Разработка системы управления технологическим процессом производства рукавной пленки, работающей в режиме реального времени

 

Рис.3 – «Инкрементальный энкодер ES3-10CN8961»

 

 

 

 

 

 

 

3. Выбор технических и программных средств

 

Современная приборостроительная промышленность предлагает огромный выбор высокоточных и недорогих технических средств, позволяющих качественно управлять технологическим процессом, как средствами локальной автоматики, так и с применением микропроцессорной вычислительной техники. Заданием на проектирование поставлена задача визуализировать технологический процесс при помощи системы CoDeSys.

 В данном проекте сделан  выбор в пользу микропроцессорных модулей ввода аналоговых сигналов МВА8 и вывода управляющих сигналов МВУ8, которые связаны с программируемым логическим контроллером ПЛК154 по двух проводной  сети  RS 485. ОВЕН ПЛК154  (рис.4),  предназначен для создания систем автоматизированного управления технологическими процессами.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4.- «Программный логический контроллер»

 

В процессе создания данного проекта был разработан алгоритм работы системы контроля и управления работой экструдера производства рукавной пленки. Программирование ПЛК154 было выполнено с применением специализированной среды создания проектов CoDeSys (сокращение от слов Controller Development System) 2.3.8.1 и старше.

Для визуализации ведения технологического процесса производства рукавной пленки, в проекте предусмотрено применение инженерной панели оператора ИП320 (рис.5).

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5 — «инженерная панель ИП320»

 

Панель ИП320 представляет собой человеко-машинный интерфейс, предназначенный для отображения и редактирования значений параметров ПЛК и др. приборов. Логика работы панели ИП320 была определена в процессе конфигурирования панели.

 

1. Системы контроля технологических параметров

Все вышеперечисленные первичные средства измерения технологических параметров поступают на аналоговые входы микропроцессорного модуля МВА 8 (рис.6), который связан с ПЛК 154 по сети RS-485. Полученная информация согласно алгоритма обрабатывается в ПЛК и передается по сети Ethernet на персональный компьютер (ПК) для их контроля и регистрации.

 

 

 

 

В проекте также предусмотрена визуализация технологических параметров на инженерной панели типа ИП320, которая связана с ПЛК по промышленной компьютерной сети RS – 485.

 

 

 

 

 

 

Рис.6 – «Модуль ввода аналоговый МВА 8»

 

2. Системы управления технологическими параметрами

ПЛК 154  согласно алгоритма, разработанного  в процессе выполнения данного проекта,  формирует управляющие сигналы на исполнительные механизмы, используя модуль вывода управляющих сигналов МВУ 8 ИИИИРРРР (рис.7).

 

 

 

 

 

 

Рис.7 – «Модуль вывода управляющий МВУ 8»

 

Данный модуль имеет четыре аналоговых выхода (И) - «токовая петля 4-20мА» и четыре дискретных выхода  (Р) – «сухой контакт».

 

 

 

 Для стабилизации температурного  режима экструдера в настоящем  проекте применяется аналоговый  метод управления мощностью активной  нагрузкой реализованный на базе твердотельного реле серии SIA, имеющего аналоговый входной сигнал 4-20мА (рис.8)

Рис.8 – «Твердотельное реле серии SIA»

 При подаче управляющего сигнала, напряжение на выходе такого реле появляется в момент первого пересечения напряжением нулевого уровня. Это позволяет уменьшить начальный бросок тока, снизить уровень создаваемых электромагнитных помех и, как следствие, увеличить срок службы коммутируемых нагрузок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Описание схемы автоматизации

 

Схема автоматизации производства рукавной пленки представлена на чертеже  ДП-220301-712-50-АТХ-031.

     Для ведения данного технологического процесса  применены следующие контуры контроля и регулирования:

1. температурного режима по зонам материальных цилиндров экструдера и формующей головки;
2. контроль давления на входе в головку (до фильтра) и по мере движения в головке;
3. контроль давления воздуха внутри раздуваемого рукава (пузыря);
4. контроль скорости вращения шнеков;

Рассмотрим вышеперечисленные системы контроля и регулирования.

