Projektovanie Riadiacich

Transcription

1 Projektovanie Riadiacich Systémov Úvod do predmetu Ing. Michal Kopček, PhD. S-428S 1 / 11

2 Projektovanie Riadiacich Systémov - PRS Prednáš ášky: TPAR, TAR Cvičenia: Aplikácia prednáš ášok, SW pre návrh n regulačných obvodov Podpora výučby: DP Lošonský onský BP Mrva SW Procesnej úrovne Absolvovanie PRS Zápočtový test Písomná skúš úška (znalosti z prednáš ášok a podporného SW) Vykonanie skúš úšky Súbor otázok a úloh Bez použitia literatúry ry Uspokojivý výsledok testu = uznanie skúš úšky 2 / 11

3 Cieľ PRS 1. Procesná úroveň riadenia PPR, PLA 2. Schéma MaR 3. Spracovanie I/O signálov 4. Konfigurovanie riadiacich algoritmov 5. Spracovanie alarmov 6. Plán n testov FAT a SAT 7. Projektová dokumentácia 3 / 11

4 Procesná úroveň riadenia Hierarchický (pyramídový) model IaRS 4 / 11

5 MaR Meranie a Regulácia Schéma MaR 5 / 11

6 Spracovanie I/O signálov Binárne vstupy DI Dva stavy: ZAP/VYP ON/OFF 1/0 Realizácia: kontakt, spína nač (T,p,svetlo), U, R,... Napr: : dvere, okná,, chod motora, dosiahnutá hodnota sledovanej veličiny, iny, existencia udalosti Konfigurovanie: Fyzická úroveň (FU) Logická úroveň (LU) Binárne výstupy DO Dva stavy: ZAP/VYP ON/OFF 1/0 Realizácia: kontakt, tranzistor, tyristor,... Obmedzenia: min. záťaž, z, počet zopnutí Napr: : akčné členy typu ON/OFF, 0/100% (svetlo, motor, zdroje tepla) FU LU Alarm LU Alarm Neakt. 0 Nie 1 Ano Akt. 1 Ano 0 Nie 6 / 11

7 Spracovanie I/O signálov Analógov gové vstupy AI Prúdov dové: : 0 20mA; 4 20mA Napäťov ové: : 0 5V0 (1 5V) 5V); 0 10V (2 10V); -5 +5V; V Linearizácia cia: Prevod na F.J. Nelinearita sníma mača Lineár., odmoc.,polynóm,, tab. Filtrácia: Analógový, zárezový, z číslicový, zmena parametrov P, Ti, Td Alarm: technologický bezpečnostný Analógov gové výstupy AO Prúdov dové: : 0 20mA; 4 20mA Napäťov ové: : 0 5V0 (1 5V) 5V); 0 10V (2 10V) Akčný člen: 0 100% 0 (ventil, f/u) Výstup PID algoritmu: 0 100% 0 Obmedzenie (BIBO)!!! Špeciálne akčné členy: % : % Sn AP DA Lin F.J. 7 / 11

8 Konfigurovanie riadiacich algoritmov Regulačná slučka: jednoduchá kaskádna pomerová s dopredným riadením 8 / 11

9 Spracovanie alarmov 1. ALARM: udalosť 0/1 - prekročenie enie medze (REAL), prekročenie enie rýchlosti zmeny, dosiahnutie hodnoty (hladina, tlak, hocijaké AI / AO, timer) Správa: TAG, názov n AI / AO, názov n udalosti Status: NOACK, ACK, zaniknutý (časov( asová značka) 2. Priority alarmov 3. Potvrdzovanie alarmov ACK 4. Spúš úšťanie sekvencie po vzniku alarmu 9 / 11

10 Plán testov 1. FAT (Factory( Acceptance Test): Testovanie riadiaceho systému u dodávate vateľa Simulácia objektu riadenia Vyhodnotenie plánu testov 2. SAT (on( on-site Acceptance Test): Pripojenie riadiaceho systému u zákaznz kazníka Testovanie na reálnej technológii 10 / 11

