Программирование ПЛК GE Fanuc семейства VersaMax. Разработка системы автоматического регулирования температуры печи.

Цель работы:

- изучение контроллеров семейства VersaMax фирмы GE Fanuc;

- ознакомление с программным обеспечением CIMPLICITY Machine Edition для разработки прикладных программ контроллеров GE Fanuc;

- получение практических навыков разработки прикладных программ для контроллеров семейства VersaMax фирмы GE Fanuc в инструментальной среде программирования CIMPLICITY Machine Edition;

- изучение функционального блока PIDISA, реализующего ПИД-закон регулирования;

- разработка системы автоматического регулирования температуры в печи на базе контроллеров семейства VersaMax;

- определение настроечных параметров ПИ-регулятора для разработанной САР температуры в печи;

- исследование характеристик САР, определение показателей качества переходных процессов.

Теоретический материал

Комплекс технических средств семейства VersaMax производится фирмой GE Fanuc и является недорогим решением для построения систем автоматического управления с небольшим количеством обрабатываемых точек ввода/вывода (до 2048 каналов ввода/вывода). Кроме того, компактность, высокие коммуникационные возможности, низкая стоимость и высокая надежность работы элементов в совокупности с модульным принципом построения систем автоматического управления позволяют использовать их в качестве устройств сопряжения с объектом (УСО) в автоматизированных системах большой и средней мощности.

Комплекс технических средств семейства VersaMax включает следующие компоненты для разработки систем автоматического управления:

- процессорные модули – осуществляют непосредственную обработку данных на основе заложенных алгоритмов функционирования;

- модули питания;

- коммуникационные модули – обеспечивают информационный обмен данными с другими техническими средствами по специализированным протоколам связи;

- модули ввода/вывода – обеспечивают непосредственный прием и первичную обработку данных от датчиков технологической информации, обеспечивают обмен данными с процессорным модулем по общей шине, а также преобразуют управляющие команды процессорного модуля в электрические сигналы управления исполнительными устройствами;

- базовые модули для установки модулей ввода/вывода и обеспечения связи с процессорным модулем.

Фирмой GE Fanuc выпускается обширная номенклатура по каждому компоненту комплекса технических средств семейства VersaMax.

На рис. 1 показана обобщенная структура системы автоматического управления на основе программируемых логических контроллеров.

Рис. 1. Структура ПЛК.

Прикладная программа выполняется в ПЛК непрерывно и циклично. Наряду с выполнением заложенной программы ПЛК осуществляет ввод/вывод данных, сервисные и диагностические функции, а также связь с другими устройствами.

Основным режимом работы ПЛК является режим стандартного цикла. В этом режиме новый цикл выполнения задач в ПЛК начинается сразу после окончания предыдущего цикла.

ПЛК также может работать в режиме фиксированного цикла. В этом режиме на выполнение каждого цикла задач в ПЛК отводится одинаковый (фиксированный) промежуток времени.

Структура цикла выполнения задач в ПЛК VersaMax показана на рис. 2.

Рис. 2. Структура цикла выполнения задач в ПЛК VersaMax.

Память контроллера поделена на области, каждая их которых предназначена для хранения определенного вида переменных или констант. Каждая область памяти распознается по буквенному идентификатору, который указывается в виде префикса при адресации к конкретной ячейке памяти. Назначение областей памяти для хранения данных и их идентификаторы приводится в табл. 1.

Таблица 1. Области памяти ПЛК и их идентификаторы.

Тип	Описание	Функция
%I	Регистр для хранения дискретных входных величин	Состояние входного дискретного сигнала, в течение последнего выполненного цикла программы.
%Q	Регистр для хранения дискретных выходных величин	Состояние выходного дискретного сигнала, установленное программой в течение последнего выполненного цикла программы.
%M	Регистр для хранения внутренней булевой переменной (1 разряд)	Ячейка памяти для хранения информации, используемой только внутри программы.
%S	Регистр для хранения системных переменных (1 разряд)	Системные булевые сигналы состояний отдельных частей ПЛК
%T	Регистр для хранения временных переменных (1 разряд)	Внутренний регистр для хранения булевых значений, используется для тех же функций, что и регистры %М, за исключением того, что при отключении питания их значения не сохраняются.
%R	Регистр общего назначения для хранения 16-разрядных слов	Область памяти, используемая для хранения численных данных.
%AI	Регистр для хранения данных аналоговых входов (16-разрядное слово)	Регистр, хранящий значение аналоговых входов.
%AO	Регистр для хранения данных аналоговых выходов (16-разрядное слово)	Регистр, хранящий значение аналоговых выходов.
%G	Регистр для хранения глобальных переменных (используемых в различных программах) данных	Регистры для хранения данных глобального класса – используются для раздельного использования одних и тех же данных различными ПЛК.

