Laboratorní výukový model "Soustava nádob" řízený jednočipovým mikropočítačem a PLA s vizualizací


Kusyn, Jiří1 Tomis, Petr2

1 Doc. Ing. CSc., Katedra ATŘ-352, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava-Poruba, 703 00,  jiri.kusyn@vsb.cz,

2 Ing., Petr Tomis, Závodní 17, Ostrava-Hrabůvka, 705 00

1. Úvod

V příspěvku je popsán realizovaný laboratorní výukový model, který je možno řídit jednočipovým mikropočítačem ATmel nebo programovatelným logickým automatem Mitsubishi FX. Jsou zde specifikovány výchozí požadavky stanovené na základě zkušeností s provozováním jednoduššího modelu s reléovým řízením. Rovněž jsou charakterizovány vlastnosti technických prostředků a provedena volba snímačů, akčních členů a propojení modelu. Dále jsou uvedeny poznatky z realizace modelu s možností řízení MP a PLA, zejména problémy s alternativním připojením vstupů, výstupů a rozšířením modelu soustavy s dvoupolohovým řízením o spojitou část. Model je napojen na nadřazenou úroveň řízení s vizualizací vytvořené pomocí SCADA/HMI systému InTouch s vazbou na logický automat. V závěru jsou uvedeny zkušenosti a posouzeny možnosti spojitého řízení modelu pomocí automatu Mitsubishi FX.

2. Popis laboratorního modelu

Původní model soustavy nádob - obr.1. Jedná se o laboratorní model s logickým řízením, umožňující demonstrovat tvorbu roztoku požadovaného složení. Celý algoritmus řízení byl naprogramován v jazyce assembler a řízení je prováděno jednočipovým procesorem s označením Atmel, jeho použití bylo ovlivněno tím, že v době realizace nebyl na pracovišti k dispozici PLA s potřebným počtem vstupů a výstupů Zde všechny hodnoty musí být zadávány přes dvouřádkový LCD displej, navíc je nutno používat miniaturní tlačítka, jejichž umístění neodpovídá požadavkům pravidelné obsluhy. Varování a průběžné stavy veličin jsou přitom na tak malém displeji velice nezřetelné a jsou omezeny délkou řádku. Tento model je však výhodné řídit pomocí PLA, neboť se jedná o diskrétní dvoupolohové řízení a je zde také možnost celý proces regulace vizualizovat na PC grafickou formou.

Rozšíření modelu o spojité řízení výšky hladiny. Aby PLA neřídil pouze dílčí logické stavy a zároveň demonstroval své široké využití, byla ke stávající diskrétní části modelu připojena ještě vhodně navržena spojitá podsestava, umožňující spojité řízení výšky hladiny v nádobě. Tuto spojitou podsestavu bylo nutno navrhnout, po částech odzkoušet a celou zhotovit. Sestava rozšířeného laboratorního modelu je na obr. 2. Spojitá podsestava vhodně doplnila stávající diskrétní model, nyní je možné provádět více typových úloh. PLA je připojen jak k diskrétní části modelu tak i k části spojité. Spojitá část se tak stala součástí celého laboratorního modelu nádob.

Modifikace původního modelu nádob pro řízení pomocí PLA. Původní vstupy laboratorního modelu, vyvedené před model do konektorového pouzdra, nebylo možno pro připojení k PLA využít, neboť pracovaly s napětím na úrovni TTL. PLA Mitsubishi FX potřebuje však napájet své vstupy napětím 24 V, jinak je nespíná korektně. Problém byl vyřešen tak, že při požadovaném zachování řízení modelu mikropočítačem ATmel byly na deskách plošných spojů umístěných vzadu na modelu paralelně připojeny nové vodiče. Tyto vodiče byly vyvedeny do nového konektorového pouzdra před model, kde jsou signály zpřístupněny prostřednictvím 37 pinového konektoru Canon. Pro řízení modelu pomocí PLA je nutno přerušit přívod napětí na desky plošných spojů, provede se to odpojením nulového vodiče pomocí vypínače, který je vyveden na čelní panel. Na nulovou svorku PLA je však nulový vodič přiveden přímo - viz obr. 3.

