Prosjektoppgave i faget styresystemer Prosjektrapport - Entank 2EA våren 2016 Gruppe 3

Transkript

1 Prosjektoppgave i faget styresystemer Prosjektrapport - Entank 2EA våren 2016 Gruppe 3

2 Forprosjekt, prosjektinformasjon. (JFH) Oppgavens tittel: Prosjektoppgave i faget Styresystemer 2EA våren 2016: Entank Dato: Antall sider/vedlegg: 75/13 Gruppens deltakere: Joakim Hage (JH) Sigurd Rød Brekk (SB) Anders Kregnes (AK) Axel Hansen Grøvdal (AG) Ørjan Svartisdalen Karlsen (ØK) Jonas Fredrik Hagen (JFH) Kontaktinformasjon; e-post, tlf joakim.hage@gmail.com, sigurdrb@gmail.com, anders@kregnes.no, agh947@hotmail.com, svartisdal@gmail.com, jonashagen89@gmail.com, Veileder Fredrik Dessen e-post: fredrik.dessen@ntnu.no tlf: Gruppenummer: 3 Institutt/studieretning: NTNU Fakultet for teknologi Institutt for Elektrofag og Fornybar Energi 7004 TRONDHEIM 1

3 Forord Entankprosjektet er det tredje av i alt fire delprosjekter som skal utføres av studentene ved linjen bachelor i elektro med spesialisering i automatiseringsteknikk, på NTNU. Tidligere har gruppen utført et forprosjekt og et miniprosjekt. Miniprosjektet hadde som mål å opprette kommunikasjon mellom enhetene på en tank- og PLS-rigg. Dette prosjektet dannet grunnlaget for det videre arbeidet i entankprosjektet. Hovedoppgaven i entankprosjektet er å regulere vann-nivået i èn tank som er koblet til tank-riggen. Her er det spesifiserte krav som skal oppfylles i forhold til regulatorens og systemets virkemåte. Reguleringen skal bli utført av en PLS. PLS en styrer en innløpsventil, og får tilført informasjon om vann-nivået og volumstrømmen på utløpet til tanken. Regulerings PLS en er koblet til en master PLS som fungerer som et bindeledd til resten av systemet. For å styre prosessen skal det konfigureres to grafiske brukerpanel. Det ene kjører på en PC og det andre er et touch-panel som er montert på PLS-riggen. Det ferdige produktet skal testes og dokumenteres i henhold til kravene i oppgaven. Trondheim,

4 Sammendrag (AK og ØK) Denne rapporten har til hensikt å dokumentere entank-prosjektet til den større prosjektoppgaven Prosjektoppgave i faget Styresystemer 2EA våren Denne rapporten blir en dokumentasjon på det som er blitt gjort for å oppfylle kravene til entank-prosjektet med den tilhørende demonstrasjon. Det vil bli dokumentert hva som er blitt gjort med tanke på programmering av regulator, utforming og programmering av brukergrensesnitt i HMI, både i InTouch og på operatørpanel, tilvirkning og utforming av antialiasing-filter, utarbeidelse av PLS-programmer, utarbeidelse av alarm-server og oppkobling av operatørpanelet på nett. I tillegg vil vi gå inn på simulering og modellering av systemet, i tilhørende simuleringsnotat som ligger vedlagt. 3

5 Innholdsfortegnelse Forprosjekt, prosjektinformasjon. (JFH)...1 Forord...2 Sammendrag (AK og ØK)...3 Innholdsfortegnelse...4 Figurliste...7 Vedleggsliste Innledning Effektmål Resultatmål Prosessmål Definisjoner Teknisk informasjon Programvare og utviklerverktøy Oppgavebeskrivelse (AK) Flytskjema av tankriggen Prosjektstyring (AK) Timeforbruk (ØK og AK) HMI - Human Machine Interface (JH) Utformingen av et HMI (JH) Målgruppe Bildedesign Bildehierarki Topologibilde for kommunikasjon Trendkurver Prosjektets HMI (JH) HMI på stasjonær PC - InTouch (JH) Wonderware InTouch (JH) Krav til funksjoner (JH) Brukerrettigheter Oppbyggingen av det ferdige programmet (JH) Startskjerm Alarmer Prosess Trendvindu Historikk

6 7.3.6 Nettverk Løsninger (JH) Brukerhåndtering og rettigheter Informasjonsvisning og innstillingsvindu Animasjon på pumpe og magnetventiler Desimaltall Konvertering fra desimaltall til heltall Utfordringer (JH) Nettverksstatus Historisk trend Korrupte filer HMI på Beijer TA100 operatørpanel (AG) Menyvinduene Forside Monitorvindu Alarmvindu Historikkvindu Intern Alarmserver Web-server for operatørpanel (ØK og AK) Alarm signaler (AG) Beskrivelse av alarm-server Generell beskrivelse av PLS-program Beskrivelse av programmets virkemåte og oppbygging Tilordningsliste i slave-pls for alarmer Tilordningsliste i master-pls for alarmer Master PLS Beskrivelse (JH) Oppstart etter strømbrudd (JH) Batterimatede dataregister (JH) Profibus status(øk) Regulatoren (JFH, AK) Navnsetting (JFH) Tilordningslister for adresser (AK) Digitale signaler inn Digitale signaler ut Setpunkt/parametre Heltallsaritmetikk (JFH) Automatisk/Manuell modus LB1 (JFH) Samplingsklokke LB3 (JFH) Direkte og reversert modus LB4 (JFH) Rykkfri overgang (bumpless transfer) (AK) Rykkfri PI, P, Man, Auto og manuell LB5 (AK) Rykkfri overgang foroverkobling Av/På LB10 (JFH)

7 12.8 Justerbare parametre manuell modus LB13 (JFH) Justerbare parametre automatisk modus LB6 (JFH) Foroverkopling av P-, D- eller PD-type LB7-10(JFH) P-Type foroverkobling LB D-Type foroverkobling LB PD-Type foroverkobling LB Regulator type P/PI(JFH) P- regulator LB PI-Regulator LB Variabler til neste scan LB Grenseområde pådrag LB Antialiasing filter (AK og ØK) Nivåmåleren (AK og ØK) Strømningsmåleren (AK og ØK) Regulering av tanken (SB) Innsvingningsforløp med regulatorparametre funnet i Simuleringsnotat. (SB) Nye parametre for regulering av tank etter etterjustering (SB) Konklusjon (JH)

8 Figurliste Figur 4.1 Flytskjema entank Figur 5.1 S-graf Figur 5.2 Arbeidspakker Figur 6.1 HMI-kommunikajson Figur 6.2 Eksempel på 2D og 3D grafikk. Figur 7.1 InTouch Kommunikasjon Figur 7.2 Startskjerm HMI Figur 7.3 Prosessvinduet Figur 7.4 Nettverks vindu Figur 7.5 Informasjon Figur 7.6 Innstillinger Figur 7.7 Animasjon Figur 8.1 Kommunikasjon operatørpanel Figur 8.2 Operatørpanel Forside Figur 8.3 Auto/Man Figur 8.4 Operatørpanel Alarmpanel Figur 9.1 Port informasjon Figur 10.1 Programstruktur for kjekk, normal blink Figur sekvensprogram oversikt Figur lampeblink hirarki-system Figur 11.1 Start av Profibuskommunikasjon Figur 11.2 Profibus status Figur 12.1 Funksjonsblokka til regulatoren Figur 12.2 Omgjøring fra 16 til 32 bit. Figur 12.3 Programstruktur for valg av Auto/Hand Figur 12.4 Illustrering av samplingspuls Figur 12.5 Programstruktur for samplingsklokken Figur 12.6 Programstruktur for direkte og reversert modus Figur 12.7 Programstruktur for rykkfri overgang Figur 12.8 Rykkfri overgang ved foroverkobling Figur 12.9 Programstruktur for justerbare parametre Figur Programstruktur for justerbare parametre Figur Programstruktur for P-type foroverkobling Figur Progamstruktur D-type foroverkobling Figur Maks og min nivå foroverkobling Figur Programstruktur PD-type foroverkopling Figur Blokkskjema P-regulator 7

9 Figur Blokkskjema PI-regulator Figur Valg av regulatortype Figur Programstruktur for P-regulator Figur Endring i bidrag fra I-Delen Figur Endring i rest til PI pådraget Figur Pådrag fra PI-regulatoren Figur Pådrag fra PI-regulator Figur Endring i pådrag I-del ved foroverkobling Figur variabler til neste scan Figur Maks og min pådrag Figur 13.1 Oppbygning av brikken LM358 som ble brukt på begge filterene Figur 13.2 Støymåling nivåsignal Figur 14.1 Støymåling flowsignal Figur 14.2 Frekvensrespons for nivåfiltere Figur 14.3 Filter for nivåmåler Figur 15.1 Filter for strømningsmåler Figur 15.2 Andre Ordens filter for nivåmåleren Figur 16.1 Sprang uten foroverkobling Figur 16.2: Dynamisk uten foroverkobling Figur 16.3 Sprang med foroverkobling Figur 16.4 Dynamisk med foroverkobling Figur 16.5: Innsvigningsforløp med nye parametre Figur 16.6 Innsvingninsforløp dynamisk Figur 16.7 Innsvingningsforløp 3-1 Figur 16.8 Innsvingningsforløp 3-1 dynamisk Vedleggsliste Vedlegg 1 - Bestillingsliste filter Vedlegg 2 - Etterbestilling Vedlegg 3 - Bestemmelse av komponentverdier til nivåfilter (ØK) Vedlegg 4 - Bestemmelse av komponentverdier til strømningsfilter (ØK) Vedlegg 5 - Tilordningsliste interne signaler Vedlegg 6 - Testskjema Vedlegg 7 - Operatørpanel, Monitorvindu Vedlegg 8 - Operatørpanel, Alarmvindu Vedlegg 9 - Operatørpanel, Historikkvindu Vedlegg 10 - Rettighetsoversikt, InTouch Vedlegg 11 - Rettighetsoversikt, operatørpanel Vedlegg 12 - Dokumentasjon på master PLS program Vedlegg 13 - Dokumentasjon på slave PLS program 8

10 1 Innledning Entank Gruppe 3 Entank-prosjektet er et av de større delprosjektene i den større prosjektoppgaven Prosjektoppgave i faget Styresystemer. Vi skal i løpet av perioden vi jobber med entank prosjektet benytte oss av all den kunnskapen vi har tilegnet oss i løpet av dette studieåret. Vi skal etablere et brukervennlig og velfungerende anlegg som tilfredstiller de krav selve prosjektoppgaven stiller. Kompleksiteten til denne deloppgaven krever at vi jobber effektivt og samarbeider godt internt i gruppa og med den gruppa vi deler tankriggen med. 1.1 Effektmål 1. Få erfaring i å samarbeide i en gruppe 2. Få erfaring med prosjektmøter, når det kommer til deltakelse, ledelse og referatskriving. 3. Øke innsikt i hvordan kommunikasjon mellom BUS/ethernet foregår 4. Øke kunnskap og ferdigheter i programmering av PLS og HMI 1.2 Resultatmål 1. Opprette god kommunikasjon mellom PC, PLS og operatørpanel 2. Oppnå en god regulering av tanken 3. Implementere støyfiltrering i prosessen 4. Oppnå en god simulering av matematiske modeller i Matlab for å finne regulatorparametre 5. Opprette en webside for beskrivelse av prosjektet 6. Gjennomføre følgende bonusoppgave hvis vi får tid: Regulering av nivået ved hjelp av frekvensomformerstyring av pumpemotoren via PROFIBUS-nettverket. 1.3 Prosessmål 1. Alle medlemmer i gruppen skal lære og utvikle ferdigheter i prosjektstyring, gruppearbeid, rapportskriving og presentasjon 2. Gruppen skal kollektivt sørge for at alle tilegner seg kunnskap om alle deler av prosjektet. 3. Gruppen skal få anvende teorien i de ulike delene av faget Styresystemer på et praktisk problem 9