Установка включает:

- объект регулирования – печь с электрическим нагревателем и вентилятором;

- датчик температуры – термометр сопротивления;

- систему автоматического регулирования на базе КТС VersaMax, включающую:

· процессорный модуль IC200CPU001;

· модуль питания IC200PWR001;

· базовые модули IC200CHS012;

· модуль ввода/вывода аналоговый IC200 смешанного типа (имеются как входные, так и выходные каналы);

· модуль ввода/вывода дискретный IC200MDD841 смешанного типа (имеются как входные, так и выходные каналы);

- рабочая станция (персональный компьютер) с программным обеспечением CIMPLICITY Machine Edition ­– для разработки прикладных программ, конфигурирования системы автоматического регулирования, загрузки программ в контроллер и наблюдения за процессом обработки информации в контроллере;

- исполнительное устройство – преобразователь выходного сигнала системы автоматического регулирования (сигнал постоянного тока с диапазоном 4…20 мА) в напряжение, подводимое к нагревательному элементу печи.

Структурная схема системы автоматического регулирования температуры печи показана на рис. 3.

Рис. 3. Система автоматического регулирования температуры печи.

В качестве объекта регулирования используется печь, имеющая нагревательный элемент и вентилятор (для увеличения скорости охлаждения печи).

Регулируемым параметром в системе автоматического регулирования является температура печи, измеряемая с помощью датчика температуры.

Автоматический регулятор формируется в контроллере VersaMax IC200CPU001 программным образом с помощью функционального блока PID_ISA, реализующего ПИД-закон регулирования.

Заданное значение регулируемого параметра (уставка регулирования) также устанавливается программным образом при формировании автоматического регулятора.

Регулирующее воздействие формируется на аналоговом выходе системы автоматического управления в соответствии с ПИД-законом регулирования и представляет собой сигнал постоянного тока с диапазоном 4…20 мА.

Исполнительное устройство воздействует на материальный поток Q таким образом, чтобы стабилизировать температуру в печи. В качестве исполнительного устройства используется преобразователь постоянного тока в напряжение. Изменение температуры печи осуществляется за счет увеличения или уменьшения напряжения, подводимого к нагревательному элементу. В этом случае в качестве материального потока выступает электрический ток, протекающий через нагревательный элемент печи.

Разработка прикладных программ и конфигурирование контроллеров производится с помощью инструментальной среды программирования CIMPLICITY Machine Edition на языке релейной логики (LD) или языке списка команд (IL). Следует отметить, что язык релейной логики в среде CIMPLICITY Machine Edition включает в себя не только элементы релейной логики, но и функциональные блоки, т.е. объединяет в себе преимущества обоих языков программирования.

Для разработки прикладных программ и связи с контроллерами VersaMax в среде CIMPLICITY Machine Edition предусмотрены следующие средства:

- Навигатор (Navigator) – средство управления процессом разработки прикладных программ в инструментальной среде CIMPLICITY Machine Edition.

- Управление вводом/выводом (Control I/O) – средство настройки и конфигурирования устройств ввода/вывода и их драйверов.

- Информационная зона (Feedback Zone) – показывает информацию о действиях и событиях, произошедших во время работы в среде программирования CIMPLICITY Machine Edition. Там же отображаются результаты выполненных операций.

- Инспектор (Inspector) – средство, в котором отображаются свойства и текущие настройки выделенных элементов или объектов.

- Просмотр данных (Data Watch) – средство отладки, позволяющее следить за состоянием переменных и задавать им фиксированные значения.

- Просмотр данных (Data Monitor) – средство просмотра значений переменных с помощью временных диаграмм.

- Набор инструментальных средств (Toolchest) – средство, содержащее полный список элементов и объектов для разработки прикладных программ, которые сгруппированы по классам. Данное средство предназначено для быстрого поиска и использования элементов программирования и конфигурирования.

