2015 Forprosjektrapport Gruppe 3 2EA 04.03.2015
Innhold 1 Sammendrag... 1 2 Innledning... 2 2.1 Forord... 2 2.2 Oppgaven... 3 2 Prosjektorganisering... 4 2.1 Oppdragsgiver... 4 2.2 Veileder fra HiST... 4 2.3 Deltakere... 5 2.4 Arbeidslokaler og utstyrstilgang... 11 2. 5 Tids- og kostnadsplan... 11 2.6 Kvalitetssikring og organisering... 11 3 Prosjekter... 12 3.1 Miniprosjekt... 12 3.2 Simuleringsnotat... 12 3.3 Entankprosjekt... 12 3.4 Totankprosjektet... 13 3.5 Tidsskriftartikkel... 13 4 Teknisk del... 14 4.1 Problemstilling... 14 4.2 Anlegget... 14 4.3 Spesifikasjoner... 15 4.3.1 InTouch... 15 4.3.2 Q-PLS med Ethernet- og PROFIBUS-moduler til FX1N_PLS... 15 4.3.3 PLS-program... 15 4.3.4 Webside... 15 4.3.5 Regulatoren i PLS... 16 4.3.6 Antialiasing filter... 17 4.3.7 Krav til innsvingningsforløp... 18 4.3.8 Alarmer... 18 5 Bonusprosjekt... 19 6 Prosjektmål... 20 7 Prosjektgruppen skal... 21
1 Sammendrag Denne rapporten dokumenterer forarbeidet til prosjektoppgaven til gruppe 3 i klasse 2EA, Automatiseringsteknikk ved høgskolen i Sør-Trøndelag, HiST. Karakteren vi oppnår vil telle 40% av sluttkarakteren på semesteret som vil tilsvare 30 studiepoeng. Sammen med veileder Dag Aune, skal vi se på en tankrigg bestående av to separate tanker som skal styres og reguleres av hver sin individuelle PLS (Programmerbar Logisk Styring) og betjenes av et operatørpanel med berøringsskjerm programmert i ix Panel TA100. Vi skal programmere PLSene til å regulere tankene i henhold til kriteriene i oppgaven. Ved å ta i bruk Ethernet som er koplet opp mot PCen, operatørpanelet og en Q-PLS, må vi få hele systemet til å kommunisere med hverandre. QPLSen og de to FX1N-PLSene snakker sammen over PROFIBUS, som er en standard feltbuss som brukes mye innenfor automasjon. 1
2 Innledning 2.1 Forord Ved bruk av denne forprosjektrapporten markerer vi starten på vårt prosjekt i faget Styresystemer og Reguleringsteknikk. Dette er et prosjekt som omhandler prosesstyring av en tankrigg utdelt av Høgskolen i Sør-Trøndelag, HiST. I tillegg til analysering og praktisk gjennomføring skal vi også fokusere på god prosjektstyring, tidsbruk og arbeidsfordeling. Sammen med veileder møtes vi ukentlig for rapportering, konkludering og videre gjennomføring. Dette vil bli vår første gjennomkjøring av et så stort prosjekt og vi er motiverte til å komme i gang med det som vil bli vår hverdag de neste par månedene. 2
2.2 Oppgaven Oppgaveteksten gitt til prosjektgruppe 3 ved avdeling for automatiseringsteknikk HiST er som følgende: Det skal utføres nivåregulering i to forskjellige tanker på en tankrigg av hver sin PLS. Begge PLSene skal betjenes av et operatørpanel montert i et skap i produksjonen. På laben er PLSene og operatørpanelet plassert i tre forskjellige skap i en PLS-rigg. For å realisere dette er PCen, PLSene og operatørpanelet koblet sammen ved hjelp av to datanett. Mellom PC, operatørpanel og en Q-PLS går det et ethernet. Dette nettet er koblet sammen med skolens nettverk ved hjelp av en ruter. Q-PLSen og de to FX1N-PLSene er koblet sammen med et nett av typen PROFIBUS DP. Grensesnittet mellom menneske og maskin, HMIet på PCen skal realiseres ved hjelp av programmet InTouch. Operatørpanelet som er montert og skal brukes er av typen ix Panel TA100 med farge- og berøringsfølsom skjerm. Nivået i hver tank som skal reguleres blir styrt av hver sin individuelle PLS. Dette forsikrer at nivåreguleringen ikke forsvinner selv om det oppstår feil på nettverket. I første omgang er det bare nivået i den ene tanken som skal reguleres - ENTANK-prosjekt. Senere i prosjektet skal det utvides til et TOTANK-prosjekt. Prosjektet skal også ha sin egen hjemmeside med informasjon angående systemet. 3