11 2 Definisjoner PLS - Programmerbar logisk styring. En datamaskin som gjerne brukes til å automatisere oppgaver i produksjon og kontroll av for eksempel nivåer i tanker. Har tatt over mye av jobben releér gjorde tidligere. Master PLS - Mitsubishi Melsec Q00 blir benyttet som master PLS. Slave PLS - Mitsubishi Melsec FX1N blir benyttet som slave PLS. Profibus - Process Field Bus. En utbredt feltbuss kommunikasjonsstandard innen automasjon. Profibus DP, som brukes i dette prosjektet, brukes til å styre sensorer og akturatorer fra en sentral kontroller (PLS) HMI - Human machine interface. Brukergrensesnitt mellom bruker og datamaskin. InTouch - Programmet som brukes til programmere fremstilling av prosessen på dataskjerm. ix Panel TA100 - Operatørpanelet som blir brukt. Panelet har fargeskjerm og touchskjerm. Ethernet - Den vanligste teknologien brukt i lokalnett (LAN) og er spesifiser i standarden IEEE Teknologien tillater typisk dataoverføring i hastigheter på 10 Mbps. Tradløs ruter - Maskin som videresender nettverkspakker til riktig mottakernettverk. Antialiasing filter - Et lavpass-filter som fjerner uønskede forstyrrelser. 2. Ordens filter - Filter som demper støyen med ca. -40 db per dekade på høyere frekvenser enn knekkfrekvens. AD/DA-omformer - En elektronisk enhet som omformer analoge signaler til binære verdier, eller omvendt. 10

12 P-regulator - En regulator som gir et pådrag som er proporsjonalt med reguleringsavviket, med en gitt faktor. Kalles proporsjonalforsterkning eller bare forsterkning. PI-regulator - En regulator med forsterkning (P) og integrasjon (I). Integrasjons-delen integrerer avviket over tid, med en gitt faktor. Med P- og I-ledd får man regulering uten proporsjonalavvik. VNC-server - En server som tillater fjernstyrt tilgang. Dette er et system som vanligvis brukes så man kan fjernoperere en datamaskin over internett. Kvittert alarm - Når en alarm kjører og operatør av prosessen har kvittert at personen har sett alarmen. Aktiv alarm - Alarmen kjører og er ikke kvittert. Inaktiv alarm - Alarmentilstanden har gått tilbake til normale verdier, men er ikke kvittert. Normal alarm status - Alarmen har vært kvittert og nivået samsvarer ikke lenger med alarmkriteriet. Tag(ger) - Brukt i programmet ix Developer og InTouch. Er verdier som er lagret til et ord. Dette gjør at det er enklere å håndtere verdier når en verdi er linket til en tag. Blir referert som tagger i flertall. 11

13 3 Teknisk informasjon Programvare og utviklerverktøy MELSOFT Series GX Works2, Versjon 1.98C Utviklervektøy for programmering av PLS Beijer Electronics OPC Server, Versjon 1.20A Fungerer som et bindeledd mellom master PLS og OPCLink Wonderware OPCLink, Versjon Fungerer som et bindeledd mellom Beijer OPC Server og InTouch Wonderware InTouch, Versjon Utviklerverktøy for HMI på PC. Beijer ix Developer, Versjon 2.10 Utviklerverktøy for ix operatørpanel 12

14 4 Oppgavebeskrivelse (AK) Entankprosjektet er den største delen av prosjektet i faget Styresystemer våren Det skal resultere i en rapport og en praktisk demonstrasjon. Entankrapporten er den største rapporten av i alt fire rapporter som skal leveres inn. Alt vi kommer frem til i rapporten skal demonstreres, testes, og forhåpentligvis godkjennes, av veileder og faglærere. Entankprosjektet har omfattet flere ulike arbeidsoppgaver som har blitt fordelt mellom gruppemedlemene. Dette har blant annet innebært å lage program for InTouch, operatørpanel og PLS ene og å dimensjonere og konstruere antialiasing-filtre for å fjerne støy. Målet har vært å skulle styre og regulere den ene tanken på tankriggen ved hjelp av en FX1N-PLS. Styringen skulle implementeres i operatørpanelet og i brukergrensesnitt i InTouch, slik at en kan endre parametere og overvåke prosessen. I oppgaveteksten ble det beskrevet at regulatoren skal kunne justere seg inn så det blir et innsvingningsforløp av typen minimum areal når nivået har stabilisert seg uten stasjonært avvik med referanse 60% og det kommer et sprang i utløpet fra 3/3 utløp (tre magnetventiler åpne) til ⅓ utløp (en magnetventil åpen). I tillegg skal det være raskest mulig innsvingningstid til nivået av tanken holder seg innenfor +- 2% og det dynamiske avviket skal være minst mulig. Regulatorprogrammet skal kunne fungere både som P- og PI-regulator med rykkfri overgang ved skifte av regulatortype. Det skal vøre både direkte og reversert modus, og det skal være mulig å sette regulatoren i manuell modus i tillegg til den automatiske. Regulatoren skal inneholde mulighet for foroverkopling av P-, D- eller PD-type. Det skal også implementeres et program som tar seg av alarmer. Alarmene skal vises og kunne kvitteres i brukergrensesnittet i HMI. Det skal gå alarm dersom nivået avviker mer enn 25% fra referansen. Kritisk alarm skal aktivers dersom det absolutte nivået overstiger 90% eller går under 10%. Ved vanlig alarm skal ei varsellampe på tanken blinke med en takt på 0,5 sekunder på og 0,5 sekunder av. Ved kritisk alarm skal blinkefrekvensen økes til 0,2 sekunder på og 0,2 sekunder av. Dersom alarm er kvittert ut fra operatørpanelet eller InTouch-applikasjonen, men det fortsatt er alarmtilstand, skal lampa ha fast lys. Lampa skal bli mørk når det ikke lenger er alarmtilstand. Lampa skal forsette å blinke inntil alarm er kvittert, dersom prosessen går ut av alarmtilstand uten at alarmen er kvittert. 13

15 Gruppen vil gjennomgå egne selvlagde testskjema for entankprosjektet før demonstrasjonen. Oppdragsgiver vil ha et eget testskjema som gjennomgås ved demonstrasjonen, for å se at alt fungerer etter spesifikasjonene. 4.1 Flytskjema av tankriggen Figur 4.1 Flytskjema entank 14

16 5 Prosjektstyring (AK) I miniprosjektrapporten ble det presisert at prosjektstyringen er like viktig som den tekniske delen av prosjektet. For å oppnå et godt resultat har vi tatt dette seriøst og prøvd å etterleve en god styring. Viktigheten av god arbeidsfordeling, ryddighet, kommunikasjon og det å holde seg til tidsplanen ble fremhevet ved innledningen til prosjektet. Gruppen har lagt innsats i å gjennomføre gode prosjektmøter, hver enkelt har ført antall timer de har jobbet med prosjektet og vi har kontinuerlig holdt uoffisielle møter for å oppdatere hverandre på status og hva som er planlagt videre. Gjennom dette prosjektet har vi altså gjennomført flere prosjektmøter med veileder, i skrivende stund 4 av i alt 6. Oppgavene som møteleder og referent har gått på rundgang som instruert i oppgaveteksten. Møtene har vært holdt med obligatorisk oppmøte, med en øvre tidsramme på 45 minutter. Før møtene har det blitt utarbeidet en felles power-pointpresentasjon, hvor hver enkelt har lagt inn hva vedkommende har gjort siden forrige møte. Dette har blitt presentert under tilhørende punkt på sakslisten. Målet har vært å sørge for at veileder (oppdragsgiver) får et innblikk i hva som har blitt gjort, og har kunnet komme med innspill. 15

17 5.1 Timeforbruk (ØK og AK) Figur 5.1 S-graf Til venstre ser vi estimatet gjort i forprosjektet, over antall timer som skulle brukes på prosjektet. Bildet til høyre viser de timene som faktisk er brukt frem til dags dato Gruppen har i hovedsak arbeidet i ukedagene, men helgejobbing har forekommet. Det har blitt jobbet mer med prosjektet lengre ut i perioden ettersom det har blitt avsatt mer tid på timeplanen. I forprosjektet ble det utfylt arbeidspakker med estimert timeforbruk. Det viste seg raskt at det ble et ganske stort avvik på antall timer beregnet og antall timer brukt. Dette skyldes at gruppen ikke hadde så god oversikt over innhold i de forskjellige oppgavene. Som vi ser av diagrammet under, er det brukt mindre tid enn beregnet på enkelte av arbeidspakkene og mer tid på andre. Spesielt simuleringen og modelleringen tok mer tid enn estimert. Figur 5.2 Arbeidspakker 16

18 6 HMI - Human Machine Interface (JH) HMI er et fellesbegrep for forskjellige grafiske brukergrensesnitt, også kalt brukerpanel. I industrisammenheng blir dette brukt til å styre og overvåke fysiske prosesser. Disse prosessene kan være kompliserte og omfattende. Målet med HMI er å gjøre styringen og overvåkningen brukervennlig og presentere informasjon på en oversiktelig måte. Figur 6.1 HMI-kommunikasjon Figuren over viser et eksempel på informasjonsstrømmen til og fra et HMI, og hva et HMI kan være koblet til. 6.1 Utformingen av et HMI (JH) Her forklares noen viktige punkter man bør tenke på når et HMI skal utvikles Målgruppe Hvem skal bruke programmet? Det er lurt å sette seg inn i behovene til sluttbrukeren tidlig i utviklingsfasen, og forme programmet etter dette. Det er for eksempel forskjeller på behovene til en operatør, avdelingsleder og økonomiansvarlig Bildedesign Alle vinduene og bildene i et HMI skal være lettleste og uforstyrrende. Fargebruk: Noen brukerere skal sitte en hel arbeidsdag foran et HMI. Man bør derfor bruke duse farger som ikke sliter ut øynene. 25% grå er et eksempel på dette, og er 17

19 populært å brukt som bakgrunnsfarge på programmene. Fargekontrasten mellom elementene i bildet må også velges slik at innholdet er lett å lese. Alarmfarge: Fargen rød skal i størst mulig grad forbeholdes alarmvarslinger. Dette gjøres for å gi en tydelig indikasjon når en alarm først oppstår. Dersom kun alarmsituasjoner har rød farge blir det enklere å få øye på de. Symbol og grafikk: Hovedoppgaven til de grafiske elementene er å være informative og lettleselige. Dette er mye viktigere enn at de ser fine ut. Man bør derfor unngå bruken av 3D symboler da disse har en tendens til å være rotete og inneholde unødvendige detaljer. Figur 6.2 Eksempel på 2D og 3D grafikk. Animasjoner: Generelt sett bør man bruke animasjoner og symboler i stedet for tekst. Hjernen vår greier å tolke visuelle bilder mye raskere. Vann-nivået i en tank kan f.eks. animeres med en søyle som viser hvor full tanken er, istedet for å skrive hvor mange liter med vann den inneholder. Tilstanden til en ventil kan representeres med to forskjellige farger som tilsvarer åpen og lukket. Figur 6.3 Eksempel på åpen og lukket ventil Prosent: Prosent er også en god måte å formidle informasjon på. Dersom volumstrømmen ut av en tank varierer mellom 0 og 240 l/h kan dette formidles som en prosentverdi mellom 0 og

