Регулювання типу більше/менше в ПЛК (Servo) в UnityPRO/Control Expert

На рис.6.1 показана узагальнена функціональна структура контурів регулювання з використанням ПЛК.

Нагадаємо, що в UNITY PRO для реалізації алгоритмів регулювання пропонується використовувати бібліотеку ControlLib, зокрема блоки сімейств Controller, Output Processing, Setpoint Management. У таблиці 6.2 наведений перелік функціональних блоків сімейства Controller .

Таблиця 6.2. Функціональні блоки сімейства Controller

Назва типу EFB	Призначення
SAMPLETM	управління періодичністю виклику відносно початкового циклу
PI_B	ПІ-регулятор
PIDFF	ПІД-регулятор
STEP2	двохпозиційний регулятор
STEP3	трьохпозиційний регулятор
AUTOTUNE	блок автонастройки PI_B та PIDFF
IMC	коректор моделі

SAMPLETM

Всі блоки бібліотеки Control Lib, алгоритм яких передбачає використання часових інтервалів (наприклад для інтегрування або диференціювання), розраховують ці інтервали як різницю між плинним та попереднім часом виклику блоку. Це значить, що їх можна викликати аперіодично. Однак алгоритми регулювання потребують значні часові ресурси, що займає значну частину часу Задачі(Task), в якій вони викликаються. З іншого боку, більшість задач регулювання не потребують частої обробки, а отже їх контури можуть оброблятися рідше, ніж кожний цикл. Таким чином для оптимізації роботи програми контролера рекомендується обробляти контури періодично, і зсунутими у часі відносно один одного.

Так, наприклад, при наявності 10-ти контурів регулювання, можна викликати зв’язані в контурі блоки з періодичністю 100 мс, але зсунуті один відносно одного на один цикл. Тобто через кожні 100 мс, протягом 10 циклів будуть оброблені всі контури. Періодичний виклик зі зсувом по часу можна забезпечити функціональним блоком SAMPLETM.

Функціональний блок SAMPLETM з періодичністю, яка визначається вхідним параметром INTERVAL, на один цикл Задачі виставляє в значення TRUE вихід Q. Вхідний параметр DELSCANS визначає зміщення в циклах запуску внутрішнього таймеру блоку відносно першого циклу контролеру (після холодного старту).

На рис.6.5 показаний приклад використання 2-х екземплярів SAMPLETM, виходи Q яких з періодичністю однієї секунди будуть виставлятися на один цикл в TRUE. Включення цих виходів буде зміщене на один цикл один відносно одного.

Рис.6.5. Використання 2-х екземплярів SAMPLETM зі зсувом на один цикл відносно

Блок управління реверсивним двигуном (SERVO)

Функціональний блок SERVO призначений для реалізації управляючих дій з регуляторів PI_B/PIDFF або інших блоків з використанням виконавчих механізмів типу реверсивного двигуна (серводвигун, наприклад МЕО). Для управляння серводвигунами використовуються два виходи - RAISE (“більше”) та LOWER (“менше”), на яких сигнал формується в залежності від значення входу IN (або INPD) та налаштування блоку (рис.6.28). У таблиці 6.23 показані параметри блоку SERVO.

Рис.6.28. Виклик функціонального блоку SERVO

Таблиця 6.23 Параметри блоку SERVO

		Вхідні параметри
SEN	BOOL	1 : є нові значення на входах INPD або IN 0 : немає нових значень на входах INPD або IN
IN	REAL	значення з абсолютного виходу блоку управління OUT (0 до 100%)
INPD	REAL	значення з інкрементального виходу блоку управління OUTD (-100% до 100%)
MA_I	BOOL	значення операційного режиму блоку регулятору до якого підключений SERVO (вихід MA_O) 1 : Автоматичний режим 0 : інший режим (ручний або слідкування)
RCPY	REAL	Зворотній зв’язок по позиції ВМ (0 до100%)
RST	BOOL	1 : Ініціалізація функціонального блоку (відключення виходів та обнуління внутрішнього статусу блоку)
R_STOP	BOOL	кінцева позиція “відкритий” (досягнутий поріг по RAISE)
L_STOP	BOOL	кінцева позиція “закритий” (досягнутий поріг по LOWER)
PARA	Para_SERVO	Параметри (див. таб 6.24)
		Вихідні параметри
RAISE	BOOL	Вихід “більше” (“відкрити”)
LOWER	BOOL	Вихід “менше” (“закрити”)
STATUS	WORD	Слово статусу

Таблиця 6.24. Опис структурного типу Para_SERVO


en_rcpy	BOOL	1 : Використовується зворотній зв’язок по позиції ВМ (включити RCPY)
rcpy_rev	BOOL	1 : Інвертувати RCPY (0 – це 100%, 100 – це 0%) 0 : Не інвертувати RCPY
t_motor	TIME	час повного відкриття регулюючого органу
t_mini	TIME	мінімальна довжина імпульсу

Функціональний блок може використовуватись як з сигналом зворотного зв’язку по положенню виконавчого механізму (RCPY) так і без нього.

