //PID αλγόριθμος για την έξοδο PQW 326 CALL "CONT_C", DB411 // αποθήκευση τιμών στο DB411 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=TRUE // μη εκτέλεση PID αλγορίθμου, PVPER_ON:=TRUE // παρακολούθηση λειτουργίας συστήματος P_SEL :=TRUE I_SEL :=TRUE INT_HOLD:=FALSE I_ITL_ON:=FALSE 69

74 D_SEL CYCLE :=TRUE :=T#50MS SP_INT :=MD48 PV_IN PV_PER :=MW40 := e+000 MAN :=MD64 // είσοδος στον αλγόριθμο η MD64 GAIN TI TD := e+000 :=T#50MS :=T#100MS TM_LAG :=T#1S DEADB_W :=MD52 LMN_HLM :=MD56 LMN_LLM :=MD60 PV_FAC := e+000 PV_OFF := e+000 LMN_FAC := e+000 LMN_OFF := e+000 I_ITLVAL:= e+000 DISV LMN := LMN_PER := QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER :=MD76 := e+000 L MW 68 T MD 112 T PQW 320 // υπολογισμός παραμέτρου ΜΑΝ, ως επί τοις % ποσοστό της εξόδου της PQW //326 σε σχέση με τη μέγιστη δυνατή τιμή εξόδου, που είναι η L MD 72 DTR L e+004 T MD 64 Με τον ίδιο ακριβώς τρόπο βελτιστοποιείται το πρόγραμμα και για το FC2, με τη μόνη διαφορά ότι πλέον ο αλγόριθμος που έτρεχε σε MANUAL λειτουργία θα τρέχει σε AUTO και το αντίθετο. 70

75 Αποτελέσματα βελτιστοποιημένου κώδικα Η εκτέλεση του παραπάνω προγράμματος για το ίδιο setpoint, είχε τα αποτελέσματα που φαίνονται στην εικόνα που ακολουθεί. Και στην περίπτωση αυτή στην FC1 υλοποιήθηκε ένας PI ελεγκτής, ενώ στην FC2 ένας PID. Για τον PI που υλοποιήθηκε στην FC1 χρησιμοποιήθηκαν GAIN=2.1 T i =1s, ενώ για τον PID που υλοποιήθηκε στην FC2 χρησιμοποιήθηκε η τριάδα τιμών GAIN=12, Ti=50ms, Td=50ms. Ο θάλαμος της PQW 320 μείωνε την τιμή της πίεσής του κατά 0,108 bar (τιμή 500 σε λέξεις PLC) κάθε 4 κύκλους σάρωσης, και οι θάλαμοι των εξόδων PQW 322 και PQW 324 αύξαναν και μείωναν αντίστοιχα τις πιέσεις τους κατά bar (τιμή 40 σε λέξεις PLC) σε ίδιο αριθμό κύκλων σάρωσης Σχήμα Αποτελέσματα κώδικα στον PLC analyzer χωρίς υπερύψωση. Στο σχήμα παρατηρούμε ότι το πρόβλημα με την υπερύψωση κατά τη μετάβαση του PID σε άλλο θάλαμο έχει πλέον εξαλειφθεί. Τα υπόλοιπα προβλήματα που διαπιστώθηκαν προηγουμένως παραμένουν. Η ίδια διαδικασία προγραμματισμού ακολουθήθηκε και για άλλα μικρότερα setpoint. Η μόνη αλλαγή στα προγράμματα είναι αυτή του οριζόμενου setpoint και κάποιες μικρές αλλαγές στις τιμές K p, T i, T d του PID, επομένως ο προγραμματισμός τους δε χρίζει περισσότερης ανάλυσης. Επιπλέον, όπως θα δούμε και στα σχήματα που ακολουθούν, το σύστημα εμφάνισε την ίδια συμπεριφορά με την προηγούμενη δοκιμή, τόσο σχετικά με τη μετάβαση από την ακινησία στην κίνηση, όσο και με το μικρό χρόνο κίνησης, και την ασταθή λειτουργία του συστήματος στο δεξί μηχανικό άκρο λειτουργίας του. Στα σχήματα που ακολουθούν παρουσιάζουν τα αποτελέσματα εκτέλεσης του κώδικα για setpoint 10kg και 2 kg αντίστοιχα. 71