20 6.1.3 Bildehierarki Entank Gruppe 3 Dersom prosessen som skal styres er omfattende nok kan det være viktig med et bildehierarki for å gjøre den oversiktelig. Det vil si at man starter med et oversiktsbilde av hele prosessen. Fra dette bildet kan man klikke seg inn på enkelte deler av prosessen for å få en mer detaljert oversikt. Dette fører til at det ikke blir for mye informasjon på hvert bilde Topologibilde for kommunikasjon Et topologibilde skal gi oversikt over kommunikasjonsnettverket til prosessen. Dette omfatter f.eks. Ethernet- og Profibus-nettverk. Her bør det vises eventuelle feil som oppstår for å gjøre feilsøkingen lettere Trendkurver Trendkurver er et virkemiddel for å gi informasjon om prosessen. Sanntids trendkurver gir et godt bilde på tilstanden til prosessen mellom hver gang man ser på dem. Det kan være lurt å ha disse i hovedvinduet som brukes mest. 6.2 Prosjektets HMI (JH) I dette prosjektet skal det utvikles to HMI. Det ene skal være på en stasjonær PC, og det andre skal være på et Beijer ix operatørpanel med touchskjerm som er montert på PLS-riggen. Begge skal styre og overvåke prosessen på tank-riggen. 19

21 7 HMI på stasjonær PC - InTouch (JH) 7.1 Wonderware InTouch (JH) Wonderware InTouch er et program for utvikling av HMI som vi skal bruke i dette prosjektet. Det har mange funksjoner og muligheter til å skreddersy grensesnittet etter individuelle behov. For generell informasjon om hvordan man bruker programmet se miniprosjektrapporten, avsnitt 6, side 32. Figuren under viser hvordan programmet kommuniserer med resten av systemet i prosjektet vårt. Figur 7.1 InTouch Kommunikasjon Under arbeidet med InTouch har InTouch HMI 9.5 Fundementals of Application Development Course Training Manual (Revision E) vært en viktig kilde for informasjon om programmet. 7.2 Krav til funksjoner (JH) Brukerpanelet som utvikles i InTouch for dette prosjektet skal ha følgende funksjoner: Gi oversikt og nødvendig informasjon om prosessen Kunne logge inn med tre brukere med forskjellig grad av rettigheter Motta og kvittere alarmer Panel hvor bruker kan definere regulatorinnstillinger Styre pumpe, magnetventiler og pådragsventil Oversikt og status på kommunikasjonsnettverket 20

22 Sanntidstrender og historiske trender Være brukervennlig Entank Gruppe 3 Listen er satt opp ut i fra oppgavebeskrivelsen, samt gruppens egne mål og ønsker Brukerrettigheter En del av oppgaven er at det skal opprettes tre brukere for programmet. Disse skal ha forskjellig grad av lese- og skriverettigheter. Når programmet startes må man logge inn som en av disse brukerne, med tilhørende brukernavn og passord. Målet med dette er å få innsikt i hvordan man håndterer brukerrettigheter i InTouch. 7.3 Oppbyggingen av det ferdige programmet (JH) Programmets skjermbilde er delt inn i tre hovedgrupper. Øverst er alarmlinjen og innloggingsinformasjon. I midten har man visning av valgt vindu. Nederst er menylinjen hvor man kan velge hva slags vindu som skal vises. Dette oppsettet er valgt for å gjøre programmet så oversiktelig og brukervennlig som mulig. Det er også et oppsett som er mye brukt i industrien. Figur 7.2 Startskjerm HMI 21

23 Det er fem hovedvinduer i programmet: Startskjerm, Alarmer, Prosess, Trendvindu, Historikk og Nettverk Startskjerm Dette er vinduet som dukker opp når programmet starter og fungerer kun som et velkomstvindu hvor brukeren får beskjed om å logge inn og en kort beskrivelse av formålet med programmet Alarmer I tillegg til alarmlinjen øverst i programmet er det et eget alarmvindu. Dette har en utvidet alarmoversikt, informasjon om hva alarmmeldingene betyr, og knapper for å kvittere hver enkelt alarm individuelt eller alle alarmene sammtidig Prosess Figur 7.3 Prosessvinduet Prosessvinduet er den delen av programmet brukeren kommer til å bruke mesteparten av tiden. Her vises et bilde av prosessen. Bildet har animasjoner som beskriver tilstanden til pådragsventil, magnetventiler, vann-nivå, referanse, pumpe, vannstrømmning ut av tanken og regulatorinnstillinger. Dette er designet for at brukeren 22

24 skal få nødvendig informasjon på en oversiktelig måte. Her har man også tilgang til pop-up vinduene for styring av regulator, ventiler og pumpe. Til venstre for prosessbildet er tre sanntidsgrafer som viser vann-nivå, vannstrømmning ut av tanken og pådraget til regulatorventilen Trendvindu Dette vinduet inneholder de samme tre sanntidsgrafene som i prosessvinduet, bare i større format, og tidsaksen er skalert over en lengere periode Historikk Historikkvinduet har tilgang til lagret prosessinformasjon. På denne måten kan brukeren oppgi en dato og et klokkeslett og få opp en graf med prosessinformasjonen fra dette tidspunktet. Dette fungerer altså som et arkiv Nettverk Figur 7.4 Nettverks vindu Nettverksvinduet inneholder et skjema for kommunikasjonsnettverket til riggen. Dette viser PC, router, operatørpanel, master PLS, slave PLS og tankrigg. Den gir også en visuell feilmelding når det går alarm for kommunikasjonsfeil med slave PLS en. Hensikten er å gjøre feilsøking lettere. 23

25 7.4 Løsninger (JH) Her beskrives noen tips og løsninger vi har benyttet for InTouch HMI programmet Brukerhåndtering og rettigheter Rettighetsnivået til brukerne i InTouch kan defineres fra 0 til 9999, hvor 9999 gir flest (alle) rettigheter. For vårt program har vi satt opp brukerne på følgende måte: Brukernavn Passord Rettighetsnivå OPERATØR1 Op OPERATØR2 Op OPERATØR3 Op Oversikt over rettighetene disse brukerne skal ha er lagt ved som vedlegg 10. Når en bruker logger inn blir hans rettighetsnivå lagt inn i variabelen $AccessLevel, som er en standard, lokal variabel i InTouch. Det er denne variabelen som blir brukt for å definere hva hver bruker har tilgang til. Eksempel: Brukere med rettighetsnivå lavere enn 3000 skal ikke ha adgang til vinduet Regulator. For å løse dette gjøres følgende: Med InTouch i Developer-modus dobbeltklikker man på knappen som fører til vinduet Regulator, da får man opp Animation Links Selection menyen. Under kategorien Miscellaneous klikker man på Disable. Da får man opp et kommando tekstfelt. Skriv: $AccessLevel < Nå vil knappen være deaktivert for brukere med rettighetsnivå lavere enn

26 7.4.2 Informasjonsvisning og innstillingsvindu For å få vist frem regulatorinnstillingene på en oversiktlig måte har det blitt laget følgende objekt: Figur 7.5 Informasjon Dette objektet bruker fargene grå og grønn for å indikere hvordan regulatoren er innstilt. Det er ikke mulig å endre på innstillingene fra dette objektet. Istedenfor fungerer objektet som en knapp som fører deg videre til regulator-popup-vinduet hvor innstillingene kan bli endret. Figur 7.6 Innstillinger Denne metoden er også brukt for magnetventilene og pumpen. I prosessvinduet fungerer objektene kun som en indikasjon på tilstanden. Ved å klikke på objektene får man opp et vindu hvor man kan endre på disse tilstandene. Det er gjort for å forhindre at man endrer på noe ved et uhell. 25

27 7.4.3 Animasjon på pumpe og magnetventiler Som nevnt under avsnittet om utforming av HMI, er animasjoner et viktig virkemiddel for å få frem informasjon på en god måte. Dette har vi blant annet benyttet for pumpa og magnetventilene. Pumpesymbolet endres i forhold til om den er av eller på Desimaltall Figur 7.7 Animasjon Regulatorparameterne som sendes fra InTouch til regulatoren skal kunne inneholde desimaler. Dette kan f.eks. være Kp = 3,45. For at dette skal være mulig må tag en til parameteret være av typen Real. Dette velges når tag en importeres fra Beijer OPC Server. For nærmere beskrivelse av tags, og hvordan de importeres til InTouch se miniprosjektrapporten, avsnitt 6.3 OPC TagCreator, side Konvertering fra desimaltall til heltall PLS en benytter seg av 16-bits dataord for lagring av parameterne som sendes fra InTouch. Disse må derfor gjøres om til heltall. For eksempel må 3,45 gjøres om til 345. Dette gjøres på følgende måte: Under menyen Special > Tagname Dictionary velger man tag-navnet du vil gjøre endringen på. Under instillingene for tagnavnet finnes disse fire innmatingsfelt: Min Raw, Max Raw, Min EU, Max EU. Min- og Max EU er verdiene som kan skrives inn av brukeren i brukerpanelet. For Kp skal det i vårt tilfelle være fra 0 til 100. Min- og Max Raw er verdiene som sendes ut fra InTouch. For å få to desimals presisjon settes disse til 0 og

28 7.5 Utfordringer (JH) Her beskrives utfordringer vedrørende arbeidet med brukerpanelet i InTouch Nettverksstatus I InTouch operatørpanelet har vi som tidligere beskrevet, et eget oversiktsvindu for nettverket til tank-riggen. Her skulle vi gjerne fått opp feilmeldinger hvis InTouch mistet forbindelsen til internett, routeren eller Beijer TA100 operatørpanelet. Dette kunne blitt gjort ved å kjøre et skript som bruker Microsoft Windows sin ping -funksjon for å sjekke om det er forbindelse. For at dette skriptet skulle fungere måtte man ha et programtillegg til InTouch, ArchestrA IDE, som ikke var tilgjengelig for oss. Vi greide ikke å finne alternative gjennomførbare metoder til dette Historisk trend Et av kriteriene i oppgavebeskrivelsen var at brukerpanelet i InTouch skulle inneholde et vindu for historisk trend. Dette ble lagt inn i panelet, men vi fikk det ikke til å fungere. Veiledningen fra HMI 9.5 Fundementals of Application Development Course Training Manual på hvordan det skal konfigureres ble fulgt, men trendvinduet fant ikke verdiene det skulle ha. Det ble ikke funnet noe løsning på dette i løpet av prosjektet Korrupte filer Fra før av har vi erfart at InTouch kan stoppe opp og slutte å fungere ved tilsynelatende tilfeldige tidspunkt. Når dette skjer må programmet lukkes uten at man har mulighet til å lagre arbeidet. I tillegg blir lagringsfilene korrupte, og man får ikke åpnet de igjen. Vi har ikke greid å finne årsaken til dette. Det har derfor vært viktig å ta sikkerhetskopi av lagringsfilene ved jevne mellomrom. Her er det viktig å merke seg at man må lukke InTouch programmet før man tar backup av filene. Hvis man ikke gjør det får man samme feilmelding som etter at programmet krasjer. 27

