10-04_artykul1p.pdf

(385 KB) Pobierz

<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN" "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">

Pomiary Automatyka Robotyka 10/2004

Zastosowanie programu SIMIT SCE

do modelowania właściwości obiektu

i połączenia z fizycznym sterownikiem PLC

Artur Król

Joanna Moczko-Król *

R ozwiązując problem sterowania procesem fi-

zycznym z użyciem sterownika PLC, należy spo-

rządzić przede wszystkim odpowiedni opis

obiektu. Automatyk szuka zatem matematycznego mo-

delu w postaci układu zależności zachodzących w pro-

cesie, którego rozwiązanie dawałoby wyniki zgodne

z obserwacjami.

Współczesne środowisko wspomagania projektowa-

nia układów automatyki pomaga użytkownikom w bu-

dowie i testowaniu złożonych algorytmów sterowania

oraz daje możliwość symulacyjnej weryfikacji pracy za-

projektowanego układu.

Przeprowadźmy analizę układu rozmytego sterowania

poziomem cieczy (rys. 1).

(2)

q we — strumień masy na wejściu układu,

A — powierzchnia przekroju poprzecznego zbiornika.

Do analizy takiego układu wykorzystaliśmy metodę

hardware-in-the-loop [3] polegającą na podłączeniu,

w naszym przypadku, sterownika PLC do komputera,

w którym wykonywany jest program symulujący zacho-

wanie obiektu w czasie rzeczywistym.

W pierwszej fazie realizacji projektu określiliśmy i spa-

rametryzowaliśmy podstawowe bloki układu sterowa-

nia (rys. 2):

model obiektu zrealizowany w programie symula-

cyjnym SIMIT SCE

regulator zrealizowany za pomocą fizycznego ste-

rownika S7-314.

Modelowanie właściwości obiektu

Intensywny rozwój zastosowań wszelkiego rodzaju pa-

kietów programowych wspomagających projektowa-

nie układów automatyki zmusił wiele firm, zajmujących

się dotychczas produkcją wyłącznie elementów auto-

matyki, do tworzenia programów symulacyjnych.

Jedną z takich ciekawych ofert jest oprogramowanie

SIMIT SCE proponowane przez firmę SIEMENS. Jest to

pakiet stworzony z myślą o testowaniu różnego rodza-

Rys. 1. Zbiornik z wodą

Strumień masy (masowe natężenie przepływu) na

wyjściu zbiornika można zapisać następującym wzo-

rem:

(1)

p 1 — ciśnienie przed zaworem,

p a — ciśnienie zewnętrzne,

— stała zaworu,

r — gęstość cieczy.

Stosując zasadę zachowania masy,

otrzymamy nieliniowe równanie róż-

niczkowe dla wysokości słupa cieczy:

* mgr inż. Artur Król — UDT O/Opole,

mgr inż. Joanna Moczko-Król

— ECO Opole

Rys. 2.

