Politechnika Gdańska

Wydział Elektrotechniki i Automatyki

Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

SYSTEMY CZASU RZECZYWISTEGO (SCR)

Temat: Symulacja w czasie rzeczywistym w środowisku Simulink Desktop Real-Time Matlab/Simulink: etap symulacja w pętli sprzętowej HILS (ang. Hardware-In-the-Loop Simulation).

Ćwiczenie Laboratoryjne nr 5

Opracowanie: Rutkowski Tomasz, dr inż.

Gdańsk 2016

2

Wprowadzenie Każde stanowisko znajdujące się w laboratorium E200 wyposażone jest w:

- sterownik PLC SIEMENS SIMATIC S7-1200 CPU 1214C z modułem wyjścia analogowego SB 1232 AQ,

- komputer PC z:

o oprogramowaniem narzędziowym TIA Portal V14, umożliwiającym konfigurację, oprogramowanie oraz uruchamianie sterownika PLC S7-1200,

o oprogramowaniem Matlab/Simulink z przybornikiem Simulink Desktop Real-Time, umożliwiającym, w tym przypadku, budowę i uruchamianie modeli symulacyjnych w czasie rzeczywistym w środowisku Windows,

o kartą akwizycji danych Advantech PCI-1711, umożliwiającą „doprowadzenie/wyprowadzenie” sygnałów analogowych oraz dyskretnych do/z modelu symulacyjnego, zbudowanego np. w środowisku Matlab/Simulink z zastosowaniem przybornika Simulink Desktop Real-Time,

- panel przyłączeniowy Advantech PLCD-9710 („interfejs przyłączeniowy” karty PCI-1711),

- dwie pary przewodów łączeniowych, za pomocą których można zrealizować „analogowe” połączenie pomiędzy sterownikiem PLC S7-1200 a modelem symulacyjnym obiektu w środowisku Matlab/Simulink poprzez kartę akwizycji danych Advantech PCI-1711 i panel przyłączeniowy Advantech PLCD-9710.

Powyższa infrastruktura umożliwia przeprowadzenie symulacji w tzw. pętli sprzętowej HILS (ang. Hardware In the Loop Simulation), której ideę przedstawiono odpowiednio na Rysunkach 1 i 2.

Sterownik PLC S7-1200

+

algorytm sterowania (np. dyskretny PID)

Komputer PC

+

Matlab/Simulink Simulink Desktop Real-Time

+

Model obiektu

Sygnał analogowy: ym(t) 0V ÷ 10V

Sygnał analogowy: u(t)0V ÷ 10V

Wejści

a A

nalo

gow

e (m

oduł

CP

U 12

14C

)

Wyjści

e A

nalo

gow

e (m

oduł

SB

1232

AQ

)

Wyjści

a A

nalo

gow

e (k

arta

PC

I-17

11 +

m

oduł

PLC

D-8

710

)

Wejści

a A

nalo

gow

e (k

arta

PC

I-17

11 +

m

oduł

PLC

D-8

710

)

Wartość zadana z zadajnik wartości

zadanej (potencjometr) x(t), 0V ÷ 10V

Rys. 1. Idea symulacji w p ętli sprz ętowej HILS - schemat ogólny

3

x(t)

y(t) – + Obiekt Regulator PID

u(t) e(t)

z(t)

ym(t)

PLC S7-1200

(CPU 1214C+SB 1232 AQ)

Matlab/Simulink z Simulink Desktop Real-Time (PC + PCI-1711)

wea wep wyp

wya wea

Wartość zadana z zadajnik wartości

zadanej (potencjometr w obudowie PLC)

Rys. 2. Idea symulacji w p ętli sprz ętowej HILS - schemat szczegółowy

x(t) – wielkość zadana; y(t) – wielkość regulowana; ym(t) – wielkość regulowana zmierzona; e(t) – uchyb sterowania (uchyb regulacji): x(t)-ym(t); u(t) – wielkość sterująca (wielkość wejściowa regulująca); z(t) –

wielkość zakłócająca (wielkość wejściowa zakłócająca); wea , wya – wejścia/wyjścia analogowe sterownika PLC S7-1200; wep , wyp – wejścia/wyjścia analogowe karty PCI-1711

Zadanie 1 – HILS: „konfiguracja cz ęści wirtualnej: model symulacyjny obiektu sterowania ” Celem zadania jest przygotowanie środowiska symulacyjnego czasu rzeczywistego w Matlab/Simulink, tak aby przeprowadzić symulację „wirtualnego” obiektu sterowania w czasie rzeczywistym. W zadaniu należy zmodyfikować plik projektu w Matlab/Simulink, z modelem symulacyjnym układu sterowania poziomem wody w zbiorniku, który został zbudowany w ramach Zadania 4 realizowanego na Laboratorium 2. Należy tego dokonać w sześciu następujących krokach:

