diplomska naloga 23.6.2010 popravljeno · 4.1 plc - programirljiv logi Čni krmilnik druŽine...
Post on 24-Apr-2020
6 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Jure Grebenc
TEMPERATURNI NADZOR IN PRIPRAVA
HLADILNE VODE GENERATORJA –
HE FORMIN
Diplomsko delo
Maribor, 2010
I
Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa
TEMPERATURNI NADZOR IN PRIPRAVA HLADILNE VODE
GENERATORJA HE - FORMIN
Študent: Jure Grebenc
Študijski program: visokošolski, Elektrotehnika
Smer: Avtomatika
Mentor: izr. prof. dr. Nenad Muškinja
Somentor: izr. prof. dr. Boris Tovornik
Lektorica: Majda M. Lesjak, prof.
Maribor, junij 2010
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Nenadu
Muškinji, za strokovno pomoč in vodenje pri
izdelavi diplomskega dela. Hvala tudi
somentorju, izr. prof. dr. Borisu Tovorniku.
Velika zahvala gre podjetju DEM (Dravske
elektrarne Maribor) ter mentorju v omenjenem
podjetju, g. Danilu Klasincu.
Prav posebna zahvala pa velja staršem, ki so mi
omogočili študij in me skozi to obdobje
podpirali in spodbujali.
IV
TEMPERATURNI NADZOR IN PRIPRAVA HLADILNE VODE
GENERATORJA - HE FORMIN
Ključne besede: krmiljenje in regulacija, temperaturni nadzor, STEP7, PLC, PI-regulator UDK: 621.311.2:681.5 (043.2)
Povzetek:
Diplomsko delo opisuje krmiljenje in regulacijo sistema temperaturnega nadzora ter
predstavlja tehnologijo priprave hladilne vode generatorja hidroelektrarne Formin.
Predstavljena je vsa uporabljena strojna in programska oprema. Diploma vsebuje tudi
opis krmilnega programa ter natančen princip delovanja tristopenjskega PI-regulatorja,
ki preko mešalnega ventila zagotavlja želeno temperaturo statorskemu navitju.
V
TEMPERATURE SUPERVISION AND PREPARING OF COOLING
WATER OF GENERATOR AT HYDROELECTRIC POWER
STATION FORMIN
Key words: control and regulation, temperature supervision, STEP7, PLC, PI controller
UDK: 621.311.2:681.5(043.2)
Abstract
This diploma work describes the control and the regulation of a temperature supervision
system and the technology of preparing cooling water of the generator at the
hydroelectric power station Formin. All the hardware and the software that was used is
presented. This diploma work also contains a description of the control system and a
precise principal of the three-staged PI controller, which ensures the wanted
temperature of the stator winding with the help of a mixing valve.
VI
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ...................................................................................................................... 1
2 OPIS SISTEMA PRED POSODOBITVIJO ........................................................ 3
2.1 PRIPRAVA HLADILNE VODE GENERATORJA ........................................................ 3
2.2 TEMPERATURNI NADZOR ................................................................................... 4
3 OPIS SISTEMOV PO POSODOBITVI ............................................................. 11
3.1 PRIPRAVA HLADILNE VODE .............................................................................. 11
3.2 TEMPERATURNI NADZOR ................................................................................. 12
4 STROJNA OPREMA ........................................................................................... 13
4.1 PLC - PROGRAMIRLJIV LOGIČNI KRMILNIK DRUŽINE SIEMENS SIMATIC S7 13
4.2 SIMOCODE PRO ............................................................................................ 20
4.3 ZASLON, OBČUTLJIV NA DOTIK - TP SIMATIC 177B ...................................... 22
4.4 MERILNIK TLAKA – CERABAR T PMP 131....................................................... 23
4.5 SONDA PT 100................................................................................................. 24
5 PROGRAMSKA OPREMA ................................................................................ 25
5.1 STEP7 ............................................................................................................. 25
5.2 WINCC FLEXIBLE. ........................................................................................... 27
5.3 SIMOCODE ES .............................................................................................. 28
5.4 IBAPDA-S7-ANALYZER .................................................................................. 29
6 POGONI ................................................................................................................ 30
6.1 POGON FILTRA ................................................................................................. 30
6.2 POGON IZBIRNEGA VENTILA ............................................................................ 31
6.3 IZPIRALNA ČRPALKA ........................................................................................ 32
6.4 POGON IZPIRALNEGA VENTILA ......................................................................... 32
6.5 ELEKTROMAGNETNI VENTIL ............................................................................ 33
6.6 ELEKTROMOTORNI REGULACIJSKI VENTIL ....................................................... 34
7 REGULACIJA TEMPERATURE ...................................................................... 35
VII
7.1 IZVEDBA INDUSTRIJSKEGA REGULACIJSKEGA SISTEMA .................................... 37
7.2 PI-REGULATOR – SPLOŠNO .............................................................................. 38
7.3 PI-REGULATOR – FB59 "TCONT_S" .............................................................. 42
8 DOLOČITEV PARAMETROV PI-REGULATORJA PO ZIEGLER-
NICHOLSOVI METODI STOPNIČNEGA ODZIVA ............................................. 51
8.1 DOLOČITEV PARAMETROV TRIPOLOŽAJNEMU PI-REGULATORJU,
ZA REGULACIJO TEMPERATURE ....................................................................... 52
9 IZVEDBA PROGRAMA ..................................................................................... 55
9.1 OPIS IN DELOVANJE PROGRAMSKE LOGIKE: ..................................................... 58
10 ZAKLJUČEK ....................................................................................................... 67
11 VIRI IN LITERATURA ...................................................................................... 69
VIII
KAZALO SLIK
Slika 1: HE Formin ........................................................................................................... 1
Slika 2: Sklop omar za nadzor priprave hladilne vode pred prenovo ............................... 3
Slika 3: Filtrirni sistem za pripravo hladilne vode agregatov in turbinskih ležajev ......... 4
Slika 4: Omara temperaturnega nadzora pred prenovo .................................................... 5
Slika 5: Omara temperaturnega nadzora pred prenovo .................................................... 5
Slika 6: Toplotni menjalnik (hladilnik) – generatorski prostor ........................................ 6
Slika 7: Rele termične zaščite ........................................................................................... 8
Slika 8: Naprava za večkanalno merjenje temperature .................................................... 8
Slika 9: Merilni pretvornik ............................................................................................... 9
Slika 10: PI-regulator – FCD 15A .................................................................................. 10
Slika 11: Izhodni pulzi in princip regulacije regulatorja FCD 15A ............................... 10
Slika 12: Omara temperaturnega nadzora po prenovi .................................................... 12
Slika 13: Omara temperaturnega nadzora po prenovi .................................................... 12
Slika 14: Programirljiv logični krmilnik z vhodno-izhodnimi moduli ........................... 13
Slika 15: CPE 315-2DP .................................................................................................. 15
Slika 16: Analogni izhodni modul, tip: 6ES7332-5HF00-0AB0 ................................... 16
Slika 17: Analogni vhodni modul, tip: 6ES7331-7KF02-0AB0 .................................... 17
Slika 18: Digitalni vhodni modul, tip: 6ES7 321-7BH01-0AB0 ................................... 18
Slika 19: Digitalni izhodni modul, tip: 6ES7 322-1HH01-0AA0 .................................. 19
Slika 20: Razširitveni modul IM365 .............................................................................. 20
Slika 21: Konfiguracija SIMOCODE pro ...................................................................... 21
Slika 22: Modularni prikaz avtomatiziranega sistema ................................................... 22
Slika 23: TP SIMATIC 177B ......................................................................................... 23
Slika 24: Cerabar T PMP 131 ......................................................................................... 23
IX
Slika 25: STEP7 – hardverska konfiguracija .................................................................. 26
Slika 26: Simbolna tabela ............................................................................................... 26
Slika 27: Primer kreiranja zaslona v programu WinCC flexible .................................... 28
Slika 28: Program SIMOCODE ES ............................................................................... 29
Slika 29: Pogon filtra ...................................................................................................... 30
Slika 30: Pogon izbirnega ventila ................................................................................... 31
Slika 31:Izpiralna črpalka ............................................................................................... 32
Slika 32: Pogon izpiralnega ventila ................................................................................ 33
Slika 33: Elektromagnetni ventil .................................................................................... 33
Slika 34: Elektromotorni regulacijski ventil ................................................................... 34
Slika 35: Regulacijska zanka .......................................................................................... 36
Slika 36: Industrijski regulacijski sistem ........................................................................ 37
Slika 37: Blokovna shema PI-regulatorja ....................................................................... 38
Slika 38: Odziv PI-regulatorja na stopnično spremembo regulacijskega odstopanja .... 39
Slika 39: Statična karakteristika P-dela .......................................................................... 39
Slika 40: Statična karakteristika I-dela ........................................................................... 39
Slika 41: Karakteristika tripoložajnega regulatorja ........................................................ 40
Slika 42: Blokovna shema tripoložajnega regulatorja s povratno zvezo ........................ 41
Slika 43: Primer izvedbe preklopa med ročnim in avtomatskim načinom regulacije .... 42
Slika 44: PI-regulator FB59 "TCONT_S" v programu STEP 7 ..................................... 43
Slika 45: Podatkovni blok DB 59 – parametrični pogled ............................................... 43
Slika 46: Podatkovni blok DB 59 – klasični pogled ....................................................... 44
Slika 47: Blokovna shema uporabljenega tripoložajnega PI-regulatorja ....................... 45
Slika 48: Shema mrtvega pasu........................................................................................ 49
Slika 49: Primer odziva sistema na stopnico po Ziegler-Nicholsovi metodi ................. 51
X
Slika 50: Stopnični odziv in koeficienti ......................................................................... 52
Slika 51: Regulacija povprečne temperature generatorja in položaja ventila (Kp=-5,
Ti=1000 s) ............................................................................................................... 53
Slika 52: FC1-mreža 1 – zajem analogne vrednosti ....................................................... 59
Slika 53: FC1-mreža 2 – pretvorba iz vrednosti INTEGER v vrednost DOUBLE ........ 59
Slika 54: FC1-mreža 3 – pretvorba iz vrednosti DOUBLE INTEGER v realno vrednost
................................................................................................................................ 60
Slika 55: FC1-mreža 4 – kalibracija za prikaz v stopinjah Celzija ................................ 60
Slika 56: FC1-mreža 5 – okvara dajalca ......................................................................... 61
Slika 57: FC1-mreža 6 – prikaz OK-okna ...................................................................... 62
Slika 58: FC1-mreža 7 – prikaz temperature na panelu ................................................. 62
Slika 59: FC1-mreža 8 – preskaliranje ........................................................................... 63
Slika 60: FC1-mreža 9 – prenos na analogni izhod ........................................................ 63
Slika 61: OB35-mreža 2 – avtomatsko krmiljenje ventila ............................................. 65
Slika 62: OB35 mreža 3 – ročno krmiljenje ventila ....................................................... 66
XI
UPORABLJENE KRATICE IN TUJKE
PI-regulator – proporcionalno-integralni regulator
HE – hidroelektrarna
RTP – rele termične zaščite
SIMOCODE – Motor Management and Control Devices (prilagodljiv modularni sistem,
namenjen nadzorovanju, zaščiti in upravljanju motorjev)
PLC – Programmable Logic Control (programirljiv logični krmilnik)
MPI – Multi Point Interface (večtočkovni vmesnik)
PROFIBUS – Proces Field Bus (procesno vodilo)
DAC – digitalno-analogni pretvornik
CPE – centralnoprocesna enota
DB – data blok (podatkovni blok)
FC – function (funkcija)
OB – organization blok (organizacijski blok)
FB – funktion blok (funkcijski blok)
PV – procesna veličina
CYCLIC SEND DATA – ciklično poslani podatki
CYCLIC RECEIVE DATA – ciklično sprejeti podatki
DATA RECORD – podatkovni posnetek
HARDWARE – strojna oprema
PIN – priključki, priključna mesta modulov krmilnika
konektor BACKPLANE – hrbtni vmesnik
RACK – vodilo
SEND – pošlji
RECEIVE – sprejmi
XII
BASIC UNIT– osnovna enota
CURRENT MEASURING MODULE – modul za merjenje toka
OPERATOR PANEL OP – operativni zaslon
INTEGER – celoštevilčna vrednost števila
REAL – realno število
MERKER – pomnilno mesto
Stran 1
1 UVOD
Hidroelektarna Formin je sestavni del verige 8 elektrarn na reki Dravi. Zgrajena je bila leta
1978 in je zaradi naravnih danosti tako kot HE Zlatoličje zasnovana kot kanalska
elektrarna. Izkorišča 29 m padca med Ptujem in državno mejo s Hrvaško in pri moči 116
MW letno proizvede 548 milijonov kilovatnih ur električne energije.
