Новая концепция построения систем автоматизации на базе приборов ОВЕН. Двухканальный программный ПИД-регулятор ТРМ151
Эта статья посвящена описанию основных функциональных возможностей нового 2-х канального программного ПИД-регулятора ОВЕН ТРМ151.
Гибкая структура, широкие возможности конфигурирования и индивидуальной настройки ТРМ151 позволяют адаптировать его для автоматизации технологического оборудования различной сложности во многих отраслях промышленности.
ТРМ151
ТРМ151 - это развитие темы программного регулятора ОВЕН МПР51, уже выпускающегося и многим известного. В новом приборе учтены пожелания специалистов по его функциональным возможностям, улучшен пользовательский интерфейс, введён новый алгоритм автонастройки ПИД-регуляторов.
Однако одно из наиболее интересных нововведений в регуляторе ТРМ151 - это гибкость его конфигурирования.
В отличие от традиционно жесткой архитектуры программ, используемой в приборах ОВЕН, в регуляторе ТРМ151 применён принцип построения архитектуры программ, свойственный контроллерам, т. е. в нём нет жёсткой структуры программируемых параметров.
Все параметры ТРМ151, описывающие его структурные элементы - регуляторы, вычислители, входные и выходные модули и т. д. - объединены в автономные программные модули. Из модулей, как из кубиков, собирается конфигурация прибора. Для этого пользователю необходимо установить связи между выбранными модулями, а ненужные параметры просто не задействуются.
Также для простоты дальнейшей эксплуатации модули можно группировать и оперировать с этими обобщенными блоками, не вдаваясь в их детализацию. В ТРМ151 введено два таких уровня обобщения. Это - понятия канала регулирования и объекта регулирования.
Объекты и каналы регулирования
Физический объект регулирования - это устройство или установка, осуществляющая технологический процесс, характеризуемый набором регулируемых параметров.
Логический объект регулирования - созданная в приборе математическая модель физического объекта регулирования.
Объектом регулирования может являться печь, в которой поддерживается температура; теплица, в которой поддерживается влажность и температура; емкость, в которой поддерживается уровень и давление и т.п. В ТРМ151 можно создать два логических объекта регулирования.
Внутри логического объекта регулирования выделяются каналы регулирования. Каждый канал включает в себя измеритель, регулятор и выходное устройство. Объект может содержать один или несколько каналов регулирования (рис. 1).
- Рис. 1
Введение понятий объекта регулирования и канала регулирования позволяет обеспечить:
1. Лучшую связь прибора с реальным технологическим объектом.
2. Более эффективное поведение системы регулирования в аварийной ситуации. Например, при обрыве одного из датчиков в режим АВАРИЯ будет переведен весь объект, а не только связанный с этим датчиком канал регулирования. Таким образом, можно избежать «перекосов» в работе технологической установки связанных с тем, что одни каналы объекта работают в обычном режиме, а другие - в аварийном.
3. Синхронизацию шагов программы регулирования: для всех каналов одного объекта переключение с шага на шаг будет осуществляться одновременно.
4. Более простое программирование прибора: значения присваиваются не всем параметрам, а только тем, которые включены в логический объект регулирования. Для всех остальных программных блоков прибора конфигурирование не требуется.
Пошаговое регулирование. Программный задатчик
Существует множество технологических процессов, в которых требуется не постоянное поддержание величины регулируемого параметра, а изменение этой величины по заранее определенному закону. Приборы с такими функциями часто называют программными за датчиками. ТРМ151 так же относится к классу программных задатчиков. При этом закон или последовательность изменения регулируемых прибором параметров системы мы будем называть программой технолога.
Программа технолога состоит из набора конечного числа этапов - шагов программы. На каждом шаге пользователем задается уставка, длительность шага и условия перехода на следующий шаг: по времени, по достижении определенного значения — измеренного или вычисленного, а также по комбинации времени и достижения значения.
Всего в ТРМ151 для одного объекта регулирования можно задать до 12 независимых программ технолога по 10 шагов. При этом каждая из 12 программ может исполняться как вложенная подпрограмма на одном из шагов другой программы. Такая гибкая система перехода между программами позволяет описать технологический процесс, практически, любой сложности.
Приведем пример использования ТРМ151 при производстве ЖБИ.
Как известно, затвердевание бетонных изделий должно происходить при определённом температурно-влажностном режиме. Технологический процесс предусматривает плавный прогрев формы, заполненной бетоном, затем поддержание заданной температуры в течение нескольких часов и плавное охлаждение.
Для равномерного затвердевания бетона и во избежание трещин поверхность изделия смачивается.
Напряжение питания | 90...245 В перем. тока |
Частота напряжения питания | 47...63 Гц |
Потребляемая мощность | не более 12 ВА |
Количество входов | 2 |
Время опроса одного входа | 0,2...1 с (в зависимости |
Количество выходных элементов | 2 |
Интерфейс связи с компьютером | RS-485 |
Протокол передачи данных | оригинальный ОВЕН |
Количество программ технолога | по 12 для каждого объекта |
Количество шагов в программе технолога | до 10 |
Габаритные размеры (мм) и степень защиты корпуса: |
|
Всю последовательность технологических операций можно оформить в виде отдельной программы технолога. Однако помимо основного техпроцесса требуется выполнять дополнительные регламентные и подготовительныеработы, которые также можно оформить в виде отдельных программ технолога и выполнять независимо от основной технологической программы.
Затем можно написать общую программу, последовательно вызывающую подпрограммы нужных работ и запускать либо общую программу для всего технологического процесса, либо отдельную подпрограмму для исполнения отдельной технологической операции.