1. usunąć blok regulatora PID, zadajnik wartości zadanej oraz blok realizujący wyznaczanie uchybu sterowania e(t),

2. uwzględnić fakt, że wartość zadana poziomu cieczy w zbiorniku x(t) będzie ustawiana bezpośrednio za pomocą potencjometru zamontowanego na obudowie sterownika PLC i podłączonego do jego odpowiedniego wejścia analogowego,

3. w odpowiednim miejscu symulowanego układu umieścić blok „Analog Input ” umożliwiający „odczytanie” sygnału sterującego u(t), wyrażonego w postaci napięcia, który wystawiany jest na odpowiednim wyjściu analogowym sterownika PLC,

4. w odpowiednim miejscu umieścić blok „Analog Output ” umożliwiający „przesłanie” w postaci analogowego sygnału napięciowego, informacji o aktualnej wartości zmiennej regulowanej ym(t) na odpowiednie wejście analogowe sterownika PLC,

5. należy uwzględnić potrzebę „przesyłania” informacji o wartościach zmiennych procesowych kanałami analogowymi (z/do modelu wirtualnego) z wykorzystaniem ich pełnego zakresu tzn. 0-10V,

6. w odpowiednich miejscach modelu symulacyjnego umieścić bloki „Display ” i „Scope ” umożliwiające podgląd wartości poszczególnych zmiennych w trakcie symulacji w czasie rzeczywistym.

4

Wskazówki:

• przykładową strukturę pliku symulacyjnego dla Matlaba/Simulinka przedstawiono na Rysunku 3,

• konfigurację bloków „Analog Input ” i „Analog Output ”, wraz z ich wyprowadzeniami do panelu przyłączeniowego przedstawiono odpowiednio na Rysunkach 4 i 5,

• odpowiednie skalowanie poszczególnych zmiennych procesowych można przeprowadzić z wykorzystaniem odpowiednich formuł zapisanych w blokach „Gain”, powinny one umożliwić:

a. zamianę wartości zmiennych wyrażonych w jednostkach inżynierskich V, na zmienne wyrażone w jednostkach procesowych m3/s (skalowanie wejścia – Rysunek 3)

b. oraz zamianę wartości zmiennych wyrażonych w jednostkach procesowych m na zmienne wyrażone w jednostkach inżynierskich V (skalowanie wyjścia – Rysunek 3),

• przyjąć odpowiednie parametry symulacji (typ solvera, krok procedury numerycznej, itp.), przy czym czas symulacji ustawić jako nieskończony „inf”.

W sprawozdaniu należy: a) przedstawić i uzasadnić postać odpowiednich formuł skalujących sygnały wejściowe i

wyjściowe z Matlaba/Simulinka, b) uzasadnić wybrany krok procedury numerycznej.

Rys. 3. Przykładowa struktura pliku symulacyjnego d la Matlaba/Simulinka do Zadania 1

Panel przyłączeniowy

Wyróżniona para przewodów doprowadzona jest do zaznaczonego kanału wejAI1 z wyjścia analogowego sterownika S7

(z prawej strony obudowy

Rys. 4. Konfiguracja kanału wej

Panel przyłączeniowy

Wyróżniona para przewodów

z zaznaczonego kanału wDO0 do wejścia analogowego

sterownika S7 (z lewej strony obudowy

Rys. 5 . Konfiguracja kanału wyj

ączeniowy Matlab/Simulink

niona para przewodów doprowadzona jest do zaznaczonego kanału wejścia analogowego

cia analogowego sterownika S7-1200 (z prawej strony obudowy sterownika)

Rys. 4. Konfiguracja kanału wej ścia analogowego „Analog Input”

ączeniowy Matlab/Simulink

niona para przewodów wyprowadzona jest zaznaczonego kanału wyjścia analogowego

ścia analogowego S7-1200

strony obudowy sterownika)

. Konfiguracja kanału wyj ścia analogowego „Analog Output”

5

Matlab/Simulink

cia analogowego „Analog Input”

Matlab/Simulink

cia analogowego „Analog Output”

Zadanie 2 – HILS „konfiguracja cz ęś Celem zadania jest przygotowanie sterownika programowalnego PLC S7rzeczywistym realizował funkcje regulatora PID w W zadaniu za pomocą środowisksterowniku PLC S7-1200, znajdujskonfigurowany projekt z programem dyskretnego pozycyjnego regulatora PIDjęzyku SCL, który został udostępniony na stronie internetowej przedmi(Project_SCR_LAB_05_arch _V14