11 Projektovanie regulačných obvodov 1. Znalosť technologického ho procesu (TP) Fyzikálne princípy py regulácie a ich dôsledky HMI/MMI, ergonómia, ľudský faktor Znalosť aplikačného SW PPR a schopnosť využiť ho 2. Model riadeného procesu TP sús nelineárne dynamické sústavystavy Lineárne modely vyšš ššieho rádur Lineárne modely s nelineárnym zosilnením Modely s dopravným oneskorením 11 / 11

12 Projektovanie Riadiacich Systémov Prevodová charakteristika Ing. Michal Kopček, PhD. S-428S 1 / 5

13 Bojler TÚV: T Čo o je to prevodová charakteristika? Vstup: poloha regulačného ventilu Výstup: teplota vody na výstupe bojlera Pracovný bod: 30% 48ºC 40% 54ºC C... Xi % Yi ºC X[%] Y[ºC] Prevodová charakteristika je spojnica všetkých v pracovných bodov, ktoré získame ako pomer hodnoty výstupnej veličiny iny a hodnoty vstupnej veličiny iny meraný v ustálených stavoch po doznení prechodového deja. 0 Xi Yi / 5

14 Grafické znázornenie zornenie Čo sa stane s charakteristikou, ak: ρ = 20 l/s? ρ = 0 l/s? 3 / 5

15 Zosilnenie v pracovnom bode K = zmena výstupu zmena vstupu v okolí pracovného bodu K Y Y-Y = = i i i-1 X X -X i i i-1 Jednotky: ; ; ; % m % C ms 1. V ma Zosilnenie určujeme v ustálených stavoch v blízkosti pracovného bodu!!! 4 / 5

16 Automobil Vstup: natočenie pedálu [º] Výstup: rýchlosť [km.h - 1 ] Tyristorový menič Príklady Vstup: unifikovaný signál [ma] Výstup: percento max. výkonu [%] Sníma mač hladiny Vstup: výška vodnej hladiny [m] Výstup: napätie na potenciometri [V] Klimatizácia Vstup: percento výkonu [%] Výstup: teplota v miestnosti [ºC] 5 / 5

17 Projektovanie Riadiacich Systémov Prechodová charakteristika a prenosová funkcia Ing. Michal Kopček, PhD. S-428S michal.kopcek@stuba.sk 1 / 18

18 Model systému ZOSILNENIE ustálený stav DYNAMIKA prechodný stav Rýchlosť a spôsob zmeny pracovného bodu Dynamika zmeny: Regulovanej veličiny iny Poruchovej veličiny iny Príklad: Automobil Regulovaná veličina: ina: Zmena rýchlosti Poruchová veličina: ina: Výškový profil cesty Bojler TÚVT Regulovaná veličina: ina: Zmena teploty Poruchová veličina: ina: Zmena prietoku 2 / 18

19 Čo o je to prenos? Grafická reprezentácia systému opísan saného prenosom: U (s) G (s) Y (s) Prenos: G( s) = Y( s) U( s) F( p) = Y( p) X( p) 3 / 18

20 Vytvorenie prenosu Diferenciálna rovnica Počiatočné podmienky: NULOVÉ! Laplaceova transformácia: Matematické úpravy: a y () t + a y () t + + ay'() t + a yt () = n ( n) ( n 1) n b u () t + b u () t + + bu'() t + but () m ( m) ( m 1) m ( n y ) (0) = = y'(0) = y(0) = 0 as Y( s) + a s Y( s) + + asy( s) + ay( s) = n ( n) ( n 1) n b s U( s) + b s U( s) + + bsu( s) + bu( s) m ( m) ( m 1) m ( as + a s + + as+ a ) Y( s) = n ( n) ( n 1) n ( b s + b s + + bs+ b) U( s) m ( m) ( m 1) m Prenos: G( s) Y( s) ( bms + b s + + bs+ b) B( s) = = = U( s) ( as a s as a ) As ( ) n ( m) ( m 1) m ( n) ( n 1) + n / 18

21 Čo o je to prechodová charakteristika? Prechodová charakteristika je grafickým znázornen zornením odozvy lineárneho systému na jednotkový skok. Odozva výstupnej veličiny iny na skokovú zmenu vstupnej veličiny iny meraná v čase. Zakresľujeme ju v súradnom s systéme výstup a čas. Zachytáva spôsob zmeny resp. prechodu z jedného pracovného bodu na druhý, čiže e ako rýchlo dosiahne ustálený stav. 5 / 18