- Помощник (Companion) – средство предоставления краткой информации по выделенному элементу или объекту.

- Информационное окно (Info Viewer) – средство предоставления информации по компонентам среды программирования CIMPLICITY Machine Edition.

- Редактор логики – основной элемент программного пакета, в котором составляются прикладные программы.

- Конфигурация аппаратной части (Hardware Configuration) – графическое средство, позволяющее в удобной форме выполнить конфигурацию аппаратной части контроллера.

- Таблица просмотра адресов (Reference View Table) – средство, позволяющее просматривать и следить за состоянием областей памяти ПЛК.

Кроме перечисленных средств инструментальная среда программирования CIMPLICITY Machine Edition включает также другие средства разработки прикладных программ и конфигурирования ПЛК, которые выходят за рамки выполнения данной лабораторной работы.

Как отмечалось ранее, автоматический регулятор в САР температуры печи формируется программным образом с помощью функционального блока PID_ISA. Внешний вид блока PID_ISA приведен на рис. 4.

Рис. 4. Функциональный блок PID_ISA

В табл. 2 приведен список входов и выходов блока PID_ISA и их назначение.

Таблица 2. Назначение входов и выходов блока PID-ISA.

Вход/ выход	Допустимые значения	Описание
enable	Булевый вход. Имитирует питание функционального блока.	Разрешает работу блока PID_ISA при наличии на входе «1».
SP	Данные, хранящиеся в регистрах I, Q, M, T, G, R, AI, AQ	Заданное значение регулируемого параметра.
PV	Данные, хранящиеся в регистрах I, Q, M, T, G, R, AI, AQ	Текущее значение регулируемого параметра.
MAN	Булевый вход.	При подаче «1» - блок PID_ISA переводится в режим ручного управления. «0» - автоматический режим.
UP	Булевый вход.	В ручном режиме управления при каждом появлении на входе «1» выход блока PID_ISA увеличивается на 1.
DN	Булевый вход.	В ручном режиме управления при каждом появлении на входе «1» выход блока PID_ISA уменьшается на 1.
Address	Данные, хранящиеся в регистрах общего назначения R	Адрес начального регистра области памяти (состоящей из 40 регистров), в которой хранятся настроечные параметры блока PID_ISA.
ОК	Булевый вход.	Если блок PID_ISA сконфигурирован без ошибок, на этом выходе появится «1».
CV	Данные, хранящиеся в регистрах I, Q, M, T, G, R, AI, AQ	Выход блока PID_ISA, на котором формируется регулирующее воздействие.

Под хранение параметров настройки блока PID_ISA в памяти контроллера отводится 40 регистров (16-разрядных). Перечень регистров и их назначение приведены в табл. 3.

Таблица 3. Регистры блока PID_ISA и их назначение.