Сигналы с датчиков температуры, установленные на зонах материальных цилиндров экструдера поз. 1а; 2а; 3а; 4а поступают на аналоговые входы микропроцессорного модуля ввода аналоговых сигналов МВА 8, и далее по промышленной компьютерной сети RS-485 передаются в программный логический контроллер ПЛК154 для последующей обработки, согласно алгоритма стабилизации температурного режима на экструдере по производству рукавной пленки. Управляющие сигналы по сети RS-485 поступают в модуль вывода управляющих сигналов МВУ 8. При этом используются аналоговые выходные каналы МВУ 8, формирующие управляющий сигнал в виде токовой петли 4-20мА, которые поступают на входы твердотельных реле поз. 1б; 2б; 3б; 4б. С выходов твердотельных реле управляющие сигналы поступают на исполнительные механизмы (ТЭНы) поз. 1в; 2в; 3в; 4в. 

Системы контроля температурного режима в фильтре шиберном и головке для производства рукавной пленки включают в себя датчики температуры поз. 5а и 6а, сигналы с которых поступают на модуль МВА 8и далее по сети RS-485 передаются в программный логический контроллер ПЛК154.

 Для визуализации данных  параметров на экране монитора  ПК и инженерной панели ИП320 проектом предусмотрена соответствующая  программа в среде программирования CoDeSys v2.3.

Система контроля давления на входе в головку (до фильтра) включает в себя датчик давления ОВЕН ПД100-ДИ М  поз.7а, сигнал с которого поступает на модуль МВА 8 и далее по сети RS-485 передаются в программный логический контроллер ПЛК154. Программа визуализации позволяет произвести наблюдение за динамикой изменения данного давления в виде графика с возможностью последующего его протоколирования.

Система контроля и управления подачей сжатого воздуха на выходе из головки (после фильтра) состоит из датчика давления ОВЕН ПД100-ДИ М  поз.8а, и модуля ввода аналоговых сигналов МВА 8, ПЛК154, МВУ 8 и электропневмо клапана А63 623-15G поз. 8б, который выдает управляющий сигнал на ИМ с пневмоприводом типа ЗК 201 С 25 16Л НЗ УХЛ поз.8в.

Система контроля скорости вращения шнеков экструдера, включает в себя инкрементальный энкодер поз.9а. сигнал с которого поступает на модуль МВА 8 и далее по сети RS-485 передаются в программный логический контроллер ПЛК154 для отображения на экране монитора персонального компьютера и для  дальнейшего его протоколирования.

  

5. Разработка проекта системы управления в среде CoDeSys

 

Функциональная схема программы автоматизации и управления представлена на чертеже  ДП-220301-712-50-АТХ-035.

Процесс программирования ПЛК представлен на примере решения задачи стабилизации таких технологических параметров как влажность и температура. Для решения данной задачи в проекте используется функциональный блок (PID) из стандартных библиотек среды программирования CoDeSys и блок измерения влажности (PSI_MOIST), который осуществляет расчет относительной влажности по показаниям 2-х датчиков температур. Данный блок был взят из стандартных библиотек OWEN.

Программа составлена в среде программирования CoDeSys v2.3. CoDeSys (сокращение от слов Controller Development System) это инструмент программирования промышленных компьютеров и контроллеров опирающийся на международный стандарт МЭК 61131-3.

Данная программа написана на графическом языке программирования CFC. CFC - непрерывные функциональные схемы. CFC это по сути продолжение FBD. FBD – это графический язык программирования. Он работает с последовательностью цепей, каждая из которых содержит логическое или арифметическое выражение, вызов функционального блока, переход или инструкцию возврата. В отличие от FBD редактор непрерывных функциональных схем не использует цепи, но дает возможность свободно размещать компоненты и соединения, что позволяет создавать обратные связи.

 

1. Описание схемы программы управления влажностью в объекте

 

Компанией ОВЕН поставляется  библиотека функциональных блоков для регулирования и управления различными исполнительными механизмами. Эта библиотека работает на контроллерах ОВЕН ПЛК и не может быть использована для контроллеров других производителей. Библиотека поставляется на диске, входящим в комплект поставки ОВЕН ПЛК. Измеренные значения температур  от первичных преобразователей поступают на входы функционального блока измерения влажности (программный психрометр). Данный блок взят из библиотеки PID-Regulators.lib – PSI_MOIST (рис.9)

Рис. 9- «Измеритель влажности психрометрическим методом (PSI_MOIST)»

Входные параметры:

T_Dry: REAL; – значение измеренной температуры сухого датчика (Тсух.);

T_Moist: REAL; – значение измеренной температуры влажного датчика (Твлаж.);

A_Koeff: REAL; – психрометрический коэффициент (от 0.064 до 0.014);

Pressure: REAL; – значение измеренного атмосферного давления, приведенного к гектопаскалям (если не присваивать, то используется значение по умолчанию 1013.25 ГПа).