22 Prechodová charakteristika TEORETICKÁ Vstup Výstup PRAKTICKÁ Vstup Výstup Príklad (návrh experimentu): Automobil, Bojler, Sníma mač teploty, Tyristorový menič výkonu 6 / 18

23 Základné typy dynamických sústavstav Prechodová charakteristika Prenosová funkcia Identifikácia 7 / 18

24 Sústava 1. rádur Prechodová charakteristika Vstup Výstup Prenosová funkcia F ( p) K = K =? τ =? 1 + pτ 8 / 18

25 Bezzotrvačná sústavastava Prechodová charakteristika Vstup Výstup Prenosová funkcia F( p) = K K =? 9 / 18

26 Astatická sústava stava 1. rádur Prechodová charakteristika f( t) = Ktx.. Vstup Výstup F Prenosová funkcia ( p) : K 1 K p Tp Tp i i 10 / 18

27 Aperiodická sústava stava vyšš ššieho rádu Prechodová charakteristika Vstup Výstup Prenosová funkcia K F( p) = n i a. p i= 0 i 2,8 (200p + 70p + 18p+ 1) F( p ) = / 18

28 Sústava 1. rádur K, τ Identifikácia modelu Aperiodická sústava stava vyšš ššieho rádur Strejc Broida Hudzovič Náhradná sústava stava 1. rádu r a dopravné oneskorenie 12 / 18

29 Identifikácia modelu sústavy s stavy 1. rádur K =? τ =? F ( p) K = 1 + pτ 13 / 18

30 Sústava 1. rádu r s oneskorením K =? τ =? D=? F ( p) K = ie 1 + pτ pd 14 / 18

31 Dopravné oneskorenie - spôsobuje výrazné zhoršenie stability regulácie Dopravník: Sprcha: Dopravné oneskorenie D závisí od dĺžky L, priemeru d hadice sprchy a prietoku vody F. Problém: odlíšiť D a dobu prieťahu T U pri sústavách vyššieho rádu s dopravným oneskorením. Riešenie: princíp metódy identifikácie (Strejc, Broida) 15 / 18

32 Identifikácia modelu aperiodických sústav s stav Sústavou 1. rádu r s oneskorením K =? T = 0? D=? F ( p) K = ie 1 + pt 0 pd 16 / 18

33 Identifikácia modelu aperiodických sústav stav Strejc, Broida 17 / 18

34 Identifikácia modelu aperiodických Náhradný prenos podľa Strejca: (vhodný pre viackomorové TP s rovnakou dynamikou komôr, napr.: destilačná kolóna) Náhradný prenos podľa Broida: (vhodný pre TP s rozdielnou dynamikou rozdielne časové konštanty, napr.: kúrenie) n rád identifikovanej sústavy T U doba prieťahu T N doba nábehu sústav stav Strejc, Broida α * - volíme v tabuľke najbližšiu nižšiu k α F( p) B S F ( p) = T T U N = n j= 1 K ( T. p+ 1) N n ie K ie T. p + 1 j pd pd Prenos previesť na štandardný tvar! = α TAB α * T = T iα *. ; n 18 / 18

35 Projektovanie Riadiacich Systémov Stabilita regulačných obvodov Ing. Michal Kopček, PhD. S-428S 1 / 14

36 Regulačný obvod jednoduchá regulačná slučka single control loop SP Set Point DEV Deviation OUT Output PV Process Variable R Controller S Controlled system (Plant) W žiadaná hodnota E regulačná odchýlka U akčný zásah Y regulovaná veličina regulátor sústava 2 / 14

37 Regulačný obvod Sústava = Akčný člen + dynamické vlastnosti sústavy + dynamika snímača Regulátor: Teoretický Praktický 3 / 14

38 Uzavretý regulačný obvod Prenosová funkcia: F URO RS. = 1 +RS. Charakteristický polynóm: 1 +RS. v bezzlomkovom tvare Štandardný zápis: 1 + RS. = 0 Charakteristická rovnica: ( n) ( n 1) a [ 1] np + an 1p + + ap 1 + a0 = 4 / 14