Адресс	Параметр	Единицы измерения	Диапазон допустимых значений	Описание
Начальный адресс	Номер регулятора	Целое число	0…255	Необязательный параметр. Обеспечивает идентификацию блока регулирования в системе автоматического управления.
Начальный адрес+1	Алгоритм	-	Устанавливается ПЛК	1 – алгоритм ISA 2 – алгоритм IND
Начальный адрес+2	Период выборки	10 мс	0 (каждый цикл) …65535 (10,9мин)	Наименьшее время между выполнением ПИД-алгоритма, кратное 10 мс.
Начальный адрес+3	Верхняя граница зоны нечувстви-тельности	Единицы измерения регули-руемой величины	0…32000	Верхняя граница зоны нечувствительности. Блок PID_ISA будет обрабатывать сигнал рассогласования только в том случае, если величина рассогласования будет превышать верхнюю границу зоны нечувствительности.
Начальный адрес+4	Нижняя граница зоны нечувстви-тельности	Единицы измерения регули-руемой величины	0…32000	Нижняя граница зоны нечувствительности. Блок PID_ISA будет обрабатывать сигнал рассогласования только в том случае, если величина рассогласования будет меньше нижней границы зоны нечувствительности.
Начальный адрес+5	Коэффициент пропорциона-льности		0…327,67%	Задает насколько изменится величина регулирующего воздействия на выходе CV при изменении регулируемого параметра PV на 100 единиц.
Начальный адрес+6	Коэффициент дифференци-рования	0,01 с	0…327,67 с	Задает насколько изменится величина регулирующего воздействия на выходе CV при изменении регулируемого параметра PV или сигнала рассогласования на 1 единицу каждые 10 мс.
Начальный адрес+7	Коэффициент интегри-рования	Повторов в 1000 с	0…32,767 повторов/с	Задает насколько изменится величина регулирующего воздействия на выходе CV, если на вход блока PID_ISA будет подан постоянный сигнал рассогласования, равный единице.
Начальный адрес+8	Смещение выхода	Единицы измерения регулирую-щего воздействия	-32000…+32000	Задает величину, добавляемую к значению выхода CV.
Начальный адрес+9	Верхняя граница регулирую-щего воздействия CV	Единицы измерения регулирую-щего воздействия	-32000…+32000	Задает верхнее допустимое значение величины CV.
Начальный адрес+10	Нижняя граница регулирую-щего воздействия CV	Единицы измерения регулирую-щего воздействия	-32000…+32000	Задает нижнее допустимое значение величины CV.
Начальный адрес+11	Минимальное время полного пробега	с/полный пробег	0 (нет) … 32000 с	Задает минимальное время, за которое выходное регулирующее воздействие СV может измениться от 0 до 100 %.
Начальный адрес+12	Регистр хранения параметров конфигу-рирования.		Используются 5 младших разрядов. Остальные устанавливаются в 0.	Разряд 0 – задает способ вычисления сигнала рассогласования: если установлен 0, то Е=(SP-PV), если 1 – Е=(PV-SP). Разряд 1 – задает полярность величины регулирующего воздействия CV: если установлен 0, то CV не инвертируется, 1 – CV инвертируется. Разряд 2 – задает способ формирования дифференциальной составляющей алгоритма: 0 – дифференциальная составляющая формируется по величине сигнала рассогласования, 1- по величине текущего значения регулируемого параметра PV. Разряд 3 – определяет влияние зоны нечувствительности: 0 – при формировании выходного регулирующего воздействия учитывается зона нечувствительности, 1 – зона нечувствительности не учитывается. Разряд 4 – определеяет способ формирования коррекции интегратора при достижении границ диапазона: 0 – при достижении границ диапазона выхода регулятора фиксируется граничное значение; 1 – при достижении границы регулятор возвращается к исходному значению, с которого начиналось интегрирование.
Начальный адрес+13	Управляющее воздействие в ручном режиме	Единицы измерения регулирую-щего воздействия	От нижней границы регулирующего воздействия CV до верхней.	Отслеживает выходное значение CV блока PID_ISA в автоматическом режиме, в ручном режиме задает значение выхода CV блока PID_ISA.
Начальный адрес+14	Регистр хранения управляю-щего слова	Кодовая комбинация	Если в младшием регистре 0, слово формируется самим ПЛК	Разряд 0 – позволяет (если 1) или запрещает (если 0) формирование управляющего слова внешним устройством. Разряд 1 – переводит вблок в ручной (если 1) или автоматический (если 1) режим работы. Разряд 2 – разрешает (если 1) или запрещает (если 0) работу блока PID_ISA. Разряд 3 – если 1 и блок PID_ISA переведен в ручной режим, то в каждом цикле обработки программы выход CV будет увеличиваться на 1, в противном случае – изменения CV не будет. Разряд 4 - если 1 и блок PID_ISA переведен в ручной режим, то в каждом цикле обработки программы выход CV будет уменьшаться на 1, в противном случае – изменения CV не будет.
Начальный адрес+15	Регистр внутреннего использова-ния для хранения уставки SP.	-	Устанавливается ПЛК	Отслеживает заданное значение регулируемой величины SP. Если разряд 0 регистра хранения управляющего слова установлен в 1 – величина SP задается от внешнего устройства.
Начальный адрес+16	Регистр внутреннего использо-вания для хранения значения выходного управляю-щего воздействия CV.	-	Устанавливается ПЛК.	Отслеживает значение выходного управляющего воздействия CV блока PID_ISA, реализующего ПИД-закон регулирования.
Начальный адрес+17	Регистр внутреннего использо-вания для хранения значения входного регулируе-мого сигнала PV.	-	Устанавливается ПЛК.	Отслеживает значение входного значения сигнала регулируемой величины PV блока PID_ISA, реализующего ПИД-закон регулирования. Если разряд 0 регистра хранения управляющего слова установлен в 1 – величина PV задается от внешнего устройства.
Начальный адрес+18	Регистр внутреннего использо-вания для хранения значения сигнала выходного регулирую-щего воздействия перед инверти-рованием (если задано).	-	Устанавливается ПЛК.	Если в блоке PID_ISA задано инвертирование выходного управляющего воздействия, в этом регистре хранится не инвертированное значение выходного управляющего воздействия. В противном случае значение этого регистра полностью совпадает со значением регистра для хранения выходного управляющего воздействия CV.
Начальный адрес+19	Регистр для хранения значения дифференци-альной составляя-ющей.
Начальный адрес+20	Регистр памяти для внутреннего исполь-зования.	-	-	Используется контроллером для хранения промежуточных значений.
Начальный адрес+21	Регистр памяти для внутреннего исполь-зования.	-	-	Используется контроллером для хранения промежуточных значений.
Начальный адрес+22	Регистр для хранения значения времени полного пробега выходного управляя-ющего воздействия CV.	-	-	-
Начальный адрес+23 до начальный адрес+25	Регистр для хранения системного времени.	-	-	Регистр для хранения внутреннего системного времени (время последнего выполнения блока PID_ISA).
Начальный адрес+26	Регистр для хранения остатка интегральной составляя-ющей.	-	-	Содержит остаток, используемый в интеграторе при рассогласовании, равном нулю.
Начальный адрес+27	Регистр для хранения нижней границы диапазона значений регулируемой величины PV и заданного значения регулиру-емого параметра SP.	Единицы измерения сигнала PV	-32000…+32000	Содержит значение нижней границы сигналов PV и SP.
Начальный адрес+28	Регистр для хранения верхней границы диапазона значений регулируемой величины PV и заданного значения регулиру-емого параметра SP.	Единицы измерения сигнала PV	-32000…+32000	Содержит значение верхней границы сигналов PV и SP (должно быть больше значения, записанного в регистр для хранения нижней границы диапазона PV и SP).
Начальный адрес+29 до начальный адрес+39	Резервные регистры	-	-	Регистры с 29 по 34 зарезервированы для внутреннего использования. Регистры с 35 по 39 зарезервированы для использования внешними устройствами.

