Министерство образования и науки российской федерации

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ»

в г. Волжском

Кафедра «Автоматизации технологических процессов и производств»

Б.Г. Севастьянов

Реализация законов аналогового регулирования

на контроллерах

Учебное пособие

Волжский 2014

У ДК 66.02.09

ББК

Рецензенты:

Шилин А.Н. – д-р техн. наук, профессор,

зав. кафедрой «Электротехника» ВолгГТУ;

Шевчук В.П. – д-р техн. наук, профессор

филиала МЭИ в г. Волжском

Севастьянов Б.Г

Реализация законов аналогового регулирования на контроллерах: учебное пособие / Б.Г. Севастьянов. – Волжский: Филиал МЭИ в г. Волжском, 2014. – 158 с.

ISBN

Пособие содержит алгоритмы аналогового управления на базе промышленного контроллера. Рассматриваются САР различной сложности: от стандартного ПИД-регулятора до комбинированного с переменой структурой. Все алгоритмы регулирования представлены на языке FBD и часть программ, для сравнения, на языке CFC. Приведена структура и программа САР повышенной надёжности. Обращается внимание на особенности практического применения алгоритмов. К программам прикладываются таблицы выдачи и приёма информации по локальной сети, если такой обмен существует; таблицы, поясняющие, какая информация выдается на лицевую панель контроллера конкретной программой. Это сокращает время изучения программы и повышает качество программного обеспечения САР. В заключении приводятся рекомендации по совершенствованию программного обеспечения контроллеров.

Материал учебного пособия может использоваться при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», а также на курсах повышения квалификации инженерно-технических работников.

Следует отметить, что материал этого пособия отличается от ранее изданного в ВПИ: устранены замеченные ошибки, уточнены формулировки, определения.

Печатается по решению Учебно-методического совета филиала МЭИ в г. Волжском.

У ДК 66.02.09

ББК

Ó Севастьянов Б.Г., 2014

Ó Филиал МЭИ в г. Волжском, 2014

Посвящается

замечательному человеку

Усмановой Ситоре¹

Введение

В данном пособии рассматривается реализация различных регуляторов на контроллерах. Вначале уделяется внимание достоверности входной информации. Любая система функционирует надёжно и правильно, если использует достоверную информацию. Ранее, в пособии по дискретным системам управления [25], уже рассматривались алгоритмы, повышающие достоверность входной информации в автоматических системах контроля и регулирования.

Цель данного пособия – обратить внимание читателей на практические особенности реализации САР на контроллерах.

Все алгоритмы реализуются в основном на микропроцессорном контроллере Ремиконт Р-130, как наиболее удачном (универсальность, открытость, простота, доступность) для ведения учебного процесса. В основу названия контроллера «Ремиконт» взяты первые слоги следующих слов: регулирующий микропроцессорный контроллер [13]. Рассмотренные алгоритмы и программы могут быть с успехом реализованы на других контроллерах, что подтверждается приводимыми программами в приложениях [27] для контроллера ПЛК-154 фирмы ОВЕН. Многие удачные решения контроллера Р-130 не могут быть реализованы один к одному, например в ПЛК-154. Но среда программирования CoDeSys позволяет создавать свои алгоритмы в виде подпрограмм, блоков. Таким образом, через некоторое время можно создать библиотеку алгоритмов значительно лучше существующей [34]. При реализации программ в первую очередь внимание обращается на функции, на особенности практической реализации.

Под контроллером понимается специализированная вычислительная машина, предназначенная для непрерывной обработки информации в режиме реального времени, имеющая устройство связи с объектом управления (УСО), сторож цикла, лицевую панель (ЛП) с расположенными на ней цифровыми индикаторами и светодиодами. Неотъемлемой частью контроллеров является наличие специальной программы, которая называется кросс-средство. В данном случае кросс-средством является Редитор Р-130. Кросс-средство позволяет составлять программы на ПЭВМ и загружать разработанные программы в контроллеры² [25]. Кроме того, обычно кросс-средства позволяют сверять программы, находящейся на экране монитора и в контроллере, считывать программы с контроллера и др.

Основой для программирования контроллеров ПЛК-150, ПЛК-154 фирмы «Овен» является среда CoDeSys [17, 18, 139], для программирования контроллеров SIMATIC S-300, S-400 и других фирмы Siemens – среда Step-7.