39 Stabilita Ak je vstup ohraničený, potom je výstup ohraničený. (BIBO) Korene charakteristickej rovnice => zložky výstupného signálu e pt i p i 5 / 14

40 Stabilita Komplexne združené korene charakteristickej rovnice: p p RE IM - útlm - frekvencia p ± jp. RE IM 6 / 14

41 Stabilita kritérium rium stability NUTNÁ A POSTAČUJÚCA PODMIENKA STABILITY: VŠETKY PÓLY STABILNÉ (pól prenosu = koreň CHR) Reálny koreň alebo reálna časť komplexného koreňa musí ležať v ľavej polrovine Gaussovej roviny: RE<0! 7 / 14

42 Stabilita kritéri riá stability Kritériá stability: Stabilitu posúdime iným spôsobom ako pomocou koreňov CHR Algebraické kritériá: Stabilitu posudzujeme pomocou koeficientov CHR Nutná podmienka stability: Všetky koeficienty CHR sú nenulové a kladné (majú rovnaké znamienko) Nutná a postačujúca podmienka stability pre systémy 1. a 2. rádu: Všetky koeficienty CHR sú nenulové a kladné (majú rovnaké znamienko) => Princíp Routh Schurovho kritéria stability 8 / 14

43 Stabilita kritéri riá stability Princíp Routh Schurovho kritéria stability: Kontrola splnenia nutnej podmienky stability pri redukcii koeficientov CHR n-tého rádu až po 2. rád (redukcia na tri členy a 0, a 1, a 2 > 0) CHR: A( p) = a p + a p + + ap+ a = 0 n ( n) ( n 1) n an an 1 an 2 an 3 a2 a1 a0 /. k ka. n 1 ka. n 3 ka. 0 0 a a a a a a * * n 1 n 2 n k a a a ka n * = ; n 2 = n 2. n 3 an 1 9 / 14

44 Stabilita stupeň stability λ - určíme pri stabilnom systéme ako hodnotu reálnej časti koreňa CHR, ktorý je najbližšie položený k imaginárnej osi v Gaussovej rovine 10 / 14

45 Regulátor Prenosové funkcie P: R = K ( p) 1 PI: R( p) = KR(1 + ) pt PD: R = K (1 + pt ) R ( p) R d 1 PID: R = K (1 + + pt ) ( p) R d pti i Charakteristická rovnica F URO pre P, PD, PI: S = 1 (1 + p) ( p) 2 11 / 14

46 Regulačný obvod na hranici Korene na imaginárnej osi (RE=0) stability 12 / 14

47 Kritické zosilnenie a kritická frekvencia URO Sústava s P regulátorom Určenie: K KRIT, T KRIT Simulácia Výpočet koreňov CHR Routh-Schure Experimentálne 13 / 14

48 Kritické zosilnenie a kritická frekvencia 14 / 14

49 Projektovanie Riadiacich Systémov Kvalita riadenia a syntéza regulačných obvodov Ing. Michal Kopček, PhD. S-428S michal.kopcek@stuba.sk 1 / 14

50 Regulačný obvod jednoduchá regulačná slučka single control loop SP Set Point DEV Deviation OUT Output PV Process Variable R Controller S Controlled system (Plant) W žiadaná veličina E regulačná odchýlka U akčný zásah Y regulovaná veličina regulátor sústava 2 / 14

51 Ukazovatele kvality riadenia Časové kritériá (založené na prechodovej charakteristike) trvalá regulačná odchýlka: e ( ) = w ( ) - y ( ) doba regulácie: T reg maximálne preregulovanie: (pozor na časovú os) σ max y y max ( ) = y y ( ) (0) 100% čas maximálneho preregulovania: T max počet preregulovaní na intervale <0, T reg > aperiodicita Integrálne kritériá IE (Integral of the Error) IAE (Integral of the Absolute value of the Error) ISE (Integral of the Square Error) ITAE (Integral of Time multiplied by the Absolute value of the Error) = P F[ et ( )] dt 0 3 / 14