Schemat blokowy układu sterowania

5

842786501.262.png

842786501.273.png

842786501.284.png

842786501.295.png

842786501.001.png

842786501.012.png

842786501.022.png

842786501.033.png

842786501.044.png

842786501.055.png

842786501.066.png

842786501.077.png

842786501.088.png

842786501.099.png

842786501.110.png

842786501.121.png

842786501.132.png

842786501.143.png

842786501.154.png

842786501.165.png

842786501.176.png

842786501.187.png

842786501.198.png

842786501.209.png

842786501.219.png

842786501.229.png

842786501.234.png

842786501.235.png

842786501.236.png

842786501.237.png

842786501.238.png

842786501.239.png

842786501.240.png

842786501.241.png

842786501.242.png

842786501.243.png

842786501.244.png

842786501.245.png

842786501.246.png

842786501.247.png

842786501.248.png

842786501.249.png

842786501.250.png

842786501.251.png

842786501.252.png

842786501.253.png

842786501.254.png

842786501.255.png

842786501.256.png

842786501.257.png

842786501.258.png

842786501.259.png

842786501.260.png

842786501.261.png

842786501.263.png

842786501.264.png

842786501.265.png

842786501.266.png

842786501.267.png

842786501.268.png

842786501.269.png

842786501.270.png

842786501.271.png

842786501.272.png

842786501.274.png

842786501.275.png

842786501.276.png

842786501.277.png

842786501.278.png

842786501.279.png

842786501.280.png

842786501.281.png

842786501.282.png

842786501.283.png

842786501.285.png

842786501.286.png

842786501.287.png

842786501.288.png

842786501.289.png

842786501.290.png

842786501.291.png

842786501.292.png

842786501.293.png

842786501.294.png

842786501.296.png

842786501.297.png

842786501.298.png

842786501.299.png

842786501.300.png

842786501.301.png

842786501.302.png

842786501.303.png

842786501.304.png

842786501.305.png

842786501.002.png

842786501.003.png

842786501.004.png

842786501.005.png

842786501.006.png

842786501.007.png

842786501.008.png

842786501.009.png

842786501.010.png

842786501.011.png

842786501.013.png

842786501.014.png

Pomiary Automatyka Robotyka 10/2004

ju układów regulacji przez ka-

drę inżynierską oraz nauko-

we grupy badawcze. Pakiet

ten pozwala użytkownikowi

na:

modelowanie obiektu

testowanie całego układu

automatyki w czasie rze-

czywistym

połączenie z rzeczywistym

sterownikiem

możliwość stworzenia spe-

cjalnej nakładki graficznej

pozwalającej na zmianę pa-

rametrów obiektu

wizualizację zmiennych

dynamicznych

połączenie z innymi pro-

gramami

wykorzystanie bogatej bi-

blioteki gotowych elemen-

tów

tworzenie własnych bibliotek z elementami zdefi-

niowanymi za pomocą wzorów matematycznych.

Rys. 3. Schemat blokowy modelu oraz okno

wizualizacji

elementów umożliwiających pomiar:

– stopnia otwarcia zaworu

– poziomu cieczy w zbiorniku

elementów umożliwiających wykonanie potrzeb-

nych obliczeń matematycznych.

Na podstawie schematu blokowego modelu wygene-

rowaliśmy okno wizualizacji procesu (rys. 3), które

umożliwiło on line :

graficzny podgląd stopnia otwarcia poszczególnych

zaworów

graficzny podgląd poziomu cieczy

wprowadzanie wartości zadanej poziomu

cyfrowy podgląd poziomu cieczy w zbiorniku

wyświetlenie w formie cyfrowej stopnia otwarcia za-

worów.

Dla tak przygotowanego schematu blokowego obiek-

tu dodatkowo sparametryzowaliśmy moduł umożliwia-

jący komunikację modelu ze sterownikiem PLC oraz

moduł graficzny, który wykreślał przebiegi w interesu-

jących nas punktach (rys. 5).

Przed rozpoczęciem procesu symulacji program SIMIT

SCE wymaga, aby użytkownik zaprojektował tzw. plan,

czyli model obiektu, całego układu regulacji lub proce-

su fizycznego (rys. 3). Tworzy się go przy wykorzystaniu

elementów z bibliotek, definiując dodatkowo np. spo-

sób komunikacji z rzeczywistym sterownikiem PLC lub

programem pracującym w środowisku Windows. Na-

stępnie, na podstawie tak stworzonego planu można

wygenerować graficzne okno, dzięki któremu użytkow-

nik wpływa (zmienia), w trakcie pracy on line , wybra-

ne wartości parametrów obiektu lub całego układu au-

tomatyki (rys. 3). Dodatkowo istnieje możliwość

zdefiniowania zmiennych, które dzięki specjalnemu

modułowi mogą być wyświetlane i wykreślane w trak-

cie symulacji w czasie rzeczywistym.