29 8 HMI på Beijer TA100 operatørpanel (AG) Beijer TA100 operatørpanel er et touchpanel beregnet for å overvåke og kontrollere industrielle prosesser via en kontrollmodul. Operatørpanelet er koblet via RJ45 kontakter til ethernetmodulen til en Melsec Q00-PLS. Denne fungerer som et bindeledd mellom operatørpanelet og slave-plsen, som er av typen Melsec FX1N. Vi bruker operatørpanelet til å lese og skrive verdier til PLS-ene, samt se og kvittere alarmer. Vi har fått en liste med hvilke verdier som brukeren av panelet skal ha rettigheter til. Se vedlegg 11 for hvilke spesifikke rettigheter operatørpanelet har. Vi har også gitt operatørpanelet tilgang til å lese status på magnetventilene, men ikke å skrive verdier. Dette har vi gjort siden det er av stor fordel for bruker å se hvor mange ventiler som står åpne. Når de ser hvilke magnetventiler som er åpne, får de en bedre oversikt over prosessen. Det er også satt opp VNC fjernstyring av operatørpanelet via internett. Opprettelsen av dette blir beskrevet senere. Vi har brukt ix Developer 2.1 til å lage operatørpanelets program. Selve operatørpanelet kjører et Windows CE system. For å få til fjernstyring av operatørpanelet fungerer via VNC-standarden. Figur 8.1 Kommunikasjon operatørpanel 28

30 8.1 Menyvinduene Forside Grensesnittet er laget med funksjonalitet som prioritet. Forsidevinduet viser hvordan prosessen er, og har vært de siste fire minuttene. I figur 8.2 ser man hvordan forsiden til operatørpanelet ser ut. Helt øverst vises alarmer som er pågående eller ukvittert. Alarmer som er kvittert, vises ikke her. Grunnen er at brukeren ikke trenger den informasjonen for å skape et raskt overblikk over situasjonen. Det er mye informasjon som er vesentlig å få med, og vi vil da ikke vise gammel informasjon som vil forstyrre bruker. Har bruker behov for å se når siste alarm var, har vi et eget «ALARM» vindu, hvor alle alarmer er logget. Denne funksjonen vil bli beskrevet senere i kapittel 10. Figur 8.2 Operatørpanel Forside Øverst til høyre vises informasjon og eventuelle feilmeldinger om mistet forbindelse. Hovedinnholdet preges av den forenklede prosessfiguren med dynamiske figurer. 29

31 Funksjonene på forsiden er beskrevet her: - Pumpen snur seg 90 o med klokken og lyser grønn når den er på. - Pumpen skrur seg av/på når knappen Pumpe trykkes. - Regulatorventilen skifter farge til grønn, når pådraget er 1% eller mer. - Når knappen trykkes, åpnes pop-up for Auto/manuelt pådrag. (se figur 8.3) - Når auto er valgt, gråes manuelt pådrag ut. Bruker kan da ikke endre verdi. - De tre magnetventilene skifter farge til grønn når de aktiveres. De kan ikke aktiveres i operatørpanelet, men overvåkes. - Sylinderen, skal illustrere vanntanken som reguleres. - De mørke røde strekene skal vise hvor alarmgrensene for kritisk nivå ligger. - Trend-vinduet viser nivå, referanse og pådrag for de siste fire minuttene. - I vinduet det står referanse i, kan knappen trykkes og referanse kan settes. Deretter oppdateres referansemåleren i tank-sylinderen Monitorvindu Figur 8.3 Auto/Man Hensikten med monitorvinduet, er å få et vindu hvor det er enkelt å få oversikt over innstillingene til tanken. Forskjellen på dette vinduet og Forside -vinduet er at tallene er større og oversiktskartet ikke er med. Dette gjør at brukeren ikke får et like raskt 30

32 oversiktsbilde over prosessen, men får bedre oversikt over innstillingene til prosessen. Se vedlegg 7 for monitorvinduet Alarmvindu Hensikten med alarmvinduet er å vise alle log over alle alarm, samt kunne kvittere de ulike alarmene. Se vedlegg 8 for alarmvinduet. Når en alarm kommer opp, vises: - Status - Aktiv - Alarmen er aktivert og er ikke kvittert. (rød) - Inaktiv - Alarmen er ikke aktiv lenger, men er ikke kvittert. (blå) - Kvittert - Alarmen er kvittert. (svart) - Normal - Alarmen er ikke lenger aktiv, og er kvittert. (hvit) - Tekst om hvilken alarm statusen gjelser. (se kapittel 10 om alarmer for mer) - Aktiv Tid, Aknowledged Time og Inactiv Time, viser hva tiden var når de forskjellige statusene ble aktivert Historikkvindu Hensikten til historikkvinduet er å se historiske nivåer til prosessen. De nivåene som logges er: - Nivå - Referanse - Pådrag - Pumpe (av/på) Y-aksen viser prosent-nivå og x-aksen viser tiden. Grafen kan pauses. Det er mulig å endre tidsakse fra fire minutt til fem timer, som er maks. Verdien logges en gang i sekundet. Se vedlegg 9 for historikkvinduet. 8.2 Intern Alarmserver De ulike alarmene er satt i en gruppe for å gjøre det mer oversiktlig. Det er utdelt en tag til hver alarm, og kvittering. Denne taggen synkroniserer verdien sin opp mot tildelte minneceller i master-pls. Denne funksjonen blir beskrevet i kapittel 10. Programmet setter de ulike alarmene høy, når deres tag får høy verdi. Når taggens verdi går høy, går alarmen. 31

33 For å få alarmen kvittert, har vi brukt Remote Acknowledge funksjonen i ix Developer. Den fungere ved at en tag leses, og når den settes høy, blir alarmen kvittert. Vi har en kvitterings-tag til hver alarm. Denne funksjonen gjør at andre som er tilkoblet samme eksterne alarm-server, kan kvittere prosessens alarmer som har med tanknivå å gjøre. Dvs. at en alarm kan kvitteres i InTouch HMI, samtidig som den også bli kvittert i operatørpanelet, og vica versa. For å signalisere til ekstern alarmserver, brukes Action -Set Tag til å sette kvitteringstaggene høy. Se figur 8.4 for hvordan verdiene er satt opp. Det er fem ulike alarmtilstander. Disse er: Figur 8.4 Operatørpanel Alarmpanel - Kritisk lavt nivå, under 10% - Kritisk høyt nivå, over 90% - 25% under referanse - 25% over referanse - Kommunikasjonsfeil med slave-pls 9 Web-server for operatørpanel (ØK og AK) Som en del av oppgaven skulle prosessen kunne reguleres fra en server på internett. Vi valgte å bruke en VNC- server for dette formålet. Operatørpanelet har innebygd VNCserver som gjør det enkelt å fjernopperere det fra internett. Det første som ble gjort var å åpne en port i ruteren, for at en skal kunne nå panelet via internett. Figur 9.1 Port informasjon Bildet viser at det er åpnet en port i ruteren til ix-panelet. Denne brukes til å få oppkobling med panelet. 32

34 Figur 9.2 Remote Access Server Videre settes det opp en VNC-server for fjernstyrt tilgang til operatørpanelet. Opprettelsen av tilgang fungerte ikke som forventet, men etter å ha konfiguriert brukerpanelet med riktig IP-konfigurasjon (Figur 9.3 neste side), fungerte kommunikasjonen. Ved å bruke VNC-viewer kan man fjern-operere brukerpanelet fra en datamaskin, mobiltelefon, nettbrett osv. Figur 9.3 IP Adress 33

35 10 Alarm signaler (AG) 10.1 Beskrivelse av alarm-server Alarmen har som oppgave å varsle om kritiske nivåer i tanken, samt når nivået ikke holder seg innenfor 25% av referanse. Når det er kritisk høyt nivå i tanken skal pumpen skru seg av. En alarmtilstand skal ikke aktiveres før alarm-verdien har vart i fem sekunder. Når alarm for kritisk nivå går, blinker lampen som er plassert øverst på prosess-riggen med en periodetid på 400ms. Når alarm for utenfor referanse går, lyser lampen med periodetid på 1 sek. Når en alarm er aktiv, men kvittert, lyser lampen konstant. Når en alarm er inaktiv, blinker også lampen med samme periodetid som alarmen orginalt hadde. Siden pumpen og lampen er tilkoblet slave-pls, er alarm-programmet plasert på slave- PLS en. Selv om slave-pls mister forbindelse med profibus eller master-pls, går alarmene. Dette er spesielt viktig med tanke på alarm for kritisk høyt nivå, hvor pumpen skal skrus av. Den skrus av fordi vi vil unngå at vanntanken skal bli overfylt. Utfordringer med å ha alarm-serveren på slave-pls er at HMI-grensesnittet er tilkoblet master-pls. Det vil si at slave- og master-pls må utveksle informasjon seg imellom. I seg selv er det ikke en utfordring å sende/motta data mellom PLS ene, men her er det mange minneceller å holde styr på. De må også oppdatere hverandre når det går alarmer, og når alarmer blir kvittert. Programmet er satt opp slik at det trengs bare å kvittere på ett av HMI-displayene. Dette er fordi prosessen er liten, og blir sannsynligvis bare håndtert av en operatør. For å unngå unødvendig kvittering, trenger operatør bare å kvittere på ett av stedene. Hver enkelt alarmtype har sin egen kvittering. Operatør har også mulighet til å kvittere alle alarmene med ett trykk Generell beskrivelse av PLS-program. Nivå blir avlest fra tanken og sjekket om den stemmer opp mot alarmkravene, og alarmminnecellene blir satt høy om det er alarm. Når det er alarm settes ny minnecelle høy, som sjekker om alarmen er kvittert. Når en kritisk alarm er høy, blinker lampen med 400ms periodetid. For å få laget blinkingen er det et sekvensprogram som brukes. Ved referanse-alarm er det brukt spesialminnecelle med periodetid på et sekund. 34

36 Alarmstatusen sendes til master-pls 1 og slave-pls mottar minneceller som sjekker om alarm(ene) er kvittert. Når slave får inn at en alarm er kvittert fra enten InTouch eller operatørpanelet, blir minnecelle som sjekker om alarmen er kvittert, satt lav. Når en alarm er kvittert vil lampen lyse konstant, eller slås av om alarmen var inaktiv. For at ikke flere alarmer skal initiere blinkingen samtidig er de satt opp slik at de har forskjellig prioritet. Det gjør at bare den med høyest prioritet er aktivert. Om det kommer en ny alarm, vil de forrige verdiene bli satt lav, og det blir laget plass til den nye alarmen Beskrivelse av programmets virkemåte og oppbygging Lest nivå fra tanken kommer inn fra AD/DA-modulen som igjen er koblet opp mot trykk sensoren i tanken 2. Nivået blir lest, og derette sjekket om det tilfredstiller noen av kravene til alarm. Om de tilfredstiller kravene til alarm, vil det startes en teller. Om den telleren teller 5 sekunder, går alarmen høy. Ved positiv flanket signal, vil slave-pls sette tidligere kvitteringsminneceller lav og sette minnecelle for ukvittert alarm, høy. Dette blir sendt med profibus over til master-pls. I Master-PLS vil lokale kvitteringsminneceller bli satt lav. Det blir også sendt ut alarmstatus til HMI-grensesnittene. Når kvitterings-minnecelle i master-pls går høy, sendes de til slave-pls og kvitteringsminnecelle går høy der også. Figur 10.1 Programstruktur for kjekk, normal blink I neste del av programmet, brukes minnecellene til å teste kriterier til de forskjellige typer signal til lampen. Rask blink, normal blink, konstant lys eller av. I figur 12.1 testes det om minnecelle for normal blink (ett sekund periodetid) skal settes høy. Alarm_referanse_Hoyt(evt. Lavt)_Nivaa sjekker at alarmen er høy, samt at det testes 1 Sende/mottak av data mellom slave- og master-pls, er beskrevet i mini-prosjektet. 2 Det står mer om Ad/Da i mini-prosjektet. 35