52 Priebeh regulovanej veličiny iny 4 / 14

53 IE = P etdt ( ) vhodné pre aperiodické - nepoužiteľné pre kmitavé 5 / 14

54 IAE = P et ( ) dt 0 - odstraňuje nevýhodu IE - dostupnosť v SCADA 6 / 14

55 ITAE P= et ( ) t dt 0 - penalizuje dlhotrvajúce kmity - minimalizuje dobu regulácie - lineárne zvyšovanie príspevku od odchýlky do výslednej plochy s rastúcim časom znižuje význam veľkých kmitov na začiatku prechodovej charakteristiky ISE 2 P [ et ( )] dt = 0 - nevýhoda: 5 2 = 25 0,5 2 = 0,25 čiže podhodnocuje malé odchýlky 7 / 14

56 Metódy návrhu n optimálnych parametrov Štandardné tvary charakteristickej rovnice k ( a p + a p + + ap+ a ) = 0 n ( n) ( n 1) n Hodnota konštanty k rôzna od nuly nemení polohu koreňov CHR. Zmyslom je stanoviť polohu koreňov tak, aby boli splnené kvalitatívne požiadavky (aperiodicita, doba regulácie, preregulovanie,...). 8 / 14

57 Naslinov štandardný tvar Nech charakteristický polynóm uzavretého regulačného obvodu je: a p + a p + + ap+ a n ( n) ( n 1) n Naslin navrhol algoritmus v tvare nerovníc: - kde i závisí od typu regulátora. a a a (2) i α i 1 i+ 1 Koeficient α je tabelizovaný, pričom Naslin odporúča použiť α = 2, pre maximálne preregulovanie σ max = 5%. 9 / 14

58 Graham-Lathropov štandardný tvar Graham a Lathrop navrhli koeficienty štandardného tvaru charakteristického polynómu uzavretého regulačného obvodu, napr. pre 3. stupeň je to: 3 2 n 3: q 1, 75q 2,15q 1 kde q = = ω 0 - frekvencia kmitov regulačného procesu Po úprave: p + 1, 75p ω + 2,15pω + ω Porovnajú sa koeficienty pri rovnakých mocninách komplexnej premennej p, čím získame sústavu rovníc pre výpočet hľadaných parametrov zvoleného regulátora. p ω 0 10 / 14

59 Kritérium rium optimálneho modulu Prenos frekvenčného signálu sa zoslabuje smerom k vyšším frekvenciám. Princípom metódy je nastavenie regulátora tak, aby sa rozšírilo prenášané pásmo. Koeficienty regulátora môžeme vypočítať z prenosovej funkcie sústavy. Napr. pre PID regulátor: KS KR = r T T I D = r r 0 1 r1 = r a1 a0 0 r 1 a 0 2 a3 a2 a 1 r 0 = 0,5 a a0. a2 2 a5 a4 a 3 r 1 a a1. a3+ 2. a0. a 2 11 / 14

60 Ziegler-Nicholsova metóda Vychádza z kritických hodnôt zosilnenia a periódy trvalých kmitov K Krit, T Krit, ktoré získame pre regulačný obvod s P regulátorom. Výhoda: Zaručuje stabilitu. Nevýhoda: Vedie ku kmitavým regulačným procesom. Regulátor P PI PID Konštanty K r K r T i K r T i T d Koeficient 0,5. K Krit 0,45. K Krit 0,85. T Krit 0,6. K Krit 0,5. T Krit 0,12. T Krit 12 / 14

61 Vstupné údaje: K S, T a D Integrálne kritéri riá IAE, ITAE (získané identifikáciou pomocou náhradnej sústavy 1. rádu a dopravného oneskorenia) Výpočet pomocou jednoduchých výrazov: Konštanty A a B sú tabelizované. D Y = A ; KR = T B T D TD D = A+ B ; = A T T T T I Y K S B 13 / 14

62 Kritérium rium polovičného útlmu Požiadavka na tvar priebehu prechodovej charakteristiky Vstupné údaje: K S, T a D (získané identifikáciou pomocou náhradnej sústavy 1. rádu a dopravného oneskorenia) Výpočet: 0,946 Y D = 0,928 ; KR = T Y K 0,583 0,95 TI D TD D = 0,928 ; = 0,365 T T T T S 14 / 14