Tak stworzony projekt zostaje następnie poddany

procesowi kompilacji, w wyniku czego otrzymujemy

specjalne pliki, które umożliwiają jego wykonanie w śro-

dowisku Windows w czasie rzeczywistym.

W naszym przykładzie projekt stworzony w progra-

mie SIMIT SCE wymagał zdefiniowania następujących

elementów (rys. 3):

modelu zbiornika scharakteryzowanego przez:

– pojemność

– pole powierzchni zbiornika

– sposób ustawienia zbiornika

– ciśnienie zewnętrzne

– początkową temperaturę cieczy w zbiorniku

– początkowy poziom cieczy

zaworów opisanych przez:

– charakterystykę zaworu

– parametry przepływu

elementów wymuszających przepływ cieczy

elementów umożliwiających komunikację z ze-

wnętrznym sterownikiem PLC

Projektowanie regulatora rozmytego

W pierwszej fazie realizacji postawionego zadania zde-

finiowaliśmy kryterium, jakie musi spełniać regulator.

Założyliśmy, że przy skokowym otwarciu zaworu po-

ziom cieczy w zbiorniku powinien bez przeregulowa-

nia osiągnąć poziom zadany.

Proces projektowania regulatora rozmytego (FLC)

rozpoczęliśmy od przyjęcia jako zmiennych wejścio-

wych regulatora: wysokości słupa cieczy h i zmiany D h ,

a jako zmiennej wyjściowej: stopnia otwarcia zaworu k .

W następnym kroku wyznaczyliśmy przestrzenie oraz

funkcje przynależności zbiorów rozmytych związanych

z etykietami lingwistycznymi dla wybranych zmiennych.

Dla h i D h przestrzenie dobraliśmy w przedziale (0, 2),

a dla k w przedziale (0, 100).