37 for at alarmen ikke er kvittert. Senere i programmet testes det også om lampen skal lyse konstant, eller om lampen skal blinke raskt. Se vedlegg 10, PAU Alarmer_og_statuser, for komplett alarm-program skrevet i LD (ladder diagram) i GX Works2. Figur sekvensprogram oversikt For å få lampen til å blinke med 400ms periodetid er det brukt et sekvensprogram, se figur For å få lampen til å blinke med 1sek periodetid er det brukt spesialminnecelle M8013, som er høy i 500ms og lav i 500ms. For å påse at ikke flere alarmer skrur på lampen samtidig er det satt opp et hirarki-system, se figur Kritisk alarm, som har høyest prioritet (Lys_Blink_kritisk), får alltid prioritet når den er høy. Normal alarm (Lys_Blink_normal) får midterste prioritet, og konstant lys (Lys_konstant) har lavest prioritet. Figur lampeblink hirarki-system 36

38 10.4 Tilordningsliste i slave-pls for alarmer Interne flagg i slave-pls Navn på flagg Type data Plassering Kritisk_Alarm_Lavt_Nivaa Bit M200 Kritisk_Alarm_Hoeyt_Nivaa Bit M201 Alarm_Referanse_Lavt_Nivaa Bit M202 Alarm_Referanse_Hoeyt_Nivaa Bit M203 Ack_Kritisk_Alarm_Lavt_Nivaa Bit M204 Ack_Kritisk_Alarm_Hoeyt_Nivaa Bit M205 Ack_Alarm_Referanse_Lavt_Nivaa Bit M206 Ack_Alarm_Referanse_Hoeyt_Nivaa Bit M207 Lest_nivaa Word[Signed] D300 Lampe Bit Y005 Pumpe Bit M217 Alarm_RefLav_Ukvitert Bit M218 Alarm_RefHoey_Ukvitert Bit M219 Alarm_Kritisk_Heoy_Ukvitert Bit M220 Alarm_Kritisk_lav_Ukvitert Bit M221 Lys_Blink_kritisk Bit M222 Lys_Blink_normal Bit M223 Lys_Konstant Bit M224 Blink400ms Bit M225 Pumpe_status Bit M208 37

39 Pumpe_utgang Bit Y004 sekvens_steg1 Bit M226 sekvens_steg2 Bit M Tilordningsliste i master-pls for alarmer Master-PLS, flagg som sendes til slave Navn på flagg Type data Plassering Ack_Kritisk_Lavt_Nivaa_FraHMI Bit M3006 Ack_Kritisk_Hoeyt_Nivaa_FraHMI Bit M3007 Ack_Alarm_Ref_Lavt_Nivaa_FraHMI Bit M3008 Ack_Alarm_Ref_Hoeyt_Nivaa_FraHMI Bit M3009 pumpe_frahmi Bit M3010 Master-PLS, flagg som blir mottatt fra slave. Kritisk_Alarm_Lavt_Nivaa_TilHmi Bit M3500 Kritisk_Alarm_Hoeyt_Nivaa_TilHmi Bit M3501 Alarm_Ref_Lavt_Nivaa_TilHmi Bit M3502 Alarm_Ref_Hoeyt_Nivaa_TilHmi Bit M3503 Ack_Kritisk_Lavt_Nivaa_TilHmi Bit M3504 Ack_Kritisk_Hoeyt_Nivaa_TilHmi Bit M3505 Ack_Alarm_Ref_Lavt_Nivaa_TilHmi Bit M3506 Ack_Alarm_Ref_Hoeyt_Nivaa_TilHmi Bit M3507 Pumpe_status_TilHmi Bit M

40 11 Master PLS 11.1 Beskrivelse (JH) I dette prosjektet skal master-pls fungere som et bindeledd mellom HMI panelene (Beijer TA 100 og InTouch) og slave-pls en. Master- og slave-pls er koblet sammen via Profibus, og master og HMI-panelene er koblet sammen via ethernet. For detaljer på hvordan sending og mottak over Profibus blir satt opp og fungerer se miniprosjektrapporten, avsnitt 5, side 28. Master-PLS programmeres med MELSOFT Series GX Works 2, i type Ladder Diagram. Informasjonsflyt mellom master-pls og slave-pls Til slave-pls Regulatorinnstillinger og parametere Styre magnetventiler på/av Styre pumpe på/av Kvittering på alarmer Fra slave-pls Pådragsverdi fra regulator Nivåmåling Målt vannstrømning ut av tank Status på alarmer 11.2 Oppstart etter strømbrudd (JH) For at Profibus-kommunikasjonen skal starte automatisk etter strømbrudd må man sette utgang Y0 på master PLS høy. Minneadressen SM402 går høy ved første scan etter PLS er satt i run. Denne brukes til å sette Y0 høy etter strømbrudd. Figuren under er hentet fra første linje i PLS programmet i GX Works 2. Figur 11.1 Start av Profibuskommunikasjon 39

41 11.3 Batterimatede dataregister (JH) Vi vil lagre informasjonen som blir sendt fra HMI-panelene i master-pls en ved eventuelle strømbrudd. Dette er for å få reguleringen til å starte igjen automatisk når strømmen kommer tilbake, uten å måtte vente til HMI-panelene sender informasjonen på nytt. For å få til det må informasjonen lagres i batterimatede dataregister. For å definere batterimatede dataregister for master PLS en, i GX Works 2, må man gjøre følgende: I Project-menyen til venstre i programmet velger man Parameter > PLC parameter > Device. I tabellen definerer du Latch Start og Latch End. I vårt tilfelle definerte vi dataregister D3000 til D3200. Nå vil disse være batterimatet Profibus status(øk) Det kan være greit å vite at kommunikasjon mellom Q-PLS og slave-pls er i orden. Profibusmodulen har egene bufferminner som kan leses og fortelle om feil på kommunikasjon. Figur 11.2 Profibus status Det er bits i bestemte bufferminner på profibusmodulen som forteller om status på profibus og kommunikasjon til slaver. I figur 11.2 blir bufferminne 2112 og 2113 lest ut, den første bitten i 2112 forteller om feil dersom det er feil på kommunikasjonen til profibus. I bufferminne 2113 forteller hver enkelt bit om kommunikasjonstatus til hver enkelt slave. I programbiten skrives informasjonen ut på minneceller. 40

42 12 Regulatoren (JFH, AK) Regulatoren skal lages som en funksjonsblokk i slaveprogrammet i GX Works2. Den vil inneholde flere undersystemer som samhandler med hverandre for å få regulatoren til å fungere på den måten vi ønsker. Vi vil ha signaler som er oppgitt i 16 bit, 32 bit og omregnet til prosent. I undertitlene står det referert til hvilken ladder-blokk de forskjellige programsegmentene er hentet fra. Se vedlegg 12 for PLS programmet. Blokken vil ha inngangs signalene sine på venstre side og utgangssignalene på høyre side. Vi velger å gjøre om alle input verdier til 32 bit for å ha en felles plattform inne i blokka slik at vi ikke får noen matematiske problemer med funksjons blokkene. Problemet kan oppstå siden tall området for int er som oftest kun 16 bit (2 byte, til 32767), og det derfor er stor sannsynlighet for at man overskrider det definerte området. Med 32 bit vil man unngå dette, men man er nødt til å huske at det vil bli brukt 2 dataregistre for å håndtere et 32bits ordet. Figur 12.1 Funksjonsblokka til regulatoren 41

43 12.1 Navnsetting (JFH) Vi kommer til å benytte mange forskjellige dataregistre for å kunne håndtere all informasjonen som skal behandles. For å holde styr på hva de forskjellige signalene er og hvor de kommer fra eller går til setter vi en standard nå i starten. Det gjør vi ved å tilføre en Tag etter navnet på de forskjellige signalene. Hvis vi for eksempel tar signalet fra slave1 til master som viser nivået i tanken. Det vil få navnet: Nivå_LT_til_Q Under er en beskrivelse på hva de forskjellige taggene betyr:..._32 Signalet med denne taggen er 32 bit, brukes internt i regulator...._til_q Signalet med denne taggen går fra slave 1 til master PLS en...._fra_q Signalet med denne taggen går fra master PLS en til slave 1...._reg, _rest Disse blir brukt for å indikere variabler internt i regulatoren. I Slave PLS en hvor regulatoren blir plassert blir også verdiene omgjort til 32 bit som tidligere forklart. Her ser du også bruk av taggene. Figur 12.2 Omgjøring fra 16 til 32 bit. 42

44 12.2 Tilordningslister for adresser (AK) Dette er en oversikt over alle adresser og parametre som brukes i PLS programmet. For å holde det litt ryddig og enklere å finne det du ønsker er det delt opp i undergrupper. Etter dialog med gruppen vi deler riggen med kom vi frem til å fordele adresser som brukes i masteren i en øvre og nedre halvdel. Dvs at de starter på null (0) og vi starter på en fornuftig høyere verdi. I slave PLS ene behøver vi ikke å gjøre dette siden de to gruppene senere skal benytte hver sin slave. Minneceller Minnecellene er delt opp i vanlige (M0-M383) og batterimatede (M384-M1535). Dataregistre Vi vil benytte både batterimata (D127-D255) og ikke-batterimata dataregistre(d0-d127). Countere og Timere Counterene vi benytter vil være fra og med C200. Timerene vi benytter vil være fra og med T Digitale signaler inn Dette er digitale signaler fra for eksempel AD omformeren Navn Adresse Datatype Kommentar Samplingstid_Fra_Q D0 Word Samplingstid fra HMI 16 bit PI_P_Fra_Q M0 Bit Valg av P- eller PI-regulering Man_Auto_Fra_Q M2 Bit Valg av manuell/auto modus Dir_Rev_Fra_Q M3 Bit Valg av direkte/reversert modus P_Type_Fra_Q M4 Bit Valg av P-foroverkobling D_Type_Fra_Q M5 Bit Valg av D-foroverkobling PD_Type_Fra_Q M6 Bit Valg av PD-foroverkobling 43

45 Digitale signaler ut Dette er digitale signaler ut av regulator Navn Adresse Datatype Kommentar Pådrag_Til_DA_32 D26 Double word Pådraget ut av regulator u0_rykkfri_32 D14 Double word Signal til master, nominelt pådrag Setpunkt/parametre Dette er variabler som ved endring vil påvirke prosessen. Navn Adresse Datatype Kommentar Kp_Fra_Q_32 D0 Double Word Kp 32 bit verdi Ti_Fra_Q_32 D2 Double Word Ti 32 bit verdi KpFF_Fra_Q_32 D4 Double Word KpFF 32 bit verdi TdFF_Fra_Q_32 D6 Double Word TdFF 32 bit verdi NFF_Fra_Q_32 D8 Double Word NFF 32 bit verdi Samplingstid_Fra_Q_32 D10 Double Word Samplingstid 32 bit u0_fra_q_32 D12 Double Word Nominelt pådrag 32 bit ref_fra_q_32 D16 Double Word Referanse 32 bit Flow_FT_Til_Q_32 D20 Double Word Målt væskestrøm 32 bit Nivå_LT_Til_Q_32 D22 Double Word Målt nivå 32 bit ukm_fra_q_32 D24 Double Word Manuelt pådrag 32 bit 44