Wskazówki: • podstawowe informacje o sterownikach programowalnych i o sterowniku PLC S7

przedstawiono w ramach wykładów 07 i 08,• bardziej szczegółowy opis sterowniku PLC S7

użytkownika S7-1200_easy_book_PL_wyd_2012_4.pdf• poniżej przedstawiono

laboratoryjnych opcji środowiska

o uruchomienie TIA Portal V14uruchomić środowisko Portal V14,

o identyfikacja sterownika w lokalnej siecisieciowego sterownika (stanowisku laboratoryjnymzmodyfikować przypisany mu adres

� każdemu z wykorzystanych w trakcie zaj1200, należy dokumencie

o otwarcie utworzonego z wykładu 08

o konfiguracja interfejsu o kompilacja konfiguracji sprzo wgranie konfiguracji i programu u

sterownika: slajdy 3� należy zwróci

użytkownikao przejście aplikacji TIA Portal w

można przejść poprzez wybranie sterownika Project Tree > Deviceslistwie narzędziowej

o podgląd i modyfikacja warto� w oknie Project

zdefiniowaną� podgląd zmiennych w

all w tabeli podgl� aby wymusić

zmiennej w kolumnie

symbolem

and now zaktualizowana

„konfiguracja cz ęści rzeczywistej: sterownik PLC S7-1200

Celem zadania jest przygotowanie sterownika programowalnego PLC S7-1200 tak by w czasie rzeczywistym realizował funkcje regulatora PID w testowanym układzie sterowania

środowiska narzędziowego TIA Portal V14 należy, 1200, znajdującym się na stanowisku laboratoryjnym, odpowiednio

z programem dyskretnego pozycyjnego regulatora PIDępniony na stronie internetowej przedmiotu w postaci archiwum ZIP _V14.zip).

podstawowe informacje o sterownikach programowalnych i o sterowniku PLC S7przedstawiono w ramach wykładów 07 i 08, bardziej szczegółowy opis sterowniku PLC S7-1200 można znale

1200_easy_book_PL_wyd_2012_4.pdf , przedstawiono syntetyczny opis przydatnych w trakcie realizacji zaj

środowiska TIA Portal V14:

uruchomienie TIA Portal V14: kliknąć dwukrotnie na ikonę znajdująśrodowisko poprzez menu Start - > Programy - > Siemens Automation

identyfikacja sterownika w lokalnej sieci: na podstawie fizycznego adresu interfejsu sieciowego sterownika (nadruk na obudowie sterownika) zidentyfikowastanowisku laboratoryjnym (podłączony do sieci laboratoryjnej)

ć przypisany mu adres IP (slajdy 19-21 z wykładu 08), demu z wykorzystanych w trakcie zajęć laboratoryjnych

należy przypisać odpowiednie adresy IP zgodnie z informacjami zawartymi w cie E200_2016.pdf ,

utworzonego projektu: możliwe jest po powrocie do podglądu

konfiguracja interfejsu sieciowego sterownika w pliku projektu: slajd 2kompilacja konfiguracji sprzętowej i programu użytkownika: slajd 35

granie konfiguracji i programu użytkownika do sterownika i przejslajdy 36-38 z wykładu 08

zwrócić uwagę by skompilowany projekt konfiguracjęytkownika wgrać do odpowiedniego sterownika

cie aplikacji TIA Portal w tryb on-line: do trybu podglądu on- line

ść poprzez wybranie sterownika Tree > Devices i naciśnięciu przycisku Go online ędziowej – menu głównym programu (Rysunek 6),

cja wartości zdefiniowanych zmiennych w trybie onProject Tree > Devices w pozycji Watch and force table

zdefiniowaną tablice podglądu Watch table_1 , ąd zmiennych w trybie on-line jest możliwy po naciśnię

w tabeli podglądu, by wymusić wartość zmiennej w trybie on-line należy wprowadzi

zmiennej w kolumnie Modify value , następnie zaznaczyć tą

symbolem , następnie nacisnąć przycisk Modify all selected values once

, a wartość w kolumnie Monitor valuezaktualizowana (Rysunek 7),

6

1200”

1200 tak by w czasie układzie sterowania (Rysunki 1 i 2).

ży, wgrać i uruchomić w na stanowisku laboratoryjnym, odpowiednio

z programem dyskretnego pozycyjnego regulatora PID napisanego w w postaci archiwum ZIP

podstawowe informacje o sterownikach programowalnych i o sterowniku PLC S7-1200

na znaleźć w podręczniku

syntetyczny opis przydatnych w trakcie realizacji zajęć

znajdującą się na pulpicie lub > Siemens Automation ->TIA

: na podstawie fizycznego adresu interfejsu zidentyfikować sterownik na

sieci laboratoryjnej) i w razie potrzeby

laboratoryjnych sterowników PLC S7- odpowiednie adresy IP zgodnie z informacjami zawartymi w

o powrocie do podglądu Portal view, slajd 22

slajd 23 z wykładu 08 z wykładu 08

ytkownika do sterownika i przejście w tryb RUN

konfigurację sprzętową i program

line działania sterownika,

z okna na głównej (górnej)

on-line : Watch and force table należy wybrać

śnięciu przycisku Monitor

ży wprowadzić nowa wartość ć tą zmienna w kolumnie z

Modify all selected values once

Monitor value powinna zostać

7

o zatrzymanie/uruchomienie sterownika: zatrzymanie sterownika (tryb STOP) nastąpi po

przyciśnięciu ikony w menu głównym (górnym) programu (Rysunek 8), analogicznie

sterownik można uruchomić (tryb RUN) po przyciśnięciu ikony (Rysunek 8).