V Forminu je zgrajena klasična strojnica visoke izvedbe z mostnima žerjavoma. Agregata
sta vertikalna s Kaplanovo turbino. Mrežna transformatorja sta nameščena levo in desno ob
strojnici. Odvodni kanal je dolg 8,5 km, trapezne oblike in globoko vkopan v teren. Ob
strojnici je na desnem bregu zgrajeno 110-kilovatno stikališče za vključitev elektrarne v
elektroenergetski sistem Slovenije in za povezavo z elektroenergetskim sistemom Hrvaške.
Slika 1: HE Formin
Stran 2
Tabela 1: Tehnični podatki turbine HE Formin
PROIZVAJALEC LITOSTROJ LJUBLJANA TURBINA ŠT. P35600-1 TIP TURBINE K 5 - 5,76/5,60 LETO IZDELAVE 1977 MOČ NA GREDI P=60 MW PADEC H=28,5 m PRETOK Q=225 m3/s VRTILNA HITROST n=2,0831 1/s POBEŽNA HITROST nP=5,1661 1/s
Elektrarna je v obratovanju že 30 let, zato je bilo potrebno zaradi iztrošenosti ter otežene
nabave nadomestnih delov zamenjati sklope krmiljenja in avtomatike sistema priprave
hladilne vode in temperaturnega nadzora. Funkcionalnost priprave hladilne vode in
temperaturnega nadzora je navzven ostala enaka tudi po obnovi.
Naslednja poglavja tega diplomskega dela tako prinašajo: predstavitev starega sistema,
opis potrebne opreme za posodobitev, opis posodobitve, opis nove izvedbe, opis
programske logike, načina regulacije ter natančen opis uporabljenega regulatorja.
Stran 3
2 OPIS SISTEMA PRED POSODOBITVIJO
2.1 Priprava hladilne vode generatorja
Slika 2: Sklop omar za nadzor priprave hladilne vode pred prenovo
Voda za hlajenje generatorjev se zajema na vtoku elektrarne. Cevovod nato vodi do
generatorske etaže, kjer je nameščen postroj priprave hladilne vode, in zatem do agregatov.
Postroj je sestavljen iz dveh funkcionalno identičnih delov, od katerih obratuje samo eden,
drugi je rezerva. Izbira obratujočega sistema je določena s prioriteto. Glavni del sistema je
filter s sitastim bobnom na motorni pogon, na katerem se nabirajo nečistoče.
V primeru zamašenosti filtra se aktivira sistem za izpiranje filtra, ki je sestavljen iz
izpiralne črpalke, ki pod tlakom izpere delce z bobna. Sistem za izpiranje vsebuje še
preklopne ventile, ki se aktivirajo ob začetku izpiranja ter tako omogočijo prehod vode iz
Stran 4
izpiralne črpalke do filtra. Vsak od sistemov ima svoj izbirni ventil, ki odpira dovod vode
iz vtoka skozi filter.
Slika 3: Filtrirni sistem za pripravo hladilne vode agregatov in turbinskih ležajev
2.2 Temperaturni nadzor
Generator se nahaja v generatorskem prostoru. Med obratovanjem v navitju in magnetnem
jedru nastajajo izgube, zaradi katerih prihaja do segrevanja. Tako proizvedena toplota
deloma prehaja iz generatorskega prostora preko zidov in pokrova. Ker prehajanje ni
zadostno, je potrebno med obratovanjem generator prisilno hladiti.
Stran 5
Slika 4: Omara temperaturnega nadzora pred
prenovo
Slika 5: Omara temperaturnega nadzora pred
prenovo
Za ta namen je pod rotorjem generatorja v statorskem prostoru prirejen posebni
ventilacijski prostor, na rotor pa so nameščene ventilacijske lopatice, ki vsrkavajo ohlajen
zrak iz zaprtega generatorskega prostora preko rotorskega in statorskega navitja ter ga
ohlajajo. Tako segret zrak pa izstopa preko toplotnih izmenjevalcev, skozi katere teče
rečna voda, ki se zajema na vtoku, odnaša toplotno energijo ter se izlije nazaj v rečno vodo
na iztoku. Tako ohlajen zrak pa nadaljuje pot nazaj v generatorski prostor.
Stran 6
Slika 6: Toplotni menjalnik (hladilnik) – generatorski prostor
Ob zaustavitvi generatorja ni več prisilnega pretoka zraka, zato hlajenje ni več tako
učinkovito, kljub temu pa je smiselno tudi v tem primeru vzdrževati temperaturo
generatorskega prostora v normalnih mejah.
Da bi preprečili kondenzacijo vlage v navitju generatorja, je potrebno stalno zagotavljati,
da je temperatura generatorskega navitja višja od temperature okolice. Med obratovanjem
je običajno tako, če pa agregat dolgo ne obratuje, lahko pride do omenjenih težav. Pojav
kondenzacije lahko preprečimo z gretjem generatorskega prostora. V ta namen so v
generatorskem prostoru vgrajeni grelci, ki jih lahko sistem po potrebi vklaplja. Izgube v
generatorskem prostoru so odvisne od moči agregata. Z njenim spreminjanjem bi prihajalo
do spreminjanja temperature navitja. Da bi povečali življenjsko dobo navitja, je zaželeno,
da so toplotne spremembe čim počasnejše, to pa zahteva, da količina hladilnega medija
sledi dejanskim izgubam. Da bi omogočili spreminjanje količine hladilne vode, je v odprt
(pretočni) hladilni sistem vgrajen zvezno nastavljivi elektromotorno krmiljeni mešalni
ventil. Če je ventil zaprt, voda, ki je gnana zaradi potencialne višinske razlike, ne kroži
skozi toplotni izmenjevalec, z odpiranjem ventila pa skozenj preusmerjamo vedno večjo
količino vode.
Stran 7
Osnovna regulirana veličina je temperatura generatorja, ki pa zaradi velikih mas in
toplotnih kapacitet povzroča velike časovne konstante sistema. Glede na dostopne podatke
iz procesa smo se odločili, da bomo regulacijo izvajali glede na temperaturo statorskega
navitja. Ta veličina je dokaj blizu cilju regulacij, poleg tega pa pričakujemo zmerno hitre
časovne vplive. Izboru v prid govori tudi dejstvo, da to temperaturo merimo z devetimi
senzorji, s čimer zmanjšamo možnost izpada meritev in posledično nezmožnost regulacije.
Regulacija je bila do sedaj izvedena s klasičnim PI-regulatorjem, katerega parametri so se
nastavili na zagonskem preizkusu v skladu z navodili Ziegler-Nicholsove metode.
Sistem nadzora temperature v generatorskem prostoru je opremljen s senzorji temperature
glavnega generatorja, osnega generatorja, temperature spodnjega vodilnega, zgornjega
vodilnega ter nosilnega ležaja, izstopnega in vstopnega generatorskega zraka. Prav tako
sistem meri temperaturo vstopne in izstopne hladilne vode. Na temperaturo v
generatorskem prostoru lahko vplivamo s krmiljenjem regulacijskega ventila hladilne vode
in grelcev generatorskega prostora.
Namen avtomatizacije sklopa je zagotoviti avtonomen nadzor nad temperaturami naprav v
generatorskem prostoru s ciljem preprečevati škodljive posledice pregrevanja ali
kondenzacije in ohranjanja dolge življenjske dobe z regulacijo temperature statorskega
navitja.
Opis opreme temperaturnega nadzora
V statorskem navitju se nahajata dva paketa z devetimi sondami PT100, ki so namenjene
temperaturnemu nadzoru in temperaturni zaščiti generatorja. Sprememba temperature
statorja povzroči spremembo upornosti sonde PT100.
En paket sond je povezan z RELEJI TERMIČNE ZAŠČITE, ki prožijo ob povišanju
temperature hitro zaporo rotorja, drugi paket pa preko merilnih pretvornikov z NAPRAVO
ZA VEČKANALNO MERJENJE, ki služi za prikaz temperatur statorskega navitja. Ta
paket sond je povezan tudi s PI-regulatorjem, ki drži temperaturo na želeni vrednosti (60
°C).
RELE TERMIČNE ZAŠČITE
Rele termične zaščite (RTP) se je uporabljal za termično zaščito in za prikaz trenutne
vrednosti na analognem prikazovalniku. Rele omogoča delovanje na dveh medsebojno
Stran 8
neodvisnih temperaturah, od 70 °C do 130 °C. Merilni vhod je prilagojen direktni
priključitvi uporovnega merilnika temperature PT100, izhod je tokovni v območju 0–10
mA. Na sprednji plošči je analogni prikazovalni inštrument (0–150 °C), potenciometri za
nastavitev nivoja delovanja releja, svetlobna signalizacija za visoko temperaturo (°C>) in
svetlobna signalizacija za previsoko temperaturo (°C>>).
Slika 7: Rele termične zaščite
NAPRAVA ZA VEČKANALNO MERJENJE TEMPERATURE MXI 303 S-a
Naprava za večkanalno merjenje temperature je bila vgrajena za prikaz merjenih vrednosti
na 32 merilnih mestih. Na napravo so se priključile sonde direktno s trižično vezavo.
Slika 8: Naprava za večkanalno merjenje temperature
POMOŽNA ENOTA
Pomožna enota se nahaja v sestavi naprave za večkanalno temperaturno zaščito. V sistemu
toplotne zaščite se je uporabljala za pridobivanje podatkov o srednji vrednosti temperature.
Vhod v enoto je bil tokovni signal 0–10 mA, pripeljan je bil iz merilnega pretvornika,
izhod je bil napetostni (0–1V) in je služil kot vhodna vrednost regulatorja, vendar je bilo
potrebno dodati napetostno-tokovni pretvornik.
Stran 9
SKLOP MERILNIH PRETVORNIKOV
Uporovni merilni pretvornik pretvarja merilni signal, ki se zajema s sondo PT100, v
standardni izhodni tokovni signal 0–10 mA. Vsako merilno mesto ima pripadajoči merilni
pretvornik, katerega vhod je prilagojen priključitvi uporovnega merilnika temperature
PT100 v trižičnem ali dvožičnem načinu priključitve.
Slika 9: Merilni pretvornik
TRITOČKOVNI SERVOREGULATOR FCD-15A
Tripoložajni stopenjski regulator, ki je bil uporabljen v regulacijskem sistemu, ima tri
preklopna stanja:
- gibanje navzdol,
- gibanje navzgor,
- mirovanje.
Ko se pojavi pogrešek (e) na vhodu (0–20 mA), regulator da na svojem izhodu -Umax ali
+Umax odvisno od predznaka pogreška.
Ker je bil v našem primeru na regulator priključen pogon in nanj pritrjen ventil, ki se je
gibal s hitrostjo (v), je bil opažen premik (u) kot regulacijska veličina. V tem primeru se
signal u (hod ventila) obnaša kot izhod pri zveznem PI-regulatorju. Kadar se pojavi
pogrešek, da regulator prvi daljši pulz, ki mu pravimo P-pulz, temu sledijo krajši I-pulzi.
To se ponavlja, dokler ni dosežena želena vrednost.
Stran 10
Slika 10: PI-regulator – FCD 15A
Slika 11: Izhodni pulzi in princip regulacije
regulatorja FCD 15A
Stran 11
3 OPIS SISTEMOV PO POSODOBITVI
3.1 Priprava hladilne vode
Celoten sklop krmilnih omar, prikazan na sliki 2, je bil zamenjan. Krmiljenje priprave
hladilne vode sedaj pokriva krmilnik Siemens serije S7-300. Motorja za pogon bobnov ter
motorja izpiralnih črpalk sta s krmilnikom povezana preko naprave SIMOCODE 3UF7.