Также можно сделать циклический вызов подпрограммы, если технологический процесс требует многократного повторения типовой операции (рис. 2).
- Рис. 2
Измерение и регулирование в ТРМ151
ТРМ151 может осуществлять регулирование различных измеренных или вычисленных величин.
Для измерения прибор имеет два встроенных универсальных входа, к которым можно подключать различные типы датчиков: термосопротивления ТСП 50П/100П, ТСМ 50М/100М; термопары TХК, ТХА, ТЖК, ТНН, ТПП (R, S), ТПР (В), TВР (А1, 2, 3); а также активные датчики тока (0...5 мА, 0(4)...20 мА) и напряжения (0...1 В, –50...+50 мВ). Внутри прибора установлен датчик температуры свободных концов термопар, позволяющий производить коррекцию снятых показаний.
Количество входов прибора может быть увеличено за счет подключения дополнительного модуля ввода ОВЕН МВА8.
По измеренным сигналам ТРМ151 может осуществлять вычисление:
– относительной влажности (психрометрический метод);
– квадратного корня из измеренной величины;
– разности измеренных величин;
– среднего арифметического измеренных величин;
– минимальной и максимальной среди измеренных величин;
– суммы и частного измеренных величин.
Список вычисляемых прибором величин неокончательный и может быть дополнен позапросу под специфические задачи предприятия заказчика.
Для регулирования в ТРМ151 предусмотрено восемь программных модулей - регуляторов, каждый из которых может работать по двухпозиционному (ON/OFF) или по ПИД-закону регулирования.
Одновременно в ТРМ151 могут работать два регулятора.
Для вычисления коэффициентов ПИД-регуляторов в ТРМ151 предусмотрен режим автонастройки, работающий по новому современном алгоритму и дающий очень высокую точность регулирования. Каждый ПИД-регулятор прибора можно настроить индивидуально.
Необходимо отметить очень важную особенность регуляторов ТРМ151, выгодно отличающую его от других приборов, - это возможность на разных шагах программы подключать разные регуляторы к одному и тому же выходному устройству.
Такая особенность прибора позволяет решать множество задач, которые ранее были трудно реализуемыми. Рассмотрим это на примерах.
- Рис. 3
Пример 1. Рассмотрим технологический цикл холодильной камеры, в ходе которого напервых 3-х шагах поддерживается заданная температура, а в течение 3-х последующих - влажность. При этом поддержание и температуры, и влажности осуществляется одним и тем же исполнительным механизмом - холодильником-осушителем, а для измерения температуры и влажности используются разные датчики и требуются индивидуальные настройки регуляторов.
ТРМ151 позволяет решить подобную задачу, переключая исполнительный механизм между регулятором, поддерживающим температуру, и регулятором, поддерживающим влажность (рис. 3).
- Рис. 4
Пример 2. Технологический процесс обжига керамики требует точного регулирования в широком диапазоне температур: на первом этапе поддерживается температура близкая к комнатной, а на последующих этапах - равная нескольким сотням градусов. Нагрев осуществляется одним нагревательным элементом.
На разных температурах и при большом разбросе мощности исполнительного механизма коэффициенты ПИД-регулятора будут разными, поэтому добиться точной настройки одного ПИД-регулятора для работы в широком диапазоне температур практически невозможно. В этом случае спасает возможность переключаться с регулятора на регулятор на разных шагах технологического цикла. Достаточно организовать несколько, например три, различных регулятора с различными ПИД-коэффициентами для разных уставок и присоединить всех их к одному исполнительному механизму
(рис. 4).
- Рис. 5
Пример 3. В качестве последнего примера рассмотрим применение ТРМ151 в пищевой промышленности при варке колбасных изделий.
В процессе варки на разных этапах технологического цикла необходимо поддерживатьтемпературу в варочной камере, температурувнутри продукта и разность этих температур. Причем поддержание температуры осуществляется одним исполнительным механизмом - ТЭНом варочной камеры.
Управление подобным техпроцессом успешно осуществляется с помощью ОВЕН МПР51, правда, с одной маленькой оговоркой. Для регулирования всех этих величин задействуется один и тот же ПИД-регулятор, в который на разных шагах программы соответственно передается температура камеры (вход Тсух), температура продукта (вход Тпрод) или ΔT. В ОВЕН МПР51 регулятор жестко связан с определённым выходным устройством, в данном случае - с выходом, управляющим ТЭНом. При этом настройки регулятора остаются постоянными. Такая схема не всегда удобна, т. к. приходится подбирать компромиссные варианты настройки ПИД-коэффициентов.
В ТРМ151 эта проблема легко решается: программу технолога можно составить таким образом, чтобы на разных шагах были задействованы разные ПИД-регуляторы со своими индивидуальными настройками. Следовательно, можно точно подобрать ПИД-коэффициенты под конкретную задачу и обеспечить более высокое качество регулирования (рис. 5).
Выходные устройства ТРМ151. Управление сложными исполнительными механизмами.
По сравнению с традиционными приборами ОВЕН ТРМ151 имеет более гибкую структуру выходных устройств. Выходное устройство прибора может работать в разных режимах и включать в себя несколько выходных элементов, что позволяет организовать управление широким спектром исполнительных механизмов.
В качестве выходных элементов в ТРМ151 могут быть установлены реле, транзисторные или симисторные оптопары, преобразователи выходного сигнала в ток 4...20 мА.
Возможные варианты работы выходных устройств ТРМ151 приведены на рисунке 6.