63 Projektovanie Riadiacich Systémov Projektová dokumentácia Ing. Michal Kopček, PhD. S-428S 1 / 14

64 Úvod ISO International Organization for Standardization (medzinárodná organizácia pre normalizáciu) IEC International Electrotechnical Commission (medzinárodná elektrotechnická komisia) STN Slovenská Technická Norma Norma slúži ako univerzálny dorozumievací prostriedok vo všetkých oboroch ľudskej činnosti a uľahčuje spoluprácu medzi zainteresovanými subjektmi od lokálnej úrovne až po medzinárodnú. 2 / 14

65 Dokumentácia stavby Investičný zámer Prípravná dokumentácia Projektová dokumentácia: úvodný projekt: 1. sprievodná správa 2. súhrnné riešenie stavby 3. technologická časť 4. stavebná časť 5. rozpočtová časť 6. plán organizácie výstavby vykonávací projekt Dokumentácia skutočného vyhotovenia Technicko ekonomická správa 3 / 14

66 Projektová dokumentácia STN ISO 10628:2000 Schémy technologických postupov pre výrobné prevádzky - určuje všeobecné pravidlá kreslenia schém technologických postupov pre výrobné prevádzky - principiálne určená pre chemický, petrochemický, farmaceutický, potravinársky a environmentálny priemysel - nevzťahuje sa na elektrotechnické schémy - odkazuje sa na ďalšie normy (STN ISO 3511) Vzhľadom na množstvo poskytovaných informácií schémy delíme na: - Bloková schéma (Block Diagram - BD) - Schéma materiálových tokov (Process Flow Diagram - PFD) - Schéma merania a riadenia (Piping and Instrumentation Diagram P&ID) 4 / 14

67 ISO základné pojmy PROCES: (process) súbor chemických, fyzikálnych alebo biologických operácií, ktoré slúžia k premene, transportu alebo uskladneniu materiálu a energie. PREVÁDZKA: (process plant) zariadenia a budovy nevyhnutné pre prevádzkovanie procesu. VYBAVENIE: (equipment) jednotlivé časti prevádzky napr.: zásobníky, výmenníky tepla, čerpadlá, kompresory atď. DIAGRAM TOKOV: (flow diagram) schéma zachytávajúca pracovné postupy, konfiguráciu a funkcie prevádzky alebo jej časti. Delíme ich na BD, PFD a P&ID. 5 / 14

68 STN ISO BD Bloková schéma zobrazuje proces alebo prevádzku prostredníctvom vzájomne prepojených blokov (v tvare obdĺžnika), ktoré obsahujú vhodný popis. 6 / 14

69 STN ISO PFD Schéma materiálových tokov zobrazuje proces alebo prevádzku prostredníctvom vzájomne prepojených grafických symbolov, ktoré reprezentujú vybavenie a prepojenie medzi nimi predstavuje toky hmoty, energie, alebo nosičov energie. 7 / 14

70 STN ISO P&ID Schéma merania a riadenia vychádza z PFD a zobrazuje technickú realizáciu procesu prostredníctvom vzájomne prepojených grafických symbolov, ktoré reprezentujú vybavenie spolu s prvkami merania a riadenia. 8 / 14

71 Značenie merania a riadenia STN ISO 3511 Funkčné značenie merania a riadenia v priemyselných procesoch (podobné štandardy ISO 14617, ISA S5.1) Rozdelenie: 1. časť: Základné značky STN ISO časť: Rozšírené základné značky STN ISO časť: Podrobné značky pre zapojenie prístrojov 4. časť: Základné značky pre funkcie riadiacich počítačov a systémov so zdieľaným zobrazovaním a riadením STN ISO / 14

72 ISO písmenkové kódy - slúžia na vyznačenie účelu prístroja - vpisujú sa do symbolu prístroja - kód sa skladá z dvoch častí: - Prvé písmeno označuje meranú alebo riadenú veličinu, v prípade potreby sa pripojí doplnkové písmeno - Všetky ďalšie písmená označujú spôsob spracovania (zápis v poradí: IRCQSZA) Systém značenia podľa noriem ISO 3511, ISO a ISA S5.1 sa príliš nelíši. 10 / 14

73 ISO písmenkové kódy 11 / 14

74 ISA S5.1 - písmenkové kódy 12 / 14

75 Funkčné symboly a signálne vedenia 13 / 14

76 Kaskádna regulácia Schéma MaR podľa ISO 3511 Schéma MaR podľa ISA S / 14