Legenda:

XX - snímače maxima,YX - snímače minima,VX - ventily, N0 - nádoba se zásobou vody, N1 až N4 - plnicí nádoby, N5 a N6 - směšovací nádoby, N7 - sběrná nádoba.

Obr. 1. Sestava původního modelu

Další úpravou původního modelu byla výměna čerpadla, jehož technické parametry nevyhovovaly a navíc je napájeno napětím 220 V střídavých, což není bezpečné napětí. Nové čerpadlo má napájecí rozsah (0-12) V stejnosměrných, pro které bylo nutno navrhnout a zhotovit stykový obvod, aby mohlo být spínáno napětím úrovně TTL jak mikropočítačem ATmel tak PLA. Původně bylo totiž napětí 220 V pro čerpadlo spínáno5 V prostřednictvím SSR (Solid state relay). Toto relé však neumožňuje spínatstejnosměrné napětí, kterým je nové čerpadlo napájeno. Jeho elektrické zapojení je na obr. 4. Rovněž pro zvýšení spadu kapaliny a vyšší umístění nádoby pro spojité řízení hladiny byl úpraven laboratorní stojan.

Obr. 2. Sestava rozšířeného laboratorního modelu

3. Snímače a akční členy.

Snímače hladiny. Diskrétní část modelu používá jako snímače jednoduché odporové sondy, které pracují na principu sepnutí obvodu elektrického proudu kapalinou. Proto u modelu je nutno používat jako oběhové médium vodivou kapalinu, v tomto případě je použita upravená voda. Pro spojitou podsestavu pro snímání hladiny, byl po provedení rozboru vhodnosti a dostupnosti, zvolen ultrazvukový snímač. Snímač je napájen 24 V ss z vlastního stabilizovaného napájecího zdroje a jeho měronosné výstupní napětí se pohybuje v rozmezí 0 až 10 Vss. Pro měřicí rozsah hladiny 100 až 1000 mm je rozlišení 2 mm, kmitočet vysílače je 180 kHz a rychlost změny výstupního signálu je 20 až 60 ns, snímač je použitelný při teplotách okolí od -15 do + 60 C. Aby bylo možno zpracovávat výstupní napětí od snímače, bylo nutno navrhnout a zhotovit A/F převodník. Tento převodník převádí stejnosměrné výstupní napětí snímače na kmitočet v rozsahu 0 až 2500 Hz.

Poznámka: zapojení vstupů X4 a X5 PLA, svorka 0 V je propojena se svorkou S/S.

Obr. 3. Zapojení vstupů PLA

Obr. 4. Zapojení čerpadla pro řízení PLA i mikropočítačem ATmel

Čerpadla. V modelu jsou použita dvě ponorná čerpadla BWV 01 napájená max 12 Vss s výtlačnou výškou max 0.12 MPa, změnou napájecího napětí lze řídit čerpané množství ovšem při současné změně tlaku. Čerpadlo danému účelu plně vyhovuje a jeho cena je nízká. Původně použité čerpadlo ROMO je pro tento účel nevhodné.

Ventily. Byly použity dvoucestné membránové elektromagnetické ventily ROMO. Jejich použití je však nouzovým řešením, důvod pro jejich volbu byla dostupnost a hlavně nízká cena. Nedostatkem je netěsnost, nestejná světlost při otevření a napájecí napětí 220 Vstř. Elektromagnetické ventily slouží k propouštění kapaliny hadicemi a mají dva logické stavy, zapnuto a vypnuto.V budoucnu by je bylo vhodné nahradit dokonalejšími a napájenými bezpečným napětím. Jejich ovládání je patrné z obr. 5.

Poznámka: zapojení výstupu Y0 PLA, při sepnutí 5 V svorkou Y0 sesne optotriak 220 V.

Obr. 5. Zapojení výstupů PLA

Čerpadlo v diskrétní podsestavě. Toto čerpadlo má za úkol čerpat kapalinu z nádoby N7 do nádoby N0, viz obr. 2. Jeho řízení je dáno dvěma stavy, zapnuto a vypnuto, jeho průtok není regulován spojitě. Čerpadla je připojeno dle obr. 4.