Elektromotorni ventil, izbirna ventila ter ventila za splakovanje filtrov so krmiljeni
neposredno iz krmilnika preko digitalnih izhodov krmilnika. Za prikaz alarmov ter
informacij o stanju sistema je na voljo zaslon na dotik. Vse aktuatorje in pogone je možno
tudi ročno krmiliti s pomočjo tipk, vgrajenih na vratih omare s paneli naprav SIMOCODE,
za krmiljenje ventilov pa se uporabljajo klasične tipke ali zaslon na dotik. Za potrebe
meritev tlakov pred filtroma in za njima so nameščeni tlačni dajalci z analognim izhodom
4–20 mA, ki so prav tako povezani z analognimi vhodi krmilnika.
Opis postopka priprave hladilne vode
Z ukazom ˝vklop priprave hladilne vode˝ se vključi pogon filtra tistega sistema, ki je
izbran po prioriteti. Istočasno se prične odpirati izbirni ventil prioritetnega sistema, ki
ostane odprt, dokler je sistem v obratovanju.
V primeru zamašitve filtra, ko diferenca tlakov pred filtrom in za njim preseže nastavljeno
vrednost, se vklopi izpiranje filtra. Odpre se elektromotorni ventil na cevovodu
splakovalne vode in ostane odprt, dokler ne poteče nastavljen čas časovnega releja. Če je
po tem času tlak diferenčnega manometra še vedno nad nastavljeno vrednostjo, se ventil ne
zapre in ostane odprt tako dolgo, dokler tlak ne pade pod nastavljeno vrednost.
Ob ukazu ˝izklop priprave hladilne vode˝ se pogon filtra ustavi, izbirni ventil gre na
zapiranje in ko je zaprt, se izključi pogon filtra. V primeru neuspešnega izpiranja ali ob
okvari na delujočem prioritetnem sistemu hladilni sistem samodejno preklopi na drugi
sistem in nato izključi sistem, kjer je bila zaznana okvara.
Stran 12
3.2 Temperaturni nadzor
Krmiljenje celotnega sklopa temperaturnega nadzornega sistema pokriva krmilnik
Siemens, serije S7-300, z razširitveno enoto IM365. Merilne sonde so ostale prvotne, saj so
nameščene v statorskem navitju in so nedostopne. PI-regulator je sedaj izveden kar s
pomočjo PLC-ja z blokom SFC59, ki nadomesti regulator in preko digitalne izhodne
kartice daje pulz tripoložajnemu regulacijskemu ventilu, ki se odpre oz. zapre. Merilnih
pretvornikov ne potrebujemo, saj sonde PT100 priključimo direktno na analogne vhodne
module.
Za prikaz alarmov ter informacij o stanju in za samo poseganje v sistem je na voljo zaslon,
občutljiv na dotik. Preko tipk, vgrajenih na vrata krmilne omare, lahko v ročnem delovanju
prav tako krmilimo položaj ventila.
Slika 12: Omara temperaturnega nadzora po
prenovi
Slika 13: Omara temperaturnega nadzora po
prenovi
Stran 13
4 STROJNA OPREMA
4.1 PLC - Programirljiv logični krmilnik družine SIEMENS SIMATIC
S7
Programirljivi logični krmilniki so v sodobnih avtomatiziranih procesih najpogosteje
uporabljeni za logična in sekvenčna vodenja. PLC je digitalno delujoča elektronska
naprava, ki na podlagi ukazov, shranjenih v svojem pomnilniku, izvaja logične sekvenčne,
časovne in aritmetične operacije ter s tem vodi različne naprave in procese preko digitalnih
in analognih vhodov in izhodov.
Slika 14: Programirljiv logični krmilnik z vhodno-izhodnimi moduli
NAPAJALNI MODUL
CENTRALNO-PROCESNA
ENOTA
ANALOGNI VHODNI MODUL
DIGITALNI VHODNI MODULI
DIGITALNI IZHODNI MODULI
Stran 14
PLC-ji so dejansko mikroračunalniki, posebej prirejeni za delovanje v industrijskem
okolju. Ločimo modularno in kompaktno grajene krmilnike.
PLC sestavljajo: napajalnik, centralnoprocesna enota, pomnilnik, vhodni, izhodni in
posebni funkcijski moduli.
Enostavnejši PLC-ji imajo le digitalne vhode in izhode, kompleksnejši pa tudi analogne.
Vhodno-izhodni moduli so proti procesu galvansko ločeni z optičnimi ločilniki. Vhodni
signali se filtrirajo, s čimer zmanjšamo vpliv motenj, zlasti nezaželenih dodatnih
preklopov. Serijska komunikacija se vrši preko komunikacijskih vmesnikov MPI,
PROFIBUS, ETHERNET.
PLC-ji so v bistvu nadomestilo relejske logike, kjer so se operacije izvrševale paralelno,
pri PLC-ju pa se izvajajo zaporedno. Da bi dosegli navzven enako funkcionalno delovanje,
je izvajanje programa v PLC-ju ciklično.
Programski ciklus je razdeljen na tri dele: branje vhodov (vhodna slika), izvajanje
programa ter pisanje na izhode (izhodna slika).
Centralnoprocesna enota CPE 315-2DP (tip: 315-2AG10-0AB0)
Centralnoprocesna enota (CPE) je osrednji del krmilnika, ki obdeluje (procesira) podatke
ter nadzoruje in upravlja ostale enote. Izbere se glede na zahtevo avtomatiziranega sistema.
Obstaja več tipov, ki se med seboj razlikujejo po velikosti delovnega pomnilnika, številu
digitalnih vhodov in izhodov, času obdelave binarnih inštrukcij in številu števcev. CPE
lahko navzven komunicira, prenaša rezultate in podatke preko dveh RS485-serijskih
komunikacijskih vmesnikov (MPI, PROFIBUS). Prenos se vrši preko parice oklepljenega
kabla.
Stran 15
Slika 15: CPE 315-2DP
Tabela 2: Tehnični podatki centralnoprocesne enote
TIP 6ES7315-2AG10-0AB0
TEHNIČNE KARAKTERISTIKE
Napajalna napetost 24 V (20,4 V do 28,8 V)
Tok 0,8 A
POMNILNIK
RAM – integrirani 128 KB
Delovni pomnilnik MMC kartica (max 8MB)
MIKROPROCESORSKI ČAS
Bitne operacije Min. 0,1µs
Besedne inštrukcije Min. 0,2µs
Aritmetična števila s fiksno vejico Min. 2µs
Aritmetična števila s plavajočo vejico Min. 3µs
KONFIGURACIJA
Število blokov (max), (DB, FB, FC, OB) 1024
Število števcev 256
Real-time clock Da (HW ura)
STROJNA OPREMA
Vodilo Največ 4
Št. modulov na vodilu Največ 8
KOMUNIKACIJA – 1. VMESNIK
Komunikacijski vmesnik RS 485
MPI Da
Hitrost prenosa 187,5 kbit/s
KOMUNIKACIJA – 2. VMESNIK
Komunikacijski vmesnik RS 485
PROFIBUS DP Da
Hitrost prenosa do 12 Mbps
Stran 16
Analogni izhodni modul (tip: 6ES7332-5HF00-0AB0)
Analogni izhodni modul ima 40 pinov, preko katerih se vrši posredovanje analognih
vrednosti (napetost, tok). Vsebuje osem 12-bitnih izhodov (kanalov), na katerih se izvede
želen način priključitve (dvožična, štirižična vezava). Izhodi so prilagojeni standardnim
vrednostim, npr. tokovni (0–20 mA, 4–20 mA, ±20 mA), napetostni (1–5 V, 0–10 V, ±
10 V). Za posredovanje temperaturnih vrednosti sistemu SCADA se je za temperaturni
nadzor uporabljala dvožična vezava s standardnim tokovnim območjem (4–20 mA).
1 – DAC (konverter)
2 – Notranji izvor napetosti
3 – Ozemljitev
4 – Konektor BACKPLANE
Slika 16: Analogni izhodni modul, tip: 6ES7332-5HF00-0AB0
Analogni vhodni modul (tip: 6ES7331-1KF02-0AB0)
Analogni vhodni modul ima 40 pinov, preko katerih se vrši merjenje analognih vrednosti
(napetost, tok, upornost, temperatura), katero vrednost bomo merili, pa določimo s pravilno
rotacijo posebnega mostiča, ki se nahaja na levi strani modula. Analogni modul vsebuje
osem 12-bitnih vhodov (kanalov), na katerih se izvede želen način priključitve (dvožična,
trižična, štirižična vezava), odvisno od želene točnosti meritve. Vhodi so prilagojeni
standardnim vrednostim, npr. tokovni (0–20 mA, 4–20 mA, ±20 mA), napetostni (± 50
mV, 500 mV, ± 1 V, ± 5 V, 1–5 V, 0–10 V, ± 10 V). Za merjenje temperature
(temperaturni nadzor) in merjenje tlaka (priprava hladilne vode), se je uporabljala trižična
vezava (4–20 mA).
Stran 17
1 – Dvožična vezava
2,3 – Trižična vezava
4 – Štirižična vezava
5 – Notranje napajanje
6 – +5V napajanje BACKPLANE
7 – Konektor BACKPLANE
8 – Multiplekser
9 – Analogno-digitalni pretvornik
10 – Tokovni generator
Slika 17: Analogni vhodni modul, tip: 6ES7 331-7KF02-0AB0
Digitalni vhodni modul (tip: 6ES7 321-7BH01-0AB0 )
Digitalni vhodni modul je namenjen pridobivanju informacij o procesu (končna lega
ventila, izbran sistem, izpad avtomatov ), modul ima 16 vhodov, katerih aktivno stanje
(˝1˝) predstavlja vklopljena kontrolna LED-dioda na čelni ploskvi. Logično enico (˝1˝)
predstavlja signal velikosti 13V–30V, 7 mA, logično ničlo (˝0˝) pa signal med -30 V in + 5
V.
Stran 18
1 – Številka kanala
2 – Status OK – zelena LED
Status NAPAKA – rdeča LED
3 – Konektor BACKPLANE
4 – Detektor prekinjene žice (sonda)
Slika 18: Digitalni vhodni modul, tip: 6ES7 321-7BH01-0AB0
Stran 19
Digitalni izhodni modul (tip: 6ES7 322-1HH01-0AA0)
Digitalni izhodni modul je namenjen prikazu ter nadaljnjemu posredovanju informacij o
procesu (končna lega ventila, izbran sistem, izpad avtomatov). Modul ima 16 vhodov,
katerih aktivno stanje (˝1˝) predstavlja vklopljena kontrolna LED-dioda na čelni ploskvi.
Izhodi modula so relejski in jih lahko uporabljamo za proženje tuljavic kontaktorjev in s
tem vklop aktuatorjev. Dovoljena vrednost toka na releju je 2 A.
1 – Številka kanala
2 – Status OK – zelena LED
Status NAPAKA – rdeča LED
3 – Konektor BACKPLANE
Slika 19: Digitalni izhodni modul, tip: 6ES7 322-1HH01-0AA0
Razširitveni modul IM365 (tip: 365-0BA01-0AA0)
IM365 je razširitveni modul, ki se uporablja, kadar želimo v konfiguraciji uporabiti več kot
8 modulov. Ker nam hardverska konfiguracija tega ne omogoča, se doda razširitvena enota
za dodatne module (max 8). Razširitveno enoto IM365 sestavljata 2 modula (SEND,
RECEIVE), ki sta trajno povezana s kablom dolžine 1m. Modul SEND moramo namestiti
v konfiguraciji za napajalnik in CPE v prvem vodilu (centralnem RACK-u), modul
RECEIVE pa kot prvi modul v drugem vodilu (oddaljenem RACK-u). Drugemu vodilu ni
Stran 20
potrebno dodajati dodatnega napajalnika, saj se napajanje prenese kar preko trajnega
povezovalnega kabla.