2 Prosjektorganisering 2.1 Oppdragsgiver Program for Elektro og datateknikk med studiespesialisering automasjonsteknikk ved HiST har i faget Styresystemer og reguleringsteknikk som en del av pensum gitt en prosjektoppgave til alle studenter i faget. 2.2 Veileder fra HiST Dag Aune Telefon: 73559583 E-postadresse: dag.aune@hist.no 4
2.3 Deltakere Erik A. Heggstad [EH] Alder: 25 Tlf: 452 94 277 E-post: Erikheggstad@Gmail.com Arbeidserfaring: Juli 2011 - aug 2012 Serviceingeniør, GK NORGE Okt 2010 - juni 2011 Automatiker, Elektro Bodø Juli 2008 - sept 2010 Automatikerlærling, Bravida Bodø Utdanning: Aug 2013 nåværende Høgskolen i Sør-Trøndelag Bachelor automasjonsingeniør Aug 2012 juni 2013 Høgskolen i Sør-Trøndelag Forkurs til ingeniørutdanning Aug 2005 juni 2008 Bodin videregående skole VK2 automatisering VK1 automasjon Grunnkurs elektro 5
Herman Bråten Romnes [HR] Alder: 21 Tlf: 916 85 345 E-post: Her-rom@online.no Arbeidserfaring: Aug 2014 d.d Mentor Norge Underviser i mattematikk Aug 2012 Aug 2014 Medarbeider Statiol Fuel & Retail Både i Oslo og i Tønsberg Utdanning: Aug 2013 d.d Høgskolen i Sør-Trøndelag Bachelor automasjonsingeniør Aug 2012 juni 2013 Bjørknes privatskole R2, FYS1, FYS2 Aug 2009 juni 2012 Re Videregående skole Realfag med toppidrett fotball Aug 2010 juni 2011 Utvekslingsstudent i USA, Michigan Senior på Caro High School 6
Necati Yayan [NY] Alder: 35 Tlf: 93 28 12 26 E-post: necatiy@student.hist.no Arbeidserfaring: 2009-d.d Palermo Restaurant AS Servitør/Regnskaps medarbeider 2002-2008 Milano Restaurant AS Daglig Leder/Servitør Utdanning: 2013-d.d HIST Bachelor automasjonsingeniør 2011-2013 KVT VGS/ Allmenfag 7
Jonas G. Kalland [JK] Alder: 22 Tlf: 98 42 03 99 E-post: jonasgka@student.hist.no Arbeidserfaring: Aug 2014 - des 2014 Studentassistent, HiST Utdanning: Aug 2013 nåværende Høgskolen i Sør-Trøndelag Bachelor automasjonsingeniør Aug 2008 juni 2011 Byåsen videregående skole Studiespesialisering, realfag 8
Gøran Moksnes Sæther [GS] Alder: 24 Tlf: 466 82 156 E-post: goranms@gmail.com Arbeidserfaring: 06.2010 02.2015: Automatiker Tine Tunga Utdanning: VG1 Elektro, Ole Vig VGS VG2 Automatisering, Malvik VGS VG3 Automatisering, Malvik VGS Fagbrev Automatiker Jan 2012 9
Jens Andresen [JA] Alder: 23 Tlf: 92490774 E-post: jenscca@gmail.com Arbeidserfaring Aug 2014 des 2014 Studentassistent, HiST Utdanning: Aug 2013 nåværende Høgskolen i Sør-Trøndelag Bachelor automasjonsingeniør Aug 2012 juni 2013 Sonans Aug 2007 juni 2010 Gerhard Schøning videregående skole Studiespesialisering, realfag 10
2.4 Arbeidslokaler og utstyrstilgang Prosjektgruppen har ikke et fast rom/kontor, men har hovedsakelig tilholdssted ved HiST, Teknologibygget rom KA GU-401 eller KA GL-315. Prosjektgruppen har fått tildelt en tankrigg for gjennomføring av prosjektet. Denne befinner seg ved Teknologibyggets Automasjonslab rom KA GL-304. Gruppen skal benytte tankrigg nr. 2. og skal deles med en annen prosjektgruppe med tilsvarende prosjekt. Tilgang til utstyret er derfor begrenset og må bestilles på forhånd. 2. 