Разработка и тестирование функционального блока ПИД-регулятора ПЛК ACE3600 Motorolla

В данной статье представлена разработка прототипа функционального блока ПИД-регулятора контроллера ACE3600 Motorolla и его тестирование посредством вспомогательных приложений C#. Проводится анализ переходных процессов, а также оценка качественного поведения функционального блока.

Ключевые слова: ПИД-регулятор, функциональный блок, ACE3600 Motorolla, переходный процесс, язык программирования Си, газораспределительная станция.

Современные процессы на производстве невозможно представить без управления технологическими параметрами. Регулирование и поддержание параметров процесса в необходимых диапазонах может производиться как в ручном, так и в автоматическом режимах. Автоматическое регулирование проводится с помощью специальных устройств или программных компонентов, включенных в технологический процесс. Наиболее распространенным типом регулятора является ПИД-регулятор. Чаще всего при разработке систем автоматического управления возникает необходимость в разработке собственного регулятора в программной среде контроллера. Это обусловлено как техническими аспектами применяемого оборудования, когда встроенные модули не в полной мере отвечают требованиям системы, так и необходимостью в удешевлении системы (отказ от покупки дополнительного оборудования). Основными критериями функционального блока ПИД-регулятора являются качественное управление технологическими параметрами, гибкость и простота настройки, возможность проведения автономных испытаний без непосредственного объекта.

В качестве технологического процесса было выбрано регулирование расхода и давления на выходном коллекторе газораспределительной станции.

Рис. 1. Структурная схема технологического процесса

Сложность регулирования данного процесса является следствием наложений ограничений на попутный параметр расхода — давление. Согласно нормам технологического процесса рассматриваемой установки, давление газа на выходном коллекторе должно находиться в диапазоне 0,3–0,5 МПа. Рабочее значение расхода 20000–27000 м3/ч.

Работа контура регулирования выполняется следующим образом. С датчиков считываются данные о текущих значениях расхода и давления на выходном коллекторе, вычисляется ошибка между текущим значением расхода и желаемым значением. Желаемое значение поступает в систему через интегральное звено, во избежание резких изменений в системе. Разностная величина передается на первый ПИД-регулятор, управляющее воздействие проходит ПДП-звено, для формирования упреждающего воздействия.

Сформированное управляющее воздействие от первого ПИД-регулятора является уставочным значением для формирования ошибки регулирования по давлению и находится в диапазоне 0,3–0,5 МПа. Данное значение сравнивается с текущими показаниями давления и формируется ошибка регулирования по давлению. Управляющее значение от ПИД-регулятора по давлению также имеет ограничение по проценту открытия (закрытия) исполнительного механизма (0–100 %). Процент открытия (закрытия) влияет на объект управления — текущие значения давления и расхода изменяются.

Реализации управления данным контуром предусматривала использование типовых звеньев, а именно: звено ПИД-регулятора, инерционное звено 1-го порядка, реальное дифференцирующее звено. Схема контура управления представлена на рисунке 2 [1].

Рис. 2. Контур управления

В качестве контроллерного оборудования рассматривается ПЛК ACE3600 компании Motorolla. Данный контроллер предназначен для построения систем диспетчерского контроля и управления с сосредоточенной и распределенной структурой [2].

Контроллер ACE3600, в общем случае, представляет собой удаленное терминальное устройство (RTU), которое предназначено для контроля и управления локальным оборудованием пользователя. Контроллер ACE3600, является функционально законченным микропроцессорным устройством, может работать как в автономном режиме, так и в качестве составной части (узла) распределённой системы [2]. Для реализации функциональных блоков данного контроллера используется язык программирования Си [3]. Файлы функциональных блоков компилируются через среду разработки ПО контроллера и загружаются в него.

Функциональный блок предназначен для создания ПИД регуляторов. ФБ поддерживает использование инерционного звена для сглаживания задания, при его изменении. Данный блок состоит из функций, которые вызываются каждый раз при обращении к данному ФБ. К ним относятся считывание констант из таблиц данных контроллера, инициализация блока и основная функция пересчета значений.

При использовании инерционного звена перед ПИД-регулятором вызывается функция расчета данного звена:

Основная работа блока происходит в функции PIDRun. Здесь происходит считывание коэффициентов ПИД-регулятора из таблиц данных:

Далее выполняется проверка наличия столбца таблицы данных p_EMax. При отсутствии данных в него заводятся определенные значения.

Затем производятся непосредственное вычисление параметров после каждой составляющей звена ПИД-регулятора для возможности последующего анализа:

После чего происходит расчет результирующего управляющего воздействия, при необходимости пересчета (необходимость высчитывается по таймерам основной программы контроллера) — команда p_DO больше нуля.

Рис. 3. Схема тестирования функционального блока

Для мониторинга параметров, задания настроечных параметров и управления использовалась разработанная программа PLC Monitor. Приложение устанавливает связь с контроллером по средствам протокола Modbus TCP. Наиболее значимый практический интерес в данной работе представляет выбор регуляторов и настройка их параметров.

Рис. 4. Тестовые настройки коэффициентов регуляторов

Также для тестирования регуляторов существует необходимость в эмуляторе полевых значений. Общий вид данного приложения показан на рисунке 4.

Рис. 5. Общий вид приложения эмулятора полевых значений

В данном окне отображены уставочные и текущие значения по давлению и расходу рассматриваемого контура, текущий и желаемый процент открытия регулирующего клапана. Данное приложение формирует ответную реакцию на считываемые с контроллера уставочные значения и передает эмулируемые текущие значения параметров в контроллер. Данные могут быть записаны в файл формата.csv для дальнейшего анализа, построения графиков и вычисления показателей качества переходного процесса.

Сохраним тестовые настройки регуляторов и текущие показания эмулятора. Изменим уставку расхода на 23000 и проследим изменения. Для этого была организована запись значений параметров в файл.csv и построение графиков переходных процессов по полученным данным (рисунки 6–7, таблица 1).

Фрагмент таблицы базы данных значений параметров

Рису. 6. График переходного процесса расхода

Рис. 7. График переходного процесса давления

По данным графикам видно, что происходит регулирование по обоим величинам (давление, расход). Время переходного процесса по расходу — 5 минут. Значение давления появилось в 5 % диапазоне от уставочного значения примерно через 4 минуты, но далее сохраняться ошибка регулирования по давлению около 4,5 %.

Выводы

Реализован функциональный блок ПИД-регулятора в среде разработки программного обеспечения контроллера ACE3600. Приведена рабочая схема тестирования функционального блока посредством вспомогательных приложений, а также выполнено первоначальное тестирование блока с первоначальными коэффициентами ПИД-регулятора. В ходе тестирования и обработки результатов были получены приемлемые значения показателей качества переходных процессов, однако требующих улучшения.

Литература:

1. Теория автоматического управления: учебное пособие/ В. Ф. Дядик, С. А. Байдали, Н. С. Криницын; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. — 196 с.
2. Автоматизация технологического процесса на базе контроллеров «Motorola»: учебное пособие / Х. Н. Музипов, О. Н. Кузяков, С. А. Хохрин и др. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2014. — 156 с.
3. Основы программирования на языке Си: учеб. пособие/ Солдатенко И. С. — Тверь: Тверской государственный университет, 2017. — 159 с.