Slika 20: Razširitveni modul IM365
4.2 SIMOCODE pro
SIMOCODE pro (SIRIUS Motor Management and Control Devices) je prilagodljiv
modularni sistem, namenjen nadzorovanju, zaščiti in upravljanju motorjev. Naprava se
neposredno in enostavno povezuje v višji raven avtomatizacije (CPU-krmilnik) preko
vmesnika PROFIBUS DP. Podatki se berejo in prenašajo v krmilnik oz. iz njega ciklično
(CYCLIC SEND, RECEIVE DATA) ali pa se preberejo preko podatkovnih posnetkov
(DATA RECORD) in funkcije SFC 59. Naprava zajema vse zahteve funkcionalnosti, od
napajanja do krmiljenja in nadzora tokokroga motorja.
Moduli konfiguracije direktnega zagona motorja so:
- osnovna centralna enota (BASIC UNIT – 3UF70.0-1A.00-0);
- merilnik toka (CURRENT MEASURING MODULE – 3UF711.-1.A00-0);
- kontaktor;
- nadzorni zaslon (OPERATOR PANEL).
Stran 21
Osnovna centralna enota vsebuje 3 relejne monostabilne izhode, ki so normalno odprti, ter
4 digitalne vhode, ki se prožijo s 24 V enosmerne napetosti. Modulu BASIC UNIT je
poleg kontaktorja, ki je namenjen vklopu in izklopu motorja, dodan še merilni modul toka.
Modul toka omogoča merjenje toka (do 820 A), napetosti (do 690 V), moči ter cos φ
posameznih faz. Vendar je merjenje pogojeno s tem, da so napajalni kabli speljani skozi
odprtine modula.
Slika 21: Konfiguracija SIMOCODE pro
Posluževalni zaslon se uporablja za nadzor motorja ali za lokalno krmiljenje. Namešča se v
vrata omare. Tako je SIMOCODE (motor) mogoče neposredno upravljati iz omare
START-STOP preko 4 tipk, katerih funkcija se določi v parametrizaciji. V posluževalni
zaslon so vgrajene tudi 4 kontrolne LED-diode, katerih vklop oz. izklop se na željo
porabnika določi v parametrizaciji. Posluževalni zaslon omogoča neposredno branje
diagnostičnih vrednosti (tok, napetost, cos φ, operativne ure, število vklopov, napake).
Parametrizacija oz. programiranje modula BASIC UNIT se izvaja v računalniškem
programu SIMOCODE-ES, parametri se prenašajo preko vodila PROFIBUS v osnovno
centralno enoto.
Na sliki 22 je prikazan primer hierarhičnega avtomatiziranega sistema. Vidimo, da so
končni izvršni elementi (motorji) na najnižji stopnji avtomatizacije, temu sledijo naprave
SIMOCODE, ki predstavljajo neke vrste stikala in zaščito motorjem. Pogoj za vklop in
izklop naprava SIMOCODE pridobi iz programirljivega logičnega krmilnika, ki je glavni
Stran 22
krmilni element in vsebuje programsko logiko avtomatiziranega sistema. Na vrhu
piramidne lestvice pa se nahaja nadzorni računalnik, ki ima vpogled v vsak element
posebej in lahko nanj tudi vpliva. Na nadzornem računalniku se običajno nahaja SCADA
(Supervisory Control And Data Acquisition), ki je program za nadzor in kontrolo
avtomatiziranega sistema. Isti princip avtomatizacije smo uporabili tudi mi za pripravo
hladilne vode in temperaturnega nadzora.
Slika 22: Modularni prikaz avtomatiziranega sistema
4.3 Zaslon, občutljiv na dotik - TP SIMATIC 177B
Zasloni, občutljivi na dotik, imajo v avtomatiki zelo pomembno vlogo. Med procesom
omogočajo nadziranje obratovalnih razmer, procesnih vrednosti in napak. Poleg tega lahko
z zaslonom, občutljivim na dotik, v proces vnašamo podatke in zahteve ter tako vplivamo
direktno na izvajanje procesa.
TP177B je naprava za upravljanje zahtevnih avtomatiziranih procesov.
Kontrolni sistem
Nadzorni sistem
Krmilni sistem
SIMOCODE-PRO Motor
Vodilni računalnik
PLC-SIMATIC
Izvršni sistem
Stran 23
Slika 23: TP SIMATIC 177B
Sestavlja jo 5,7-palični, 256-barvni grafični zaslon, ki je občutljiv na dotik. Ločljivost
prikaza je 320 x 240 pik. Na zaslonu je tudi reža za vstavljanje multimedijskih kartic in
USB-ključa.
Simatic STEP7 in TP177B lahko komunicirata na več načinov. Na voljo so jima naslednji
komunikacijski vmesniki:
- MPI,
- PROFIBUS,
- ETHERNET.
Programiranje oz. parametriranje zaslona se izvaja v računalniškem programu WinCC.
4.4 Merilnik tlaka – Cerabar T PMP 131
Slika 24: Cerabar T PMP 131
Stran 24
Za ugotavljanje zamašenosti filtra za pripravo hladilne vode se uporablja merilec tlaka
proizvajalca Endress + Hauser, tip Cerabar T PMP 131, z merilnim območjem 0 do 4
barov, katerega izhod je proporcionalen standardiziranemu tokovnemu izhodu 4 do 20 mA.
Merilnik deluje na principu deformacije kovinske zaslonke, ki povzroči spremembo
upornosti merilnega mostiča, ta pa proporcionalno spremembo toka na izhodu (4 do 20
mA).
4.5 Sonda PT 100
Uporovni termometri so senzorji, ki izkoriščajo spremembo upornosti materiala zaradi
spremembe temperature. Največkrat uporabljen material je platina, ki jo odlikujejo dobre
lastnosti, kot so ponovljivost, linearnost in natančnost. Uporablja se skoraj na vseh
področjih meritev temperature v območju od - 200 do 850 °C. Po evropskem standardu se
na našem tržišču uporabljajo platinasti upori PT 100, sprememba njihove upornosti znaša
0,392 Ω/°C in po standardu znaša 100 Ω pri 0 °C. Pri meritvah, kjer želimo imeti zelo
natančne rezultate, moramo upoštevati tudi upornost priključnih žic. Zato se v industrijski
praksi uporablja trižična priključitev, za natančne aplikacije pa štirižična vezava.
Stran 25
5 PROGRAMSKA OPREMA
Programiranje uporabniškega programa poteka na oddaljenem računalniku. Običajno je to
prenosni ali namizni računalnik z operacijskim sistemom (npr. WIN XP). Prenos programa
iz računalnika v krmilnik, zaslon, SIMOCODE poteka direktno preko vodila PROFIBUS
DP, MPI ali PROFINET.
5.1 STEP7
Programski jezik STEP7 je produkt firme SIEMENS, namenjen programiranju krmilnikov
družine S7. Program se namešča na namenske programirljive naprave (PG), osebne
računalnike ali prenosne računalnike.
Program STEP7 nam omogoča: planiranje, projektiranje, konfiguriranje, parametriranje
strojne opreme in komunikacije ter ustvarjanje, dokumentiranje, testiranje, zaganjanje,
servisiranje in arhiviranje uporabniškega programa. Program lahko pišemo linearno ali
strukturno. Pri linearnem programiranju je program napisan v enem bloku, pri strukturnem
programiranju pa v obliki programskih blokov, kar je bolje pri kompleksnih procesih. Pri
pisanju programa so nam na voljo trije programski jeziki:
-STATEMENT LIST je tekstovni način programiranja. Programiranje poteka iz nabora
ukazov, prirejenem za STEP7.
-LADDER LOGIC je grafični način pisanja programa in izvira iz programiranja kontaktnih
in relejskih logičnih vezij.
-FUNCTION BLOK je grafični način pisanja programa, programska logika je sestavljena
iz logičnih blokov Boolove algebre.
Pogoj za uspešno izvajanje programa na krmilniku PLC je strojna (hardverska)
konfiguracija modulov, ki jo napravimo v programu STEP 7, kjer definiramo tip krmilnika,
s katerim želimo delati, ter tip in mesta namestitve vhodnih in izhodnih modulov. Vhodnim
Stran 26
in izhodnim modulom določimo tudi naslovne lokacije, preko katerih krmilnik pošilja in
bere podatke iz okolice.
Slika 25: STEP7 – hardverska konfiguracija
Za lažje in hitrejše programiranje imamo na voljo simbolno tabelo, ki si jo programer po
lastni želji uredi. V njej se lahko definirajo vsi vhodni in izhodni naslovi, tudi s komentarji.
Vsakemu pomnilnemu mestu (MERKERJU) se lahko pripiše naslov ter opis. To nam
program naredi veliko bolj pregleden in razumen.
Slika 26: Simbolna tabela
Stran 27
Uporabniški program je razvejan v tako imenovanih blokih, ki so med seboj logično
povezani v neko celoto:
ORGANIZACIJSKI BLOK (OB): Predstavlja glavni program, saj je v njem določen vrstni
red izvajanja programov (klici funkcij). Obdeluje se ciklično. Je nekakšen vmesnik med
operacijskim sistemom krmilnika in uporabniškim programom.
FUNKCIJE (FC): Predstavljajo bloke brez pomnilnika, začasne spremenljivke se shranijo
v lokalni sklad in niso več dostopne po zaključku izvajanja funkcije. Funkcije so
namenjene programiranju nalog, ki se večkrat ponovijo v programu. Potrebno jih je klicati
iz glavnega organizacijskega bloka.
FUNKCIJSKI BLOKI (FB): Predstavljajo bloke s pomnilnikom. Pri vsakem klicu
funkcijskega bloka določimo ustrezni podatkovni blok, kamor se prenašajo statične
spremenljivke. Parametri, ki se shranijo v ustrezen podatkovni blok, so dostopni tudi po
zaključku izvajanja bloka.
PODATKOVNI BLOKI (DB): So namenjeni shranjevanju podatkov (števil, besedil).
Podatki se vstavljajo med programiranjem ali med izvajanjem programa. Bloki niso
vključeni v ciklično obdelavo, ampak se odpirajo na poziv.
5.2 WinCC flexible.
WinCC flexible je namenjen programiranju grafičnih prikazovalnikov družine SIEMENS.
Programska oprema je skladna z vsemi tipi prikazovalnikov. Pred začetkom projektiranja
izberemo tip grafičnega zaslona, ki ga bomo uporabili (TP 177B), in tip komunikacijskega
protokola (PROFIBUS, MPI, PROFINET).
Snovanje grafičnega zaslona pomeni glede na procesni sistem ustvariti slike, zaznamke
(TAGE) uporabljenih spremenljivk , alarmna in procesna sporočila. Ob souporabi WinCC
in STEP 7 je pametno WinCC integrirati v program STEP7, saj imamo s tem celoten
projekt združen in lahko beremo spremenljivke direktno iz simbolne tabele, vendar
moramo funkcijo integracije izbrati že pri sami inštalaciji programa. Jedro programa
WinCC flexible so njegovi urejevalniki. Bogato založena je tudi knjižnica simbolov.
Projektiranje poteka po načinu 'povleci in spusti'.
Stran 28
Slika 27: Primer kreiranja zaslona v programu WinCC flexible
5.3 SIMOCODE ES
SIMOCODE ES je osrednja programska oprema za zagon, delovanje in diagnostiko
modulov SIMOCODE pro. Omogoča nam sprotno (tudi med obratovanjem) spreminjanje
parametrov, s čimer lahko preprečimo nepotrebne izpade sistema. Nadzor, zaščita in
ožičenje so preprosto izvedljivi, kar s tako imenovanim grafičnim načinom 'povleci –
spusti' ali v nasprotnem primeru s tabelaričnim načinom. Ob nejasnosti je zelo uporabna
bogato založena knjižnica pomoči.
V primeru uporabe programa SIMOCODE ES in SIEMENSOVIH krmilnikov v
avtomatizacijskem sistemu je pametno uporabiti razpoložljivo funkcijo integracije
programa SIMOCODE ES v STEP 7, katerega prednost je ta, da lahko parametriziramo in
nalagamo sistemske podatke kar iz hardverske konfiguracije STEP7 v SIMOCODE in v
centralnoprocesno enoto krmilnika istočasno in s tem imamo združen avtomatizacijski
projekt v celoti.
