Файл: Микропроцессорных контроллеров управления в задачах автоматизации.pdf

Министерство образования и науки Республики Казахстан
НАО «АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»
Институт систем управления и информационных технологий
Кафедра «Автоматизация и управление»
PSMKUZA 5306 - ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ УПРАВЛЕНИЯ В
ЗАДАЧАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
специальности 6М070200 - Автоматизация и управление
(научно-педагогическое направление)
Методические указания к лабораторным работам для магистрантов специальности «6М070200 – Автоматизация и управление» профессор каф. «Автоматизация и управление» Копесбаева А.А.
Протокол № 11 от 20.06.2018 г.
Алматы 2018

СОСТАВИТЕЛЬ: А.А. Копесбаева. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ УПРАВЛЕНИЯ В ЗАДАЧАХ
АВТОМАТИЗАЦИИ» для магистрантов специальности «6М070200 –
Автоматизация и управление». – Алматы: АУЭС, 2017.
Данные методические указания по дисциплине «ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ УПРАВЛЕНИЯ В ЗАДАЧАХ
АВТОМАТИЗАЦИИ» помогут получить навыки создания настроек промышленных контроллеров, на примере оборудования фирмы «Siemens» и окажут неоценимую помощь в приобретении навыков работы с оборудованием
«Simatic». Приведены схемные и программные решения, касающихся «Simstic» с популярной периферией и реализации типовых интерфейсов. Рассмотрены примеры программной реализации различных функций.
© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2018 г.

Содержание
Лабораторная работа №1. Программирование и исследование разомкнутой системы непрерывного ПИД регулирования
Лабораторная работа №2. Программирование и исследование замкнутой системы непрерывного ПИД регулирования
Лабораторная работа №3. Программирование и исследование импульсного регулятор в разомкнутой системе
Лабораторная работа №4. Программирование и исследование импульсного регулятор в замкнутой системе
Лабораторная работа №5. Определение зоны регулирования на примере системы регулирования уровня жидкости насосной станции
Лабораторная работа №6. Исследование режима автонастройки на примере системы регулирования уровня жидкости насосной станции
Лабораторная работа №7. Проектирование и программирование системы инвариантности к изменению нагрузки системы регулирования уровня жидкости насосной станции
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Список литературы

Лабораторная работа №1. Программирование и исследование
разомкнутой системы непрерывного ПИД регулирования
Цель работы: ознакомиться с программным комплексом библиотеки регулирования в среде TIA Portal. Получить навыки работы с программным комплексом и создания проектов для различных настроек непрерывного ПИД- регулятора. Исследовать влияние параметров непрерывного ПИД-регулятора на выходные характеристики в разомкнутой системе.
1.1 Задание к лабораторной работе
1. Ознакомиться с программным комплексом непрерывного ПИД- регулятора в среде TIA Portal. Создать новый проект, таблицу тэгов.
2. По заданию преподавателя произвести настройку ПИД регулятора, установить настроечные параметры регулятора для различных типов конфигураций (P, I, D, PI, PD и PID регуляторов)
3. Получить переходные характеристики системы для каждого из типов конфигурации ПИД регулятора с визуализацией их на HMI панель.
4. Свети результаты в таблицу для обработки результатов. Объяснить результаты полученных переходных характеристик.
5. Сделать выводы. Заполнить отчет.
1.2 Порядок выполнения работы
1.2.1 Ознакомиться с программным комплексом непрерывного ПИД-
регулятора в среде TIA Portal. Создать новый проект, таблицу тэгов.
Программное обеспечение TIA Portal предназначено для решения задач комплексной автоматизации на базе контроллеров SIMATIC S7-1500/-1200/-
300/-400/WinAC
(включая failsafe - приложения). Поддерживается оборудование последнего и предпоследнего поколения. TIA Portal позволяет свободно программировать на следующих языках: LAD, FBD, STL, SCL,
GRAPH (для S7-1200/1500 только LAD, FBD и SCL).
HMI в TIA Portal может быть реализован на базе SIMATIC Panel 70-ых,
170-ых, 270-ых, 370-ых, KP, KT, и KTP серий, а также в виде Runtime систем на базе РС, вплоть до клиент-серверных SCADA архитектур.
Для начала работы с новым проектом необходимо запустить программу
TIA Portal: Рабочий стол>> TIA Portal, или же Пуск>> Все программы>>
Siemens Automation >> TIA Portal.
При запуске появляется окно как на рисунке 1.1. Для создания нового проекта выбираем Create new project. Задаем уникальное имя проекта, указываем путь к файлу, затем нажимаем на кнопку Create.

