Обробка сигналів в контурі регулювання UnityPRO/Control Expert

Обробка сигналів в структурі контурів регулювання

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

Значення регульованої величини, яке поступає з датчиків на програмний регулятор, попередньо повинен бути оброблений. Це зв’язано з тим, що всі реалізації регуляторів сімейства “Controller” оперують зі значеннями типу REAL, а оцифроване значення з аналогових вхідних модулів має тип INT (в діапазоні 0-10000). Крім того вимірювальне значення може бути зашумлене та потребувати додаткової обробки. Для обробки вхідних даних контурів управління можуть бути використані блоки сімейств “Conditioning”, “Measurement” та “Mathematics”, які розглядаються нижче. На будь якому з етапів перетворення та алгоритмічної обробки даних можуть знадобитися блоки додаткової обробки з сімейства “Conditioning”, які також будуть розглянуті нижче.

Гістерезис HYST (сімейство Measurement)

Функціональний блок HYST реалізує гістерезис. Приклад виклику блоку та діаграма його роботи показані на рис.6.17

Таблиця 6.12. Параметри функціонального блока HYST.

Вхідні параметри
X	INT, DINT, UINT, UDINT, REAL	вхідне значення
HIGH	INT, DINT, UINT, UDINT, REAL	нижня межа
LOW	INT, DINT, UINT, UDINT, REAL	верхня межа
Вихідні параметри
IND	BOOL	індикатор досяжності верхньої межі

Індикатор меж INDLIM (сімейство Measurement)

Функціональний блок INDLIM призначений для відслідковування переходу вхідного значення через визначені межі. На рис.6.18 показана діаграма роботи блоку, а на рис.6.19 – приклад виклику.

Таблиця 6.13. Параметри функціонального блока INDLIM.

Вхідні параметри
X	INT, DINT, UINT, UDINT, REAL	Вхідна змінна
MX_HIGH	INT, DINT, UINT, UDINT, REAL	Максимальна верхня межа
MX_LOW	INT, DINT, UINT, UDINT, REAL	Максимальна нижня межа
MN_LOW	INT, DINT, UINT, UDINT, REAL	Мінімальна нижня межа
MN_HIGH	INT, DINT, UINT, UDINT, REAL	Мінімальна верхня межа
Вихідні параметри
MX_IND	BOOL	Відображення досягнення верхньої межі
MN_IND	BOOL	Відображення досягнення нижньої межі

Кусочно-лінійна інтерполяція LOOKUP_TABLE1 (сімейство Measurement)

Процедура LOOKUP_TABLE1 використовується для кусочно-лінійної інтерполяції. У залежності від входу X та заданої вузловими точками залежності XiYi (2 значення на кожну точку) формується вихід Y. Кількість вузлових точок варіюється до 15, кожна задається парою значень XiYij: перша для X (непарні номера j), друга для Y(парні номера j). Таким чином процедура може мати до 30+1 входів.

Аналітична залежність X від Y та заданих вузлових точок показана в (6.25)

(6.25)

Приклад програми з використанням LOOKUP_TABLE1 наведений в параграфі 6.8.2

Таблиця 6.14. Параметри процедури LOOKUP_TABLE1.

Вхідні параметри
X	REAL	Вхідна змінна
XiYi1	REAL	координата X1.
XiYi2	REAL	координата Y1.
XiYi(n-1)	REAL	координата X n/2; n=max 30
XiYi(n)	REAL	координата Y n/2; n=max 30
Вихідні параметри
Y	REAL	Вихідна змінна
QXHI	BOOL	Індикація X > Xm
QXLO	BOOL	Індикація X < X1

Зона нечутливості DEAD_ZONE (сімейство Measurement)

Функція DEAD_ZONE забезпечує послаблення сигналу з коефіцієнтом GAIN в межах зони нечутливості, заданої діпазоном [-DZ;DZ] (рис.6.22).

(6.26)

Таблиця 6.15. Параметри функції DEAD_ZONE.

Вхідні параметри
X	REAL	Вхідна змінна
DZ	REAL	Половинне значення зони нечутливості
GAIN	REAL	Коефіцієнт послаблення значення в зоні
Вихідні параметри
Y	REAL	Вихідна змінна

Запис змінної SAH (сімейство Measurement)

Функціональний блок SAH по передньому фронті CLK запам’ятовує на виході OUT значення входу IN. При першому виклику блоку OUT=PV.

Таблиця 6.16. Параметри блоку SAH.

Вхідні параметри
IN	ANY	Вхідне значення
CLK	BOOL	Вхід тактового сигналу
PV	ANY	Задане значення уставки
Вихідні параметри
OUT	ANY	Вихідне значення

Фільтр ковзного середнього AVGMV (сімейство Measurement)

Функціональний блок AVGMV реалізовує алгоритм розрахунку фільтру ковзного середнього по формулі (6.27).

або (6.27)

де N – кількість значень в буфері (ширина вікна), X – вхідне не фільтроване значення, Y – середнє вихідне (фільтроване) значення, Yold - значення виходу на попередньому виклику.

Таблиця 6.17. Параметри блоку AVGMV.

Вхідні параметри
MAN	BOOL	0 = Автоматичний режим; 1 = Ручний режим
X	REAL	Вхід
N	INT	Ширина вікна (кількість значень в буфері; максимум 50)
YMAN	REAL	Ручне значення
Вихідні параметри
Y	REAL	Середнє значення
RDY	BOOL	1 = буфер заповнений (готовий); 0 = буфер не заповнений (не готовий)

При ініціалізації функціонального блоку буфер скидується. З кожним викликом буфер наповнюється новими значеннями. Поки кількість значень в буфері не буде рівним N, буфер не буде готовий (RDY=FALSE) і фільтр працює з неповним буфером. Коли буфер заповниться (RDY=TRUE) блок буде видавати коректне відфільтроване значення.

Фільтр ковзного середнього з коректором AVGMV_K (сімейство Measurement)

Функціональний блок AVGMV_K реалізовує алгоритм розрахунку фільтру ковзного середнього з коректором К по формулі (6.28).

(6.28)

де X – вхідне не фільтроване значення, Y – середнє вихідне (фільтроване) значення, Yold - значення виходу на попередньому виклику, K - коректор.

Таблиця 6.18. Параметри блоку AVGMV_K.

Вхідні параметри
MAN	BOOL	0 = Автоматичний режим; 1 = Ручний режим
X	REAL	Вхід
K	INT	Коректор (макс 10000)
YMAN	REAL	Ручне значення
Вихідні параметри
Y	REAL	Середнє значення

Розрахунок витрати по перепаду тиску K_SQRT (сімейство Mathematics) та MFLOW (сімейство Conditioning)

Об’ємна витрата може бути розрахована за наступними залежностями:

(6.29)

де Q-об’ємна витрата (м3/год), d – діаметр отвору (мм), p -густина (кг/м3), (p1-p2) – перепад тиску на звужуючому пристрої (кгс/м2), Е – коефіцієнт розширення (для рідин=1), a- коефіцієнт витрати який розраховується за формулою

(6.30)

Коефіцієнти розраховуються (підбираються) в залежності від середовища та типу звужуючого пристрою. Таким чином формулу для розрахунку можна записати:

(6.31)

де dP=P1-P2, К – ваговий коефіцієнт. Ваговий коефіцієнт К можна розрахувати або підібрати при відомих витратах на етапі налагодження.

У UNITY PRO для реалізації розрахункової формули 6.31 можна скористатися функцією SQRT (вилучення квадратного кореню), однак для цієї цілі зручніше використовувати спеціалізовану функцію K_SQRT або функціональний блок MFLOW.

Функція K_SQRT знаходиться в бібліотеці Control Library сімейства Mathematics. Приклад використання функції показаний на рис.6.26. Функція повертає:

(6.32)

Таким чином, крім вагового коефіцієнта К, функція враховує нижню межу вхідного значення CUTOFF. Тобто, якщо перепад тиску на вході є від’ємним або менше нижньої межі, то функція повертає 0, в той час як SQRT повернув би -1.#NAN, а це в свою чергу спрощує використання цієї функції для даної задачі.

Густина газів залежить від температури та тиску. Для врахування цих параметрів, треба їх ввести в розрахункову формулу для масової витрати:

(6.33)

Функціональний блок MFLOW сімейства Conditioning, призначений для розрахунку масової витрати газів з урахуванням їх температури та тиску згідно формули (6.34):

(6.34)

де PA-абсолютний тиск газу, TA – абсолютна температура в градусах Кельвіна.

Приклад використання функціонального блоку MFLOW показаний на рис.6.27. Вхід IN, вихід OUT та коефіцієнт К мають той же зміст, що і в попередньому варіанті. Параметри роботи блоку задаються на вході PARA.

Вхід PRES – це тиск, який може задаватися як в абсолютних одиницях так і відносно атмосферного. У випадку відносного тиску (PARA.pr_pa=FALSE), абсолютний тиск розраховується за формулою

PA=PRES+pu                          (6.35)

де pu задається в тій же структурі PARA.

Вхід TEMP, це температура, яка може задаватися в градусах Цельсія (PARA.tc_tf=FALSE) або Фаренгейта (PARA.tc_tf=TRUE). У блоці розраховується абсолютна температура TA в градусах Кельвіна.

Корекція по тиску активується параметром PARA.en_pres=TRUE, по температурі - PARA.en_temp=TRUE. Якщо PARA.en_sqrt=FALSE то добуток буде розраховуватись без квадратного кореня.

Зважене множення/ділення MULDIV_W (сімейство Mathematics)

Функція MULDIV_W розраховує вихідне значення за формулою (6.36):

(6.36)

Таблиця 6.19. Параметри блоку MULDIV_W

Вхідні параметри
IN1	REAL	вхід1
IN2	REAL	вхід2
IN3	REAL	вхід3
PARA	Para_MULDIV_W]	Параметри
Вихідні параметри
OUT	REAL	Результат розрахунку

Таблиця 6.20. Опис структурного типу Para_MULDIV_W

Поле	Тип	Пояснення
k	REAL	коефіцієнт
c1	REAL	коефіцієнт
c2	REAL	коефіцієнт
c3	REAL	коефіцієнт
c4	REAL	коефіцієнт

Зважена сума SUM_W (сімейство Mathematics).

Функція SUM_W розраховує вихідне значення за формулою (6.36):

(6.37)

Таблиця 6.21. Параметри блоку SUM_W

Вхідні параметри
IN1	REAL	вхід1
IN2	REAL	вхід2
IN3	REAL	вхід3
PARA	Para_SUM_W	Параметри
Вихідні параметри
OUT	REAL	Результат розрахунку

Таблиця 6.22. Опис структурного типу Para_SUM_W

Поле	Тип	Пояснення
k1	REAL	коефіцієнт
k2	REAL	коефіцієнт
k3	REAL	коефіцієнт
c1	REAL	коефіцієнт

SCALING (сімейство Conditioning)

Даний функціональний блок призначений для масштабування числових величин. Він реалізовує лінійну залежність вихідної величини (OUT) від вхідної (IN) за формулою:

(6.41)

Графічно залежність виходу OUT від входу IN показана на рис.6.44. Мінімальні та максимальні вхідні (in_min, in_max) та вихідні (out_min, out_max) величини, відносно яких проводиться масштабування, задаються у вхідному параметрі PARA типу Para_SCALING. Тип даних Para_SCALING включає 4-ри поля типу REAL для завдання вхідних та вихідних меж, а також одне поле “clip” типу BOOL для визначення необхідності обмеження вихідної величини (див. рис.6.44).

Рис.6.44. Залежність масштабованого вихідного значення (OUT) від вхідного (IN) при обмеженні на вихідний сигнал (зліва, Clip=1) та без обмеження (праворуч, Clip=0) для блока SCALING

Функціонування блоку продемонструємо на прикладі масштабування вхідного аналогового сигналу від датчика температури з діапазоном 0-150ºС, який підключений до %IW0.1.1. Результат масштабування необхідно записати в змінну T1_R.

По замовченню, при опитуванні, сигнали від універсальних аналогових вхідних модулів перетворюються в діапазон 0-10000. Тобто вхідні межі будуть 0-10000, а вихідні 0-150. Для параметрів масштабування створюємо змінну T_PARA типу Para_SCALING, властивості VALUE для полів заповнюємо відповідно до рис.6.45 (зверху). Присвоїмо поле clip:=TRUE для обмеження по мінімуму та максимуму вихідної (масштабованої величини).