Выходы блока:

Res: REAL; – рассчитанное значение влажности в диапазоне 0…100 % (при выходе _err=0).

err: BYTE; – ошибки вычисления влажности (0 – ошибок нет):

1 – мала температура сухого  термометра;

2 – велика температура сухого  термометра;

3 – мала температура влажного  термометра;

4 – велика температура влажного термометра;

Выходной сигнал - RES функционального блока измерителя влажности (PSI_MOIST) поступает на вход - Actual функционального блока ПИД регулятор (PID). Данный блок взят из библиотеки CoDeSys – util.lib (рис.10). Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор - наиболее эффективный и распространенный вид регулятора, обеспечивающий достаточно высокую точность при управлении различными процессами.

Рис.10 «Блок ПИД регулятора»

Входы:

Actual - фактическая переменная измеряемой величины данного процесса;

SET_POINT – уставка регулятора

KP – коэффициент пропорциональности

TN – время интегрирования в секундах

TV – время дифференцирования

Y_MIN – нижняя граница выходного сигнала ПИД регулятора

Y_MAX – верхняя граница выходного сигнала ПИД регулятора

RESET – сброс ПИД регулятора (при сбросе выходной сигнал регулятора равен 0)

Выход:

Y – выходной сигнал, меняющийся в зависимости от рассогласования (0-100%). Данный сигнал может быть ограничен настройками Y_MIN и Y_MAX и определяется по формуле:

где Xp — полоса пропорциональности;

Ei — рассогласование;

τд — постоянная времени дифференцирования;

∆Ei — разность между двумя соседними измерениями Ei и Ei1;

∆tизм — время между двумя соседними измерениями Ti и Ti–1;

τи — постоянная времени интегрирования;

— накопленная в i -й момент времени сумма рассогласований (интегральная сумма).

Сигнал с ПИД регулятора поступает на блок деления DIV. Данный блок производит деление входящего сигнала на заданную величину (рис.11).

Рис.11 «Блок DIV»

Деление будет производится на 100, т.к. выходной сигнал с блока идёт на МВУ8, который принимает сигнал 0…1.

Для визуализации световой сигнализации работы нагревательного элемента (лампы) были созданы операторы сравнения (EQ) (рис.12), выполняющие функцию сравнения двух входных значений (1 и М-53-1, который является выходным сигналом с ПИД регулятора), в случае их равенства на выходе оператора (GREEN_1) появится TRUE (Логическая единица, ИСТИНА). Второй блок работает аналогично вышеописанному блоку.

Рис.12«Блок сравнения»

 

2.5.2 Описание схемы программы управления тепловым объектом

 

Так же как и в предыдущем варианте был использован функциональный блок PID (рис.13) (библиотека CoDeSys – util.lib) в котором сигнал от первичного преобразователя температуры поступает на вход блока ACTUAL.  ПИД регулятор формирует управляющее воздействие на исполнительный механизм. Y – выходной сигнал, меняющийся в зависимости от рассогласования (0-100%). Данный сигнал может быть ограничен настройками Y_MIN и Y_MAX.

Рис.13 «Блок ПИД регулятора»

 

Сигнал с ПИД регулятора поступает на блок деления DIV(рис.14). Данный блок производит деление входящего сигнала на заданную величину.

Рис.14  «Блок DIV»

Деление будет производится на 100, т.к. выходной сигнал с блока идёт на МВУ8, который принимает сигнал 0…1.

 

3. Визуализация в системе CoDeSys

 

Чтобы визуализировать прикладные задачи, наблюдать и изменять данные программируемого в CoDeSys контроллера, не нужны никакие дополнительные инструменты. Система программирования содержит встроенный редактор визуализации. Параллельно разработке приложения были созданы формы визуализации непосредственно в CoDeSys.