LABI a laboratorní úloha DE1

Klíčová slova: laboratoře s dálkovým přístupem, internet, automatická regulace, identifikace, model Simulink.

Abstract: The integrated laboratories of automation are very modern and relevant. They have access locally and via the Internet too. The base builds real technical equipments.   There were obtained worth experiences altogether positive.   But some ones call requirements to modify or improve. The experiment of DE1 is used a thermal system with closed control  loop and perfect automation and informatics equipment. It has a problem with optimal using. Therefore there are searched reasons of errors. Part of  their results is a object of the paper.

Keywords: remote laboratory, the Internet, automation control, identification, modeling.

Úvod

 „Laboratoře integrované automatizace“ (dále jen LABI) (Hruška, 2007) jsou vybudovány jako moderní laboratoře se vzdálenými reálnými výukovými experimenty (dále jen úloha) přístupnými lokálně i dálkově přes internet. LABI slouží pro studium v předmětech souvisejících s průmyslovou automatizací a s aplikovanou informatikou. Mohou je využívat studenti i přednášející a jsou součástí globálního řešení laboratoří FAI na síti internet.

LABI mají v současné době zrealizovány  úlohy  DE1(regulace teploty), DE2(Teplárenská soustava), DE3(průtokoměry), DE4(řízení motoru frekvenčním měničem), DE5(fermentor), DE7/8/9  (hierarchická sestava Profibus/ASI) a DE10 (fotovoltaický panel, je dokončována instalace).  Jsou to reálné sestavy technických zařízení pro provádění různých procesů, tepelných. Elektrických, chemických, ekologických). Přístup na LABI je volný a přes síť Internet je po vyvolání adresy labi.fai.utb.cz.

LABI jsou provozovány od r. 2005. Byly získány cenné zkušenosti, vesměs pozitivní. Některé zkušenosti vyvolávají požadavky na drobné úpravy nebo hledání lepší formy užití a použití ve výuce.

Příspěvek se týká úlohy DE1. U této úlohy se projevily problémy v tom, že předpoklady pro původní záměr byly jiné a úloha nedávala optimální využití.

Analýza úlohy DE1 – regulace teploty

V rámci systému LABI úloha DE1 s názvem „Regulace teploty“  je reálná sestava reálného systému s uzavřeným okruhem regulace teploty. Obsahuje regulovanou soustavu bez i s dopravním zpožděním a s rozloženými parametry a prostředky automatického řízení a informatiky. Schéma je na obr. 1.

Regulovaná soustava je vytvořena zařízením pro tepelný ohřev  (E1), oběhovým čerpadlem (E2), třícestným regulačním ventilem (Y1),  spotřebičem tepla-radiátorem (E3). Regulátor (U1) je kompaktní programovatelný číslicový regulátor s možností dálkového komunikace. Akčním členem je jednotka (K1) pro změny efektivní hodnoty napětí 230V/50 Hz elektrické energie.Velikost dopravního zpoždění lze nastavit změnou rychlosti proudění na čerpadle (E2) a polohou regulačního ventilu (Y1).

 

Obr.1: Blokové  schéma úlohy DE1

 

 

 Obr.2: Schéma sestavy technických prostředků úlohy DE1

Měřené veličiny na soustavě (teploty T1, T2, T3, T4, poloha ventilu Y1)  jsou napojeny na vstupní stranu centrální jednotky  typu PLC (typ SIMATIC S7-300) jako analogové signály.

Její výstupy ovládají analogovým výstupním signálem akční jednotky systému (spojitý regulační ventil Y1, jednotka K1 pro řízení efektivního napětí 230V/50Hz). Propojení typu PROFIBUS je mezi PLC a regulátorem.

Významná část úlohy DE1 patří prostředkům informatiky. Jejich blokové schéma je zobrazeno na schématu 2.

Funkce úlohy DE1

Uživatel  po zvolení úlohy DE1 a po přihlášení se dále rozhodne, zda bude provádět práci na DE1 v režimu:

• režim I: provádění identifikace regulované soustavy

• režim A: zapojení uzavřeného regulačního okruhu s automatickou regulací volené teploty v systému s dopravním zpožděním a s rozloženými parametry.

Režim I umožní měřit data pro provedení experimentální identifikace. Po zadání parametrů se spustí úloha provedením skokové změny. Systém automaticky  archivuje naměřená data. Pro režim I se zadává: velikost příkonu pro ohřev v rozsahu 5-30%, poloha nastavení ventilu v rozsahu 5-100%, doba trvání identifikace  v rozsahu 1-180 min.

Režim A se týká provedení automatické regulace. Zadává se:

•  místo regulované veličiny, teplota T2 nebo T3 nebo T4,
•  žádaná hodnota zvolené veličiny,
•  parametr zesílení regulátoru (1-100%),
•  parametr integrační časové konstanty regulátoru (0,1-1000s),
•  parametr derivační časové konstanty  regulátoru (1-100s),
• poloha nastavení ventilu v rozsahu 5-100%,
• doba trvání experimentu v rozsahu 1-180 min.