При використанні сигналу зворотного зв’язку (en_rcpy = TRUE), в якості управляючого входу SERVO треба використовувати вхід IN, який повинен бути зв’язаний з абсолютним виходом OUT регулятору PI_B/PIDFF. Для кожного нового значення виходу OUT, який формує регулятор, функціональний блок SERVO генерує дискретний вихід RAISE або LOWER з довжиною імпульсу пропорційною різниці IN-RCPY. При необхідності, вхід RCPY можна інвертувати (rcpy_rev=1), тобто коли показник положення регулюючого органу показує не процент відкриття, а процент закриття. Приклад діаграми роботи SERVO зі зворотним зв’язком по положенню ВМ показаний на рис. 6.29.

Якщо зворотний сигнал по положенню ВМ не використовується (en_rcpy = FALSE) то в якості управляючого входу SERVO, треба використовувати вхід INPD, який повинен бути зв’язаний з виходом OUTD регулятору PI_B/PIDFF. Для кожного нового значення виходу OUTD регулятору, блок SERVO генерує дискретний вихід RAISE або LOWER з довжиною імпульсу пропорційною INPD. Приклад діаграми роботи SERVO без зворотного зв’язку по положенню ВМ показаний на рис. 6.30.

Для правильного функціонування операційного режиму, вхід MA_I блоку SERVO повинен бути з’єднаний з виходом MA_O блоку регулятору.

Для формування імпульсу з тривалістю, пропорційною величині управляючого сигналу, необхідно вказати час повного відкриття регулюючого органу (t_motor). Тобто, наприклад, при формуванні на вході INPD значення 100%, блок SERVO сформує імпульс на виході RAISE рівним значенню t_motor. А при INPD рівним -10%, SERVO сформує імпульс на виході LOWER рівним значенню t_motor/10.

Для зменшення навантаження на двигун, тобто збільшення його терміну служби, задається мінімальний час імпульсу (t_mini). Якщо тривалість розрахованого імпульсу менша ніж t_mini, імпульс формуватися не буде, однак він буде врахований на наступних циклах.

Для точності регулювання, блок SERVO повинен викликатися з кожним циклом Задачі. Однак весь контур регулювання може оброблятися з меншою частотою, наприклад при використанні SAMPLETM (див. параграф 6.2.2). Для того щоб вказати блоку SERVO що регулятор PI_B/PIDFF оброблений і сформовані нові значення (особливо це стосується виходу OUTD регулятору), і його вихід OUT/OUTD а отже і вхід SERVO IN/INPD отримав нові значення, на вхід SEN подається TRUE. Таким чином, якщо в контурі для задавання періодичності обробки використовується блок SAMPLETM, то його вихід підключається паралельно до входів EN блоків PI_B/PIDFF і до входу SEN блоку SERVO.

У ручному режимі (MA_I=FALSE) блок SERVO обробляє входи IN/INPD в кожному циклі незалежно від значення входу SEN, що треба враховувати при написанні програми. Тобто при ручній зміні виходу OUT регулятору, він автоматично розрахує OUTD (див. параграф 6.2.5), який протримається на виході аж до наступного виклику регулятору. За цей час, зв’язаний з цим виходом вхід INPD блоку SERVO, буде оброблений декілька (n) раз, що затягне імпульс в n раз довше, ніж потрібно. Для подолання цієї проблеми, в ручному режимі після кожного виклику регулятору необхідно обнулювати змінну, прив’язану до OUTD та INPD (див. приклад в параграфі 6.8.3)

При використанні сигналу зворотного зв’язку (en_rcpy = TRUE) у ручному режимі блок SERVO буде видавати команди “більше” та “менше” на виконавчий механізм доти, поки входи RCPY та IN не будуть рівними. Це може негативно сказатися на процесі а також на роботі приводу та регулюючого органу. Варіант вирішення цієї проблеми показаний в прикладі з параграфу 6.8.3.