46 12.3 Heltallsaritmetikk (JFH) For multiplikasjon og divisjon med heltall generelt i programmet har vi brukt disse reglene fra sanntid. De med flest operasjoner er mer nøyaktige enn de med færre. Høy nøyaktighet gjør oss i stand til å lage en raskere og bedre regulator, men det er noen steder det er bedre å benytte den enklere måten. Ia = a*k, Ib=b*k osv. Multiplikasjon Ia = (Ib/k) Ic + (Ib mod k) Ic Divisjon (to måter) Ia = (Ia/Ic) k + (Ia mod Ib) k Ia = (Ib Ic)/k De justerbare parameterene kommer fra InTouch er multiplisert med en konstant avhengig av hvor stor nøyaktighet vi ønsker å ha på dem. Videre i PLS programmet har vi fulgt disse reglene for multiplikasjon og divisjon. Verdiene med desimaltall i regulatoren som blir multiplisert med en konstant i HMI Kp reg = (int)kp 100 Ti reg = (int)ti 1000 KpFF reg = (int)kpff 100 TdFF reg = (int)tdff 100 Verdiene fra HMI som skal ha verdi fra i regulatoren Nivåmåling = Nivå reg Referanse = ref reg u0 = u0 reg Flowmåling = vk reg 45

47 12.4 Automatisk/Manuell modus LB1 (JFH) Det skal være mulig å skifte mellom manuell og automatisk modus. Parameterene man kan justere på de to modusene er forskjellige og blir beskrevet i mer detalj i neste avsnitt. Dette får vi til ved å ha et signal fra brukergrensesnittet som kan veksle mellom tilstandene Høy og Lav. Høy = Manuell Lav = Automatisk I GXworks2 løses dette ved å sette og resette en variabel. Denne variabelen blir så brukt videre for å kontrollere de interne operasjonene i PID funksjonsblokken. Figur 12.3 Programstruktur for valg av Auto/Hand 46

48 12.5 Samplingsklokke LB3 (JFH) Entank Gruppe 3 For at regulatoren skal sjekke avviket i henhold til referansen på et fast intervall må vi konstruere en klokke som sampler dette. Vi oppnådde dette ved å bruke to timere, en toggle funksjon og utgangene sampling/invers_sampling. Fra brukergrensesnittet får vi et signal samplingstid. Verdien til dette signalet blir dividert på 2 og lagt inn i ett dataregister som får navnet samplingstid_klokke. Den dividerte verdien blir så sendt inn på inngangen TValue på timerene. Tiden det tar begge timerene å telle opp blir da lik samplingstiden. Minnecellen M8002 starter opp samplingsklokken da PLS en settes i RUN. Da settes utgangen Sampling høy. Sampling legger så inn Timeren TC0. Da timeren har gått sin tildelte tid vil TS0 legges høy. TS0 legger inn Invers_Sampling og legger ut Sampling ved hjelp av den konstruerte toggle funksjonen. Ved å ha en invers til samplinga kan vi simulere en firkant-kurve med en positiv og negativ halvdel. I programmet bruker vi utgangen sampling som en positivt flanketrigga bryter. Dette gjør at vi kun sjekker avviket i starten av hver periode, akkurat når sampling går høy. Figur 12.4 Illustrering av samplingspuls Figur 12.5 Programstruktur for samplingsklokken 47

49 12.6 Direkte og reversert modus LB4 (JFH) I oppgaveteksten får vi oppgitt at det skal være mulig å velge mellom å ha regulatoren i direkte og reversert modus, men i utførelsen av oppgaven skal vi kun benytte reversert modus. Prinsippet for reversert modus: Pådraget øker hvis er-verdien er mindre enn skal verdien. Regulator ventilen er plassert før tanken. Avviket = referanse - væskenivå Prinsippet for direkte modus: Pådraget øker når er-verdien er større enn skal verdien. Regulator ventilen er plassert etter tanken. Avviket = væskenivå - referanse For å konstruere disse blokkene bruker vi subtraksjonsblokker på referansen og væskenivået. Differansen mellom disse blir avviket som så blir multiplisert med en konstant og sendt videre inn i den valgte regulatortypen. Figur 12.6 Programstruktur for direkte og reversert modus 48

50 12.7 Rykkfri overgang (bumpless transfer) (AK) Med rykkfri overgang mener vi at vi ikke ønsker stopp eller hakk i programmet når vi bytter fra en type regulering til en annen type regulering, for eksempel fra auto mode til manuell mode. Hvis du har 50% på pådrag på auto mode før du bytter regulering, skal du ha 50% på pådrag på manuell mode etter bytte av regulering. Det samme gjelder motsatt vei. Dette sørger for at man unngår dynamisk avvik når det endres på type regulering Rykkfri PI, P, Man, Auto og manuell LB5 (AK) I overgang mellom auto og manuell, settes referansen lik det målte nivået i tanken og det siste manuelle pådraget legges i variablene u0 og forrige PI-pådrag. I overgangen fra auto- til manuell styring, starter det manuelle pådraget i forrige automatiske pådrag. Dette løser vi ved å ha en inngang PI_P. Valget mellom P- eller PI-regulator avhenger av tilstanden til denne variabelen. Figur 12.7 Programstruktur for rykkfri overgang 49

51 Rykkfri overgang foroverkobling Av/På LB10 (JFH) Ved overgang mellom med og uten foroverkobling vil det kunne oppstå et lite rykk siden foroverkoblingsbidraget legger seg oppå det eksistererende pådraget. Dette løser vi ved å ha en positiv og negativ puls som subtraherer eller adderer det gjeldende foroverkoblingsbidraget avhengig av om vi slår på eller av foroverkoblingen. Figur 12.8 Rykkfri overgang ved foroverkobling 50

52 12.8 Justerbare parametre manuell modus LB13 (JFH) Hvis pådraget skal kunne bli justert i manuell modus betyr jo det at vi må forbikoble regulatoren. En inngang på regulatoren må da være det manuelle pådraget, mens utgangen er pådraget til ADDA. Inne i PLS programmet må da skifting til manuell modus utkoble de andre funksjonene. Dette gjør vi ganske enkelt ved å legge inn en NC kontakt foran alle de andre andre programbitene. Hvis knappen for manuell/auto blir betjent vil da NC bryteren bryte kontakten til de gjeldende programbitene. Figur 12.9 Programstruktur for justerbare parametre 12.9 Justerbare parametre automatisk modus LB6 (JFH) Alle de forskjellige parameterne blir sendt fra brukergrensesnittet ut til ett dataregister. Dette dataregisteret blir sendt videre til PID regulatoren hvor det blir lagret i respektive interne registre. Deretter blir det brukt til interne matematiske operasjonener. Figur Programstruktur for justerbare parametre 51

53 12.10 Foroverkopling av P-, D- eller PD-type LB7-10(JFH) Foroverkopling (feed forward) blir brukt for å motvirke forstyrrelser. En måling fra den viktigste forstyrrelsen sendes til en foroverkoplingsregulator. Denne regulatoren gir et tilleggssignal ut av serieregulatoren. Forstyrrelsen blir her betegnet som v(k). Det må være tre forskjellige valgmuligheter i brukergrensesnittet som angir hvilken type foroverkobling du ønsker å bruke. Ved betjening av en av disse knappene blir det sendt et signal ut til PID regulatoren som deretter fungerer i henhold til den valgte foroverkobling typen. Disse må så være forriglet slik at ved trykk på en knapp blir en annen lagt ut P-Type foroverkobling LB7 En P-type foroverkobling skal reagere proposjonelt med avviket. Bidraget fra P-typen adderes til det orginale pådraget for å bistå dette med forstyrrelsen. Hp ff (s) = Kp ff u(s) = Kp e(s) + Kp ff v(s) u(k) = Kp e(k) + Kp ff v(k) Figur Programstruktur for P-type foroverkobling 52

54 D-Type foroverkobling LB8 En D-foroverkobling skal gi korte støt i pådraget ved endring av forstyrrelsen. Dette motvirker det umiddelbare spranget i nivået. Algoritmen for foroverkobling finner vi ut ifra beregningene under. Hd ff (s) = Kp ff Td ff s 1 Z Td s ff N s T Hd ff (z) = v d (z) v(z) = Kp 1 Z 1 ff Td ff T 1 + Td 1 ff 1 Z N T == Kp ff Td ff (1 z 1 ) NT + Td ff (1 z 1 ) v d (z) (NT + Td ff (1 z 1 ) = v(z)(kp ff Td ff (1 z 1 )) (NT + Td ff ) v d (z) Td ff z 1 v d (z) = Kp ff Td ff N v(z) Kp ff Td ff z 1 v(z) (NT + Td ff ) v d (k) Td ff v d (k 1) = Kp ff Td ff N v(k) Kp ff Td ff N v(k 1) v d (k) = Td ff NT + T dff (v d (k 1) + Kp ff N (v(k) v(k 1)) Fra v d (k)kan vi konstruere en foroverkobling i GXwork som er vist i figuren på neste side. Som du ser ble dette ett større og litt komplisert program segment. Det måtte deles opp i to bilder, men pilen i bildet viser hvor det egentlig skal være koblet sammen. 53

55 Figur Progamstruktur D-type foroverkobling I tillegg til programbiten i forrige figur har vi med denne hvor vi definerer grenseområdet til bidraget fra foroverkoblingen. Figur Maks og min nivå foroverkobling 54

56 PD-Type foroverkobling LB9 For å konstruere en PD-type kombinerer vi bare de to foregående P- og D- typene. Disse adderes sammen for å skape den nye variabelen vpdkff. Upd ff (s) = Hp ff (s) + Hd ff (s) Figur Programstruktur PD-type foroverkopling 55

57 12.11 Regulator type P/PI(JFH) Regulering med P- og PI-regulator og forskjellene mellom disse er beskrevet mer nøye i simuleringsnotatet, men hovedforskjellen er integratorleddet i PI-regulatoren som fører til en jevnere tilnærming mot referansen. Figur Blokkskjema P-regulator Figur Blokkskjema PI-regulator For å velge mellom enten P- eller PI-regulator har vi brukt en minnecelle som enten er høy eller lav. Vi benytter da enten NO eller NC kontakt for å indikere dette. Hvis tilstanden er LAV har vi en P-Regulator. Hvis tilstanden er HØY har vi en PI- regulator. Denne minnecellen er plassert i alle ladder blokker hvor det er noe som påvirker en av regulatorene. I figuren under ser du at P-regulatorens bidrag har NC kontakt, mens PIregulatoren har NO kontakt. Figur Valg av regulatortype 56

58 P- regulator LB11 For denne regulator typen benytter vi en standard likning med litt justeringer for å ta høyde for heltalls aritmetikken som beskrevet tidligere. u(k) = (Kp 100 e(k))/100 + (Kp rest e(k))/100 + u0 I figuren under har vi vist programmet vi laget for P-regulering med og uten foroverkobling. Som du ser her kommer foroverkoblingene av de forskjellige typene inn som variabler, disse variablene og hvordan vi kommer frem til dem blir forklart senere i dokumentet. Figur Programstruktur for P-regulator 57