Čerpadlo ve spojité podsestavě.Toto čerpadlo představuje výkonový akční člen, který změnou vstupního napětí v rozsahu 0 až 12 Vss mění hodnotu průtoku a tím reguluje hladinu v nádobě. Připojení čerpadla je uvedeno na obr. 6. Č/A převodník je tvořen integrovaným obvodem DAC08, jenž představuje inteligentní 8 bitový převodník číselné hodnoty na hodnotu analogovou. Tento obvod je připojen na 8 výstupních svorek PLA a podle logického vyhodnocení nastavuje na svém výstupu napětí v intervalu 0 až 10 Vss. Výstup je napěťový - nevýkonový, čerpadlo odebírá při plném zatížení až 2 A a je tedy nutno vložit do řetězce ještě výkonový člen. Do obvodu byl zapojen výkonový člen, který umožňuje odběr proudu až 3 A, jeho výstupem je výkonový signál 0 až12 Vss. Na obr. 7 je uvedeno celkové připojení PLA k diskrétní části modelu, na obr. 8 je připojení PLA ke spojité podsestavě.

Obr. 6. Připojení čerpadla k PLA

Obr. 7. Připojení diskrétní části modelu k PLA

4. Řízení modelu

Laboratorní model nádob je řízen PLA Mitsubishi FX, který se všemi přídavnými moduly umožňuje připojit 32 vstupů a 32 výstupů. PLA je připojen přes sériové rozhraní k PC, na kterém je celý proces vizualizován SCADA/HMI systémem InTouch verze 5.6.

Vizualizace úlohy programem InTouch. Laboratorní model nádob je vizualizován prostřednictvím SCADA/HMI systému InTouch firmy Wonderware. Celá aplikace je navržena tak, aby z ní bylo možno monitorovat obě dílčí podsestavy a nastavovat pomocí ní základní hodnoty programu běžícího v PLA. Základním rysem aplikace je její zabezpečení, jež se děje prostřednictvím přihlašovacích práv. Každý operátor, který chce se systémem pracovat, musí mít definováno své jméno a přihlašovací heslo. Bez toho nemůže v aplikaci nic modifikovat a ani si prohlížet. Jsou zde takto definovány 4 úrovně zabezpečení: - operátor s právem menším než 1000, - operátor s právem v rozmezí 1000 až 8000, - operátor s právem větším než 8000, - operátor s právy administrátora.

Obr. 8. Připojení spojité části modelu k PLA

Operátor s právy do 1000 nemůže v aplikaci vůbec nic dělat, operátor s právy do 8000 může vše co operátor s právy do 9000 s výjimkou toho, že nemůže provádět úlohy ručního řízení a úlohu spojité regulace. Operátor s právy administrátora může provádět stejné akce jako operátor s právy do 9000. V aplikaci jsou operátorovi k dispozici reálné trendy, dále pak historické trendy vybraných veličin, které si může prohlížet. Alarmy jsou obsluze dávány najevo vizuálně prostřednictvím informačního panelu. K dispozici jsou tři obrazovky schémat, diskrétní podsestavy, spojité podsestavy a celkového zapojení modelu. Z těchto obrazovek lze jednoduše přecházet na obrazovky dalších schémat. Stěžejním bodem aplikace je okno, které umožňuje vybírat druh úlohy k řízení modelu. Je možno vybírat ze 6. úloh.Aplikace obsahuje i algoritmus automatického odhlášení, který po 5 minutách vyzve obsluhu, aby do dvou minut zareagovala a pokud tak není učiněno, systém operátora odhlásí. Aby mohl PLA řídit proces laboratorního modelu, musí spolupracovat s InTouch aplikací. Ta mu totiž poskytuje hodnoty, které operátor zadává skrze grafické rozhraní obrazovek a bez nichž by se žádná úloha naprogramovaná v PLA nerozeběhla. Bližší popis vazby mezi PLA a InTouch aplikací je popsán v kapitole 4.Vazba PLA na nadřazenou úroveň řízení. K vizualizaci procesů v tomto laboratorním modelu je použit SCADA/HMI systém InTouch americké firmy Wonderware. Aby bylo možné zobrazovat stavy a procesy probíhající v modelu, je potřeba, aby měl InTouch k aktuálním hodnotám proměnných PLA přístup. To je umožněno prostřednictvím DDE/IO serveru, což je software, který je napsán nejčastěji přímo firmou, která se zabývá tvorbou daného SCADA/HMI systému. V tomto případě tomu tak, ale není a příslušný DDE server pro Mitsubishi FX napsala australská společnost Process software. DDE Server byl získán přes zastoupení společnosti Wonderware v České republice - společnost Pantek se sídlem v Hradci Králové.