6

842786501.015.png

842786501.016.png

842786501.017.png

842786501.018.png

842786501.019.png

842786501.020.png

842786501.021.png

842786501.023.png

842786501.024.png

842786501.025.png

842786501.026.png

842786501.027.png

842786501.028.png

842786501.029.png

842786501.030.png

842786501.031.png

842786501.032.png

842786501.034.png

842786501.035.png

842786501.036.png

842786501.037.png

842786501.038.png

842786501.039.png

842786501.040.png

842786501.041.png

842786501.042.png

842786501.043.png

842786501.045.png

842786501.046.png

842786501.047.png

842786501.048.png

842786501.049.png

842786501.050.png

842786501.051.png

842786501.052.png

842786501.053.png

842786501.054.png

842786501.056.png

842786501.057.png

842786501.058.png

842786501.059.png

842786501.060.png

842786501.061.png

842786501.062.png

842786501.063.png

842786501.064.png

842786501.065.png

842786501.067.png

842786501.068.png

842786501.069.png

842786501.070.png

842786501.071.png

842786501.072.png

842786501.073.png

842786501.074.png

842786501.075.png

842786501.076.png

842786501.078.png

842786501.079.png

842786501.080.png

842786501.081.png

842786501.082.png

842786501.083.png

842786501.084.png

842786501.085.png

842786501.086.png

842786501.087.png

842786501.089.png

842786501.090.png

842786501.091.png

842786501.092.png

842786501.093.png

842786501.094.png

842786501.095.png

842786501.096.png

842786501.097.png

842786501.098.png

842786501.100.png

842786501.101.png

842786501.102.png

842786501.103.png

842786501.104.png

842786501.105.png

842786501.106.png

842786501.107.png

842786501.108.png

842786501.109.png

842786501.111.png

842786501.112.png

842786501.113.png

842786501.114.png

842786501.115.png

842786501.116.png

842786501.117.png

842786501.118.png

842786501.119.png

842786501.120.png

842786501.122.png

842786501.123.png

842786501.124.png

842786501.125.png

842786501.126.png

842786501.127.png

842786501.128.png

842786501.129.png

842786501.130.png

842786501.131.png

842786501.133.png

842786501.134.png

842786501.135.png

842786501.136.png

842786501.137.png

842786501.138.png

842786501.139.png

842786501.140.png

842786501.141.png

842786501.142.png

842786501.144.png

842786501.145.png

842786501.146.png

842786501.147.png

842786501.148.png

842786501.149.png

842786501.150.png

842786501.151.png

842786501.152.png

842786501.153.png

842786501.155.png

842786501.156.png

842786501.157.png

842786501.158.png

842786501.159.png

842786501.160.png

842786501.161.png

842786501.162.png

842786501.163.png

842786501.164.png

842786501.166.png

842786501.167.png

842786501.168.png

842786501.169.png

842786501.170.png

842786501.171.png

842786501.172.png

842786501.173.png

842786501.174.png

842786501.175.png

842786501.177.png

842786501.178.png

842786501.179.png

842786501.180.png

842786501.181.png

842786501.182.png

842786501.183.png

842786501.184.png

842786501.185.png

842786501.186.png

842786501.188.png

842786501.189.png

842786501.190.png

842786501.191.png

842786501.192.png

842786501.193.png

842786501.194.png

842786501.195.png

842786501.196.png

842786501.197.png

842786501.199.png

842786501.200.png

842786501.201.png

842786501.202.png

842786501.203.png

842786501.204.png

842786501.205.png

842786501.206.png

842786501.207.png

842786501.208.png

842786501.210.png

842786501.211.png

842786501.212.png

842786501.213.png

842786501.214.png

Pomiary Automatyka Robotyka 10/2004

Natomiast funkcje przynależności zbiorów rozmy-

tych są związane ze zbiorami terminów: wysokość słu-

pa cieczy, zmiany poziomu cieczy i stopień otwarcia za-

woru. Zbiory terminów podzieliliśmy na następujące

etykiety lingwistyczne:

dla h — „niski N ”, „odpowiedni OK ”, „wysoki W ”

dla D h — „mały M ”, „bez zmian BZ ”, „duży D ”

dla k — „zamknij szybko ZS ”, „zamknij wolno ZW ”,

„nie zmieniaj NZ ”, „otwórz wolno OW ”, „otwórz szyb-

ko OS ”.

W opisanym przykładzie funkcja wiążąca zależności

h , D h i k jest wyrażona za pomocą modelu rozmytego

i została przez nas wyznaczona na podstawie wiedzy

eksperta [7].

Zbiór doświadczeń eksperta odzwierciedlają nastę-

pujące rozważania:

jeśli poziom cieczy w zbiorniku jest równy zadanemu,

to nie należy zmieniać stopnia otwarcia zaworu

jeśli poziom cieczy w zbiorniku jest niższy od zada-

nego, to należy otworzyć maksymalnie zawór

jeśli poziom cieczy w zbiorniku jest wyższy od zada-

nego, to należy zamknąć zawór

jeśli poziom cieczy w zbiorniku jest bliski zadane-

mu, a jego przyrost jest duży, to należy zawór zamy-

kać powoli

jeśli poziom cieczy w zbiorniku jest bliski zadane-

mu, a jego przyrost jest mały, to należy zawór otwie-

rać powoli.

Na podstawie tych rozważań otrzymaliśmy część wie-

dzy o systemie w postaci zbioru reguł:

Reguła 1: JEŚLI (h = OK), TO (k = NZ).

Reguła 2: JEŚLI (h = N), TO (k = OS).

Reguła 3: JEŚLI (h = W), TO (k = ZS).

Reguła 4: JEŚLI (h = OK) I ( D h = D), TO (k = ZW).

Reguła 5: JEŚLI (h = OK) I ( D h = M), TO (k = OW).