При досягненні крайнього положення регулюючим органом, тобто коли R_STOP=TRUE або L_STOP=TRUE, відповідний вихід виставляється в логічний нуль (RAISE=FALSE або LOWER=FALSE) незалежно від значення IN або INPD.

Рис.6.29. Приклад діаграми роботи блоку SERVO зі зворотним зв’язком по положенню ВМ

Розглянемо роботу SERVO в режимі використання зворотного зв’язку по положенню, тобто при en_rcpy=TRUE (рис.6.29). У цьому прикладі використовуються такі настройки: t_motor=t#25s, t_mini=t#1s, періодичність виклику основного регулятору (періодичність активації SEN) - 4s. Контур працює в автоматичному режимі (MA_I=TRUE). На діаграмі цифрами мітками позначені наступні ситуації.

При початковому скануванні контуру значення (IN-RCPY)=+20% : на виході RAISE генерується імпульс тривалістю 5s (=20% від 25s);
При наступному скануванні контур значення (IN-RCPY)=+10%: на виході RAISE=TRUE залишається ще протягом 2.5s (=10% від 25s); одна секунда, яка залишилась від попереднього разу вже не враховується;
На 3-му циклі сканування контуру (IN-RCPY)= -2%: це відповідає імпульсу 0.5s на виході LOWER, однак оскільки це менше ніж t_mini, то вихід LOWER=FALSE; тривалість 0.5s для LOWER залишається збереженим до наступного циклу перерахунку;

На 4-му циклі сканування контуру (IN-RCPY)= -2%: це відповідає імпульсу 0.5s на виході LOWER, враховуючи попередній імпульс 0.5s, загальна тривалість імпульсу 1s, тобто на виході LOWER=TRUE протягом одної секунди.

Рис.6.30. Приклад діаграми роботи блоку SERVO без зворотного зв’язку по положенню ВМ

Розглянемо роботу SERVO без використання зворотного зв’язку по положенню, тобто при en_rcpy=FALSE (рис.6.30). У цьому прикладі використовуються такі настройки: t_motor=t#25s, t_mini=t#1s, контур працює в ручному режимі (MA_I=FALSE). На діаграмі цифрами мітками позначені наступні ситуації.

При INPD=+20%: на виході RAISE генерується імпульс тривалістю 5s (=20% від 25s);
При появі значення INPD=+2%: це відповідає імпульсу 0.5s на виході RAISE, однак оскільки це менше ніж t_mini, то вихід RAISE =FALSE; тривалість 0.5s для RAISE залишається збереженим до наступного перерахунку;
При появі значення INPD=+2%: це відповідає імпульсу 0.5s на виході RAISE, враховуючи попередній імпульс 0.5s, загальна тривалість імпульсу 1s, тобто на виході RAISE=TRUE протягом одної секунди;
При появі значення INPD= -24%: це відповідає імпульсу 6s на виході LOWER;
Перед закінченням наступної секунди наступна модифікація INPD=+22%: загальна модифікація = -24%+22%=-2%, це менше ніж мінімальний імпульс (4%), тому вихід LOWER=FALSE.

Приклад використання блоку SERVO показаний в параграфі 6.8.3.

SERVO_INT

Процедури UNITY PRO для цілочисельного регулювання PID_INT, PWM_INT та SERVO_INT аналогічні функціям PID, PWM та SERVO, які використовувалися в PL7 PRO при програмуванні попередніх версій TSX Premium та TSX Micro. Дані процедури як правило використовують тільки для сумісності з конвертованими проектами з PL7, однак використання їх в нових проектах UNITY PRO також дозволяється. Альтернативою процедурам цілочисельного регулювання є більш потужні функціональні блоки бібліотеки управління, які наведені вище.

Структурна схема можливих варіантів контуру з цілочисельним ПІД-регулятором представлена на рис.6.50.

Рис.6.50. Структурна схема варіантів реалізації контуру з ПІД-регулятором

До структурної схеми можуть входити три процедури:

блок ПІД-регулятора (процедура PID_INT);
блок широтно-імпульсного перетворення (PWM_INT);
блок управління реверсивним двигуном (SERVO_INT).

При використанні аналогового виконавчого механізму, цілочисельний вихід блока ПІД подається на аналоговий вихід контролера. Якщо використовується електричний виконавчий механізм з постійною швидкістю обертання (наприклад виконавчий механізм типу МЕО) або крокові двигуни, цілочиселний вихід PID_INT за допомогою процедур PWM_INT або SERVO_INT перетворюється у послідовність імпульсів, які подаються на дискретні виходи. Для правильного функціонування процедур PID_INT, PWM_INT та SERVO_INT Задача, в якій вони викликаються повинна виконуватись у періодичному режимі!

