Třístavový PID regulátor v S7-1200

  • neděle, 14 srpen 2016 09:24

Tentokrát si ukážeme jak prakticky naladit třístavový regulátor v PLC a budeme skutečně regulovat teplotu v naší jednoduché soustavě. Že to funguje a hlavně jak, si přečtěte dále.

Abychom mohli vyzkoušet třístavový PID regulátor, zařadíme do naší sestavy TB20 periferie modul měření teploty se snímačem Pt100. A pak bude potřeba něco taky regulovat a teplotu toho něčeho měřit. Jako PLC je použit Simatic S7-1200, periferie TB20 jsou připojeny k PLC přes Profinet.

pid2 01


TB20 Modul 600-253-4AB01 umožní připojit dvě Pt100 čidla dvoudrátové, nebo jedno tří a čtyřdrátové. Používáme TB20, tedy to co máme k dispozici, pro ET200S modul Pt100 není momentálně dostupný.

pid2 02


Bez měření není regulace, potřebujeme teplotu jak regulovat, tak měřit. Tohle je naše topná soustava, výkonový odpor 27ohmů a na něm přiloženo Pt100 čidlo teploty. Odpor je napájen z digitálního výstupu 24V který unese 0,7A. Těch přibližně 15W výkonu na odporu by mělo stačit k zahřátí odporu tak, abychom tuto teplotu dokázali regulovat z PLC. Je to bastl jako hrom, ale jak uvidíte dále, funguje to.

pid2 03


Prostřední modul 8xDO a jeho poslední výstup bude regulovat teplotu, v podstatě jen zapínáním a vypínáním proudu do odporu. Tento princip ohřevu se v praxi využívá třeba u vyhřívání různých nožů a podobně.
Klikněte na obrázek pro zvětšení

pid2 04b


Skutečně zapnutí digitálního výstupu poměrně rychle rozehřeje výkonový odpor, horší situace nastává při chlazení, které probíhá přirozenou cestou, tedy jen teplotou okolí. Úkol, i když zdánlivě primitivní, není pro regulaci až tak jednoduchý.

pid2 05


Podobně jako u minulého typu regulátoru je nezbytné omrknout schéma zapojení, i když tohle celé je realizováno jedním funkčním blokem v PLC. V každém případě je třeba vědět kam připojit žádanou hodnotu teploty, v jakém rozsahu a kde bude zpětná vazba teploty a jak se kalibruje. Do vstupů PID již musí být obě hodnoty ve stejném rozsahu.
Klikněte na obrázek pro zvětšení

pid2 10b


Minule jsme zkoušeli kompaktní regulátor, nyní tedy přijde na řadu třístavový PID ve verzi 2.2. Nejnovější PLC a firmware mají k dispozici ještě další regulace.

pid2 11


Úplně stejně jako v minulé ukázce vložíme do programu třístavový regulátor, k němu DB203. Tento regulátor má pro ovládání soustavy dva digitální výstupy, jeden v podstatě topí, druhý chladí. My chlazení nemáme, použijeme přirozené chlazení okolím.

pid2 12


Teplotu z měřícího TB20 modulu dostaneme jako proměnnou v rozsahu -2000 .. +8500, tedy x0,1°C. Více v článku o analogových modulech periferií TB20. Bit InpPEER_on jen ověřuje, že máme jako zpětnou vazbu zapnutou cestu přes Input_PER, jinak by nám regulátor nic nereguloval, neměl by zpětnou vazbu a odchylka by byla stále na maximu.

pid2 13


Protože používáme jako zpětnou vazbu vstup PER, tedy vstup určený pro připojení signálů z analogových vstupů, musíme jej kalibrovat. Proto pro vstup máme plný rozsah modulu Pt100. Jinak bychom kalibrovali například vstup 4-20mA s teplotním převodníkem a podobně.
Klikněte na obrázek pro zvětšení

pid2 14b


Na blokovém schématu regulátoru z helpu, nejsou ani zdaleka uvedeny všechny proměnné a ovládací prvky regulátoru, proto je vhodné celý regulátor otevřít v DB editoru.

pid2 15


Tady si ověříme, zda opravdu pasuje žádaná hodnota a zpětná vazba, zda mají čísla stejný formát a hlavně hodnoty. Klidně můžou být posunuty o jeden řád a při ladění na to ihned nepřijdeme. Takže žádaná hodnota jako Setpoint na řádku 2, zpětná vazba jako Input_PER na řádku 4 je jako vstup do PID po kalibraci na řádku 14. Vše v pořádku.
Klikněte na obrázek pro zvětšení

pid2 16b


Základní nastavení PID vazeb. Jak jsme si uváděli minule, tohle je to hlavní co dělá celou regulaci. Nastavit všechny proměnné ručně není jednoduché, ani se to nedělá.

pid2 20


V uvádění do provozu a ladění regulace je hezké blokové schéma. Pozor na LED Actuator_H a L, pokud se rozsvítí, příliš dlouho byl regulátor na krajní mezi a blokuje se celý PID. Regulátor totiž hlídá, i když není použit, ovládací mechanismus ventilu, aby se třeba nezasekl a podobně.

pid2 21


Přednastavení v praxi, u takové soustavy to není na pár desítek vteřin, ale trvá to dost dlouho. Ladící nástroj měří reakce soustavy na topení, chlazení, setrvačnosti a další veličiny, z toho všeho pak vypočítá a dosadí ideální nastavení PID.
Klikněte na obrázek pro zvětšení

pid2 22b


Takové hodnoty nám automatické přednastavení dosadilo do PID. Jemné ladění jsme u této pomalé soustavy nespouštěli.

pid2 23


Vše se dá také pohodlně ovládat z VAT tabulky proměnných.
Klikněte na obrázek pro zvětšení

pid2 24b


Nakonec jsme se dopracovali asi k takovému výsledku, regulátor vždy na chvilku sepnul výstup a ohřál odpor. V podstatě "dostrkával" teplotu na nastavenou tak, aby rozptyl teploty byl co nejmenší. Jak je vidět, na ten bastl je výsledek celkem slušný, ŽH teploty = 45°C.

pid2 25


Nejlepší informace. Změna teploty z 45°C na 42°C a zpět. Lepší už to asi nebude, ale teplota drží ve stupni. Podle časové základny sestup teploty s chlazením okolím, trvá zhruba 2 minuty. Musíme ale poznamenat, že pro vyšší teploty 55 .. 60°C byla regulace trochu rychlejší.
Klikněte na obrázek pro zvětšení

pid2 26b


Jako obvykle samotný PID regulátor disponuje chybovým hlášením a kódy, takže v případě nutnosti poznáte co je špatně.

pid2 27


Závěr:

Celkem se ten bastl podařilo nějak uregulovat, měli jsme připravenou variantu ponořit odpor i měření do vody (nebo instalovat do ledničky), aby došlo rychleji k ochlazení, ale nebylo to nutné, to si můžete vyzkoušet sami. Zajímavé bude vrátit se k předešlému typu PID regulátoru a využít pro regulaci jeho pulzně modulovaný PWM výstup. To si ale ukážeme zase někdy příště.

Jaroslav Blažek


Doplňující odkazy k článku: 

Popis analogových modulů TB20 najdete tady.

Následující článek PID regulace teploty PWM výstupem najdete tady.

Předchozí článek PID Compact V2 v Simatic S7-1200 je zde.

Pro psaní komentářů se přihlašte

Kontakt

email : blaja @blaja.cz
email reklama: info @blaja.cz
email adresy bez mezery 
před zavináčem

Jaroslav Blažek
Štěpánská 1888
755 01 Vsetín
+420 608 180 209