Рисунок 1.1- Окно нового проекта
После создания проекта необходимо произвести конфигурацию оборудования одним из двух способов, как показано на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 – Способы настройки конфигурации оборудования
В новом окне добавляем новые устройства – нажимаем Add new device.
Далее предлагается выбрать устройства ПЛК, HMI (человеко-машинного интерфейса) либо PC systems. Для начала соберем конфигурацию ПЛК, выбираем контроллер CPU 314C-2 PN/DP. После выбора ЦПУ откроется окно работы с проектом (рисунок 1.3). Для удобства работы с дискретными

сигналами необходимо изменить значения входных/выходных сигналов: от 0 до 2 для входных, и от 0 до 1 для выходных сигналов.
Рисунок 1.3 – Окно работы с проектом
Для добавления HMI панели необходимо произвести соединение с ЦПУ для обмена информацией. Выбираем HMI Simatic Basic Panel KTP (color – цветная, mono – в серых тонах, PN – соединение через PROFINET, DP – соединение через MPI интерфейсы), как показано на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 – Добавление HMI панели
После настройки конфигурации оборудования соединение PLC и HMI панели будет иметь вид, как показано на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Соединение устройств
Далее необходимо составить таблицу символов тегов для проекта, где присваивается название каждой переменной (рисунок 1.6).
Рисунок 1.6 – Таблица тегов
1.2.1 По заданию преподавателя произвести настройку ПИД
регулятора, установить настроечные параметры регулятора для различных
типов конфигураций (P, I, D, PI, PD и PID регуляторов)
"CONT_C" используется в программируемых логических контроллеров технологических процессов непрерывных входов и выходов переменных. При распределении параметров может быть активированы, и отдельные функции, чтобы отключить ПИД-регулятор для адаптации к процессу. Схема построения
ПИД регулятора представлена на рисунке 1.7.

PV_PER
SP_INT
CRP_IN
%
PV_NORM
Мертвая
PV_IN
PV_FAC,
PV_OFF
PVPER_ON
-
+
PV
DEADB_W
X
GAIN
ER
0

INT
DIF
+
+
TI, INT_HOLD,


I_ITLVAL
TD, TM_LAG
P_SEL
LMN_P
I_SEL
DISV
LMN_I
LMN_D
D_SEL
0 1
0 1
0 1
0 1
LMNLIMIT
QLMN_HLM
QLMN_LLM
LMN
LMN_PER
CRP_OUT
%
LMN_NORM
MAN
MAN_ON
LMN_HLM,
LMN_LLM
LMN_FAC,
LMN_OFF
0.0
0.0
0.0
зона
Рисунок 1.7 – Блок схема аналогового регулятора
Этот регулятор можно использовать как ПИД-регулятор с постоянными установками или в многоконтурных системах регулирования. Функции регулятора основаны на ПИД-алгоритме регулирования.
1.2.3 Получить переходные характеристики системы для каждого из
типов конфигурации ПИД регулятора с визуализацией их на HMI панель.
Далее по заданию преподавателя установить настроечные параметры регулятора для различных типов конфигураций (P, I, D, PI, PD и PID регуляторов) с помощью блока CONT_C. Варианты заданий приведены в таблице 1.1. Где «P_SEL» - пропорциональная, «I_SEL» - интегральная
«D_SEL» - дифференциальная составляющие ПИД регулятора, каждую из составляющих можно активировать по запросу. Входные и выходные параметры блока CONT_C приведены в Приложении А.

После всех настроек необходимо установить соединение между контроллером и программой, для двухстороннего обмена информацией, как показано на рисунке 1.8. Для этого необходимо запустить PLCSim с панели инструментов (рисунок 1.9) или командами Online>>Simulation>>Start
Simulation.
Рисунок 1.8 – Параметры соединения с контроллером
Рисунок 1.9 – Команда вызова PLCSim
1.2.4 Свети результаты в таблицу для обработки результатов.
Объяснить результаты полученных переходных характеристик.

Получение переходных характеристик системы для каждого из типов конфигурации ПИД регулятора с визуализацией их на HMI панель.
На экран HMI панели необходимо добавить составляющие параметры функционального блока CONT_C для удобства настройки и работы с ПИД регулятором. Для этого в каталоге инструментов (рисунок 1.10) выбираем элементы для задания значений и конфигурирования ПИД регулятора.
Рисунок 1.10 – Панель инструментов с HMI панелью
Для отображения или ввода информации используется библиотека
Elements, в которой элемент I/O field для ввода/вывода числовой информации, кнопки Button, шкала Bar, дата и время Date and Time, переключатель Switch.
В библиотеке Basic Objects присутствуют элементы графического типа.
Библиотека Controls позволяет выводить на панель сообщения об ошибках, системные сообщения, так же содержит элемент Trend для вывода графиков функций или переходных характеристик системы. Задавая свойства во вкладке
Properties (рисунок 1.11) для каждого элемента с привязкой к тегу, в результате на HMI панели будет отображаться текущее значение всех параметров системы в реальном времени. Все переходные характеристики системы
Set_Point будут отображаться в виде графиков для каждого из типов конфигурации, как показано на рисунке 1.12

Рисунок 1.11 – Свойства элементов
Рисунок 1.12 – Переходные характеристики системы
1.2.4.Сделать выводы. Заполнить отчет.
Отчет должен содержать:
- цель работы;
- структурную схему программного обеспечения;
- экспериментальные графики переходных процессов;
- таблицы архивных данных;
- графики архивных данных.