5 Tids- og kostnadsplan Planlagt tidsforbruk for hver deloppgave ligger vedlagt i form av arbeidspakker og gantt-diagram. Det er ikke planlagt med noen vesentlige kostnader på dette prosjektet. Eneste planlagte utgifter vil være komponenter til filteret som skal lages. 2.6 Kvalitetssikring og organisering Vi vil bytte på hvem som har ansvar for å sende ut møteinnkalling og hvem som er møteleder. Disse møtene holdes for å opprettholde god kommunikasjon med veileder under prosjektet. Her vil det bl.a. bli lagt fram statusrapporter for fremdriften i forhold til gantt-diagrammet. Alle dokumenter blir skrevet med Microsoft Office Word, og vil bli lagret på Dropbox slik at alle har tilgang til det som blir skrevet. Endelige versjoner bil bli lagt ut på innleveringsmappene for prosjektet på It s Learning. Det benyttes standardiserte skjemaer for møteinnkalling, møtereferat, testrapporter og delprosjektrapport. 11
3 Prosjekter 3.1 Miniprosjekt Miniprosjektets hensikt er å ha en forsiktig tilnærming til prosjektet, gjennom prøving og feiling. For sakte men sikkert og få opprettet et fungerende system man kan utvide for å bygge entank- og senere totankprosjektet på. Vi skal lage et lite InTouch program som skal virke med en seriekabel som kommunikasjonskanal. Når vi har fått dette til å virke skal vi prøve å få det samme programmet til å virke over Ethernet via Q-PLS og over PROFIBUS-nettet til FX1N-PLSen. Når dette virker er tida inne til å utvide med den andre FX1N-PLSen. Til slutt utvides det hele ved å trekke inn operatørpanelet. For uttesting av regulatordelen i PLSen skal vi også lage en enkel analog simulert prosess. Denne skal koples rett på AD/DA-omformerne til PLSen og brukes til testing av programmet uten at det er nødvendig å ha tilgang til den fysiske tanken. Miniprosjektet skal dokumenteres i egen rapport. 3.2 Simuleringsnotat Simuleringsnotatet skal inneholde den matematiske modellen for nivåregulering av tanken(e) med både serieregulering og foroverregulering. Den skal også innholdet resultatet av simuleringene i MATLAB, Simulink og forslag til regulatorinnstillinger. Simuleringsnotatet skal dokumenteres i egen rapport. 3.3 Entankprosjekt I entankprosjektet skal kun nivået i den ene tanken reguleres. Det er mulighet for å styre nivået i tanken fra PCen (InTouch), operatørpanelet (ix-panel) eller automatisk fra PLSene. Det er viktig at vi oppfyller prosjektkravene når det gjelder styring og regulering av entankprosjektet. Entankprosjektet skal dokumenteres i egen rapport. 12
3.4 Totankprosjektet I totankprosjektet skal også nivået i den andre tanken reguleres, og programmet som ble laget i første deloppgave må dermed modifiseres slik at det kan gjøre nettopp det. Når entankprosjektet er ferdig skal prosjektet utvides slik at HMI, operatørpanelet og PLSene oppfyller prosjektkravene til styring av begge tankene. Det er tre tankrigger, der totankprosjektet skal utføres med en annen gruppe. Totankprosjektet skal dokumenteres i egen rapport. 3.5 Tidsskriftartikkel Gruppen skal også levere en to-siders tidsskriftartikkel om prosjektet. 13