59 PI-Regulator LB12 PI regulering er en videreutvikling av P regulatoren som har et ekstra integral ledd. Dette integral leddet fører til at det stasjonære avviket blir fjernet ved en flytende tilnærming mot referansen. Det var en litt større utfordring enn P-regulatoren da det er flere operasjoner som skal gjennomføres, men vi kom frem til en likningene under Endring i pådraget fra I-delen duik = duirest km1 + (Kp ek)/tits duirest k = (duirest km1 + Kp ek)%tits uk = u km1 + (kp (ek e km1 ) + dui k )/100 Her regnes det ut hvor mye I-delen skal bidra med. Som du ser benytter vi også resten til I-delens bidrag, dette regnes ut i neste likning. duik = duirest km1 + (Kp ek)/tits Endring i resten til PI-pådraget Figur Endring i bidrag fra I-Delen Pådraget til PI regulatoren vil få en rest, duirest k. Denne blir tatt vare på for å benyttes i beregningene av bidraget til I-del. duirest k = (duirest km1 + Kp ek)%tits Figur Endring i rest til PI pådraget 58

60 Pådrag fra PI-regulatoren Det totale bidraget fra PI-regulatoren. Pådraget i forrige scan (u km1 )adderes med pådraget fra P-delen og pådraget fra I-delen. Verdien fra forrige scan er med for å holde på nivået mens beregningene for det nye scannet gjennomføres. Til slutt deles det på 100 for å fjerne heltallsaritmetikken som beskrevet tidligere. uk = u km1 + (kp (ek e km1 ) + dui k )/100 Figur Pådrag fra PI-regulatoren Maks og min verdier (anti windup) og bidrag fra foroverkobling Pådraget fra PI-regulatoren er nødt til å holde seg innenfor verdiene Uten foroverkobling oppnår vi dette lett ved å sette 0 =< uki =< 255. Ulempen med dette er ved ett nominelt tilleggspådrag, hvis pådraget fra regulatoren er over referansen i PI regulator modus og vi har med et nominelt bidrag vil ikke nivået tilnærme seg referansen siden PI-regulatorbidraget aldri vil bli negativt. Rykkfri overgang til PI regulator setter det nominelle pådraget lik 0, men hvis det justeres manuelt kan man oppleve stasjonære avvik eller i i verste fall altfor høyt pådrag. Hadde vi hatt lenger tid kunne vi løst dette på samme måte som blir beskrevet videre ang foroverkobling. Figur Pådrag fra PI-regulator 59

61 Med foroverkobling er vi nødt til å gjøre det litt anderledes for å få integratoren til å motvirke foroverkoblingsbidraget. Ved en endring i forstyrrelsen vil foroverkoblingen sende en verdi som skal adderes på PI-bidraget. For at PI regulatoren skal kunne motvirke dette for å tilnærme seg referansen må PI-bidraget være negativt. Sett at nivået ligger stabilt på referansen, ved et sprang i væskestrømmen ved for eksempel åpning av alle ventilene, da vil foroverkoblingsregulatoren sende et bidrag for å motvirke spranget. Hvis dette bidraget er stort nok kan det hende du får et positivt stasjonært avvik. Ved å legge den inverse av foroverkoblingsbidraget til bidraget for PIregulatoren vil du få en motvirkende integrator effekt som fører til at nivået igjen tinærmer seg referansen. Figur Endring i pådrag I-del ved foroverkobling 60

62 12.12 Variabler til neste scan LB2 I mange av programsementene skal det utføres beregninger som krever verdier fra forrige scan. Dette oppnår vi ved å legge verdien i nåværende scan inn i en egen variabel for forrige scans verdi. I programbiten under vil du se at vi har skrevet denne variabelen på flere måter. Figur variabler til neste scan Grenseområde pådrag LB14 Dette er den siste delen av funksjonsblokka til regulatoren. Siden reguleringsventilen opererer med signaler i området definerer vi grenseområdet for pådraget innenfor disse rammene. Figur Maks og min pådrag 61

63 13 Antialiasing filter (AK og ØK) I oppgaveteksten ble det presisert at det skulle lages to antialiasing filtre i forbindelse med regulatoren. Det ble dermed laget to 2. Ordens lavpass butterworh-filtre som brukes på målt nivå i tanken og på strømningsmåler i utløpet. Grunnen til at man velger å lage filtre er at det er betydelig støy på signalet. I bunnen av tanken på riggen sitter det en trykktransmitter som måler trykket i tanken for å kunne beregne og gjengi det faktiske nivået i tanken. Vanntilførselen til tanken er øverst og vannet renner rett ned og treffer vannoverflaten i tanken. Dette forårsaker plasking og spruting på og rett under vannoverflaten. Denne plaskingen og sprutingen oppfattes som støy og gjør målingen av nivået vanskelig. Ved å konstruere og lage et filter, kan denne støyen filtreres bort. Da vil man få et mer nøyaktig bilde av tankens nivåmåling. Figur 13.1 Oppbygning av brikken LM358 som ble brukt på begge filterene LM358 er den svarte brikken som sitter på koplingsbrettet. Som figuren illustrerer inneholder brikken to operasjonsforsterkere i tillegg til 8 tilkoblingspunkter. Inngang 8 brukes for å gi spenning til operasjonsforsterkerne og inngang 4 kobles til jord. Tilkoblingspunktene 1-3 brukes til opamp A og tilkoblingspunktene 5-7 brukes til opamp B. 62

64 Figur 13.2 Støymåling nivåsignal Den gule kurven på bildet viser nivåsignalet, med filter innkoblet på linjen til venstre med støy filtrert bort, og filter utkoblet på kurven til høyre, hvor støy ikke filtreres bort 63

65 14 Nivåmåleren (AK og ØK) Nivåmåleren (level transmitter) er en trykksensor i bunnen av tanken, som sender ut signal på 4-20 ma avhengig av hvor mye vann som er i tanken. Dette omgjøres til digitale verdier i AD/DA-omformeren for bruk videre i systemet. Det er i hovedsak nivåmåleren som er plaget med støy fra plaskingen. Dette vises godt i bildet over, der den gule kurven viser at det er mye støy når filteret ikke er koblet inn. Figur 14.1 Støymåling flowsignal Støysignalet ble målt ved hjelp av oscilloskop for å få et bilde av støyet. Over ser vi et bilde av støy på nivåmåleren, målt med oscilloskop. Oscilloskopet ble koblet på riggen, mellom strømsignalet og jord. Strømsignalet blir gjort om til et spenningssignal på 1-5 V i AD/DA-omformerens inngangsmotstand. Dette leses av på oscilloskopet. Gjennom å se etter lave frekvenser og amplituden til de, kan en regne ut en knekkfrekvens. Denne brukes videre til å regne ut komponentverdiene. Det var et krav i oppgaven som ble gitt at filteret brukt på nivåmåleren skulle være et 2. Ordens Butterworth-filter. Under ser vi frekvensrespons for nivåfilteret. Vi ser at ved et 2. Ordens filter synker amplituden med 64

66 40 db per dekade. Ved 1. Ordens filter ville det ha vært 20 db per dekade. Figur 14.2 Frekvensrespons for nivåfilteret Figur 14.3 Filter for nivåmåler 65

67 15 Strømningsmåleren (AK og ØK) Strømningsmåleren (flowtransmitter) måler vannmengden som strømmer ut av tanken. Den sender et strømsignal på 4-20 ma. Støyen på strømningsmåleren er ikke like merkbar som støyen på nivåmåleren. Dette ser vi i Figur 13.2 der den blå kurven viser strømning. Dette resulterer i en noe høyere knekkfrekvens på filteret. I oppgaven var det ikke noe krav om hvilken orden filteret skulle være i, men det ble besluttet å utarbeide et 2. Ordens Butterworth-filter. Strømningssignalet blir filtrert for ikke å få et feil bilde av hva utstrømning er, og videre påvirke utregninger i foroverkoblingsregulator. Figur 15.1 Filter for strømningsmåler Figur 15.2 Andre Ordens filter for nivåmåleren 66

68 16 Regulering av tanken (SB) I Simuleringsnotatet hadde vi prøvd å kartlegge prosessen best mulig, så vi kunne komme fram til parametere som var mest mulig realisisk i forhold til tanken. Vi var likevel forberedt på at vi måtte gjøre endringer siden modellen vår ikke ville stemme helt eksakt med den faktiske tank-riggen. Vi startet med å gjøre målinger og sprang med utgangspunkt i parametene vi fant i Simuleringsnotatet, for så å gjør små endringer for at reguleringen skulle bli mest effektiv i praksis. Selv om vi fikk noen endringer fra utgangspunktet vårt i simuleringen syns vi likevel at de var overraskende bra, og vi forandret ikke så mye på parameterene som vi trodde vi kom til å måtte gjøre. Vi hadde en samplingstid på et sekund da vi kjørte 3-1 spranget med de parameterene vi har funnet. Fra kapittel 4 har vi at vi vil ha en regulator med raskest mulig innsvingningstid til nivået av tanken holder seg innafor ±2% av måleområdet som er fra 0-60cm i tanken. Nivåmåleren er justert slik at 227 bit tilsvarer 100% nivå, altså 60cm høyde i tanken. I bit-verdi vil 2% altså være: bit 4 bit. Og når vi justerte regulatoren etter innsvingningtstid var det altså dette området på 4 bit vi ser etter. Alle disse målingene ble gjort med nivå- og strømningsfilter, og fra realtime-simulering i MATLAB der vi koblet opp OPC-serveren til SIMULINK, slik at vi fikk mer kontroll over grafene enn det vi kunne få fra trendvinduene i HMI-panelet. 67

69 16.1 Innsvingningsforløp med regulatorparametre funnet i Simuleringsnotat. (SB) Figur 16.1 Sprang uten foroverkobling Sprang 3-1 med K p = 3.5 og T i = 60 uten foroverkobling som funnet i Simuleringsnotat. I simuleringsnotatet kom vi fram til disse parameterene for PI-regulator. Som vi ser er innsvingnigsforløpet ok, men ikke helt ideelt. Vi har lite dynamisk avvik, vist i figur 101. I måleren leser vi av dette til 9-bit som er akseptabelt. Vi syns likevel at nivået oscillerer en del rundt referansen og slår seg ikke helt til ro. I kurven for pådraget ser vi at dette vil føre til at reguleringsventilen vil kompansere hardt for dette og jobbe undødig. For å forhindre en ustabil innsvingning valgte vi å ha et litt mindre I-bidrag i PIregulatoren vår, sprang og innsviningsforløp er vist i figur

70 Figur 16.2: Dynamisk uten foroverkobling Samme sprang som i figur 16.1, men med fokus på dynamisk avvik Figur 16.3 Sprang med foroverkobling Sprang 3-1 med K p = 3.5 og T i = 60, og med foroverkobling på K pff = 0.35 som funnet i Simuleringsnotat. Når vi tok i bruk foverkoblingen fikk vi fjernet litt av det dynamiske avviket. Reguleringsvnetilen kompanserte kjappere for spranget men vi ser at det fører til litt undersving. Det dynamiske avviket bikker over 2% grensen der nivået svinger under 69

71 referansen som vi kan se nærmere i figur Dette fører faktisk til at innsvingningsforløpet blir tregere enn tidligere og vi kom fram til at vi burde ha et svakere bidrag fra foroverkoblingen og ha en lavere forsterkning, K pff, i reguleringen for foroverkobling. Figur 16.4 Dynamisk med foroverkobling Samme sprang som i figur 16.3, men med fokus på dynamisk avvik 70