Stran 29
Slika 28: Program SIMOCODE ES
5.4 IbaPDA-S7-Analyzer
Računalniški program ibaPDA-S7-Analyzer je bil zasnovan zlasti za pomoč pri
avtomatizaciji sistemov, ki uporabljajo programirljive logične krmilnike. Omogoča
merjenje, nadzor in arhiviranje signalov, dobljenih s PLC-jem. Morebitne napake na
sistemu se tako lažje ugotovijo in odpravijo. Program omogoča merjenje in analiziranje do
64 signalov različnih tipov (I, Q, M, PI), ibaPDA-S7-Analyzer ustvari podatkovne datoteke
(*. dat), ki so 100-odstotno združljive s standardnim orodjem iba-Analyzer, ki omogoča
širok razpon analiziranja funkcij vzporedno (ažurno) ali pozneje. Glede na strojno in
programsko opremo so na voljo različna dostopna mesta za zbiranje in analizo podatkov iz
krmilnikov SIMATIC S7: TCP/IP, MPI in PROFIBUS DP.
Stran 30
6 POGONI
6.1 Pogon filtra
Pogon filtra je krmiljen in zaščiten preko naprave SIMCODE pro v avtomatskem in
ročnem režimu. SIMOCODE zagotavlja pretokovno zaščito, zaščito proti preobremenitvi
in zaščito proti prepogostim vklopom.
Slika 29: Pogon filtra
Tabela 3: Tehnični podatki motorja pogona
Proizvajalec: Motorenfabrik OBERMOSER Bruchsal Tip: SA85D90S4 Napetost: 220 V (vezava trikot), 380 V (vezava zvezda) Tok: 4,8 A (vezava trikot), 2,8 A (vezava zvezda) Frekvenca: 50 Hz Moč: 1,1 kW Cos φ: 0,78 Vrtilna hitrost: 1400/9 1/min
Stran 31
6.2 Pogon izbirnega ventila
Pogon izbirnega ventila je krmiljen in zaščiten preko naprave SIMCODE pro v
avtomatskem in ročnem režimu. SIMOCODE zagotavlja pretokovno zaščito, zaščito proti
preobremenitvi in zaščito proti prepogostim vklopom.
Slika 30: Pogon izbirnega ventila
Tabela 4: Tehnični podatki pogona motorja
Proizvajalec: AUMA Tip: MD 56-2/45 Napetost: 220 V (vezava trikot), 380 V (vezava zvezda) Tok: 1,6 A (vezava trikot), 0,9 A (vezava zvezda) Frekvenca: 50 Hz Cos φ: 0,60 Vrtilna hitrost 2800 1/min
Stran 32
6.3 Izpiralna črpalka
Izpiralna črpalka je krmiljena in zaščitena preko naprave SIMCODE pro v avtomatskem in
ročnem režimu. SIMOCODE zagotavlja pretokovno zaščito, zaščito proti preobremenitvi
in zaščito proti prepogostim vklopom.
Slika 31:Izpiralna črpalka
Tabela 5: Tehnični podatki izpiralne črpalke
Proizvajalec: ELEKTROKOVINA Tip: T 132 SA 2 Napetost: 380 V (vezava trikot) Tok: 11 A (vezava trikot) Frekvenca: 50 Hz Moč: 5,5 kW Cos φ: 0,89 Vrtilna hitrost 2900 1/min
6.4 Pogon izpiralnega ventila
Pogon izpiralnega ventila je krmiljen in zaščiten preko naprave SIMCODE pro v
avtomatskem in ročnem režimu. SIMOCODE zagotavlja pretokovno zaščito, zaščito proti
preobremenitvi in zaščito proti prepogostim vklopom.
Stran 33
Slika 32: Pogon izpiralnega ventila
Tabela 6: Tehnični podatki izpiralnega ventila
Proizvajalec: AUMA Tip: D56-2/45 Napetost: 220 V (vezava trikot), 380 V (vezava zvezda) Tok: 1,4V (vezava trikot), 0,8 V (vezava zvezda) Frekvenca: 50 Hz Moč: 5,5 kW Cos φ: 0,53 Vrtilna hitrost 2800 1/min
6.5 Elektromagnetni ventil
Elektromagnetni ventil sestavljata ventil in elektromagnetni aktuator. Ventil je v
normalnem stanju zaprt. V primeru vklopa pogona filtra se istočasno pripelje napetost (230
V) na tuljavo elektromagneta, ta odpre ventil in s tem omogoči odvod nečistoč v drenažni
kanal.
Slika 33: Elektromagnetni ventil
Stran 34
6.6 Elektromotorni regulacijski ventil
Tripoložajni motorski ventil serije MV5410 je namenjen dušenju, mešanju ter distribuciji
tekočin in plinastih medijev.
Tabela 7: Tehnični podatki regulacijskega ventila
Proizvajalec: GSW stahl-armaturen Tip: MV5410 Napetost: 380 V (vezava zvezda) Tok: 0,8 V (vezava zvezda) Frekvenca: 50 Hz Nominalna dolžina (NW): 200 mm Ventil poganja trifazni izmenični motor z majhno porabo. Diskasta zavora preko robustnih
zobčenikov žene vijačno vreteno, ki se vrti in s tem povzroči premik premične matice.
Premična matica je preko sklopke in ventilskega vretena pritrjena na ventilski stožec. Ko
ventil doseže svojo končno pozicijo in premaga silo vzmeti sklopke, reduktorsko vodilo
sproži končno stikalo. Z ročico onemogočimo premik vretena z motorjem in pozicioniramo
ventil z ročnim krmilom. Za zaščito motorja je v navitje nameščen termostat. Rele
termostata omogoča priklop enofaznega bremena karakteristik 1 A, 230 V, 50 Hz. Na
ventilskem pogonu se nahaja potenciometer, ki je namenjen prikazu oz. določanju
natančne pozicije ventila (odprtost), nameščena so tudi končna stikala (odprtost ventila:
0 %, 20 %, 25 %, 100 %), ki so namenjena zaznavanju končnih leg.
Slika 34: Elektromotorni regulacijski ventil
Stran 35
7 REGULACIJA TEMPERATURE
Spreminjanje količine hladilne vode v toplotnem menjalniku dosežemo z zvezno
nastavljivim elektromotorno krmiljenim mešalnim ventilom.
Osnovna regulirana veličina je temperatura generatorja, ki pa zaradi velikih mas in
toplotnih kapacitet sistema povzroča velike časovne zakasnitve in počasne odzive sistema.
Glede na dostopne podatke iz procesa smo se odločili, da bomo regulacijo izvajali glede na
temperaturo statorskega navitja. Ta veličina je najbolj primerna za izvedbo regulacije, saj
najhitreje reagira na spremembo odprtja mešalnega ventila. To temperaturo merimo z
devetimi senzorji, s čimer zmanjšamo možnost izpada meritev in posledično nezmožnost
regulacije. Regulacija se izvaja s PI-regulatorjem, ki je v bistvu funkcijski blok v krmilniku
PLC, kar je bila za nas zelo dobrodošla in primerna izbira. PI-regulator poleg tega ne
zavzame nobenega prostora v omari in ne potrebuje napajanja ali kakršnega koli merilnega
pretvornika.
Namen avtomatizacije sklopa je zagotoviti avtonomen nadzor nad temperaturami naprav v
generatorskem prostoru, s ciljem preprečiti škodljive posledice pregrevanja ali
kondenzacije ter skokovitih sprememb temperature statorskega navitja.
SPLOŠNO O REGULACIJAH
Regulacija je proces, pri katerem regulirano veličino z neprestanim merjenjem,
primerjanjem in s povratnim delovanjem stalno nastavljamo in ohranjamo na želeni
vrednosti. Prednosti, ki jih dosežemo s povratno zanko, so hitrejše prilagajanje regulirane
veličine spremembam želene (referenčne) vrednosti ter zmanjšan vpliv motenj (okolica,
proces).
Stran 36
Slika 35: Regulacijska zanka
xž(t) – želena (referenčna) veličina
e(t) – regulacijsko odstopanje (pogrešek)
x(t) – regulirana veličina (procesna veličina)
y(t) – krmilna veličina
z(t) – motnja
e(t)= xž(t) - x(t)
Blokovna shema (slika 35) prikazuje osnovni način regulacijske zanke. Regulirana veličina
je v našem primeru temperatura statorskega navitja, ki jo želimo držati na neki predpisani
temperaturi xž (t). Zato primerjamo merjeno vrednost temperature x(t) z želeno vrednostjo
xž(t). Če obstaja odstopanje (pogrešek) e(t), to je razlika med želeno in dejansko
vrednostjo, le-to deluje preko regulatorja na novo nastavitev vhodne krmilne veličine y(t),
tako da se napaka izniči.
Stran 37
7.1 Izvedba industrijskega regulacijskega sistema
Slika 36: Industrijski regulacijski sistem
Celotni regulacijski sistem tvorijo merilni sistem, regulator in izvršni sistem.
MERILNI SISTEM sestavljajo:
- Tipalo, ki je namenjeno tipanju in zajemanju regulirane veličine na merilnem mestu. V
našem primeru so to bile sonde PT100.
- Merilni pretvornik, ki je namenjen pretvorbi signala tipala v standardni, normirani
signal (4–20 mA).
- Ojačevalnik, ki je namenjen ojačenju merilnega signala in filtriranju motenj.
IZVRŠNI SISTEM sestavljata:
- Aktuator, ki je krmilni del končnega izvršnega člena (rele, kontaktor, motor). Pri nas sta
to bila izhodna releja na digitalnem izhodnem modulu.
- Končni izvršni člen, ki je neposredni krmilni element za nastavljanje regulirne veličine
(ventil, loputa, motor). Pri nas je to nalogo prevzel motorski pogon mešalnega ventila.
REGULATOR je inteligentni del regulacijskega sistema. Sestavljajo ga primerjalni člen,
regulacijski algoritem in dajalnik želene vrednosti. Mi smo uporabili PI-regulator – FB59
"TCONT_S".
Stran 38
7.2 PI-regulator – splošno
Slika 37: Blokovna shema PI-regulatorja
PI-regulator je kombinacija proporcionalnega in integralnega. P-regulator deluje (ne
zakasnjeno) proporcionalno, učinkuje trenutno, vendar ima pogrešek v ustaljenem stanju.
I-regulator sledi želeni vrednosti zaradi končne hitrosti relativno počasi, vendar popolnoma
izniči regulacijsko odstopanje e(t).
PI-regulator se opisuje s prenosno karakteristiko:
= [ +
]
u(t) = izhod regulatorja
Kp = ojačanje regulatorja
TI = integracijska časovna konstanta
e(t) = vhod regulatorja (regulacijsko odstopanje)
Stran 39
Slika 38: Odziv PI-regulatorja na stopnično spremembo regulacijskega odstopanja
Za PI-regulator ne moremo narisati skupne statične karakteristike, ker nanašamo na
ordinato pri P-regulatorju krmilno veličino, pri I-regulatorju pa njeno hitrost. Zato
narišemo njegov odziv na stopnično spremembo regulacijskega odstopanja in določimo
karakteristične parametre iz odziva. Na sliki 38 sta prikazana oba sestavna dela odziva na
stopnico. Vidimo, da deluje PI-regulator kot I-regulator, ki je začel delovati za čas TI prej.
Opazimo, da najprej deluje P-del regulatorja, nato pa še I-del regulatorja s svojo strmino.
Tako so lastnosti PI-regulatorja podane s parametroma Kp in integralnim časom TI. PI-
regulator združuje dobre dinamične lastnosti P-regulatorja in dobre statične lastnosti I-
regulatorja.
Slika 39: Statična karakteristika P-dela Slika 40: Statična karakteristika I-dela
= [ + 1
]
Stran 40
Tripoložajni PI-regulator
Je stikalni element s tremi preklopnimi stanji, od katerih je srednje stanje mirovno. Ostali
stanji zavzema regulator pri pozitivnem oz. negativnem pogrešku. V primeru regulacije
temperature, ki jo opisujem v diplomski nalogi, krmilimo temperaturo z mešalnim
ventilom preko motornega pogona z dvema izhodnima relejema. Izhodna stanja pomenijo:
PODROČJE I: Motor se vrti v desno (ventil zapiranje).