76 SP=10kg Σχήμα Αποτελέσματα κώδικα στον PLC analyzer για SP=10kg. SP=2kg Σχήμα Αποτελέσματα κώδικα στον PLC analyzer για SP=2kg O PID στους θαλάμους των εξόδων PQW 324, PQW 322 Στην προηγούμενη ενότητα επιλέξαμε η μετάβαση του PID ελεγκτή μετά την αρχική ρύθμιση να γίνεται στο θάλαμο που αντιστοιχεί στην έξοδο PQW 326. Η επιλογή αυτή έγινε, διότι μόνο μέσω του θαλάμου αυτού μπορεί να ασκηθεί δύναμη που μπορεί να κινήσει συνολικά το σύστημα προς τα αριστερά, επομένως κρίθηκε σκόπιμο η τιμή της πίεσης του θαλάμου αυτού να καθορίζεται από τον ελεγκτή και όχι αυθαίρετα από μια ράμπα. 72

77 Παρόλα αυτά έγιναν δοκιμές με τον PID να μεταβαίνει στους θαλάμου που αντιστοιχούν τόσο στην έξοδο PQW 324 όσο και στην έξοδο PQW 322. Η λογική παραμένει η ίδια, το ίδιο και ο προγραμματισμός. Η μόνη αλλαγή είναι ότι η μετάβαση του PID γίνεται πλέον σε έναν από του δύο παραπάνω θαλάμους, ενώ ο θάλαμος που αντιστοιχεί στην έξοδο PQW 326 μεταβάλλει την τιμή του με μια ανοδική ράμπα (μεγάλης κλίσης για έναρξη κίνησης σε λιγότερο από ένα λεπτό). Από τις δύο παραπάνω δοκιμές μόνο η μετάβαση στο θάλαμο της εξόδου PQW 324 είχε αξιοποιήσιμα αποτελέσματα, για αυτό και παρουσιάζεται παρακάτω. Αποτελέσματα για PID στο θάλαμο της εξόδου PQW 324 Και στη περίπτωση αυτή στην FC1 υλοποιείται ένας PI ελεγκτής, και στην FC2 ένα PID. Για τον PI που υλοποιήθηκε στην FC1 χρησιμοποιήθηκαν GAIN=2.1 T i =1s, ενώ για τον PID που υλοποιήθηκε στην FC2 χρησιμοποιήθηκε η τριάδα τιμών GAIN=3, Ti=50ms, Td=100ms. Το καλύτερο επιτευχθέν αποτέλεσμα για την περίπτωση αυτή παρουσιάζεται στο σχήμα: Σχήμα Αποτελέσματα κώδικα στον PLC analyzer για SP=10kg και PID στο θάλαμο της εξόδου PQW 324. Στην εικόνα παρατηρούμε ότι το σύστημα εμφανίζει χειρότερη συμπεριφορά στο διάστημα μετάβασης από την ακινησία στην κίνηση με 2kg. μεγαλύτερες βυθίσεις από αυτές που εμφανίστηκαν για το ίδιο setpoint, όταν ο PID ελεγκτής μετέβαινε στο θάλαμο PQW 326. Το διάστημα κίνησης παρέμεινε μικρό και σε αυτή την περίπτωση. Μοναδική βελτίωση σε σχέση με τα προηγούμενα αποτελεί το γεγονός ότι στα δεξιά μηχανικά όρια κίνησης εμφανίζεται μικρότερη υπερύψωση. Τέλος πρέπει να αναφερθεί ότι το παραπάνω αποτέλεσμα προέκυψε, όταν στις παραμέτρους GAIN, Ti,Td του PID που αντιστοιχεί στο θάλαμο της εξόδου PQW 324, προσδόθηκαν αρνητικές τιμές. 73