Коли у якості виконавчого механізму використовуються реверсивні двигуни з постійною швидкістю обертання (типу МЕК, МЕО), які управляються двома дискретними сигналами “більше” та “менше”, вихід з аналогового ПІД-регулятора (OUT PID_INT) необхідно обробити процедурою SERVO_INT (рис.6.53).

Рис.6.53. Структура контуру управління ВМ типу МЕО/МЕК

Процедура SERVO_INT завжди використовується разом з PID_INT, та зчитує її внутрішні дані. Тому, крім виходу OUT з PID_INT використовується також таблиця параметрів PARA. Приклад використання процедури SERVO_INT разом з PID_INT показаний на рис.6.54.

Вихід OUT з PID_INT подається на вхід INP процедури SERVO_INT. У вхідному параметрі POT (типу INT) зберігається значення сигналу від датчика положення виконавчого механізму (сигнал зворотного зв‘язку). Якщо зворотній зв’язок не використовується, на віх POT подають -10000.

Вихід UP відповідає сигналу “більше”, а DOWN – “менше”. На вхід PID завжди подається той самий масив, який використовується в якості фактичного параметра PARA регулятора PID_INT. PARA – масив параметрів процедури SERVO_INT із 9 елементів типу INT.

Рис.6.54. Приклад виклику процедури SERVO_INT разом з PID_INT без зворотного зв’язку по положенню РО

Таблиця 6.39. Таблиця параметрів (PARA) процедури SERVO_INT

Елемент масиву	Позначення	Призначення
PARA[0]	T_MOTOR	Час повного відкриття регулюючого органу (в 0.01 c)
PARA[1]	T_MINI	Мінімальна тривалість імпульсу (в 0.01 c)
PARA[2]	HYST	Значення гістерезису (0-10000)
PARA[3]- PARA[8]		дані для збереження проміжних результатів

Для правильної роботи SERVO_INT, необхідно вказати час переміщення регулюючого органу з однієї крайньої позиції (наприклад “закритий”) в іншу крайню позицію (“відкритий”). Цей час задається в 0.01 с, тобто час повного ходу 25с записується як T_MOTOR:=2500. Крім того задається мінімальний час імпульсу T_MINI теж в 0.01 с.

У випадку відсутності зворотного зв’язку по положенню регулюючого органу, SERVO_INT буде працювати наступним чином. Алгоритм отримує на вході відхилення виходу PID (з PARA алгоритму PID_INT) і перетворює його в період імпульсу згідно формули:

T_IMP = OUT * T_MOTOR/1000* мс, (6.48)

Необхідний для цієї процедури час добавляється до періоду, що залишився від попередніх циклів. Тобто те, що не було “спожито” в робочому циклі, зберігається для наступних циклів.

Припустимо, що T_MOTOR=2500 (25 с), а T_MINI=1000 (1 с). Тоді роботу процедури можна описати діаграмою, яка зображена на рис.6.55.

На діаграмі цифрами-мітками позначені наступні ситуації:

1 – відхилення виходу PID_INT=+20%: враховуючи, що повний хід РО є 25 с, сформується імпульс на виході UP протягом 5 с;

2 – відхилення виходу від попереднього значення PID_INT=+2%, що відповідає імпульсу 0.5 с: цей імпульс менше ніж T_MINI (=1 c), тому не впливає на виходи;

3 – з’являється ще одне відхилення на +2%: процедура добавляє це відхилення до попереднього (яке відповідає відхиленню, менше мінімального значення), що відповідає загальному додатному відхиленню на +4%, і імпульсу тривалістю 1 с на виході UP;

4 – з’являється відхилення на -24%: це відповідає імпульсу тривалістю 6 с на виході DOWN;

5 – перед закінченням наступної секунди інше відхилення на +22% повертає систему знову до глобального відхилення на 2% < відхилення T_MINI (4%): процедура закінчує виконання мінімального імпульсу DOWN тривалістю в 1 с.