PODROČJE 0: Motor miruje.
PODROČJE II: Motor se vrti v levo (ventil odpiranje).
Slika 41: Karakteristika tripoložajnega regulatorja
Področje 0, v katerem regulator ne reagira, imenujemo tudi mrtva cona. Določitev tega
območja in histerezne širine moramo obravnavati s karakterističnimi vrednostmi procesa.
Ker pa tripoložajni regulator vsebuje še povratno zvezo, ki skrbi za regulacijo temperature
posredno preko motorja (ventila), ima približno ponašanje zveznega PI-regulatorja. Preko
dveh izhodnih relejev vklapljamo s konstantnimi izhodnimi napetostnimi pulzi motor, ki se
posledično vrti v eno in drugo smer oz. miruje. Tako izhodna releja z napetostnimi signali
integrirata (povečujeta oz. zmanjšujeta) položaj ventila, dokler ni dosežena želena
vrednost.
Stran 41
Slika 42: Blokovna shema tripoložajnega regulatorja s povratno zvezo
Na sliki 42 je prikazana blokovna shema tripoložajnega regulatorja s povratno zvezo.
Napetost, pri kateri pride do proženja izhodnega aktuatorja, je ±, napetost, ko se izklopi,
pa je ± − ∆. Mrtva cona (območje neobčutljivosti), ko se regulator ne odzove na
vzbujanje, leži med +, in −. Povratna zveza vklaplja ojačevalnik istočasno z
motorjem. Signal na vhodu povratne zveze torej ni proporcionalen pogrešku, ampak je
konstanten (). Na izhodu povratne zveze imamo signal:
Pri naraščanju: = 1 −
!"#
Pri padanju: % = 1 − & !'(#
Če je na vhodu regulatorja pogrešek e večji od , se vklopi %)=. Napetost povratne
zveze narašča s časovno konstanto in zaradi negativnega predznaka v primerjalniku
zmanjšuje pogrešek. Po času vhodna napetost ) = − pade na vrednost − ∆,
ko ojačevalnik izklopi. Napetost povratne zveze pada, nato s časovno konstanto %, )
narašča, dokler pri * ojačevalnik zopet vklopi. To se nato ponavlja. Trajanje preklopnih
pulzov in odmorov med njimi je odvisno od časovne konstante in %, od meje
odzivnosti in širine histereze.
Stran 42
7.3 PI-regulator – FB59 "TCONT_S"
Je programski funkcijski blok, namenjen regulaciji temperaturnih procesov. Na proces
vplivamo direktno preko aktuatorjev, ki sta v bistvu kar izhodna releja digitalne izhodne
kartice krmilnika in sta povezana z motornim pogonom mešalnega ventila. Vhodne
podatke regulator dobiva preko vhodnih analognih in digitalnih modulov krmilnika.
FB59 »TCONT_S« deluje brez povratne informacije o položaju mešalnega ventila.
Območje delovanja je določeno s končnimi legami ventila.
Parameter integratorja (TI) in domneven položaj aktuatorja je kalkuliran v integratorju PI-
regulatorja in se primerja, z namenom ugotovitve preostalih še dovoljenih P-pulzov.
Število še dovoljenih pulzov se prenese na tristopenjski element (THREE_ST) in na
generator PULSE (PULSEOUT), ki oblikuje izhodni pulz. Pulzi so omejeni s končno lego
aktuatorja in ga nikoli ne presežejo.
Z vhodom LMNS_ON na regulatorju lahko izbiramo med ročnim ali avtomatskim
načinom regulacije. V ročnem režimu sta P-člen in I-člen postavljena na 0. Ob uporabi
vhodov LMNUP in LMNDN vplivamo na izhodna krmilna releja. V primeru, da želimo
ventil dvigniti oz. pritegniti rele za odpiranje mešalnega ventila, moramo postaviti na
vhodu LMNUP logično 1, na LMNDN pa mora biti logična 0. Logični enici na obeh
vhodih za ročno krmiljenje sta prepovedani, sicer pa je bil program za krmiljenje napisan
tako, da to niti ni izvedljivo.
Slika 43: Primer izvedbe preklopa med ročnim in avtomatskim načinom regulacije
Ob priklopu v avtomatski način delovanja se v regulatorju pritegnejo kontakti (povezava se
sklene). V primeru odstopanja željene vrednosti od procesne vrednosti se na izhodnih
sponkah pojavi stopnični pulz oz. skupina pulzov, ki odpravijo pogrešek sistema.
Stran 43
PI-regulator v programu STEP7
Slika 44: PI-regulator FB59 "TCONT_S" v programu STEP 7
Uporabljen regulator ni kompaktni modul, ampak funkcijski blok v programu STEP7. Če
ga želimo uporabljati, ga moramo najprej vključiti v projekt, parametrizirati ter naložiti v
krmilnik. V programu STEP7 ga kličemo z ukazom STL (CALL FB59, DB 59) v glavnem
organizacijskem bloku OB1 ali v organizacijskem bloku OB35 (blok, kjer po želji
nastavimo čas izvajanja cikla). Po klicu se ponudi element (blokovni vmesnik) z vhodnimi
in izhodnimi stanji (slika 44), ki predstavlja tripoložajni regulator. Sedaj je naša naloga, da
na vhodne in izhodne priključke dovedemo signale, ki jih potrebuje regulator pri svojem
izvajanju. Priključki regulatorja zahtevajo različne tipe signalov (BOOL, REAL, INT),
zato moramo biti na to pozorni.
Slika 45: Podatkovni blok DB 59 – parametrični pogled
Stran 44
Slika 46: Podatkovni blok DB 59 – klasični pogled
Prav tako se poleg funkcijskega bloka regulatorja tvori nanj nanašajoč podatkovni blok
(slika 45 in slika 46), v katerem so definirani vsi priključni parametri, ki jih lahko med
samim procesom v monitoring načinu tudi spremljamo. V podatkovni blok DB59 sami
vpišemo parametre regulatorja, ki so:
- proporcionalno ojačanje,
- integralno ojačanje,
- čas izhodnega pulza,
- čas zaviralnega pulza,
- čas trajanja hoda ventila (spodnja, zgornja lega).
Stran 45
Blokovna shema regulatorja
Slika 47: Blokovna shema uporabljenega tripoložajnega PI-regulatorja
Prenos parametrov – uporabniški vmesnik
FB-klic vmesnika
Prenos parametrov – uporabniški vmesnik, FB-klic vmesnika
Stran 46
OPIS PARAMETROV REGULATORJA:
VHODNI SIGNALI:
CYCLE (SAMPLE TIME OF STEP CONTROLLER[s]) – vhod, kjer vpišemo čas
vzorčenja regulatorja [(REAL), (DB-lokacija 0)].
Pri nastavljanju časa vzorčenja regulatorja moramo upoštevati, da le-ta ne presega 10 %
vrednosti integralnega časa regulatorja.
SP_INT (INTERNAL SETPOINT) – vhod za želeno vrednost [(REAL), (DB-lokacija
4)].
ŽELENA VELIČINA (SP) se vpisuje na vhodu SP_INT kot plavajoča (floating-point) ali
kot procentna vrednost. Želena in procesna (regulirana) vrednost se uporabljata za
definiranje pogreška, zato morata biti enakega formata.
PV_IN (PROCES VARIABLE IN) – vhod procesne vrednosti [(REAL), (DB-lokacija
8)].
PV_PER (PROCESS VARIABLE PERIPHERY) – vhod procesne vrednosti [(INT),
(DB-lokacija 12)]
DISV (DISTURBANCE VARIABLE) – vhod, za definiranje dodatne motnje sistema
[(REAL), (DB-lokacija 14)]
LMNR_HS (HIGH LIMIT SIGNAL OF REPEATED MANIPULATED VALUE) –
vhod za zaznavanje zgornje mejne vrednosti končnega izvršnega člena. Ko je signal
sprožen, je izhodu onemogočeno nadaljnje odpiranje [(BOOL), (DB-lokacija 18.0)].
LMNR_LS (LOW LIMIT SIGNAL OF REPEATED MANIPULATED VALUE) –
vhod za zaznavanje spodnje mejne vrednosti končnega izvršnega člena. Ko je signal
sprožen, je izhodu onemogočeno nadaljnje zapiranje [(BOOL), (DB-lokacija 18.1)].
LMNS_ON (MANIPULATED SIGNALS ON) – vhod za aktiviranje ročnega načina
procesiranja regulatorja [(BOOL), (DB-lokacija 18.2)].
Stran 47
LMNUP (MANIPULATED SIGNALS UP) – vhod za proženje izhoda v ročnem režimu
QLMNUP. V primeru, da je regulator v ročnem režimu in je na vhodu prisotna logična 1,
se aktuator giblje v smeri odpiranja [(BOOL), (DB-lokacija 18.3)].
LMNDN (MANIPULATED SIGNALS DOWN) – vhod za proženje izhoda v ročnem
režimu QLMNDN. V primeru, da je regulator v ročnem režimu in je na vhodu prisotna
logična 1, se aktuator giblje v smeri zapiranja [(BOOL), (DB-lokacija 18.4)].
IZHODNI SIGNALI:
QLMNUP (MANIPULATED SIGNAL UP) – izhod za proženje aktuatorja. Če je signal
aktiven, bo prišlo do odpiranja ventila (izhodni rele se pritegne) [(BOOL), (DB-lokacija
20.0)].
QLMNDN (MANIPULATED SIGNAL DOWN) – izhod za proženje aktuatorja. Če je
signal aktiven, bo prišlo do zapiranja ventila (izhodni rele se pritegne) [(BOOL), (DB-
lokacija 20.1)].
PV (PROCES VARIABLE) – izhod efektivne procesne veličine [(REAL), (DB-lokacija
22)].
ER (ERROR SIGNAL) – izhod efektivnega pogreška [(REAL), (DB-lokacija 26)].
COM_RST (COMPLETE RESTART) – vhod za resetiranje ter inicializacijo regulatorja
[(BOOL), (DB-lokacija 30.0)].
S prisotnostjo kratkega pulza na vhodu COM_RST se aktivira inicializacijska rutina. Vsa
stanja bloka se postavijo na svoje inicializacijske vrednosti. Če želimo izvajati
inicializacijo ob vsakem ponovnem zagonu CPU-ja, moramo v bloku OB100 izvesti klic
PI-regulatorja (FB59 "TCONT_S") in setiranja vhoda COM_RST s kratkim pulzom.
NOTRANJI SIGNALI:
PV_FAC (PROCES VARIABLE FACTOR) – vhod za korekcijo – množenje procesne
veličine [(REAL), (DB-lokacija 32)].
Stran 48
Za preprečevanje prenihaja lahko zmanjšujemo P-faktor za regulacijo želene vrednosti
(PFAC_SP). V primeru uporabe PFAC_SP lahko izbiramo med vrednostma 0.0 ali 1.0 in s
tem določimo učinek parametra na regulacijsko veličino.
PFAC_SP Vrednost vhodne procesne veličine 1.0 P-faktor ima poln učinek ob spremembi
želene vrednosti. 0.0 P-faktor nima učinka ob spremembi želene
vrednosti.
Normalizacija procesne vrednosti PV_NORM (PF_FAC, PV_OFFS)
Funkcija PV_NORM vključuje kalkulacijo izhoda CRP_IN glede na pravilo:
Izhod PV_NORM = izhod CRP_IN*PV_FAC+PV_OFFS
To se lahko uporabi:
za korekcijo procesne vrednosti kot procesni faktor PV_FAC ali kot offset procesne
vrednosti PV_OFFS.
Normalizacija temperature v procente:
Uporabimo jo, kadar želimo vpisati želeno vrednost v procentih in moramo predhodno
pretvoriti merjeno vrednost temperature v procente.
Normalizacija procentov v temperaturo:
Uporabimo jo, kadar želimo vpisati želeno vrednost temperature v stopinjah in moramo
predhodno pretvoriti merjeno vrednost (tok/napetost) v temperaturo.