Rys. 4. Funkcje przynależności dla h i k oraz wynikowa płasz-

czyzna decyzyjna regulatora FL

Ponieważ zbiór powyższych reguł jest uboższy od

mentalnego (zbiór zawierający wiedzę świadomą i pod-

świadomą o systemie rzeczywistym), to wszystkie dodat-

kowe informacje muszą być uzupełnione na zasadzie

domniemania (intuicji) przez kolejnego eksperta, tym

razem eksperta modelowania rozmytego.

Jego zadaniem było:

określenie rodzaju fuzyfikacji (określenie kształtu

i parametrów funkcji przynależności)

określenie na podstawie wyjściowych stopni przy-

należności tzw. wynikowej funkcji przynależności na

podstawie ściśle zdefiniowanych elementów — bazy

reguł, mechanizmów inferencji, funkcji przynależ-

ności dla wyjścia modelu

określenie na podstawie wyjściowej funkcji przyna-

leżności ostrej wartości wyjścia

dostrojenie modelu rozmytego.

Do budowy naszej struktury rozmytej wykorzystaliśmy

program Fuzzy Control++ firmy SIEMENS [6]. Ponie-

waż wymusił on pewne ograniczenia, to w naszym za-

daniu przyjęliśmy dla wejść h i D h trójkątne funkcje

przynależności i singletonowe funkcje dla wyjścia k ,

rozmieszczone w sposób pokazany na rys. 4.

Do określenia ostrej wartości sygnału k mogliśmy wy-

korzystać jedynie metodę środka ciężkości, co w rezul-

tacie dało płaszczyznę wiążącą wartości parametrów h ,

D h i k przedstawioną na rys. 4. Przy zastosowaniu sing-

letonowych funkcji przynależności wyjścia znacznie

uprościł się proces defuzyfikacji oparty na metodzie

środka ciężkości. Jest to bardzo ważne, bo pozbywamy

się wtedy dużego nakładu obliczeniowego związanego

z całkowaniem powierzchni o nieregularnym kształcie.

Do fizycznej realizacji regulatora rozmytego wybrali-

śmy rzeczywisty sterownik SIMATIC z jednostką cen-

tralną S7-314. Następnie za pomocą oprogramowania

Fuzzy Control++ skonfigurowaliśmy blok danych

(DB30), który zawierał wszelkie informacje potrzebne

do obliczeń dla specjalnego bloku funkcyjnego FB30.

Blok ten zapisaliśmy do sterownika, dzięki utworzone-

mu wcześniej kanałowi w SIMATIC NET S7.

Komunikacja między programem SIMIT SCE a S7-314

odbywała się poprzez interfejs MPI, dzięki czemu zre-

alizowaliśmy podstawową cechę metody hardware-

in-the-loop .

7

842786501.215.png

842786501.216.png

842786501.217.png

842786501.218.png

842786501.220.png

842786501.221.png

842786501.222.png

842786501.223.png

842786501.224.png

Pomiary Automatyka Robotyka 10/2004

Po uruchomieniu symulacji w programie SIMIT SCE,

dzięki jego możliwościom graficznym, mogliśmy ob-

serwować zmiany poziomu cieczy w zbiorniku przy

jednoczesnych zmianach poziomu zadanego. Jak widać

na rys. 5 układ nie wykazuje przeregulowań, a więc za-

projektowany regulator umożliwił zrealizowanie zało-

żonego kryterium.

Dodatkowo możliwości programu Fuzzy Control++

pozwoliły na stały podgląd on line stopnia aktywacji

poszczególnych reguł w procesie dochodzenia do war-

tości zadanej poziomu cieczy w zbiorniku (rys. 6).

czytelność dużych schematów blokowych

bogata firmowa biblioteka różnorodnych elemen-

tów pomocnych do modelowania obiektów, całych

procesów technologicznych

otwartość systemu wyrażająca się możliwością do-

łączania nowych bibliotek i korzystania z innych pro-

gramów

łatwość porównywania wykresów otrzymanych dla

różnych wartości zmiennych

standardowy interfejs do komunikacji z użytkowni-

kiem

dodatkowo — symulacja regulatora w sposób zapew-

niający reakcję na sygnały z rzeczywistego obiektu.