Rys. 6. Przej ście aplikacji TIA Portal w tryb on-line

Rys. 7. Podgl ąd i modyfikacja warto ści zdefiniowanych zmiennych w trybie on-line z poziomu aplikacji TIA Portal

Rys. 8. Zatrzymanie/uruchomienie sterownika z pozio mu aplikacji TIA Portal

8

Zadanie 3 – HILS „symulacja w p ętli sprz ętowej”

Celem zadania jest uruchomienie symulacji w pętli sprzętowej HILS wykorzystujące elementy skonfigurowane wcześniej w ramach Zadania 1 („wirtualny obiekt”) i Zadania 2 („rzeczywista platforma sterowania cyfrowego – sterownik S7-1200”). 1) Uruchomić symulację w pętli sprzętowej HILS:

• model symulacyjny obiektu zaimplementowany w środowisku czasu rzeczywistego Matlab/Simulink Simulink Desktop Real-Time (Zadanie 1),

• dyskretny regulator PID, „pracujący” na jednostkach inżynierskich, zaimplementowany w sterowniku S7-1200 (Zadanie 2).

2) Na podstawie doświadczeń z poprzednich zajęć laboratoryjnych przetestować działanie układu

w zależności od parametrów dyskretnego regulatora PID, przy czym szczególną uwagę należy

zwrócić na wartości parametru „Cycling time ” bloku (w którym w języku SCL zaimplementowano kod dyskretnego programu regulatora PID).

Uwaga: Każdorazowa zmiana wartości tego parametru wymaga ponownej kompilacji programu

i wgrania go do sterownika (Zadanie 2). 3) Dokonać modyfikacji kodu regulatora tak by „pracował” on na zmiennych procesowych, w

związku z czym należy rozbudować kod regulatora w języku SCL, o funkcje skalowania wejść (z jednostek inżynierskich na procesowe) oraz wyjść (z jednostek procesowych na inżynierskie).

Uwaga: Modyfikacja kodu regulatora w SCL wymaga ponownej kompilacji programu i wgrania

go do sterownika (Zadanie 2). 4) Ponownie przetestować działanie układu w zależności od parametrów dyskretnego regulatora

PID. 5) Przedyskutować uzyskane w trakcie symulacji w pętli sprzętowej wyniki.

Wskazówki: • sposób połączenia (odpowiednimi przewodami) „wirtualnego procesu” i „rzeczywistego

sterownika” przedstawiono na Rysunkach 4 i 5 oraz na slajdach 42-48 wykładu 08, • kod dyskretnego regulatora PID zaimplementowanego w języku SCL przedstawiono i

omówiono w ramach wykładów 07 i 08, • zmiany wartości parametru „Cycling time ” wybranego bloku OB można dokonać

wybierając go z listy Program blocks w oknie Project Tree > Devices (Rysunek 9), następnie klikając prawym przyciskiem myszki z menu kontekstowego należy wybrać opcję Properties… i w oknie właściwości bloku dokonać modyfikacji wartości parametru „Cycling time ” (Rysunek 10),

• bardziej szczegółowo koncepcja programowania w języku SCL sterowników PLC S7-1200 została opisana w rozdziale 6 podręcznika użytkownika (dokument S7-1200_easy_book_PL_wyd_2012_4.pdf ).

9

W sprawozdaniu należy:

a) przedstawić zmodyfikowany kod regulatora PID w języku SCL: • „pracujący” na przeskalowanych zmiennych procesowych, • z zaimplementowanym mechanizmem anti-windup,

b) odpowiedzieć na pytanie: jaki jest związek pomiędzy parametrem „Cycling time ” bloku OB[30], w którym zaimplementowano w języku SCL kod dyskretnego programu regulatora PID, a parametrem Ts związanym z okresem próbkowania regulatora PID,

c) uzasadnij dobór wartości parametru parametrem „Cycling time” względem długości kroku procedury numerycznej Matlaba/Simulinka (Zadanie 1).

Rys. 9. Wybór bloku OB[30]

Rys. 10. Zmiana warto ści parametru „Cycling time” wybranego bloku OB