78 Από τα παραπάνω μπορούμε να εξάγουμε χρήσιμα συμπεράσματα για το ρόλο της δύναμης στο θάλαμο της εξόδου PQW 324. Το προφανές είναι ότι η δύναμη αυτή δρα ανασχετικά στη δύναμη που ασκείται από το θάλαμο της εξόδου PQW 320, η οποία τείνει να κινήσει όλο το σύστημα. Η επιδείνωση της μεταβατικής συμπεριφοράς από την κίνηση στην ακινησία, οφείλεται στο γεγονός ότι ο θάλαμος της εξόδου PQW 326 αυξάνει την πίεσή του με ράμπα μεγάλης κλίσης, με τον PID να «δυσκολεύεται» να ακολουθήσει, αν συνυπολογιστεί και το γεγονός ότι ο θάλαμος στον οποίο εφαρμόζεται, «βλέπει» μικρότερη επιφάνεια, άρα απαιτείται και μεγαλύτερη μεταβολή της πίεσής του για αντιστάθμιση οποιασδήποτε αύξησης ή μείωσης του σφάλματος. Η μεγάλη κλίση της ράμπας στο θάλαμο της εξόδου PQW 326, είναι αναγκαία διότι διαφορετικά το σύστημα γίνεται υπερβολικά αργό. Τέλος η μικρή υπερύψωση στο δεξί μηχανικό όριο της κίνησης, οφείλεται ακριβώς στον ανασχετικό ρόλο της δύναμης του θαλάμου που ο PID εφαρμόζεται. Με άλλα λόγια ο PID προκαλεί τέτοια αύξηση πίεσης, για αύξηση της δύναμης που αντιστέκεται στην κίνηση, έτσι ώστε να αντισταθμίζει σε μεγάλο βαθμό την υπερύψωση, που προκαλείται από το γεγονός ότι το σύστημα μεταβαίνει στην ακινησία εξαιτίας του μηχανικού ορίου κίνησης Συμπεράσματα προσέγγισης Η προσέγγιση αυτή αν και έδωσε αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσματα εμφάνισε μειονεκτήματα που δεν επέτρεψαν τη γενίκευσή της. Όσα από αυτά ήταν προγραμματιστικού περιεχομένου, όπως το πρόβλημα υπερύψωσης κατά τη μετάβαση της δράσης του PID ελεγκτή σε άλλο θάλαμο, επιλύθηκαν. Το γεγονός του μικρού χρονικού διαστήματος κίνησης και της υπερύψωσης στο μηχανικό όριο κίνησης παρέμειναν. Για το λόγο αυτό δεν προχωρήσαμε σε γενίκευση της κίνησης και προς τις δύο κατευθύνσεις, αλλά σε μια νέα προσέγγιση η οποία αξιοποιεί σε μεγαλύτερο βαθμό τους θαλάμου των εξόδων PQW 322 και PQW Κίνηση με μια ράμπα και έναν PID. Γενική λογική της προσέγγισης Η προσέγγιση αυτή είναι απλή στη λογική της και προσανατολισμένη στην εύκολη αντιστροφή της κίνησης προς τα αριστερά. Για το λόγο αυτό και εξαιτίας της συμμετρίας της εφαρμογής επιχειρήθηκε εξ αρχής η γενίκευση της κίνησης και προς τις δυο κατευθύνσεις. Στην προσέγγιση αυτή οι θάλαμοι των εξόδων PQW 322 και PQW 324 λαμβάνουν μια αρχική πίεση και τη διατηρούν για το όλο το διάστημα λειτουργίας της εφαρμογής, αποφεύγοντας έτσι την πολυπλοκότητα των δυο επιπλέον ραμπών. Επιπλέον, λαμβάνουν τιμή πίεσης ικανοποιητικά μεγάλη, έτσι ώστε να βρίσκεται στα όρια πίεσης που απαιτούνται για καλή λειτουργία του πνευματικού κυλίνδρου (2-10 bar), κάτι που είχε αγνοήσει η προηγούμενη προσέγγιση. Οι θάλαμοι των εξόδων PQW 320 και PQW 326, που είναι οι θάλαμοι που μπορούν να ασκήσουν δύναμη που θα κινήσει το σύστημα αριστερά και δεξιά αντίστοιχα, μεταβάλλουν τις πιέσεις τους με PID και πτωτική ράμπα αντίστοιχα, ανάλογα με την επιθυμητή φορά κίνησης του συστήματος. Η λογική που περιγράφηκε απεικονίζεται και αναλύεται στο σχήμα που ακολουθεί. Η αρίθμηση έχει των σχημάτων έχει την εξής σημασία: 1. Κενοί θάλαμοι 2. Αρχικοποίηση πιέσεων στους θαλάμους. 74

79 3. Ενεργοποίηση PI ελεγκτή για το θάλαμο της εξόδου PQW 326, για επίτευξη σταθερής δύναμης στην ακινησία. 4. Αλλαγή του PI σε PID ελεγκτή στον ίδιο θάλαμο, και μείωση της πίεσης του θαλάμου της εξόδου PQW 320, για επίτευξη κίνησης. 5. Κίνηση συστήματος προς τα δεξιά. 6. Ενεργοποίηση reed μαγνητικού διακόπτη και αλλαγή των τιμών του PID. Ο διακόπτης έχει τοποθετηθεί πριν το μηχανικό άκρο του συστήματος. Η αλλαγή τιμών στον PID γίνεται για να περιοριστεί η υπερύψωση στο δεξί μηχανικό άκρο του συστήματος. 7. Ενεργοποιείται ο PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 320 και ο θάλαμος της εξόδου PQW 326 μειώνει την πίεσή του με ράμπα. 8. Κίνηση συστήματος προς τα αριστερά. 9. Ενεργοποίηση reed μαγνητικού διακόπτη και αλλαγή των τιμών του PID. Ο διακόπτης έχει τοποθετηθεί πριν το μηχανικό άκρο του συστήματος. Η αλλαγή τιμών στον PID γίνεται για να περιοριστεί η υπερύψωση στο αριστερό μηχανικό άκρο του συστήματος. 75