Kalkulacija parametrov:
PV_FAC = območje PV_NORM/območje CRP_IN
PV_OFFS = LL(PV_NORM)-PV_FAC*LL(CRP_IN); kjer LL predstavlja spodnjo mejo
V osnovi so nastavljene vrednosti PV_FAC = 1.0 in PF_OFFS = 0.0. Normalizacija je
izključena. Efektivna vrednost je procesna vrednost na PV-izhodu.
PFAC_SP (PROPORTIONAL FACTOR FOR SETPOINT CHANGES [0..1]) – vhod
za definiranje proporcionalnega ojačenja [(REAL), (DB-lokacija 44)].
Stran 49
PV_OFFS (PROCESS VARIABLE OFFSET) – vhod za korekcijo – prištevanje
območja procesne veličine, nastavljanje offseta [(REAL), (DB-lokacija 36)].
DEADB_W (DEAD BAND WIDTH) – vhod za definiranje širine mrtvega pasu [(REAL),
(DB-lokacija 40)].
Mrtvi pas se uporablja za preprečevanje nenehnega nihanja pri kvantizaciji. S
spreminjanejm vrednosti na vhodu nastavljamo širino mrtvega pasu. Če je
DEADB_W=0.0, je mrtvi pas izključen.
Slika 48: Shema mrtvega pasu
GAIN (PROPORTIONAL GAIN) – vhod proporcionalnega ojačenja [(REAL), (DB-
lokacija 48)].
TI (RESET TIME [s]) – vhod za definiranje integralne vrednosti regulatorja [(REAL),
(DB-lokacija 52)].
MTR_TM (MOTOR ACTUATING TIME) – vhod, kjer definiramo čas, ki ga potrebuje
ventil za prehod od začetne do končne regulacijske vrednosti [(REAL), (DB-lokacija 56)].
PULSE_TM (MINIMUM PULSE TIME [s]) – vhod, kjer definiramo dolžino izhodnega
pulza [(REAL), (DB-lokacija 60)].
BREAK_TM (MINIMUM BREAK TIME [s]) – vhod kjer definiramo dolžino
zavornega pulza [(REAL), (DB-lokacija 64)].
PER_MODE (PERIPHERY MODE)
Funkcija CRP_IN pretvori periferno vrednost PV_PER v plavajočo (floating-point), v
odvisnosti od položaja stikala PER_MODE [0,1,2] [(INT), (DB-lokacija 68].
PER_MODE Izhod CRP_IN Analogni vhod – tip Enota 0 PV_PER*0.1 PT100/NI100 – standard °C 1 PV_PER*0.01 PT100/NI100 – climate °C 2 PV_PER*100/27648 Napetost/tok %
Stran 50
PVPER_ON (PROCESS VARIABLE PERIPHERY ON)
Procesna veličina se lahko bere v periferni (I/O) (signal na TRUE) ali v plavajoči (float-
point) vrednosti (signal na FALSE), odvisno od logičnega stanja signala PVPER_ON
[(BOOL), (DB-lokacija 70.0].
PVPER_ON Vrednost vhodne procesne veličine TRUE Procesna veličina se zajema preko analognega
perifirnega vhoda (I/O-PIWxxx) PV_PER. FALSE Procesna veličina se zajema kot plavajoča vrednost
na vhodu PV_IN.
Stran 51
8 DOLOČITEV PARAMETROV PI-REGULATORJA PO ZIEGLER-
NICHOLSOVI METODI STOPNIČNEGA ODZIVA
Metodo za določevanje parametrov PID-regulatorja sta leta 1942 razvila Ziegler in
Nichols, zato jo imenujemo kar po avtorjih. Danes je ta metoda že standardizirana kot
metoda za izračun parametrov P-, PI- in PID-regulatorjev. Za izračun parametrov je
potrebno posneti stopnični odziv regulacijskega sistema, ko regulator ni vključen v
regulacijski proces. Tabele, po katerih se izračunajo parametri sistema, izhajajo iz
eksperimentalnih preizkusov, tako da obstaja verjetnost, da sistem ne bo zagotovil stabilno
delovanje. V tem primeru mora projektant na podlagi nadaljnjih posnetih odzivov
spremeniti (povečati, zmanjšati) parametre regulatorja ali uporabiti katero drugo metodo
določevanja parametrov.
Za izračun parametrov regulatorja je potrebno iz stopničnega odziva odčitati dve časovni
konstanti in ojačenje. Primer prikazuje slika 49. Iz slike vidimo, da narišemo tangento.
Kjer tangenta seka absicno os in do začetka vzpenjanja odziva, je mrtvi čas. Čas vzpona pa
je čas od točke na abcisni osi do presečišč tangente ter vrednosti, kjer se sistem izravna.
Parametri regulatorja se izračunajo po tabeli 8.
Koeficienti so: - L – čas zakasnitve,
-T – čas vzpona,
-K – ojačenje.
Slika 49: Primer odziva sistema na stopnico po Ziegler-Nicholsovi metodi
Tangenta
Stran 52
Tabela 8: Izračun parametrov regulatorja po Ziegler-Nicholsovi metodi
Kp +, = -.-,
+/ = -/-.
P ∙ 1
∞ 0
PI 0.9 ∙ 1
10.3
0
PID 1.2 ∙ 1
2 ∙ 1 0.5 ∙ 1
8.1 DOLOČITEV PARAMETROV TRIPOLOŽAJNEMU PI-
REGULATORJU, ZA REGULACIJO TEMPERATURE
Slika 50: Stopnični odziv in koeficienti
= ∆89[%]∆;9[%] = <=.>°@
AB°@C∙%% = 0.88
= 0.9 D∙E = 0.9 FG
.HH∙I =3.89
T=740 s L=190 s
∆JK=6.2°C
Stran 53
% = E.L = I
.L = 633,3 s
Čas zakasnitve (L), čas vzpona (T) in ojačenje (K) smo s pomočjo tangente določili iz
grafa na sliki 50. S pomočjo teh vrednosti ter po tabeli 8 smo izračunali parametre PI-
regulatorja in jih vstavili v regulator. Iz odziva regulatorja je bilo opaziti, da ima sistem
prevelik prenihaj. Nakar smo ročno modificirali parametre in po nekaj poskusih prišli do
ugotovitev, da sistem najbolje deluje pri naslednjih parametrih: Kp=-5, Ti=1000 s (slika
51). Odzive smo spremljali in jih arhivirali s programskim paketom IbaPDA-S7-Analyzer.
Slika 51: Regulacija povprečne temperature generatorja in položaja ventila (Kp=-5,
Ti=1000 s)
Slika 51 prikazuje regulacijo povprečne temperature. Iz poteka grafa razberemo, da je
prišlo do zagona generatorja ob 8.30, ko se je ventil odprl na 20 %, nakar se je temperatura
povečevala proti želeni vrednosti (60 °C) in jo ob 14.50 dosegla, zaradi česar je prišlo do
ponovnega odpiranja ventila. Okoli 14.15 se je pojavila zahteva po večji moči generatorja
in s tem je prišlo do strmega naraščanja temperature ter posledično do dodatnega odpiranja
krmilnega ventila. Temperatura se je povzpela vse do 65 °C, ventil pa se je odprl do 65 %.
Stran 54
Sledila je zahteva po zmanjšanju moči generatorja in povprečna temperatura se je
zniževala. Ob 15.45 je prišlo do izklopa, ob 16.25 pa do ponovnega vklopa generatorja,
vendar je bila takrat moč generatorja nekoliko manjša, zaradi česar se generator ni
pregreval, odprtost ventila pa je nihala med 17 in 27 %.
Stran 55
9 IZVEDBA PROGRAMA
Programirljiv logični krmilnik je brez logično napisanega programa neuporaben. Zato
mora programer napisati in naložiti program, ki daje krmilniku funkcijo delovanja.
Program smo pisali s pomočjo SIEMENSOVEGA programskega paketa STEP7.
Opis krmilnega programa
Tabela 9: Bloki STEP7 programa
OZNAKA SIMBOLIČNO IME JEZIK PISANJA
KOMENTAR
OB1 STL Glavni program – izvaja se ciklično.
OB35 CYC_INT5 FBD Glavni program–izvaja se ciklično, čas cikla se po želji določi.
OB82 I/O_FLT1 FBD Zagon ob okvari modula.
OB85 OBNL_FLT FBD Zagon ob manjkajočem bloku.
OB86 RACK_FLT FBD Zagon ob napaki na vodilu.
OB87 COMN_FLT FBD Zagon ob napaki komunikacije.
OB100 COMPLETE_RESTART STL Ponovni zagon krmilnika (izpad U).
OB122 MOD_ERR FBD Uporablja se za odkrivanje napak modulov.
FB59 TCON_S STL PI-tripoložajni regulator.
FC1 FC_TEMP_NAV_STAT_GG1 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC2 FC_TEMP_NAV_STAT_GG2 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC3 FC_TEMP_NAV_STAT_GG3 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC4 FC_TEMP_NAV_STAT_GG4 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC5 FC_TEMP_NAV_STAT_GG5 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC6 FC_TEMP_NAV_STAT_GG6 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC7 FC_TEMP_NAV_STAT_GG7 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC8 FC_TEMP_NAV_STAT_GG8 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC9 FC_TEMP_NAV_STAT_GG9 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC10 FC_TEMP_NAV_STAT_GG10 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC11 FC_TEMP_NAV_STAT_GG11 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC12 FC_TEMP_NAV_STAT_GG12 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC13 FC_TEMP_NAV_STAT_GG13 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC14 FC_TEMP_NAV_STAT_GG14 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
Stran 56
FC15 FC_TEMP_NAV_STAT_GG15 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC16 FC_TEMP_NAV_STAT_OG16 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC17 FC_TEMP_NAV_STAT_OG17 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC18 FC_TEMP_NAV_STAT_OG18 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC19 FC_TEMP_TOPL_ZRAK_GEN19 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC20 FC_TEMP_TOPL_ZRAK_GEN20 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC21 FC_TEMP_HLAD_VODA_DOVO21 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC22 FC_TEMP_HLAD_VODA_ODVO22 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC23 FC_TEMP_SP_VOD_LEZ23 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC24 FC_TEMP_SP_VOD_LEZ24 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC25 FC_TEMP_SP_VOD_LEZ25 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC26 FC_TEMP_SP_VOD_LEZ26 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC27 FC_TEMP_SP_VOD_LEZ27 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC28 FC_TEMP_SP_VOD_LEZ28 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC29 FC_TEMP_NOS_LEZ29 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC30 FC_TEMP_NOS_LEZ30 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC31 FC_TEMP_NOS_LEZ31 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC32 FC_TEMP_NOS_LEZ32 LAD Blok za branje temp. sonde PT100.
FC33 FC_POVPR_TEMP STL Blok za ugotavljanje povp. temp.
FC34 FC_ALARMI FBD Blok za proženje alarmov.
FC35 FC_SIGNALIZACIJA FBD Blok za proženje signalnih lučk.
FC40 FC_AVT_KRM_VENT FBD Blok za avtomatsko krmiljenje ventila.
FC41 FC_POLOZAJ_VENTILA FBD Blok za ugotavljanje položaja ventila.
FC50 FC_DATUM_IN_CAS STL Blok za branje datuma in časa.
FC105 SCALE STL Funkcija za skaliranje.
FC106 UNSCALE STL Funkcija za preskaliranje.