Методистам хорошо известно, что обучение не может быть эффективным без рационального отбора предлагаемого материала. Поэтому отбор материала, в нашем случае алгоритмов, программ, является важнейшей и наиболее актуальной методической проблемой. О большинстве включённых в пособие алгоритмов и программ неоднократно докладывалось на конференциях различного уровня, имеются публикации в журналах, включенных в список ВАК. Окончательное решение проблемы отбора материала осуществлялось в течение нескольких семестров при выполнении студентами лабораторных, курсовых работ и проектов. К сожалению, в связи с введением новых стандартов, резким сокращением срока обучения и сокращением числа часов по дисциплинам, в это учебное пособие не включен материал по нечётким (fuzzy) [103, 104, 105], модальным [106, 107, 108], экстремальным [97, 115, 119, 121], адаптивным [98, 112, 123], двух и трёхпозиционным регуляторам [113]³. Темы по реализации этих законов регулирования на контроллерах могут быть рассмотрены в качестве семестровых, курсовых и дипломных работ. В приводимых программах используются алгоритмы, описанные в кросс-средстве Редитор Р-130. Справочная информация по алгоритмам представлена в пособии [25] и книге [13]. Программы для контроллера Р-130 приводятся на языке функциональных алгоблоков (FBD⁴). Программы для контроллеров ПЛК-150, ПЛК-154 и ПЛК-110 реализовывались в среде CoDeSys и приводятся на языке CFC и ST.

Программирование контроллеров отличается от программирования просто расчётных задач. Программы контроллеров тесно связаны с аппаратной частью, с режимом реального времени. Например, если к контроллеру подключено восемь датчиков, то в программе можно работать только с информацией, поступающей от восьми датчиков, нельзя реально работать с десятью датчиками, так как двух просто нет физически. Необходимо учитывать погрешности измерительных каналов и различные ситуации при обработке сигналов с датчиков: обрыв измерительного канала, выброс или провал сигнала, «замирание» сигнала [94]. Иногда требуется учитывать время цикла контроллера, последовательность расположения алгоблоков, наличие цифровых индикаторов и светодиодов на лицевой панели контроллера и т.д.

В пособие включено несколько параграфов, не относящихся напрямую к аналоговым регуляторам, но они изучаются по дисциплинам, связанным с разработкой систем управления на контроллерах.

По поводу названия пособия могут возникнуть вопросы. Автор не ставил цели заниматься теоретическими аспектами и выяснять различные взгляды на название, а больше внимания уделял сути алгоритмов и особенностям практической реализации программ. Теоретический материал, который использовался в пособии, изложен в многочисленных учебниках и монографиях по ТАУ.

Современные контроллеры обеспечивают малую погрешность квантования по времени и амплитуде. Эта погрешность (погрешность за счёт квантования) меньше погрешности измерительного канала. Кроме того, область применения большинства предлагаемых алгоритмов и программ – это теплоэнергетика, нефтехимия, нефтепереработка, процессы, протекающие при обжиге фарфора и керамики, производстве удобрений, где процессы инерционны. Поэтому значения сигналов до и после квантования практически одинаковы. В связи с этим автор решил назвать рассматриваемые системы регулирования аналоговыми, хотя мы имеем цифровые системы контроля и регулирования. Более детально реализация систем управления на контроллерах рассмотрена во многих источниках [115, 117]. В главе восьмой учебника [16, с. 254-292] рассматриваются особенности программной реализации регуляторов при квантовании непрерывного сигнала по времени. В этой же главе уделяется внимание и терминологии. Практические рекомендации по частоте квантования аналоговых сигналов приводятся во многих публикациях [16, 140, 142], в частности, в книге Пара [141]. Конечно, если подходить строго, то к чистым аналоговым регуляторам относятся пневматические (ПР3.25 и др.) и электронные (Р-25.11, Р-25.3.2, Р-17.3) регуляторы [6, 113, 114]. Пневматические регуляторы системы «СТАРТ» (система автоматических регуляторов, построенных на элементах УСЭППА⁵) в советское время нашли широкое применение на объектах нефтехимии и нефтепереработки.

Объём учебного пособия ограничен, поэтому пояснения к программам в приложении Н опущены.

Уважаемые читатели, это пособие создавалось более двух лет. За это время оно многократно корректировалось, вносились изменения, дополнения, поэтому могут встречаться технические ошибки, не влияющие на суть. Некоторые ошибки в программах исключают слепое копирование программ. Тем не менее, как автор, приношу извинения, если таковы обнаружатся. Буду весьма признателен читателям за пожелания и замечания, которые будут способствовать улучшению качества пособия. Желаю терпения и удачи тем, кто будет пользоваться пособием и затратит время и труд на его изучение.

Особую благодарность хочу выразить Юриной В.В. за кропотливую работу и терпение по корректировке и оформлению учебного пособия.