80 Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα σεναρίου. Προγραμματισμός PLC για υλοποίηση προσέγγισης. Ο κώδικας που γράφτηκε για την υλοποίηση της εφαρμογής περιλαμβάνει το ΟΒ35, 6 FCs, το FB41 για την υλοποίηση του PID αλγορίθμου, και δυο DB41, DB411 που αφορούν την εκτέλεση του PID αλγορίθμου για τους θαλάμους των εξόδων PQW 320 και PQW 326 αντίστοιχα. Οι λειτουργίες των FCs κατά τη λειτουργία του συστήματος είναι οι εξής: FC0: Αρχικοποιεί τις πιέσεις στους θαλάμους. Οι δυο PID αλγόριθμοι έχουν τεθεί σε MANUAL λειτουργία και παρακολουθούν τη λειτουργία του συστήματος χωρίς να εκτελούν έλεγχο. (σχήμα κατάσταση 2) 76

81 FC1: O PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 326 τίθεται σε κατάσταση AUTO λειτουργίας και εκτελεί έλεγχο με τη μορφή PI ελεγκτή. Ο PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 320 παραμένει σε κατάσταση MANUAL λειτουργίας. (σχήμα κατάσταση 3) FC2: O PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 326 παραμένει σε κατάσταση AUTO λειτουργίας και εκτελεί έλεγχο με τη μορφή PID ελεγκτή πλέον. Ο PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 320 παραμένει σε κατάσταση MANUAL λειτουργίας και παρακολουθεί την πτώση πίεσης με ράμπα στο θάλαμο της εξόδου PQW 320 χωρίς να εκτελεί έλεγχο. (σχήμα κατάσταση 4) FC3: O PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 326 παραμένει σε κατάσταση AUTO λειτουργίας και εκτελεί έλεγχο με τη μορφή PID ελεγκτή, με καινούργια τριάδα παραμέτρων GAIN, T i, T d. Ο PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 320 παραμένει σε κατάσταση MANUAL λειτουργίας. (σχήμα κατάσταση 6) FC4: O PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 326 τίθεται σε κατάσταση MANUAL λειτουργίας, σταματά να εκτελεί έλεγχο και παρακολουθεί την πτώση πίεσης με ράμπα στο θάλαμο αυτό. Ο PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 320 τίθεται σε κατάσταση AUTO λειτουργίας και εκτελεί έλεγχο με τη μορφή PID ελεγκτή. (σχήμα κατάσταση 7) FC5: O PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 326 παραμένει σε κατάσταση MANUAL λειτουργίας. Ο PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 320 παραμένει σε κατάσταση AUTO λειτουργίας και εκτελεί έλεγχο με τη μορφή PID ελεγκτή με νέα πλέον τριάδα παραμέτρων GAIN, T i, T d (σχήμα κατάσταση 8). Ο κώδικας για την υλοποίηση των παραπάνω συναρτήσεων, είναι ίδιος με το βελτιστοποιημένο κώδικα που αναλύθηκε στη προηγούμενη προσέγγιση για τις συναρτήσεις FC1 και FC2. Για το λόγο αυτό δεν κρίνεται σκόπιμο να γίνει εκ νέου ανάλυσή του. Θα αναλυθεί μόνο το OB35 για να φανεί η λογική δόμησης του προγράμματος. Ολόκληρος ο κώδικας μπορεί να αναζητηθεί στο παράρτημα στο τέλος της διπλωματικής. Σχήμα Project για υλοποίηση προσέγγισης 77