4 Teknisk del 4.1 Problemstilling Oppgaven vår er å regulere nivået i to forskjellige tanker som er koblet på en ferdig montert tankrigg. Tankene skal reguleres med hver sin PLS. Jobben vår blir å sørge for at alle enhetene snakker med hverandre og programmere PLS-programmet. Tank 1 skal reguleres ved hjelp av vanlig PI serieregulator i tillegg til en PD åpen-sløyfe foroverkoblingsregulator. Tank 2 skal reguleres inn kun ved hjelp av en PI lukket-sløyferegulator. 4.2 Anlegget Prosessanlegget som skal benyttes er en tankrigg med to tanker og tilhørende pumper, ventiler og måleutstyr for å gjøre det mulig å regulere nivået i tankene. Tankene er sylinderformede med en diameter på omtrent 10 cm og en høyde på rundt 100 cm. Reguleringen skal foretas ved hjelp av to Mitsubishi FX1N PLSer. Disse skal kommunisere med en master Q-PLS over PROFIBUS som igjen kommuniserer over Ethernet videre til InTouch HMI i PC og til et touchpanel av typen Beijer IX TA100. 14
4.3 Spesifikasjoner 4.3.1 InTouch Programmet InTouch skal benyttes til å lage brukergrensesnittet på PC opp mot prosessen. I dette prosjektet skal det lages ett eller flere skjermbilder for å kunne styre og overvåke de to tankene. Et av skjermbildene skal inneholde et prosessbilde der det skal komme fra informasjon om nivået i tankene, pumpens tilstand, pådrag og alarmtilstander. En viktig del av InTouch-programmet vil være å legge in restriksjoner som gjør at ikke alle operatører kan gå inn å endre å alle verdiene. De skal ha muligheten til å endre variable ut i fra hvilket nivå de er innlogget på. Vi oppretter tre passordlåste brukere med forskjellig grad av tilgang til systemet. Bruker 1 har alle rettighetert, denne brukeren er ment for «ingeniøren» i prosjektgruppa. De to andre brukerene har begrenset tilgang til å gjøre endringer på systemet. De skal ha muligheten til å f.eks. kvittere alarmer, lese av nivå i tanken og endre referansenivået. Via InTouch skal vi kunne overføre verdier direkte til en utgang i PLS. Det skal også kunne skrives inn heltall i InTouch som skal overføres til PLS, operatørpanel og DA-omformeren. 4.3.2 Q-PLS med Ethernet- og PROFIBUS-moduler til FX1N_PLS Q-PLSen i dette prosjektet vil kun bli brukt som et bindeledd mellom Ethernet og PROFIBUS-nettet. Den er derfor bare utbygd med en Ethernet-modul og en PROFIBUS DP-modul. Q-PLSen skal ettes opp for kommunikasjon over PROFIBUS-nettet, der PROFIBUS-modulen skal være master og de to FX1N-PLSene skal være slaver. 4.3.3 PLS-program PLS-programmet skal fungere som en PI-regulator med PD-foroverkobling på inkrementell form. En viktig del av programmet vil være å sørge for at nivået i tanken reguleres rett ved strøminnkobling etter strømbrudd. 4.3.4 Webside Det vil bli opprettet en webside for prosjekt. På websiden skal gruppa og prosjektet presenteres på en enkel møte. Gruppa vil kontinuerlig legge ut filer og informasjon under prosjektets gang. Vi får tildelt adressen: www.hekta.org/~p2ea3 som vår hjemmeside. 15
4.3.5 Regulatoren i PLS PLS-programmet skal fungere både som P- og PI-regulator. Siden det også er en forstyrrelse i tanken skal det vær mulighet for å velge foroverkopling. Foroverkopling er i hovedsak brukt til å hjelpe reguleringen der vi har forstyrrelser. Ved foroverkopling skal det også vær mulighet for å velge enten P-, D- eller PD-type. Det er krav om rykkfri overgang (bumpless transfer) ved skifte av regulatortype. Den skal ha både direkte og reversert modus. Det skal også være mulig å sette regulatoren i manuell modus i tillegg til den automatiske. Overgangen mellom manuell og automatisk modus skal også foregå rykkfritt. Følgende parametere skal kunne justeres i regulatoren: Proporsjonal forsterkning Integrasjonstid Nominelt pådrag Referanse Samplingstid Auto/manuell Følgende parametere skal kunne justeres i foroverkoplingen: KpFF TdFF NFF Denne regulatoren skal programmeres i GX Works 2, og her vil det bli brukt subsystemer for å gjøre det enklere, mer oversiktlig og brukervennlig. Et subsystem kan bestå av et lite program (i vårt tilfelle regulatoren) som man gjør om til en blokk, hvor man selv lager innganger og utganger etter hva som er behovet til regulatoren. 16