Nastavená a naměřená data jsou uložena v souboru, který lze stáhnout a zpracovat v prostředí EXCEL na individuální vyhodnocení.

Problémy s užitím úlohy DE1

Projektový  záměr pro úlohu DE1 byl dálkově po síti Internet provést nejdříve identifikaci soustavy, pak vypočítat podle výsledků identifikace optimální konstanty regulátoru a ověřit si jejich platnost v režimu experimentu automatické regulace pro zadanou žádanou hodnotu regulované veličiny. Výukovým aspektem je aplikace znalostí z teorie automatického řízení na technickém zařízení za pomoci technických prostředků automatizace a informatiky.

Po zprovoznění úlohy DE1 se objevily tyto problémy:

pro  režim identifikace i automatiky se jeví  velký výkon ohřevu (velká strmost ohřevu),  následně  vypínání  pochodu při Tmax, krátká  doba trvání identifikaci pro max. 45 minut,

průběhy u režimu  automatika jsou vesměs kmitavé, nelze najít žádnou metodou optimální konstanty regulátoru.

Provádění experimentální identifikace

Při provádění identifikace musel uživatel nastavovat skokovou změnu vstupu do soustavu  na velmi malou hodnotu, do 10%. Zařízení pro ohřev má vysoký příkon, (na nižší příkon se nevyrábí), takže ohřev byl velmi strmý a dostával se rychle do saturace. Při velmi malém nastaveném příkonu trvala doba identifikace do ustáleného stavu nad možných 45 minut.  Ukázka typických průběhů identifikace je na obr. 3.

Po podrobné analýze bylo provedeno jednak omezení maximálního vstupního napětí ze 230 V_ef  na  1/3 hodnoty tj. cca 76 V_ef. Dále bylo rozšířeno mezení doby trvání experimentu, bylo provedeno prodloužení na 180 minut. Po těchto úpravách je provádění experimentální identifikace bez problémů. Ukázka grafických průběhu experimentální identifikace po provedení úprav je na obr. 4.

 

Obr.3. Průběhy hodnot teplot experimentální identifikace v původním stavu

 

Obr.4  Průběhy hodnot teplot experimentální identifikace v upraveném stavu

Režim automatické regulace

Režim automatické regulace obsahuje krok výpočtu optimálních nastavitelných parametrů regulátoru a krok provedení regulačního pochodu.

Výpočet konstant regulátoru podle výsledků experimentální identifikace byl prováděn podle metod vyučovaných v předmětech TAŘ. Výsledky jednak ukazovaly rozdíly hodnot podle jednotlivé metody, jednak po provedení experimentů s nastavenými hodnotami podle výpočtů bylo chování regulačního pochodu nevyhovující.

Při hledání příčin byla použita simulace v systému Matlab-Simulink. Zde se rozdíly potvrdily. Ze záznamu hodnot vstupů a výstupů regulátoru vyplynulo, že regulátor se nechová jako standardní PID regulátor. Po prostudování manuálu k použitému regulátoru v soustavě bylo rozhodnuto udělat analýzu regulátoru v modelu Simulink.

Simulinkový model regulátoru Simens SIPART DR21

PID řídící algoritmus je implementován v regulátoru SIPART DR21 (Siemens, 2003) v neinteraktivním paralelním zapojení. PID regulátor je rozšířen o filtraci derivační složky, aby se zabránilo zesílení vysokofrekvenčního šumu. Řídící algoritmus PI regulátoru je dán:

                                                                                                                        

a přenos derivační složky s filtrací:

                                                                                                                                                        

kde u(t) je akční zásah, e(t) je regulační odchylka, u₀ umožňuje volbu pracovního bodu, K_p je proporcionální zesílení, T_i  integrační časová konstanta, T_v derivační časová konstanta, vv  derivační zesílení. Parametr vv umožňuje plynule přecházet mezi PI a PID regulátorem a pro malé hodnoty vv je derivační složka málo významná a PID regulátor je blízký PI regulátoru. Regulační odchylka e(t) prochází nejprve adaptivním filtrem s časovou konstantou T_f a blokem s pásmem necitlivosti , zajišťujících odstranění šumu a progresivní chování regulátoru. Akční zásah regulátoru je omezen parametry Y_A,Y_E. Regulátor umožňuje nastavení rozsahu akční veličiny v rozsahu -10 až 110% avšak výstupní proud je vždy kladný. Pokud akční veličina u(t) dosáhne jednoho z limitů Y_A nebo Y_E, další integrace v integračním členu se vypne. Tím se zabrání unášení integrační složky (Integrátor Windup) a při změně polarity regulační odchylky se ihned mění i akční zásah. Vnitřní zapojení regulačního obvodu je znázorněno na Obr. 5 (podle Siemens,2003). Na výstupu akční zásah prochází ještě filtrem s časovými konstantami T_P,T_M, který zabraňuje prudkým změnám akční veličiny a snižuje opotřebení akčních členů. Časová konstanta T_P je použitá pro rostoucí akční zásah a T_M pro klesající akční zásah.