82 Στη συνέχεια παρατίθεται και αναλύεται ο κώδικας του OB35: ΟΒ35: Cyclic Interrupt Στο ΟΒ35 υλοποιείται η λογική της προσέγγισης και καλούνται οι απαραίτητες κάθε φορά συναρτήσεις. Γίνεται εκτεταμένη χρήση λογικών πηνίων (Μ), έτσι ώστε κάθε φορά τα σήματα των μπουτόν και των δύο reed διακοπτών να μεταφράζονται στις επιθυμητές ενέργειες κατά την εκτέλεση του προγράμματος. Για κάθε σήμα εισόδου γίνεται SET ένα λογικό πηνίο, ενώ γίνονται RESET τα λογικά πηνία που ενεργοποιούνται από τις υπόλοιπες εισόδους. Επίσης χρησιμοποιούνται τα λογικά πηνία Μ 11.1, Μ 11.2,Μ 11.3, Μ Τα πηνία αυτά χρησιμοποιούνται για να αγνοεί το σύστημα τα σήματα των διακοπτών reed, τόσο κατά τη φάση αρχικοποίησης, όσο και όταν το σύστημα διέρχεται από το reed διακόπτη της πλευράς από την οποία ξεκινά την κίνησή του. Τα Μ 11.1 και Μ 11.2 αφορούν τη φάση αρχικοποίησης, ενώ τα Μ 11.3 και Μ 11.4 στην ουσία ενημερώνουν για τη φορά κίνησης έτσι ώστε να αγνοούνται τα σήματα των διακοπτών, όταν πρέπει. A I 0.3 //Σήμα εισόδου για αρχικοποίηση πιέσεων S M 9.1 S M 11.1 R M 10.1 R M 10.2 R M 10.3 R M 10.4 R M 10.5 A I 0.4 //Σήμα εισόδου για ενεργοποίηση PI στον PQW 326 S M 10.1 S M 11.2 R M 10.2 R M 9.1 R M 10.3 R M 10.4 R M 10.5 A I 0.5 //Σήμα εισόδου-εντολή για προς τα δεξιά κίνηση S M 10.2 R M 10.1 R M 9.1 R M 10.3 R M

83 R M 10.5 R M 11.3 A I 0.2 //Σήμα εισόδου-εντολή για προς τα αριστερά κίνηση S M 10.3 R M 9.1 R M 10.1 R M 10.2 R M 10.4 R M 10.5 R M 11.4 A I 0.6 //Σήμα εισόδου από το δεξιά τοποθετημένο reed διακόπτη A M 11.4 S M 10.4 S M 11.3 R M 10.3 R M 9.1 R M 10.1 R M 10.2 R M 10.5 A I 0.7 //Σήμα εισόδου από τον αριστερά τοποθετημένο διακόπτη A M 11.1 A M 11.2 A M 11.3 S M 10.5 S M 11.4 R M 10.4 R M 10.3 R M 9.1 R M 10.1 R M 10.2 // Εντολές άλματος στις ταμπέλες κλήσης συναρτήσεων. A M 10.1 JC M001 A M 10.2 JC M002 79

84 A M 9.1 JC M003 A M 10.3 JC M004 A M 10.4 JC M005 A M 10.5 JC M006 BE // Κλήσεις συναρτήσεων M001: CALL FC 1 BE M002: CALL FC 2 BE M003: CALL FC 0 BE M004: CALL FC 3 BE M005: CALL FC 4 BE M006: CALL FC 5 BE Αποτελέσματα κώδικα Ο κώδικας που γράψαμε δοκιμάστηκε για διάφορα setpoint και καταγράφηκαν τα αποτελέσματά του στο PLC analyzer. Στον πίνακα που ακολουθεί απεικονίζονται οι τριάδες K p, T i, T d που χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε PID ελεγκτή των συναρτήσεων FCs. FC PID ελεγκτής για θάλαμο PQW 320 PID ελεγκτής για θάλαμο PQW 326 GAIN T i T d GAIN T i T d FC0 MANUAL Λειτουργία αλγορίθμου MANUAL Λειτουργία αλγορίθμου FC1 MANUAL Λειτουργία αλγορίθμου ms _ FC2 MANUAL Λειτουργία αλγορίθμου ms 50ms FC ms 50ms MANUAL Λειτουργία αλγορίθμου FC4 MANUAL Λειτουργία αλγορίθμου ms 50ms FC ms 50ms MANUAL Λειτουργία αλγορίθμου 80

85 Παρακάτω παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εκτέλεσης του προγράμματος για SP=5 kg και SP= 2 kg. Επειδή τα στάδια της κίνησης είναι πολλά, στις εικόνες θα γίνεται αναφορά σε αυτά με βάση την αρίθμηση του σχήματος SP=5 kg SP=2 kg Σχήμα Αποτελέσματα εκτέλεσης κώδικα για SP=5kg Σχήμα Αποτελέσματα εκτέλεσης κώδικα για SP=2kg 81