Таблица 1.1 – Варианты заданий
Номер варианта
Тип регулятора
Настроечные коэффициенты
Оценочные параметры
1
П
Ти=9999; Кп=var;
Тд=0
Статическая и динамическая ошибки
2
ПИ
Ти= var; Кп=var;
Тд=0
Статическая и динамическая ошибки
3
ПИД
Ти= var; Кп=var;
Тд= var
Статическая и динамическая ошибки
4
И
Ти= var; Кп=1;
Тд=0
Статическая и динамическая ошибки
5
ПД
Ти=9999; Кп=var;
Тд= var
Статическая и динамическая ошибки
6
П
Ти=9999; Кп=var;
Тд=0; Тм = var
Время переходного процесса
7
ПИ
Ти=9999; Кп=var;
Тд=0; Тм = var
Время переходного процесса
8
ПИД
Ти=9999; Кп=var;
Тд=0; Тм = var
Время переходного процесса
9
И
Ти=9999; Кп=var;
Тд=0; Тм = var
Время переходного процесса
10
ПД
Ти=9999; Кп=var;
Тд=0; Тм = var
Время переходного процесса
1.3 Контрольные вопросы
1. Каковы функции подсистемы измерения в САР?
2. Каковы функции подсистемы регулирования в САР?
3. Каковы функции подсистемы защиты в САР?
4. Для каких целей составлена таблица символов?
5. Как реализован непрерывный регулятор на контроллерах фирмы
Siemens?
6. Объясните: как формируется сигнал отклонения от желаемого значения на структурной схеме регулятора?

7. Как изменять структуру регулятора, устанавливая пропорциональный
(П), пропорционально-интегральный
(ПИ), пропорционально интегрально дифференциальный законы (ПИД)?
8. Объясните структуру программного обеспечения.
9. Почему отдельные подсистемы реализованы с помощью функционального блока?
10. Назовите формальные и фактические значения функциональных блоков.
11. Объясните изменения на выходных переходных характеристиках регулятора.
12. Как и в каких целях формировались архивные файлы?
Лабораторная работа №2. Программирование и исследование
замкнутой системы непрерывного ПИД регулирования
Цель работы: получить навыки настройки регуляторов для заданного технологического объекта. Исследовать влияние параметров непрерывного
ПИД-регулятора на выходные характеристики в замкнутой системе.
2.1 Задание к лабораторной работе
1. Создать новый проект, таблицу тэгов для замкнутой системы непрерывного регулятора.
2. Произвести настройку ПИД регулятора. Исследовать качество регулирования при заданных параметрах для заданной конфигураций регулятора (P, I, D, PI, PD и PID регуляторов) и вида объекта.
3. Получить переходные характеристики системы для данного варианта конфигурации ПИД регулятора и технологического объекта с визуализацией их на HMI панель.
4. Объяснить результаты полученных переходных характеристик.
5. Сделать выводы. Заполнить отчет.
2.2 Порядок выполнения работы
2.2.1 Создать новый проект, таблицу тэгов для замкнутой системы
непрерывного регулятора.
Свойства объектов регулирования определяются множеством параметров, данными и как любая система поддаются внешним воздействиям.
Поэтому наиболее подходящий результат регулирования может быть достигнут только максимально правильным выбором типа регулятора, обеспечивающий качественное регулирование и переходные характеристики.
Для начала необходимо создать новый проект. Таблицу тегов для описания переменных регулятора и объекта регулирования. Студенту необходимо сконфигурировать замкнутую систему с объектом управления
(ОУ) и регулятором согласно структурной схеме, как показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Структурная схема замкнутой системы
2.2.2 Произвести настройку ПИД регулятора. Исследовать качество
регулирования при заданных параметрах для заданной конфигураций
регулятора (P, I, D, PI, PD и PID регуляторов) и вида объекта.
Согласно вариантам преподавателя, которые приведены в таблице 2.1, выбрать объект управления и реализовать его с помощью функционального блока CONT_C (см.приложение1). Произвести настройку ПИД регулятора.
Определить и исследовать оптимальные параметры для заданной конфигураций регулятора (P, I, D, PI, PD и PID регуляторов) в замкнутой системе управления.
PV_IN - вход переменной процесса, отрицательная обратная связь с выхода интегральной составляющей LMN_I. В случае наличия возмущающего воздействия активируется параметр DISV. Перед тем как снять значения с выхода системы LMN необходимо произвести нормирование выходного сигнала, с установлением верхней LMN_HLM и нижней границ LMN_LLM сигнала.
2.2.3 Получить переходные характеристики системы для данного
варианта конфигурации ПИД регулятора и технологического объекта с
визуализацией их на HMI панель.
Для начала работы с замкнутой системой необходимо ввести задание
SP_INT, настроечные коэффициенты регулятора и коэффициенты объекта управления.
Получить переходные характеристики замкнутой системы для каждого из типов конфигурации ПИД регулятора с визуализацией их на HMI панель, как показано на рисунке 2.2. Снять не менее 8 переходных характеристик с выхода регулятора. По результатам полученных характеристик сделать выводы.