4.3.6 Antialiasing filter Det skal dimensjoneres to filter i forbindelse regulatoren. Det ene filteret skal være av 2. orden og brukes på målt nivå i tanken. Det andre filteret skal brukes til målt utløp av tanken. Filtrene lages med brikken LM358 som inneholder to operasjonsforsterkere (Se figur 2). Vi bruker et spenningsbasert filter i dette prosjektet og det kan være utfordrende å sette det inn i ei strømsløyfe som leverer 4-20 ma. Strømmen må først gjøres om til ei spenning i område 1-5 V, det gjøres ved hjelp av en 250 motstand. Deretter sender vi ut 1-5 V fra filteret som går inn på AD-omformeren til PLSen hvor vi på nytt har koplet inn en 250 motstand, slik at signalet nå er tilbake til 4-20 ma igjen (Se figur 3). Figur 2 Figur 3 17
4.3.7 Krav til innsvingningsforløp Regulatoren skal justeres inn så det blir et innsvingningsforløp av typen minimum areal når nivået er stabilisert seg uten stasjonært avvik med referanse på 60 % og det kommer et sprang i utløpet fra ca. 3/3 utløp (dvs. alle tre magnetventiler åpne) til ca. 1/3 utløp (dvs. en magnetventil åpen). I tillegg skal det være rasket mulig innsvingningstid til nivået av tanken holder seg innenfor ± 2 % av måleområdet. Det dynamiske avviket skal være minst mulig. 4.3.8 Alarmer Dersom nivået avviker mer en 25% fra referansen skal det gå alarm (25% av totalt måleområdet). Hvis det absolutte nivået overstiger 90% eller går under 10% skal det gå kritisk alarm. Ved vanlig alarm skal ei varsellampe på tanken blinke med ½ sekund på og ½ sekund av. Dersom det går kritisk alarm skal blinkefrekvensen øke til 0,2 sekund på og 0,2 sekund av. Pumpen i tanken skal også stoppes automatisk ved alarm. Hvis alarmen blir kvittert ut fra operatørpanelet eller InTouch (skjermstyringen/hmi), men alarmtilstanden fortsatt er tilstede, skal lampa ha fast lys. Går alarmtilstanden tilbake til normal skal lampa slukke. Dersom prosessen går ut av alarmtilstand uten at alarmen er kvittert skal lampa blinke inntil alarmen er kvittert. Det er lagt inn en hysterese på fem sekunder på alle alarmtilstander, det vil si at alarmer som varer mindre enn fem sekunder skal ikke utløse alarm. 18
5 Bonusprosjekt Dersom prosjektet går mot slutten, og vi føler at vi har god tid samt kontroll på det meste, vil vi forsøke å gjennomføre en bonusoppgave. Da ønsker vi å regulere væskenivået i tanken på en alternativ måte, vha. en frekvensomformer. Dette er bonusoppgave 4, og ble valgt og vedtatt på planleggingsmøtet den 25. Februar 2015. Hensikten med dette blir å lære hvordan man kan benytte ulike pådragsorgan for å regulere samme prosess. Pådraget u (4-20mA) skal sendes til en frekvensomformer, som igjen skal styre hastigheten til pumpa. Dette istedenfor å regulere på innløpsventilen med konstant pumpetrykk som hovedoppgaven tilsier. Reguleringsventilen skal i bonusoppgaven fungere som en manuell ventil med 100 % åpning. Frekvensomformeren som skal benyttes er av typen «Danfoss VLT Serie 2800» og kommunikasjon skal skje vha. PROFIBUS. Dette er en oppgave vi ønsker å utføre, men det er viktig å påpeke at vi må holde oss innenfor tidsskjemaet for å den gjennomført. Den endelige avgjørelsen om bonusarbeidet skal droppes eller ikke, tas i samråd med Dag på møte onsdag 22/4. 19