86 Παρατηρώντας τα αποτελέσματα της εκτέλεσης του κώδικα διαπιστώνουμε καλύτερη συμπεριφορά του συστήματος σε σχέση με την προηγούμενη προσέγγιση. Όπως φαίνεται στον πίνακα που προηγείται των σχημάτων, γίνεται μείωση των τιμών των GAIN, όταν δοθεί σήμα από τους reed τερματικούς διακόπτες. Η αλλαγή αυτή των παραμέτρων του PID πριν το σύστημα φτάσει στα μηχανικά άκρα, συντέλεσε στην αποφυγή μεγάλων υπερυψώσεων όταν το σύστημα τα προσεγγίζει, χωρίς όμως να τις εκμηδενίζει. Παρατηρούμε, επίσης ότι το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να ξεκινήσει το σύστημα να κινείται προς τα αριστερά είναι μεγαλύτερο από το αντίστοιχο για κίνηση προς τα δεξιά. Όπως μπορούμε να διακρίνουμε στο σχήμα 6.2.2a προηγούμενης ενότητας, η δυναμοκυψέλη μετρά δύναμη που ασκείται μόνο στη δεξιά πλευρά της (όπως έχει τοποθετηθεί ανάμεσα στα έμβολα). Αυτό σημαίνει ότι η μετρούμενη δύναμη κατά τη διάρκεια της κίνησης που οφείλεται στο αριστερά έμβολο είναι η αντίδραση της δύναμης που ασκεί το σύστημα έμβολο- δυναμοκυψέλη στο δεξιά έμβολο. Η δύναμη αυτή είναι επομένως σημαντικά μικρότερη από τη δύναμη F1 που τείνει να κινήσει το έμβολο, καθώς έχουν υπεισέρθει κινήσεις των μαζών m1 του εμβόλου και m2 του αισθητήρα. Έτσι λοιπόν για μέτρηση ίδιας δύναμης από τον αισθητήρα, το έμβολο στα αριστερά πρέπει να έχει μεγαλύτερη πίεση στο θάλαμο της εξόδου PQW 326, από ότι ο θάλαμος της εξόδου PQW 320 του δεξιά εμβόλου. Στο πρώτο στάδιο της κίνησης, ο PID που εφαρμόζεται στο θάλαμο της εξόδου PQW 326 φροντίζει για τη γρήγορη αύξηση της F1, η οποία υπερνικά γρήγορα την F2 και τις τριβές Τs, έτσι ώστε το σύστημα να κινείται (σχήμα ). Μετά την πρώτη μετακίνηση όμως, η τιμή της F2 έχει ελαττωθεί σημαντικά εξαιτίας της πτωτικής ράμπας, ενώ η F1 έχει αυξηθεί αντισταθμίζοντας την απώλεια δύναμης που προέκυπτε από την πτώση πίεσης στο θάλαμο της εξόδου PQW 320. Εξαιτίας δε όσων περιγράψαμε νωρίτερα, ο θάλαμος αυτός, έχει αρκετά μεγαλύτερη πίεση από το θάλαμο της εξόδου PQW 320 κατά την αρχή της κίνησης. Επομένως για να υπερνικήσει η F2 πια, την F1 και τη στατική τριβή Ts θα πρέπει να περάσει μεγαλύτερο διάστημα. Παρατηρούμε ότι ο χρόνος κίνησης παραμένει πολύ μικρός. Διαπιστώνεται ότι ο μικρός χρόνος κίνησης οφείλεται στον τύπο των βαλβίδων. Όπως έχει αναφερθεί σε σχετικό κεφάλαιο, οι βαλβίδες διαθέτουν αισθητήρα πίεσης και σε περίπτωση διαφορών από την επιθυμητή πίεση διορθώνουν το σφάλμα ταχύτατα. Αυτό σημαίνει ότι πρακτικά οι θάλαμοι έχουν την επιθυμητή πίεση κάθε χρονική στιγμή, ακόμα και όταν μειώνεται ή αυξάνεται ο όγκος τους εξαιτίας της κίνησης του εμβόλου. Για αυτό το λόγο όταν το σύστημα αρχίσει να κινείται, κινείται μέχρι τα μηχανικά όρια του συστήματος μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Η παρατήρηση αυτή μας οδηγεί στην επόμενη προσέγγιση Προσέγγιση με χειροκίνητη εξαέρωση θαλάμων. Γενική λογική της προσέγγισης Η προσέγγιση αυτή είναι βασίζεται στην προηγούμενη και προσανατολίζεται στο να μειωθεί ό χρόνος κίνησης του συστήματος. Ο PID ελεγκτής συνεχίζει να δρα, και οι θάλαμοι των εξόδων PQW 322 και PQW 324 έχουν και στην προσέγγιση αυτή σταθερή πίεση. Αυτό που αλλάζει είναι η ο τρόπος εξαέρωσης του θαλάμου στον οποίο εφαρμοζόταν πτωτική ράμπα. Η εξαέρωση του θαλάμου πλέον θα γίνεται χειροκίνητα. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούνται δύο περιστροφικοί διακόπτες αέρα για καθέναν από τους θαλάμους των εξόδων PQW 320 και PQW 326. Ο ένας εξ αυτών παρεμβάλλεται στη σύνδεση του θαλάμου με τη βαλβίδα, ενώ ο άλλος συνδέεται με το 82