Рис.6.55. Приклад роботи процедури SERVO_INT без зворотного зв’язку по положенню регулюючого органу

Контрольні запитання

Які апаратні засоби є вбудовані в TSX Premium для реалізації контурів регулювання?
З яких основних частин складається прикладна програма ПЛК для реалізації контурів регулювання? Поясніть призначення кожної з цих частин.
Блоки FFB яких бібліотек використовуються для реалізації контурів регулювання в UNITY PRO? Які з них використовуються тільки для сумісності з проектами PL7 та Concept?
Блоки FFB якої бібліотеки рекомендується для реалізації контурів регулювання в UNITY PRO? Чи обов’язково користуватися для задач регулювання блоками саме цієї бібліотеки?
Поясніть призначення та особливості функціонування режиму слідкування (Tracking) FFB-блоків бібліотеки ControllLIB. Який пріоритет має цей режим по відношенню до режиму ручний/автомат?
Поясніть призначення та особливості функціонування ручного та автоматичного режимів FFB-блоків бібліотеки ControllLIB. Який пріоритет має цей режим по відношенню до режиму слідкування?
Яким чином контролюється виконання FFB бібліотеки ControllLIB? Які типові помилки можуть виникнути при обробці блоку?
Чи обов’язково викликати блоки регуляторів ControllLIB строго періодично?
Розкажіть про призначення FFB блоків сімейства Controller бібліотеки ControllLIB.
Розкажіть про призначення та функціонування SAMPLETM. Чи обов’язкове їх використання тільки з блоками регуляторів?
Використовуючи функціональну схему поясніть основні принципи роботи блоку регулятору PI_B.
Яким чином блок PI_B переводиться в П- та ПІ-режим регулювання? Поясніть відмінності роботи цих режимів.
Поясніть призначення полів структури Para_PI_B .
Використовуючи функціональну схему поясніть основні принципи роботи блоку регулятору PIDFF.
Поясніть призначення полів структури Para_PIDFF .
Чим відрізняється вихід OUTD від OUT в регуляторах блоків PI_B та PIDFF? Навіщо кожен з них використовується?
Розкажіть про призначення входу RCPY. Як активувати режим використання RCPY?
Розкажіть про функціонування блоків PI_B/PIDFF в режимі абсолютного розрахунку.
Розкажіть про функціонування блоків PI_B/PIDFF в інкрементальному режимі роботи.
Як Ви розумієте термін безударність переходу? Між якими режимами і яким чином реалізована безударність переходу в блоках PI_B та PIDFF?
Розкажіть про призначення та функціонування STEP2.
Розкажіть про призначення та функціонування STEP3.
Розкажіть про призначення та функціонування HYST.
Розкажіть про призначення та функціонування INDLIM.
Розкажіть про призначення та функціонування процедури LOOKUP_TABLE.
Розкажіть про призначення та функціонування DEAD_ZONE.
Розкажіть про призначення та функціонування SAH.
Розкажіть про призначення та функціонування AVGMV та AVGMV_K.
Розкажіть про призначення та функціонування K_SQRT.
Розкажіть про призначення та функціонування MFLOV.
Розкажіть про призначення та функціонування MULDIV_W та SUM_W.
Розкажіть про призначення та функціонування SERVO.
Яким чином блоки управління серводвигунами можуть визначати положення регулюючого органу?
Як контролюється блоком SERVO досягнення регулюючим органом крайніх положень? Як при цьому веде себе блок?
Які особливості обробки серводвигунів в автоматичному та ручному режимах? Розкажіть про призначення входу SEN.
Розкажіть про роботу блоку управління серводвигуном в режимі активації RCPY? Як при цьому правильно з’єднувати SERVO та регулятор? Що необхідно передбачити в програмі в ручному режимі?
Розкажіть про роботу блоку управління серводвигуном в режимі без RCPY? Як при цьому правильно з’єднувати SERVO та регулятор? Що необхідно передбачити в програмі в ручному режимі?
Навіщо задаються в блоці управління серводвигунами параметри t_motor та t_mini?
Розкажіть про призначення та функціонування PWM1.
Розкажіть про призначення та функціонування MS. У яких випадках необхідно використовувати цей функціональний блок?
Розкажіть про призначення та функціонування SP_SEL.
Розкажіть про призначення та функціонування RAMP.
Розкажіть про призначення та функціонування RATIO.
Розкажіть про призначення та функціонування SCALING.
Розкажіть про призначення та функціонування DTIME.
Розкажіть про призначення та функціонування INTEGRATOR.
Розкажіть про призначення та функціонування LAG_FILTER.
Розкажіть про призначення та правила використання процедур цілочисельного регулювання. У якому режимі повинна виконуватися задача, в якій ці процедури виконуються?
Розкажіть про призначення та функціонування PID_INT.
Розкажіть про призначення та функціонування SERVO_INT.
Розкажіть про призначення та функціонування PWM_INT.

Теоретичне заняття розробив Прізвище або нік розробника Імя.