6 Prosjektmål Vårt hovedmål med prosjektet er å bygge opp et reguleringssystem som skal regulere væskenivået i en tank på en tilfredsstillende måte i henhold til ulike krav gitt i prosjektoppgaven. Prosjektet (i likhet med automatiseringsfaget) strekker seg over mange ulike felt. Dermed er det naturlig å ha flere delmål underveis for å kunne oppnå hovedmålet mot slutten av prosjektet. Det aller første delmålet blir å danne seg en forståelse av hvordan kommunikasjonen til et reguleringsanlegg fungerer. Dette vil vi oppnå ved å utføre miniprosjektet som går ut på å opprette kommunikasjon mellom InTouch, operatørpanel og 2 stk. PLS. Videre delmål blir blant annet å få anvendt lært teori innenfor de forskjellige emnene i faget Styresystemer, lære om prosjektstyring og gruppearbeid, lære om rapportskriving, og tilslutt øve på å presentere et ferdigstilt resultat. I tillegg vil vi lære å bruke ulik programvare underveis i prosjektet. Innenfor prosjektstyring er planlegging og arbeidsfordeling to viktige punkt. Dette for å effektivisere utførelsen samt. Ha en konkret plan på hvem som gjør hva, og når ulike arbeidsoppgaver skal utføres. Gjennom disse delmålene vil vi lære hvordan arbeidsstrukturen i et prosjekt fungerer, og i tillegg utvikle en helhetlig forståelse for hvordan hele prosessen med tilhørende komponenter fungerer og jobber sammen. 20
7 Prosjektgruppen skal Sette opp kommunikasjonsforbindelse mellom komponentene som inngår i prosessen. (Miniprosjekt). Dvs. opprette forbindelse mellom operatørpanel, InTouch og begge PLSene, slik at hver enkelt enhet "snakker" med hverandre. (Miniprosjekt). Utvikle et PLS-program med en regulator. PLS-programmet skal utvikles og dokumenteres i henhold til spesifikke krav gitt i "Dokumentasjon av PLS-program"-fila som ligger på It's Learning. Lage et brukergrensesnitt til operatørpanelet som gjør det mulig å styre reguleringsprosessen samt logging av verdier skal kunne leses av her. Utvikle en hjemmeside som kan brukes til å lese prosessens tilstand. Overholde krav og kriterier gitt av kunde/oppgave. Overholde en fornuftig arbeidsmengde på under 320 timer per student. Komplettere en forprosjektrapport som skal leveres og presenteres i prosjektmøte 4. mars 2015. Skrive ulike rapporter som; miniprosjektrapport, en tankprosjektrapport og totankprosjektrapport. Skrive et arbeidsnotat som skal inneholde; matematisk modellering, simulering i Matlab, reguleringsstrategi samt forslag til reguleringsinnstillinger. Skrive en tidsskriftartikkel hvor reguleringsprosessen skal fremstilles på en slik måte at enhver ufaglært person skal kunne lese og forstå innholdet. Skrive, tegne og lage all relevant dokumentasjon til prosessen. Dersom vi holder oss innenfor vår egen tidsramme mener vi å kunne begynne på en bonusoppgave. Vi vil da regulere prosessen vha. en frekvensomformer istedenfor reguleringsventilen. Se pkt. 6. Ferdigstille prosjektet innen tidsfristen tirsdag 12. Mai 2015. 21
8 Vedlegg Gantt-diagram Personlige målsettinger Arbeidspakker 22