72 16.2 Nye parametre for regulering av tank etter etterjustering (SB) Som vi så i tidligere avsnitt var det rom for forbedringer i reguleringen. Målet var å ha et raskest mulig innsvingningsforløp uten at systemet ble for ustabilt, slik at avviksarealet blir minst mulig. Den tidligere integralvirkningen,,t i, som vi kom fram til i simuleringen var på 60. Etter en del testing og obsevering i MATLAB og SIMULINK kom vi fram til at vi ville beholde K p verdien, men øke T i slik at den ga mindre virkning. Figur 16.5 Innsvigningsforløp med nye parametre Funnet med K p =3.5, og T i =80 uten foroverkobling. 71

73 K p T i Simuleringsnotat Forbedringer for tankrigg Tabell 1: Parametre funnet for PI-regulator etter etterjustering i Simulering og for den reelle tanken. Figur 16.6 Innsvingninsforløp dynamisk Samme sprang som i figur 104, men med fokus på dynamisk avvik Etter finjusteringen vår der vi økte T i til 80 hadde vi et likt dynamisk avvik som tidligere. Det ble en litt tregere innsvingning. Reguleringen tok ca 20 sekunder før den var stabilisert seg med bare et par bits avvik, som er naturlig siden det blir litt støy og uregelmessigheter i en slik prosess. Før finjuseringen da vi hadde en T i på 60 var den litt kjappere, men mer ustabil. Nivået oscillerte kraftigere, noe som vi tydelig kunne se 72

74 på pådraget. Hvis reguleringsventilen konstant må åpne og stenge hele tiden vil dette på sikt føre til økt slitasje, så vi la vekt på at ikke selve reguleringen av nivået skulle gå for mye på bekostning av pådraget og reguleringsventilen. Figur 16.7 Innsvingningsforløp 3-1 Innsvingningsforløp for 3-1 sprang med foroverkobling og parametre funnet for PI-regulator for tankriggen og med en P-foroverkobling med K pff på Her er den endelige innstillinga av PI-regulatoren med foroverkobling. Parameterene for regulatoren ser vi i Tabell 1 med innstillinger for tankrigg. Foroverkoblingen ble nedjustert til 0.16 siden den reagerte litt for sterkt på forstyrrelser forstyrrelser og stresset reguleringsventilen for mye. Som vi ser ble det dynamiske avviket redusert i stor grad. Vi fikk litt undersving, men den var såpas lav, og innenfor grensa på ±2%, så vi fant det akseptabelt. Vi tror dette kan ha noe med selve dynamikken til reguleringsventilen, siden vi syns den regulerer seg inn bedre nedover enn oppover mtp. nivået i tanken.vi leste av det dynamiske avviket til 6 bit, 33% mindre enn 9 bit som vi leste av uten foroverkobling. Det dynamiske avviket kan lettere ses i Figur Det tar ca 15.sekunder før nivået et stasjonært etter spranget med foroverkoblingen. På 73

75 grunn av tregheten i regulatoren tror vi ikke at det er mulig å kunne kompensere noe mer for forovrekoblingen enn dette. Til slutt kom vi altså til følgende verdier for: (og illustrert i Figur 16.7) Serieregulator: K p = 3.5, T i =80 Regulator for foroverkobling: K pff = 0.16 Figur 16.8 Innsvingningsforløp 3-1 dynamisk Samme sprang som i Figur 16.7, men med fokus på dynamisk avvik. 74

76 17 Konklusjon (JH) I dette prosjektet har gruppa oppnådd de viktigste målene som ble satt. Vi har fått til en fungerende regulering av vann-nivået i èn av tankene på tank-riggen ved hjelp av en egenkonstruert regulator. Det har blitt laget to operatørgrensesnitt som kan styre og overvåke prosessen. Det har også blitt laget to anti-aliasing filter for å filtrere bort støy på nivå- og flow-måling. Riggen har blitt testet med tilfredsstillende resultater som man kan se fra vedlagt testskjema. Det har også blitt gjennomført en presentasjon for faglærere og veileder som ble utført uten store problemer. De beste regulatorinnstillingene vi kom frem til for å takle sprang i utløpsventilene er: PI-regulator med P-foroverkopling, Kp: 3.5, Ti: 80, KpFF = 0.16, Samplingstid = 1,0 sekund De største tekniske utfordringene har vært generelt InTouch programmering, heltallsaritmetikken til PLS regulatoren og implementeringen av denne. Vi ser også at vi hadde trengt mer tid eller høyere effektivitet for å få på plass de aller siste målene, som fullstendig bumpless overgang i reguleringen og en eventuell bonusoppgave. I løpet av prosjektet har vi også fått mer erfaring med prosjektstyring gjennom prosjektmøtene, gruppesamarbeidet og planleggingen av prosjektet. 75

77 Vedlegg 1 - Bestillingsliste filter 76

78 Vedlegg 2 - Etterbestilling 77

79 Vedlegg 3: Bestemmelse av komponentverdier til nivåfilter (ØK) Støy: 3 Hz 25 mv Amplitude Oppløsning: 4V = 15.6 mv 255 Knekkfekvens: ω 0 2π 3 ( ) 2 = 14.9 rad/s = 2.37Hz Komponentverdier: C 1 = 1μF C 2 = 2μF 1 R 1 = = 47457Ω 47kΩ 2 (14.9rad/s) 1μF R 2 = 2 = 47457Ω 47kΩ (14.9rad/s) 2μF 78

80 Vedlegg 4: Bestemmelse av komponentverdier til strømningsfilter (ØK) Støy: 50 Hz 50 mv Amplitude Oppløsning: 4V = 15.6 mv 255 Knekkfekvens: ω 0 2π 50 ( ) 2 = 275 rad/s = 27.9Hz Komponentverdier: C 1 = 1μF C 2 = 1μF 1 R 1 = = 4029Ω 2kΩ + 2kΩ 2 (175rad/s) 1μF R 2 = 2 = 8058Ω 3.3kΩ + 4.7kΩ (175rad/s) 2μF 79

81 Vedlegg 5: Tilordningsliste interne signaler (AK) Alt av dataregistre og minneceller som blir brukt internt i regulatoren Navn Adresse Datatype Kommentar T_Var D34 Double Word Samplingstid i millisekunder vk D36 Double Word Forstyrrelse fra flowmåler vpkff D38 Double Word P-bidrag foroverkobling vpdkff D40 Double Word PD-bidrag foroverkobling Vdk1 D42 Double Word D-bidrag VdkFF D44 Double Word D-bidrag foroverkobling ek1 D46 Double Word Avviket i forrige scan u01 D48 Double Word Nominelt pådrag i forrige scan ek D50 Double Word Avviket i dette scan uki_rest_forrige D52 Double Word Resten til bidraget fra I-delen forrige scan pådrag_forrige D54 Double Word Pådraget i forrige scan endring_uki D56 Double Word Endring i bidraget fra I-delen uki_rest D58 Double Word Resten til bidraget fra I-delen uki D60 Double Word 80

82 ukim1 D62 Double Word duirest_km1 D64 Double Word duirest_k D66 Double Word TiTs D68 Double Word dui_k D70 Double Word Vk_reg D72 Double Word ukp D74 Double Word KpFF_reg D76 Double Word Intern KpFF TdFF_reg D78 Double Word Intern TdFF NFF_reg D80 Double Word Intern NFF Kp_reg D82 Double Word Intern Kp Ti_reg D84 Double Word Intern Ti u0_reg D86 Double Word Intern u0 ref_reg D88 Double Word Intern referanse nivå_reg D90 Double Word Intern nivåmåling Ti_Rest D92 Double Word Intern rest Ti kp_rest D94 Double Word Intern rest Kp KpFF_rest D96 Double Word Intern rest KpFF TdFF_rest D98 Double Word Intern rest TdFF NFf_rest D100 Double Word Intern rest NFF u0_rest D102 Double Word Intern rest u0 ref_rest D104 Double Word Intern rest referanse FF_rest D106 Double Word 81

83 T_var_rest D108 Double Word TdFF_Vdk1 D110 Double Word vk_vk1 D112 Double Word Vk1 D114 Double Word Endring_T D116 Double Word Endring_T_km1 D118 Double Word ek_kp D120 Double Word Kp_Ti D122 Double Word 82

84 Vedlegg 6 - Testskjema (ØK og AK) Test: Ethernet Strømbrud d Fungerer ting som det skal dersom Ethernet tas ut? Og når den settes inn igjen? Fungerer ting som det skal etter strømbrudd? Parameterene er de samme som før og regulatoren fortsetter å regulere etterpå? Kommentarer: OK. Fungerer OK Alarmer Profibus: Kommer det alarm i operatørpanel og InTouch? Reguleringen fortsetter? Nivåalarm: Kommer det alarm når nivået avviker mer enn 25% fra referansen? Blinker lampen som den skal? 0,5 sek på og 0,5 sek av. Kritisk nivåalarm: Kommer det kritisk nivåalarm når nivået er over 90% eller under 10%? blinker lampa som den skal? 0,2 sek på og 0,2 sek av. Når alarm kvitteres i operatørpanelet, blir den også kvittert i HMI og motsatt? OK OK. Lampen blinker som den skal. OK. Lampen blinker som den skal. Når det kvitteres i HMI på PC, vises ikke det på operatørpanelet. Motsatt vei fungerer det som det skal. 83

85 Regulator Dersom en alarm utkvitteres når alarmen ennå er aktiv, lyser lampa med fast lys fram til alarmtilstanden er over? Husker systemet alarmen etter at nivået har gått ut av alarmområdet? Lampen fortsetter å blinke? Slukkes lampen når alarmene er kvittert? Ser reguleringen ut til å fungere? Går overgang mellom regulatortyper rykkfritt? P til PI? PI til P? Auto til manuell? Anti-windup:Test ved å stenge alt utløp slik at prosessen blir liggende over referansen en god stund. Reguleres nivået greit inn igjen når ventilene åpnes? Ved sprang fra 3/3 magnetventiler åpne til 1/3 magnetventiler åpne - blir innsvingingnsforløpet av type minimum areal? Er dynamisk avvik tilfredsstillende? Hvordan fungerer regulatoren med OK OK Reguleringen fungerer bra med bruk av de valgte parameterene. Kp var 3,5, lik som den vi fant i simuleringen, Ti måtte økes fra 60 til 80. Innsvingningsforløpet ble veldig likt som i simuleringen. Noe problemer her, det ser ut til at nominelt pådrag blir overskrevet av master-pls. Fungerer tilfredsstillende Fungerer av og til, sannsynligvis en bug. Fungerer ikke Fungerer optimalt OK. Korrekt innsvingningsforløp, dynamisk avvik veldig bra. Det blir merkbart forbedret med P- foroverkobling og PD-foroverkobling. D- 84

86 Pumpe foroverkobling? Blir det bedre regulering? Stopper pumpa når nivået er over 90% i 5 sekunder? foroverkobling gir ikke nevnverdig bedre resultat, men det gir utslag. OK. Stopper. 85

87 Vedlegg 7 - Operatørpanel, monitorvindu 86

88 Vedlegg 8 - Operatørpanel, Alarmvindu 87

89 Vedlegg 9 - Operatørpanel, Historikkvindu 88

90 Vedlegg 10 - Rettighetsoversikt, InTouch 89

91 Vedlegg 11 - Rettighetsoversikt, operatørpanel Entank Gruppe 3 90