5. Závěr

V příspěvku jsou shrnuty zkušenosti z realizace laboratorního modelu "Soustava nádob” řízeného programovatelným logickým automatem. Pro řízení modelu byl použit PLA Mitsubishi FX, který je vhodný především pro logické řízení procesů, který v tomto případě byl použit i pro spojitou regulaci výšky hladiny v nádobě. Byl zvolen následující postup, signál z ultrazvukového hladinoměru byl připojen přes A/ F převodník a rychlý čítač C235 na vstup X0 PLA. Pro nastavování výstupní akční veličiny - napětí 0 až 10 Vss bylo použito 8 výstupních svorek, které slouží jako váhy jednotlivých bitů akčního zásahu. Tyto byly přivedeny do zhotoveného 8 bitového D/A převodníku a spojitě nastavované napětí bylo následně zesíleno výkonovým členem.

Po odzkoušení a ověření je možno říci že algoritmus regulace vykonávaný PLA je schopen při vhodných parametrech řízení udržet výšku hladiny při působení poruch +/- 5 mm od žádané hodnoty. Pro regulaci byl použit PS algoritmus regulace a je možno zvolit i proporcionální algoritmus regulace. Jako vhodné parametry byly odzkoušeny: zesílení kP = 10 mm/V, integrační časová konstanta TI = 10 s, vzorkovací perioda T = 50 ms a doba nastavování výstupního signálu Tout = 200 ms. Dobré výsledky dává i použití P algoritmu regulace.

Největším problémem u spojité regulace je dosažení stabilní hodnoty vstupní veličiny do PLA. Jelikož vzorkovací perioda musí být z důvodu dynamických změn v soustavě velice malá a doba programového cyklu je proměnná, je nutno zvolit kompromis a použít větší T. Svou roli při zjišťování vstupního signálu ve formě frekvence má přesnost A/F převodníku, která je asi 1%, přesnost ultrazvukového snímače 2% a přesnost časovače, která je dána délkou programového cyklu. Hodnota TOUT = 200 ms se jeví dostatečná k nastavování výstupního napětí, kratší doba by výrazně urychlila opotřebování relé.

Jako možné a vhodné vylepšení připadá v úvahu použití výstupního modulu s tranzistorovými výstupy, který při šířkové modulace a převodníku F/A zajistí přesnější výstupní napětí pro řízení akčního členu.

6. Literatura

BALÁTĚ, J. aj. 1986. Technické prostředky automatického řízení. 1. vyd. Praha : SNTL, 1986. 488 s.

KUSYN, J. Příspěvek k problematice realizace demonstračních výukových laboratorních modelů. In sborník XXI. Semináře ASŘ ´98 Počítače v měření, diagnostice a řízení,. Ostrava: VŠB-TUO FS KATŘ Ostrava, Květen 1998. 10 s. ISBN 80-7078-559-4.

LANDRYOVÁ, L., PAWELEK, M. & KONEČNÝ, M. 1996. Návrh procesních systémů. Programové systémy SCADA/HMI. 1. vyd. Ostrava: Katedra ATŘ VŠB-TU Ostrava, 1996. 96 s.

TECHNICKÁ DOKUMENTACE FIRMY AUTOCONT. Návod k obsluze programovatelného logického automatu Mitsubishi Melsec FX0. AUTOCONT Ostrava, 1997. 239 s.

TOMIS, P. 1998. Laboratorní model technologického agregátu řízeného PlA s vizualizací pomocí systému INTOUCH. DP. Ostrava: Katedra ATŘ VˇB-TU Ostrava, 1998. 62 s.

ZIFFER, D. 1997. Fyzikální laboratorní podobnostní model technologického agregátu s logickým řízením. DP. Ostrava : Katedra ATŘ VŠB-TU Ostrava, 1997. 46 s.