87 θάλαμο στο ένα άκρο, ενώ το άλλο άκρο του παραμένει ανοικτό. Έτσι λοιπόν, όταν επιχειρούμε να κινήσουμε το σύστημα, κλείνουμε τον πρώτο διακόπτη έτσι ώστε, να απομονώσουμε το θάλαμο από τον έλεγχο της βαλβίδας και ανοίγοντας το δεύτερο διακόπτη αρχίζουμε την εξαέρωση του θαλάμου. Όταν η κίνηση επιτευχθεί, η εξαέρωση σταματά με κλείσιμο του αντίστοιχου διακόπτη και ο θάλαμος σταματά να είναι απομονωμένος από τη βαλβίδα που καθορίζει την πίεσή του, ανοίγοντας το σχετικό διακόπτη. Το ίδιο ακριβώς γίνεται για κίνηση προς την αντίθετη κατεύθυνση, με χειρισμό των διακοπτών που είναι συνδεδεμένοι στον άλλο θάλαμο. Σχήμα Το σύστημα για την εξαέρωση του ενός θαλάμου Η λογική της προσέγγισης αυτής φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί: 83

88 Σχήμα Σχηματικό διάγραμμα σεναρίου. Η αρίθμηση των σχημάτων έχει την εξής σημασία: 1.Κενοί θάλαμοι 84

89 2.Αρχικοποίηση πιέσεων στους θαλάμους. 3.Ενεργοποίηση PI ελεγκτή για το θάλαμο της εξόδου PQW 326, για επίτευξη σταθερής δύναμης στην ακινησία. 4.Αλλαγή του PI σε PID ελεγκτή στον ίδιο θάλαμο, και χειροκίνητη εξαέρωση του θαλάμου της εξόδου PQW 320, για επίτευξη κίνησης. 5.Κίνηση συστήματος προς τα δεξιά. 6.Ενεργοποιείται ο PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 320 και ο θάλαμος της εξόδου PQW 326 εξαερώνεται χειροκίνητα. 7.Κίνηση συστήματος προς τα αριστερά. Προγραμματισμός PLC για υλοποίηση προσέγγισης. Ο κώδικας που γράφτηκε για την υλοποίηση της εφαρμογής περιλαμβάνει το ΟΒ35, 4 FCs, το FB41 για την υλοποίηση του PID αλγορίθμου, και δυο DB41, DB411 που αφορούν την εκτέλεση του PID αλγορίθμου για τους θαλάμους των εξόδων PQW 320 και PQW 326 αντίστοιχα. Οι λειτουργίες των FCs κατά τη λειτουργία του συστήματος είναι οι εξής: FC0: Αρχικοποιεί τις πιέσεις στους θαλάμους. Οι δυο PID αλγόριθμοι έχουν τεθεί σε MANUAL λειτουργία και παρακολουθούν τη λειτουργία του συστήματος χωρίς να εκτελούν έλεγχο. (σχήμα κατάσταση 2) FC1: O PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 326 τίθεται σε κατάσταση AUTO λειτουργίας και εκτελεί έλεγχο με τη μορφή PI ελεγκτή. Ο PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 320 παραμένει σε κατάσταση MANUAL λειτουργίας. (σχήμα κατάσταση 3) FC2: O PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 326 παραμένει σε κατάσταση AUTO λειτουργίας και εκτελεί έλεγχο με τη μορφή PID ελεγκτή πλέον. Ο PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 320 παραμένει σε κατάσταση MANUAL λειτουργίας. Παρόλα αυτά, επειδή η βαλβίδα έχει απομονωθεί από το θάλαμο της εξόδου PQW 320, ενώ παρακολουθεί το σφάλμα της δύναμης, δεν έχει γνώση για την πραγματική πίεση στο εσωτερικό του θαλάμου (σχήμα κατάσταση 4) FC3: O PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 320 τίθεται σε κατάσταση AUTO λειτουργίας και εκτελεί έλεγχο με τη μορφή PID ελεγκτή. Ο PID αλγόριθμος για το θάλαμο της εξόδου PQW 326 τίθεται σε κατάσταση MANUAL λειτουργίας. (σχήμα κατάσταση 6) Ο κώδικας για την υλοποίηση των παραπάνω συναρτήσεων είναι ίδιος με αυτόν των συναρτήσεων που περιγράφηκαν στις προηγούμενες προσεγγίσεις. Το ΟΒ35 δομείται και αυτό με λογική παρόμοια με της προηγούμενης ανάλυσης. Για το λόγο αυτό δε γίνεται ανάλυσή τους. Αποτελέσματα κώδικα Εκτελώντας την εφαρμογή για SP=10kg λάβαμε τα αποτελέσματα που απεικονίζονται στο σχήμα που ακολουθεί. 85