Takie podejście do wspomagania projektowania au-

tomatyki daje praktycznie nieograniczone możliwości,

a jego zastosowanie może być w łatwy sposób rozsze-

rzone na testowanie:

zaawansowanych algorytmów PID (z kompensacją

opóźnienia, przestrajanym wzmocnieniem, samona-

strajających się, wielowymiarowych)

regulatorów optymalnych, sterowania predyktyw-

nego i adaptacyjnego

algorytmów sztucznej inteligencji (regulatorów wy-

korzystujących sztuczne sieci neuronowe, algoryt-

my genetyczne lub logikę rozmytą).

Rys. 5. Przebieg zmian poziomu cieczy w zbiorniku

Wydaje się, że w dobie wszelkiego rodzaju specjali-

zowanych, zaawansowanych układów regulacji, współ-

czesny projektant musi sięgać po niekonwencjonalne

metody rozwiązywania skomplikowanych problemów

automatyki.

Bibliografia

1. Fuzzy Control++. User's Manual. SIEMENS AG 1998.

2. Kahlert J., Frank H.: Fuzzy-Logik und Fuzzy-Control.

Vieweg & Sohn Verlag GmbH, Braunschweig/Wies-

baden 1994.

3. Kołek K., Sochacki M.: Hardware-in-the-loop w pro-

gramowaniu sterowników PLC. PAR 12/1999 s. 5–8.

4. Kowal J.: Podstawy automatyki. Uczelniane Wydaw-

nictwo Naukowo-Dydaktyczne. Kraków 2003.

5. Król A., Moczko-Król J.: S5/S7 Windows. Programo-

wanie i symulacja sterowników PLC firmy SIEMENS.

Wydawnictwo NAKOM, Poznań 2000.

6. Król A., Moczko-Król J.: Zastosowanie metody hard-

ware-in-the-loop do budowy regulatora adaptacyj-

nego PI wykorzystującego logikę rozmytą w sterow-

nikach PLC. PAR 1/2003 s. 8–11.

7. Piegat A.: Modelowanie i sterowanie rozmyte. Aka-

demicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 1999.

8. Rojek R., Bartecki K., Korniak J.: Zastosowanie

sztucznych sieci neuronowych i logiki rozmytej

w automatyce. Skrypt nr 234 Politechniki Opol-

skiej. Opole 2000.

9. SIMIT BASIC. Bedienungshandbuch. SIEMENS AG

2003.

10. SIMIT SCE. Telestart Übungsaufgaben. SIEMENS

AG 2003.

Rys. 6. Stopnie aktywacji poszczególnych reguł

Podsumowanie

Zastosowanie metody hardware-in-the-loop w znaczny

sposób wspomaga proces projektowania prostych, jak

i zaawansowanych układów sterowania. Mając dodat-

kowo dobre oprogramowanie do symulacji wszelkie-

go rodzaju obiektów, metoda ta pozwala na ocenę dzia-

łania całego układu regulacji. Ogranicza tym samym

czas testowania w warunkach przemysłowych, a dla

obiektów nietypowych umożliwia wstępny wybór stra-

tegii sterowania.

Dobry program symulacyjny powinny cechować:

łatwość konstruowania schematów blokowych

dostępność złożonych funkcji matematycznych, bez

konieczności ich modelowania

8

842786501.225.png

842786501.226.png

842786501.227.png

842786501.228.png

842786501.230.png

842786501.231.png

842786501.232.png

842786501.233.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

01.pdf (295 KB)
Instrukcja-TwinCAT.pdf (3557 KB)
000030.pdf (1921 KB)
03-08_artykul1p.pdf (310 KB)
03_3a TSX PREMIUM_INSTALOW_MONTAZ.pdf (6340 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin