Aplicatii SCADA care contin sisteme de reglare automata

Obiective

Prezentarea unui sistem de reglare automata

Prezentarea unui sistem SCADA care contine sisteme de reglare automata

Prezentarea unui sistem SCADA pentru controlul debitului

Prezentarea unui sistem SCADA pentru controlul temperaturii

Organizarea sarcinilor de lucru

Parcurgeti cele patru capitole ale cursului.

In cadrul fiecarui capitol urmariti exemplele ilustrative si incercati sa le realizati in medul de dezvoltare "Citect".

Fixati principalele idei ale cursului, prezentate în rezumat.

Completati testul de autoevaluare.

Timpul de lucru pentru parcurgerea testului de autoevaluare este de 15 minute.

1. Prezentarea unui sistem de reglare automata

SRA - Sistemele de Reglre Automata sunt sisteme cu bucla de reactie (loop control) care functioneaza pe baza analizei in permanenta a valorii de iesire (marimii reglate), preluata prin intermediul reactiei negative. Diferenta dintre valoarea de iesire si valoarea de referinta, numita "eroare", este folosita de SRA pentru eliminarea acesteia sau mentinerea ei in anumite intervale prestabilite.

Un SRA se compune din urmatoarele elemente:

RA - Regulator automat;
PF - Partea fixata(Procesul condus);

Marimile definite:

r - Referinta;
e - Eroarea;
u - Comanda;
v - Perturbatia;
y - Variabila de proces(Marimea reglata, iesirea);

Daca definim H_r(s) functia de transfer a regulatorului si H_f(s) functia de transfer a partii fixate, Schema unui SRA devine:

    Partea fixata(PF) contine procesul tehnologic(PT) asupra caruia actioneaza regulatorul automat(RA).
    Procesul tehnologic(PT) este comandat de catre regulatorul automat(RA) prin intermediul elementelor de executie(EE). Citirea marimii reglate(y - variabila de proces) se face prin intermediul traductorilor(T) care ofera marimea x proportionla cu marimea y adica x=k*y.
    Putem deci reprezenta un SRA sub forma:

Unde:

RA - Regulator automat;
PT - Procesul tehnologic;
EE - Element de Executie;
T - Traductor;

Marimile definite:

r - Referinta;
e - Eroarea;
u - Comanda;
m - Executia;
v - Perturbatia;
y - Variabila de proces(Marimea reglata, iesirea);
x - Reactia;

Mult mai fireasca ar fi reprezentarea in care procesul tehnologic(PT) ar fi reprezentat separat, la care se adauga in mod firesc dispozitivul de automatizare. Aceasta reprezentare ar corespunde dezvoltarii firesti a sistemelor tehnologice in care initial se realizeaza un proces tehnologic dupa care se automatizeaza.

2. Aplicatii SCADA care contin un sisteme de reglare automata

Un SRA de ti PID mentine valoarea iesirii y in jurul valorii de referinta r prin intermediul comenzii u. Comanda u este generata de SRA prin intermedul unei functii de transfer caracterizata de trei constante: kp,ki,kd si Ti.

kp este constanta - Proportionala (cu valori intre 0-4)
ki este constanta - Integrativa (cu valori intre 0-5)
kd este constanta - Derivativa (cu valori intre 0.2-2)
Te este timpul de esantionare (250 ms adica timpul de Refresh al HMI)

In imaginea de jos este reprezentata comanda u (cu rosu) si iesirea y(cu verde).

Sistem de Reglare Automata PID

r:			kp:
ki:			kd:

Pentru implementarea regulatorului PID se va folosi metoda "Velocity". Conform acesti metode, comanda u din momentul k depinde de referinta r, de iesirea y si de e_v (e, din momentul k-1). Intervalul de timp dintre momentul k si momentul k-1 este Te(Timpul de esantionare).
Comanda u se obtine prin insumarea elementului proportional, integrativ (inte) si derivativ(deriv) astfel:

    e = r - y;
    inte = inte + e * Te;
    deriv = (e - e_v) / Te;
    u = kp * e + ki * inte + kd * deriv;
    e_v = e;

In care:

y este iesirea din pasul curent
r este valoareareferinta
e este eroarea calculata (r-y) din pasul curent
e_v este valoarea calculata pentru e in pasul anterior
u este valoarea calculata pentru comanda din pasul curent
kp este constanta - Proportionala (cu valori intre 0-4)
ki este constanta - Integrativa (cu valori intre 0-5)
kd este constanta - Derivativa (cu valori intre 0.2-2)
Te este timpul de esantionare (250 ms adica timpul de Refresh al HMI)

Variabila de proces adica iesirea y reprezentand totodata marimea reglata ar trebui sa provina din procesul tehnologic(PT) prin plasarea unui traductor. Folosind de exemplu functia de transfer a unui sistem de ordinul 5 si anume: H_f(s)=1/(5s+1). Dupa discretizare obtinem relatia:

y = (u*Te + 5 * y_v) / (5 + Te);
In care:

y este valoarea calculata pentru iesire din pasul curent
y_v este valoarea calculata pentru y in pasul anterior
u este valoarea calculata pentru comanda din pasul curent
Te este timpul de esantionare (250 ms adica timpul de Refresh al HMI)

    Dupa cum se observa ea depinde de de y_v(y din pasul anterior), comanda u din pasul curent si de timpul de esantionare Te.

     Trending marimi SRA

    Pe baza ecuatiilor descrise mai sus, folosind obiectul "Trend" vom realiza proiectul SCADA Sist_regl pagina grafica sra_pid unde vom afisa grafic evolutia in timp a marimilor u,y,r.

Pentru realizarea aplicatiei, avem nevoie deci de urmatoarele TAG-uri:

Tag-uri aferente
Nume	Tip	Domeniu	Um	Array Size	Comentariu
init_sra	DIGITAL	-	-	-	Variabila pentu initializare
y	REAL	250	-	-	RA- y - Iesirea, Process variable
y_v	REAL	250	-	-	RA- y_v - Iesirea_v, Process variable_v
u	REAL	250	-	-	RA - u - Comanda Output
r	REAL	250	-	-	RA - r - Referinta, Set Point
e	REAL	-250 + 250	-	-	RA - e - Eroarea Error
e_v	REAL	250	-	-	RA - e_v - Eroarea_v Error_v
v	REAL	250	-	-	RA - v - Perturbatia
kp	REAL	10	-	-	RA - kp - coeficient roportional
ki	REAL	5	-	-	RA - ki - coeficient integrativ
kd	REAL	2	-	-	RA - kd - coeficient derivativ
Te	REAL	5	-	-	RA - Te - Timp de esantionare
inte	REAL	5	-	-	RA - inte - Element integrativ
deriv	REAL	5	-	-	RA - deriv - Element derivativ

Pentru a afisa graficele, de pe HMI s-a plasat pe ecran functia ini_sra(); Plot_pid():

FUNCTION ini_sra()
  IF init_sra=0 THEN 
	kp=0.5;
  	ki=2.5;
  	kd=0.01;
  	r=125;
  	y=50;
  	Te=0.250;
  	init_sra=1;
  END
END


REAL Buf3[100];
REAL Buf4[100];
REAL Buf5[100];
INT hPlot;
FUNCTION Plot_pid(INT hAn,INT iGridCol= Yellow,INT iFrameCol= Black,INT iFillCol=Black)
	INT i=1;
	e=0;
	e_v=0;
	y=0;
	y_v=0;
	inte=0;
	deriv=0;
	u=0;
	FOR i=0 TO 99 DO
		e=r-y;
		inte = inte + e * Te;
        	deriv = (e - e_v) / Te;
        	u = kp * e + ki * inte + kd * deriv;
   		y = (u * Te + 5 * y_v) / (5 + Te);
		e_v = e;
		y_v = y;
		Buf3[i] = y;
		Buf4[i] = u;
		Buf5[i] = r;
	END
	INT FrameWidth=10;
	hPlot=PlotOpen(hAn,"Display",65);
	PlotGrid(hPlot,100,0,0,400,220,5,iGridCol,9,iGridCol,FrameWidth,iFrameCol,iFillCol,0);
	PlotScaleMarker(hPlot,-10,210, 6, 1, Black, 1);
	PlotLine(hPlot, 0, Light_Green, 2, 0, Light_Red , 1, 100, Buf3[0], -400,900,1);
	PlotLine(hPlot, 0, Light_Red, 2, 0, Light_Red , 1, 100, Buf4[0], -400,900,1);
	PlotLine(hPlot, 0, Light_Blue, 2, 0, Light_Red , 1, 100, Buf5[0], -400,900,1);
	PlotClose(hPlot);
END

Aplicatie SCADA care contine un sistem de reglare automata PID

Pagina grafica loop_ctrl_00 din cadrul proiectului SCADA Sist_regl contine un SRA (sistem de reglare automata) de tip PID (proportional-integrativ-derivativ) discret.

Avem nevoie de asemenea de doua variabile de tip Trand TAG pentru a afisa evolutia in timp a comenzii si a iesirii(valorii reglate).

Pentru realizarea aplicatiei, trebuie sa mai adaugam urmatoarele TAG-uri:

Tag-uri aferente
Nume	Tip	Domeniu	Um	Array Size	Comentariu
init_00	DIGITAL	-	-	-	Variabila pentu initializare
mod_f	DIGITAL	-	-	-	RA Mod de functionare(Automat/Manual)

Pentru a actualiza elementele grafice de pe HMI s-a plasat pe ecran functia ini_00(); reglare_00():

FUNCTION ini_00()
  IF init_00=0 THEN 
	kp=0.5;
  	ki=2.5;
  	kd=0.2;
  	r=100;
  	y=50;
  	Te=0.250;
  	mod_f=1;
  	init_00=1;
  END
END
FUNCTION reglare_00()
	IF mod_f=1 THEN
		IF v>0 THEN 
  			y=r-v;
  			IF y<0 THEN 
  				y=0;
  			END
  			y_v=y;
   			v=0;
		END
		e=r-y;
		inte = inte + e * Te;
        deriv = (e - e_v) / Te;
        u = kp * e + ki * inte + kd * deriv;
		y = (u * Te + 5 * y_v) / (5 + Te);
		e_v = e;
		y_v = y;
	END		
END

     Pentru a introduce un element perturbativ in sistem, s-a introdus un slider cu care se poate seta valoarea v.
     In functia reglare_00() se forteaza iesirea y la valoarea y-v daca v>0;

     Utilizare Genie Faceplate intr-un sistem de reglare automata PID

    Putem adauga aplicatiei un Genie Faceplate realizand astfel pagina grafica loop_ctrl_01 .

Genie Faceplate necesita o serie de TAG-uri cu nume predefinite pentru a putea fi folosit cum ar fi: LOOP_1_OPM, LOOP_1_PV, LOOP_1_OP, LOOP_1_SP.
Nu vom folosi deci variabilele consacrate unui SRA (mod_f,r,u,y), vom defini:

LOOP_1_OPM pentru mod_f
LOOP_1_PV pentru y
LOOP_1_OP pentru u
LOOP_1_PS pentru r

Pentru realizarea aplicatiei, adaugam urmatoarele TAG-uri:

Tag-uri aferente
Nume	Tip	Domeniu	Um	Array Size	Comentariu
init_01	DIGITAL	-	-	-	Variabila pentu initializare
LOOP_1_OPM	DIGITAL	-	-	-	RA Output mode
LOOP_1_PV	REAL	250	-	-	RA- y - Process variable
LOOP_1_OP	REAL	250	-	-	RA - u - comanda Output
LOOP_1_SP	REAL	250	-	-	RA - r - Set Point

Avem nevoie de asemenea de doua variabile de tip Trand TAG pentru a afisa evolutia in timp a comenzii si a iesirii(valorii reglate).

Pentru a actualiza elementele grafice de pe HMI s-a plasat pe ecran functia ini_01(); reglare_01():

FUNCTION ini_01()
  IF init_01=0 THEN 
	kp=0.5;
  	ki=2.5;
  	kd=0.2;
  	LOOP_1_SP=75;
  	LOOP_1_PV=50;
  	Te=0.250;
  	LOOP_1_OPM=1
  	init_01=1;
  END
END
FUNCTION reglare_01()
	IF LOOP_1_OPM=1 THEN
		IF v>0 THEN 
  			LOOP_1_PV=r-v;
  			IF LOOP_1_PV<0 THEN 
  				LOOP_1_PV=0;
  			END
  			y_v=LOOP_1_PV;
   			v=0;
		END
		// e=r-y
		e = LOOP_1_SP -	LOOP_1_PV
		inte = inte + e * Te;
        deriv = (e - e_v) / Te;
        //u = kp * e + ki * inte + kd * deriv;
        LOOP_1_OP = kp * e + ki * inte + kd * deriv;
        // y = (u*Te + 5 * y_v) / (5 + Te);
		LOOP_1_PV = (LOOP_1_OP*Te + 5 * y_v) / (5 + Te);
		e_v=e;
		// y_v = y;
		y_v=LOOP_1_PV
	END		
END

     Sistem de reglare automata PI

    Urmatoarea pagina grafica loop_ctrl_03 face parte din proiectul SCADA Sist_regl contine un sistem de reglare automata SRA generic de tip PI (proportional-integrativ) discret.
    Se foloseste metoda “Velocity PI” sau “incrementala” pentru un sistem avand functia de transfer H_f(s)=1/(5s+1)
    Dupa discretizare, se obtine relatia pentru comanda u:

u = u_v + e*(kp+ (ki*(Te/2))) + e_v*((ki*(Te / 2)) - kp);
    In care:

u este valoarea calculata pentru comanda din pasul curent
u_v este valoarea calculata pentru u in pasul anterior
e este eroarea calculata (r-y) din pasul curent
e_v este valoarea calculata pentru e in pasul anterior
kp este constanta - Proportionala (cu valori intre 0-4)
ki este constanta - Integrativa (cu valori intre 0-5)
Te este timpul de esantionare (250 ms adica timpul de Refresh al HMI)

Variabila de proces adica iesirea y reprezentand totodata marimea reglata ar trebui sa provina din procesul tehnologic(PT) prin plasarea unui traductor. Aplicatia fiind o simulare, vom simula y cu relatia:

y = (u*Te + 5 * y_v) / (5 + Te);
In care:

u este valoarea calculata pentru comanda din pasul curent
y este valoarea calculata pentru iesire din pasul curent
y_v este valoarea calculata pentru y in pasul anterior
Te este timpul de esantionare (250 ms adica timpul de Refresh al HMI)

Dupa cum se observa ea depinde de de y_v(y din pasul anterior), comanda u din pasul curent si de timpul de esantionare Te

Pentru realizarea aplicatiei, avem nevoie deci de urmatoarele TAG-uri:

Tag-uri aferente
Nume	Tip	Domeniu	Um	Array Size	Comentariu
init_03	DIGITAL	-	-	-	Variabila pentu initializare
mod_f	DIGITAL	-	-	-	RA Mod de functionare(Automat/Manual)
y	REAL	250	-	-	RA- y - Iesirea, Process variable
y_v	REAL	250	-	-	RA- y_v - Iesirea_v, Process variable_v
u	REAL	250	-	-	RA - u - Comanda Output
r	REAL	250	-	-	RA - r - Referinta, Set Point
e	REAL	-250 +250	-	-	RA - e - Eroarea Error
e_v	REAL	-250 +250	-	-	RA - e_v - Eroarea_v Error_v
v	REAL	250	-	-	RA - v - Perturbatia
kp	REAL	10	-	-	RA - kp - coeficient roportional
ki	REAL	5	-	-	RA - ki - coeficient integrativ
Te	REAL	5	-	-	RA - Te - Timp de esantionare
inte	REAL	5	-	-	RA - inte - Element integrativ

Avem nevoie de asemenea de doua variabile de tip Trand TAG pentru a afisa evolutia in timp a comenzii si a iesirii(valorii reglate).

Pentru a afisa graficele, de pe HMI s-a plasat pe ecran functia ini_03(); regl_03():

FUNCTION ini_03()
  IF init_03=0 THEN 
	kp=0.5;
  	ki=2.5;
  	r=125;
  	y=50;
  	Te=0.250;
  	mod_f=1;
  	init_03=1;
  END
END
FUNCTION reglare_03()
	IF mod_f=1 THEN
			IF v>0 THEN 
  			y=r-v;
  			IF y<0 THEN 
  				y=0;
  			END
  			y_v=y;
   			v=0;
		END
		e=r-y;
		u = u_v + e*(kp+ (ki*(Te/2))) + e_v*((ki*(Te / 2)) - kp);
		y = (u*Te + 5 * y_v) / (5 + Te);
		e_v = e;
		y_v = y;
		u_v = u;
	END
END

Utilizare Genie Faceplate intr-un sistem de reglare automata PI

Urmatoarea pagina grafica loop_ctrl_02 face parte din proiectul SCADA Sist_regl contine un sistem de reglare automata SRA generic de tip PI (proportional-integrativ) discret.

Pentru realizarea aplicatiei, avem nevoie deci de urmatoarele TAG-uri:

Tag-uri aferente
Nume	Tip	Domeniu	Um	Array Size	Comentariu
init_02	DIGITAL	-	-	-	Variabila pentu initializare
LOOP_1_OPM	DIGITAL	-	-	-	RA Output mode
LOOP_1_PV	REAL	250	-	-	RA- y - Ierirea, Process variable
y_v	REAL	250	-	-	RA- y_v - Process variable_v
LOOP_1_OP	REAL	250	-	-	RA - u - Comanda, Output
u_v	REAL	250	-	-	RA - u_v - Comanda_v, Output_v
LOOP_1_SP	REAL	250	-	-	RA - r - Refereinta, Set Point
e	REAL	-250 +250	-	-	RA - e -Eroarea, Error
e_v	REAL	-250 +250	-	-	RA - e_v - Error_v
v	REAL	250	-	-	RA - v - Perturbatia
kp	REAL	10	-	-	RA - kp - Coeficient Proportional
ki	REAL	5	-	-	RA - ki - Coeficient Integrativ
Te	REAL	5	-	-	RA - Te - Timp de esantionare

Avem nevoie de asemenea de doua variabile de tip Trand TAG pentru a afisa evolutia in timp a comenzii si a iesirii(valorii reglate).

Pentru a actualiza elementele grafice de pe HMI s-a plasat pe ecran functia ini_02; reglare_02:

FUNCTION ini_02()
  IF init_02=0 THEN 
	kp=0.5;
  	ki=2.5;
  	LOOP_1_SP=175;
  	LOOP_1_PV=50;
  	Te=0.250;
  	LOOP_1_OPM=1
  	init_02=1;
  END
END
FUNCTION reglare_02()
	IF LOOP_1_OPM=1 THEN
		IF v>0 THEN 
  			LOOP_1_PV=r-v;
  			IF LOOP_1_PV<0 THEN 
  				LOOP_1_PV=0;
  			END
  			y_v=LOOP_1_PV;
   			v=0;
		END	
		// e=r-y
		e = LOOP_1_SP -	LOOP_1_PV
		// u = u_v + e*(kp+ (ki*(Te/2))) + e_v*((ki*(Te / 2)) - kp);
		LOOP_1_OP=u_v+e*(kp+(ki*(Te/2)))+e_v*((ki*(Te/2))-kp);
		// y = (u*Te + 5 * y_v) / (5 + Te);
		LOOP_1_PV=(LOOP_1_OP*Te+5*y_v)/(5+Te);
		e_v = e;
		//e_v=LOOP_1_E;
		// y_v = y;
		y_v=LOOP_1_PV
		// u_v = u;
		u_v=LOOP_1_OP;
	END		
END

Sistem SCADA pentru controlul nivelului unui lichid intr-un rezervor

Vom realiza o noua pagina grafica numita "sra_niv" in cadrul proiectului Sist_regl.

Pentru realizarea aplicatiei, avem nevoie deci de urmatoarele TAG-uri:

Tag-uri aferente
Nume	Tip	Domeniu	Um	Array Size	Comentariu
init_04	DIGITAL	-	-	-	Variabila pentu initializare
mod_f	DIGITAL	-	-	-	RA Mod de functionare(Automat/Manual)
y	REAL	250	-	-	RA- y - Iesirea, Process variable
y_v	REAL	250	-	-	RA- y_v - Iesirea_v, Process variable_v
u	REAL	250	-	-	RA - u - Comanda Output
r	REAL	250	-	-	RA - r - Referinta, Set Point
e	REAL	-250 +250	-	-	RA - e - Eroarea Error
e_v	REAL	-250 +250	-	-	RA - e_v - Eroarea_v Error_v
v	REAL	250	-	-	RA - v - Perturbatia
kp	REAL	10	-	-	RA - kp - coeficient roportional
ki	REAL	5	-	-	RA - ki - coeficient integrativ
Te	REAL	5	-	-	RA - Te - Timp de esantionare
inte	REAL	5	-	-	RA - inte - Element integrativ
depl_d	INT	10	-	-	Deplasare sageti alimentare
depl_c	INT	10	-	-	Deplasare sageti consum
pmp	DIGITAL	-	-	-	Comanda pompa

Avem nevoie de asemenea de doua variabile de tip Trand TAG pentru a afisa evolutia in timp a comenzii si a iesirii(valorii reglate).

FUNCTION ini_04()
  IF init_04=0 THEN 
	kp=1.25;
  	ki=2.5;
  	r=75;
  	Te=0.250;
  	mod_f=1;
  	init_04=1;
  END
END
FUNCTION reglare_04()
	IF mod_f=1 THEN
		IF v>0 THEN 
  			y=r-v;
  			IF y<0 THEN 
  				y=0;
  			END
  			y_v=y;
   			v=0;
		END
		e=r-y
		u = u_v + e*(kp+ (ki*(Te/2))) + e_v*((ki*(Te / 2)) - kp);
		y = (u*Te + 5 * y_v) / (5 + Te);
		e_v = e;
		y_v = y;
		u_v = u;
	END
	IF u>0 THEN 
		pmp=1;
	ELSE
		pmp=0;
	END
	IF pmp=1 THEN
		depl_d=depl_d+1
	END
	IF depl_d>10 THEN
		depl_d=0
	END
	depl_c=depl_c+1
	IF depl_c>10 THEN
		depl_c=0
	END
END