90 Σχήμα Αποτέλεσμα κώδικα για SP=10kg. Από το παραπάνω σχήμα συμπεραίνουμε ότι το πρόβλημα τις γρήγορης κίνησης του συστήματος έχει αντιμετωπιστεί. Το σύστημα αρχίζει να κινείται και φτάνει στο δεξιά μηχανικό άκρο μετά από διάστημα περίπου 10s. Επιπλέον οι συνθήκες έναρξης κίνησης έχουν μεταβληθεί, όπως φαίνεται στο σχήμα που παρατίθεται ακολούθως. Σχήμα Συνθήκη έναρξης κίνησης. Χειροκίνητα η εξαέρωση γίνεται με μεγαλύτερο ρυθμό από ότι γινόταν με τη χρήση ραμπών, καθώς με τις ράμπες, η πίεση μεταβαλλόταν μόλις για χιλιοστά του ενός bar. Επομένως πλέον, πριν η F1 υπερκεράσει την F2 και τις στατικές τριβές, η F2 έχει αλλάξει κατεύθυνση. Όταν η F2 γίνει μεγαλύτερη από τη στατική τριβή του δεξιά εμβόλου, αυτό αρχίζει να κινείται προς τα δεξιά. Απουσία συνεχούς ρύθμισης από τις βαλβίδες, η κίνηση αυτή είναι πολύ αργή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο PID να αυξάνει έγκαιρα την τιμή της πίεσης στο θάλαμο που εφαρμόζεται, έτσι 86

91 ώστε το από αριστερά έμβολο να ακολουθεί την κίνηση του από δεξιά εμβόλου και ταυτόχρονα να διατηρεί τη δύναμη σταθερή, όπως φάνηκε και στο σχήμα Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων διαπιστώθηκε ότι η κίνηση του συστήματος μπορεί να ανακοπεί χωρίς απορρύθμιση του συστήματος, κλείνοντας απλά το διακόπτη μέσω του οποίου γινόταν η εξαέρωση. Παρατηρήθηκε επίσης, ότι η κίνηση γινόταν χωρίς το σύστημα να «κολλάει» στιγμιαία, και με καλύτερη ρύθμιση δύναμης, όσο αυξανόταν ο ρυθμός εξαέρωσης. Χαρακτηριστική είναι επιπλέον η απουσία υπερύψωσης στα άκρα της μηχανικής κίνησης. Η προσέγγιση αυτή φέρεται λοιπόν να έχει επιλύσει κάθε πρόβλημα που δεν είχαν λύσει οι προηγούμενες. Δημιουργεί όμως ένα καινούργιο πρόβλημα το οποίο μπορούμε να διαπιστώσουμε από το σχήμα Όταν ο θάλαμος PQW 320 επανέρχεται υπό την εποπτεία της βαλβίδας στην οποία αντιστοιχεί, για αντιστροφή της κίνησης, η δύναμη εμφανίζει υπερύψωση διάρκειας 8s. Αυτό συμβαίνει διότι ο PID αλγόριθμος που αντιστοιχούσε στο θάλαμο αυτό, στη MANUAL λειτουργία παρακολουθούσε μεν το σφάλμα της δύναμης, αλλά όχι την πραγματική τιμή της πίεσης του θαλάμου. Έτσι, όταν ο θάλαμος ξανασυνδέεται με τη βαλβίδα, αυτή φροντίζει έτσι ώστε να η πίεση θαλάμου να γίνει ίση με την τελευταία πίεση που είχε ο θάλαμος πριν την απομόνωση. Για αυτό ασκείται επιπλέον δύναμη η οποία σταδιακά, ρυθμίζεται από τον PID στην επιθυμητή τιμή. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, συμπληρώνουμε το πρόγραμμά μας, έτσι ώστε τη στιγμή της επανασύνδεσης του θαλάμου με τη βαλβίδα, να εφαρμόζεται ένας «γρήγορος» (με μεγάλο GAIN ) PID, για τον περιορισμό του ύψους και της διάρκειας της υπερύψωσης. Προγραμματισμός PLC για βελτιστοποίηση της προσέγγισης. Το βελτιστοποιημένο πρόγραμμα που γράφουμε, περιλαμβάνει της συναρτήσεις της προηγούμενης προσέγγισης και μια επιπλέον συνάρτηση για τη γρήγορη αντιμετώπιση της υπερύψωσης κατά την επανασύνδεση θαλάμου και βαλβίδας. Σχήμα Project για υλοποίηση προσέγγισης 87