Для настройки блока PID_ISA достаточно записать конфигурационные данные лишь в часть регистров (обычно конфигурируются не более 13 регистров – со 2 по 14), остальные предназначены для внутреннего использования и устанавливаются контроллером самостоятельно, поэтому их задавать не нужно.

ПИД-закон регулирования, реализуемый блоком PID_ISA, определяется следующей зависимостью:

(1)

где: - значение выходного управляющего воздействия ПИД регулятора; - коэффициент пропорциональности; - сигнал рассогласования (если не задано инвертирование, , где: - заданное значение регулируемого параметра, - текущее значение регулируемого параметра); - постоянная времени интегрирования; - постоянная времени дифференцирования; - зона нечувствительности; - шаг дискретизации выполнения блока PID_ISA.

Следует отметить, что выполнение ПИД-алгоритма производится с некоторым шагом дискретизации , поэтому при технической реализации интегральной составляющей ПИД алгоритма интеграл заменяется суммой , где: - значение сигнала рассогласования на текущем шаге интегрирования. Дифференциальная составляющая в блоке PIFD_ISA определяется следующей зависимостью: , где: - значение сигнала рассогласования на текущем шаге дифференцирования; - значение сигнала рассогласования на предыдущем шаге дифференцирования.

На рис. 5 представлена структурная схема ПИД-алгоритма, реализованного в блоке PID_ISA.

Рис. 5. Структурная схема алгоритма ПИД, реализуемого блоком PID_ISA.

Практическая часть

Практическая работа состоит из двух частей. Первая часть предполагает приобретение навыков разработки прикладных программ в среде программирования CIMPLICITY Machine Edition и изучение работы ПИД-алгоритма, реализуемого блоком PID_ISA. Во второй части работы выполняется идентификация динамических свойств объекта регулирования и на их основе определяются настроечные параметры регулятора, обеспечивающие приемлемое качество переходных процессов регулирования температуры печи.