DB1 DB_TEMP_NAV_STAT_GG1 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB2 DB_TEMP_NAV_STAT_GG2 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB3 DB_TEMP_NAV_STAT_GG3 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB4 DB_TEMP_NAV_STAT_GG4 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB5 DB_TEMP_NAV_STAT_GG5 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB6 DB_TEMP_NAV_STAT_GG6 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB7 DB_TEMP_NAV_STAT_GG7 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB8 DB_TEMP_NAV_STAT_GG8 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB9 DB_TEMP_NAV_STAT_GG9 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB10 DB_TEMP_NAV_STAT_GG10 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB11 DB_TEMP_NAV_STAT_GG11 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB12 DB_TEMP_NAV_STAT_GG12 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
Stran 57
DB13 DB_TEMP_NAV_STAT_GG13 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB14 DB_TEMP_NAV_STAT_GG14 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB15 DB_TEMP_NAV_STAT_GG15 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB16 DB_TEMP_NAV_STAT_OG16 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB17 DB_TEMP_NAV_STAT_OG17 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB18 DB_TEMP_NAV_STAT_OG18 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB19 DB_TEMP_TOPL_ZRAK_GEN19 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB20 DB_TEMP_TOPL_ZRAK_GEN20 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB21 DB_TEMP_HLAD_VODA_DOVO21 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB22 DB_TEMP_HLAD_VODA_ODVO22 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB23 DB_TEMP_SP_VOD_LEZ23 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB24 DB_TEMP_SP_VOD_LEZ24 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB25 DB_TEMP_SP_VOD_LEZ25 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB26 DB_TEMP_SP_VOD_LEZ26 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB27 DB_TEMP_SP_VOD_LEZ27 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB28 DB_TEMP_SP_VOD_LEZ28 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB29 DB_TEMP_NOS_LEZ29 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB30 DB_TEMP_NOS_LEZ30 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB31 DB_TEMP_NOS_LEZ31 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB32 DB_TEMP_NOS_LEZ32 DB Shranjeni podatki prebrane temperature.
DB33 DB_POVPR_TEMP DB Shranjeni podatki povprečne temp.
DB34 DB_ALARMI DB Shranjeni podatki alarmov.
DB35 DB_SIGNALIZACIJA DB Shranjeni podatki signalizacije.
DB40 DB_AVT_KRM_VENT DB Shranjeni podatki avt. krm. ventila.
DB41 DB_POLOZAJ_VENTILA DB Shranjeni podatki o položaju ventila.
DB50 DB_DATUM_IN_CAS DB Shranjeni podatki (čas, datum).
DB59 DB_TCONT_S DB Shranjeni podatki PI-regulatorja.
DB60 DB_ROCNO DB Shranjeni podatki PI-regulatorja.
DB61 DB_START_STOP DB Shranjeni podatki PI-regulatorja.
DB100 DB_PANEL DB Shranjeni podatki prikazovalnika.
Stran 58
9.1 Opis in delovanje programske logike:
OB1 in OB35 se izvajata ciklično. Njuna naloga je, da izvršujeta klice funkcij. V OB1 se
vrši klic funkcije POLOŽAJ VENTILA, v OB35 pa klic funkcij za merjenje temperature v
posameznih delih statorja in klic funkcij ALARMI, SIGNALIZACIJA in AVTOMATSKO
KRMILJENJE VENTILA. Vsaka klicana funkcija se izvede glede na njeno programsko
logiko ter pošilja podatke v njej prirejen DB.
Zaradi obširnega in ponavljajočega programa bo opisan in predstavljen le del uporabljenih
blokov.
Kot se da razbrati že iz naslova diplomske naloge, je glavna naloga programa pridobitev
vrednosti temperature na različnih mestih generatorskega navitja ter izračun njene
povprečne vrednosti. To se izvaja v funkcijskih blokih FC1 do FC32, ki so med seboj zelo
podobni. Razlika je le v vhodnih naslovih ter izhodnih lokacijah. Vhodi v funkcijo so brani
direktno iz analogne kartice PLC-ja in se po obdelavi shranjujejo v njej prirejen DB in se
posredujejo naprej preko vodila PROFIBUS na zaslon, občutljiv na dotik.
Zajem temperature – funkcijski blok FC1
Blok za zajem temperature je napisan v načinu LADDER. Za boljšo preglednost je
program razdeljen na mreže (network), ki si sledijo po zaporedju od zgoraj navzdol.
Vhodne vrednosti blokov se zajemajo iz simbolne tabele, ki predstavlja bazo vseh vhodno-
izhodnih podatkov.
Stran 59
Slika 52: FC1-mreža 1 – zajem analogne vrednosti
Blok na sliki 52 prebere vhodni celoštevilčni podatek iz analognega vhoda in ga shrani v
njemu prirejen DB.
Slika 53: FC1-mreža 2 – pretvorba iz vrednosti INTEGER v vrednost DOUBLE
INTEGER
Stran 60
Blok na sliki 53 poskrbi za pretvorbo iz vrednosti INTEGER (celoštevilčna vrednost) v
vrednost DOUBLE INTEGER.
Slika 54: FC1-mreža 3 – pretvorba iz vrednosti DOUBLE INTEGER v realno vrednost
Blok na sliki 54 poskrbi za pretvorbo iz vrednosti DOUBLE INTEGER v REALNO
vrednost.
Slika 55: FC1-mreža 4 – kalibracija za prikaz v stopinjah Celzija
Blok na sliki 55 pretvori realno vrednost v inženirsko vrednost (stopinje Celzija). Izhod
dajalca (PT100) je naravnan tako, da moramo, če želimo dobiti vrednost v stopinjah
Celzija, nastaviti 10-kratno slabljenje, kar pomeni, da moramo merjeno vrednost pomnožiti
z 0.1.
Stran 61
Slika 56: FC1-mreža 5 – okvara dajalca
Na sliki 56 je predstavljena logika ugotavljanja brezhibnega delovanja dajalca temperature.
Ker uporabljena sonda PT100 omogoča merjenje temperature od 0 °C do 150 °C, njeno
brezhibnost preizkusimo z dvema primerjalnima blokoma, ki preverjata ali je njeno
delovanje znotraj predpostavljenih vrednost(-10°C–150 °C) in v primeru prekoračitve
prožita signal okvara dajalca.
Stran 62
Slika 57: FC1-mreža 6 – prikaz OK-okna
Na sliki 57 je predstavljena logika za prikaz OK-okna na panelu. V primeru, da ni okvare
dajalca, se blok izvaja, sicer je neaktiven.
Slika 58: FC1-mreža 7 – prikaz temperature na panelu
Blok na sliki 58 poskrbi za prenos vrednosti temperature v stopinjah Celzija v njej prirejen
naslov v DB-ju ter posledično na prikazovalnik.
Stran 63
Slika 59: FC1-mreža 8 – preskaliranje
Blok na sliki 59 poskrbi za preskaliranje iz REALNE vredosti v vrednost INTEGER. To se
mora izvesti, ker se podatek o temperaturi preku turbinskega krmilnika posreduje sistemu
SCADA. Izhodne vrednosti fukcije UNSCALE so med 0 (0 °C) in 27648 (300 °C) .
Slika 60: FC1-mreža 9 – prenos na analogni izhod
Stran 64
Blok na sliki 60 poskrbi za prenos celoštevilčne vrednosti temperature v njej prirejen
naslov v DB-ju ter posledično na turbinski krmilnik.
Blok FC33
Merjenje povprečne temperature se izvaja v bloku FC33, ki prebere vrednosti temperature
ter na izhodu poda njihovo povprečno vrednost. Programska logika ugotavljanja povprečne
vrednosti prav tako upošteva, ali je katera sonda v okvari in jo v primeru okvare izloči iz
programskega algoritma povprečenja.
Regulacija tripoložajnega ventila – blok FB59
Funkcijski blok 59 se uporablja za krmiljenje aktuatorjev, ki so namenjeni regulaciji
temperature. Izhod je pozitiven ali negativen pulz. Pozitvna izhodna vrednost ventil odpira,
negativna izhodna vrednost ventil zapira. Parametre regulatorja vstavljamo v njemu
prirejenem DB-ju. Prav tako je potrebno v ta DB vnesti proporcionalno in integralno
ojačanje, dolžino izhodnega pulza ter želeno in trenutno vrednost regulirane veličine.
Način izvedbe prikazuje spodnja slika.
Stran 65
Slika 61: OB35-mreža 2 – avtomatsko krmiljenje ventila
Na sliki 61 je predstavljen blok tripoložajnega PI-regulatorja za avtomatsko regulacijo
mešalnega ventila.
Stran 66
Slika 62: OB35 mreža 3 – ročno krmiljenje ventila
Na sliki 62 je predstavljen blok tripoložajnega PI-regulatorja za ročno krmiljenje
mešalnega ventila.
Stran 67
10 ZAKLJUČEK
Avtomatizacija je izvedba procesa brez neposrednega človeškega vpliva. Seveda je
uporabnik (človek) vedno prisoten v ozadju in ima vse pod nadzorom, le da se od mesta
procesa vedno bolj oddaljuje. Na HE Formin so se odločili, da se 30 let stara oprema
sklopov temperaturnega nadzora in priprave hladilne vode zaradi iztrošenosti ter otežene
nabave nadomestnih delov zamenja. Funkcionalnost priprave hladilne vode in
temperaturnega nadzora je navzven ostala enaka tudi po obnovi. Do zamenjave je prišlo v
krmilni logiki, vendar so pogonski deli ostali nespremenjeni.
Diplomska naloga se navezuje na temperaturni nadzor navitja generatorja, opis in pripravo
hladilne vode, podroben opis regulacije mešalnega ventila, predstavitev tripoložajnega PI-
regulatorja in določitev parametrov regulatorja. Vanjo sem vključil tudi opise sestavnih
elementov pred posodobitvijo in po njej. Omejil pa sem se pri opisih delovanja mehanskih
delov (ventili, črpalke, filter, pogoni).
Projekt je bil realiziran v naslednjih fazah oz. postopkih: najprej je bilo potrebno izvesti in
potrditi idejni projekt, nakar je sledila priprava projekta za izvedbo, zatem pa še izdelava
programske opreme, namestitev ter testiranje. Po temeljitem preizkusu je bila strojna in
programska oprema dana v obratovanje.
Meni je bila dodeljena naloga, da iz funkcijske specifikacije napišem program v
programskem paketu STEP7. Ker je bil to moj prvi projekt v omenjenem programskem
jeziku, sem s pomočjo mentorja najprej podrobno spoznal program in se na preprostih
primerih naučil osnov načrtovanja programskih blokov. Nato sem prešel na dejanski
projekt, ki sem ga skupaj z napotki mentorja pripeljal do konca, tj. vse do realizacije na
objektu. Prav tako sem tudi načrtal program v WinCC za sprotno spremljanje delovanja
sistema preko zaslona, občutljivega na dotik.
Sedaj, ko je projekt zaključen in se v skladu z zahtevami izvaja na objektu ter v vseh
pogledih prekaša sistem pred posodobitvijo, lahko rečem, da je bil omenjen projekt zame
velik uspeh, saj sem skozi njegovo izvajanje potrdil in ponovil celotno znanje ki sem ga
Stran 68
pridobil pri šolanju na fakulteti, ter si tako pridobil veliko znanja, prakse ter novih
izkušenj, ki mi bodo koristile še v prihodnosti.
Stran 69
11 VIRI IN LITERATURA
[1] Peter Šega: Regulacija in sistemi, Ljubljana. 1988.
[2] Hans Berger: Automating with SIMATIC, Nemčija, 2006.
[3] Josef Weigmann: Decentralization with PROFIBUS DP/DPV1, Nemčija, 2003.
[4] SIEMENS, SIMATIC S7-300 Module data, Manual.
[5] SIEMENS, SIMOCODE pro, System Manual Edition 03/2007.
[6] ARHIV HE Formin.
[7]ihttp://www.automation.siemens.com/mcms/low-voltage/en/industrial-
controls/software-configuration/simocode-es/Pages/default.aspx
[8]ihttps://mall.automation.siemens.com/WW/guest/content.asp?mlfb=&aktTab=1&lang=e
n&nodeID=10020973
[9]ihttp://www.transcom.sk/sub/transcom.sk/images/pdfs/Cerabar_T_PMC_131_PMP_131
_PMP_135.pdf
[10]ihttp://www.automation.siemens.com/mcms/human-machine-interface/en/operator-
interfaces/touch-panel/series-170/simatic-tp-177b/Pages/Default.aspx
Stran 70
Življenjepis
Ime in priimek: Jure Grebenc
E-mail: grebenc.jure@gmail.com
Rojen: 14. 11. 1985, Slovenj Gradec
Osnovna šola: OŠ Radlje ob Dravi
Srednja šola: Srednja elektro-računalniška šola Maribor (SERŠ),
program: Elektrotehnik elektronik
Fakulteta: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Maribor,
program: Elektrotehnika, smer: Avtomatika
Stran 71
Stran 72
top related