Schéma z Obr. 5 bylo použito pro tvorbu modelu PID regulátoru v Simulinku je na obr. 6. Adaptivní filtr s časovou konstantou T_f byl nahrazen přenosem s odpovídající časovou konstantou T_f. Výstup bloku AntiWindup, který zabraňuje unášení integrační složky je roven K_pT_ie(t), pokud je splněna podmínka:

    

V ostatních případech, kdy je akční zásah v saturaci, je roven 0. Výstupní filtr s parametry T_P,T_M pro rostoucí a klesající akční zásah je nahrazen filtrem s časovou konstantou .

 

Obr. 5  Schéma vnitřního zapojení PID regulátoru

 

Obr. 6 Schéma PID regulátoru SIPART DR21 v prostředí Simulink

 

Vytvořený simulinkový blok „Siemens SIPART DR21“ (Obr. 7) umožňuje nastavení stejných parametrů jako skutečný regulátor Siemens.

Obr. 7 Nastavení parametrů bloku Siemens SIPART DR21pro prostředí Simulink

 

Výsledky praktického ověřování

Po provedení některých úprav v ohřevu proudící kapaliny a v programové aplikaci (změny doby nastavení, omezení elektrického napájení ohřívací jednotky)  byly výsledky analýz ověřeny na modelu DE1 prakticky.

Byla provedena nová identifikace soustavy modelu. Nastavené hodnoty jsou zřejmé z panelu nastavení na Obr. 8. 

Obr. 8  Panel nastavení režimu „Identifikace“

 

Výsledkem experimentální identifikace vyhodnocované metodou nejmenších čtverců je přenos soustavy ve tvaru:

                                                                                                                  

Přenos systému byl použit pro návrh regulátoru metodou inverze dynamiky (Šulc a Vitečková, 2009). Pro zvolený nulový překmit byly získány následující parametry PID regulátoru:

 

 

Protože vypočtená integrační časová konstanta byla vyšší než je možné do úlohy zadat, byla zvolena nejvyšší možná hodnota integrační konstanty (1000s).Regulátor byl nejdříve simulačně ověřen v Simulinku a výsledný regulační pochod je znázorněn na Obr. 11.

 

Obr. 9  Panel nastavení režimu „Automat“

 

Protože vypočtená integrační časová konstanta byla vyšší než je možné do úlohy zadat, byla zvolena nejvyšší možná zadávaná hodnota (1000s). Panel nastavení parametrů pro režim „Automat“ je na Obr. 9. Po zadání všech těchto parametrů bylo provedeno spuštění úlohy. Výsledné měření je zobrazeno na Obr. 10. Z výsledného grafu je patrné že na začátku regulace dochází k překmitu a pak nastává ustálení regulačního děje. Stejné nastavení regulátoru bylo ověřeno i simulačně (Obr. 11).  

 

Obr. 10  Panel nastavení režimu „Automat“

Obr. 11  Ověření regulace v prostředí Simulinku

 

Závěr

Zpracování modelu regulátoru Siemens, typ SIPART DR21, umožnilo poznat příčiny rozdílů funkce úlohy DE1 při provádění režimu regulace a výsledků podle standardních metod syntézy regulačního obvodu. Další zlepšení funkce a zmenšení těchto rozdílů způsobily již provedené a uvedené úpravy technických prostředků úlohy DE1 a úpravy programové aplikace. V následujícím období budou ještě provedeny dílčí úpravy programového vybavení úlohy tak, aby bylo možno využít všech možností regulátoru SIPART DR21 a umožnit plné využití úlohy při výuce.

 Literatura 

• Siemens (2003). Manual. Controller SIPART DR21 6DR210*-*, Edition 4/2003.
• HRUŠKA,F. (2007a) Internet a laboratoře integrované automatizace (The Internet and the Integrated Automation Laboratory). Jemná mechanika a optika, 2007, č. 2, s.64-66. Praha: Fyzikální ústav Akademie věd České republiky, 2006. ISSN 0447-6441.
• HRUŠKA,F. (2007b) Laboratoře integrované automatizace na UTB ve Zlíně (The Integrated Automation Laboratory at the UTB in Zlin). AUTOMA, roč. 51, 2007, č. 2, s.43-46. Praha: FCC Public, 2007. ISSN 1210-9592.
• ŠULC, B, VÍTEČKOVÁ, M. (2004) Teorie a praxe návrhu regulačních obvodů. Vydavatelství ČVUT, Praha, ISBN 80-01-03007-5.