Вигляд програми користувача на FBD показаний на рис.6.45 (внизу). Створюється екземпляр функціонального блоку SCALE_T1 типу SCALING. Попередньо %IW0.1.1 перетворюється в тип REAL, відповідно до типу параметру IN функціонального блоку SCALING. Вихідний параметр STATUS потрібен для контролю за помилками, в прикладі не використовується.

Рис.6.45. Приклад використання функціонального блока SCALING для масштабування аналогового вхідного сигналу: зверху – опис структурної змінної T_PARA типу Para_SCALING, знизу – приклад програми на FBD

Аналогічним чином можна проводити масштабування вихідної величини.

Ланка транспортного запізнювання DTIME (сімейство Conditioning)

Функціональний блок DTIME призначений для реалізації ланки чистого (транспортного) запізнювання між входом IN та виходом OUT. Час запізнювання визначається значенням T_DELAY(рис.6.46)

Рис.6.46. Діаграма роботи DTIME

Рис.6.47. Приклад виклику блоку DTIME

Таблиця 6.35 Параметри блоку DTIME

		Вхідні параметри
IN	REAL	Вхідне числове значення
T_DELAY	TIME	Час запізнення
TR_I	REAL	Вхід ініціалізації
TR_S	BOOL	Команда ініціалізації
		Вихідні параметри
OUT	REAL	Вихідне значення
BUFFER	ANY	Пам’ять для збереження значень (завжди повинен бути підключений до змінної)
STATUS	WORD	Слово стану

Для розміщення даних транспортного запізнення між входом і виходом використовується змінна, яка підключається до виходу BUFFER. Ця змінна має тип ANY, враховуючи що розмір буфер може бути різним. Однак в більшості випадків розмір буфера буде більше ніж REAL, оскільки кількість значень в буфері буде більше 1-го. Тому в якості змінної рекомендується використовувати масив типу REAL. Наприклад, масив ARRAY [0..10] of REAL може вміщувати до 11 елементів.

Максимальна величина затримки розраховується за формулою:

(6.42)

де n - кількість значень, які можуть бути збережені в BUFFER, T_PERIOD - інтервал виклику функціонального блоку

Блок інтегрування INTEGRATOR (сімейство Conditioning)

Функціональний блок INTEGRATOR призначений для реалізації числового інтегрування за формулою:

(6.43)

де змінні з індексами old – значення на попередньому виклику, dt – інтервал між викликами блоку.

Даний блок повинен обов’язково викликатися на першому циклі ПЛК!

Рис.6.48. Приклад виклику блоку INTEGRATOR

Таблиця 6.36 Параметри блоку INTEGRATOR

Вхідні параметри
IN	REAL	Вхідна змінна
GAIN	REAL	Коефіцієнт інтегрування
OUT_MIN	REAL	Нижня межа
OUT_MAX	REAL	Верхня межа
TR_I	REAL	Вхід ініціалізації (слідкування)
TR_S	BOOL	1 = режим слідкування 0 = автоматичний режим
Вихідні параметри
OUT	REAL	Вихід
QMIN	BOOL	1 = значення виходу досягнуло нижньої межі
QMAX	BOOL	1 = значення виходу досягнуло верхньої межі

Аперіодична ланка LAG_FILTER (сімейство Conditioning)

Функціональний блок LAG_FILTER призначений для реалізації аперіодичної ланки (1-го порядку), де вихід розраховується за формулою:

(6.44)

де змінні з індексами old – значення на попередньому виклику, dt – інтервал між викликами блоку, інші параметри наведені в таблиці 6.37.

Даний блок повинен обов’язково викликатися на першому циклі ПЛК.

Рис.6.49. Приклад виклику блоку LAG_FILTER та діаграма його роботи

Таблиця 6.37 Параметри блоку LAG_FILTER

		Вхідні параметри
IN	REAL	Вхідне значення
GAIN	REAL	Коефіцієнт підсилення
LAG	TIME	Стала часу
TR_I	REAL	Вхід ініціалізації (слідкування)
TR_S	BOOL	1 = режим слідкування 0 = автоматичний режим
		Вихідні параметри
OUT	REAL	Вихід

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.