Krzysztof Pietrusewicz
Algorytmy regulacji procesów ciągłych i dyskretno-ciągłych w sterownikach programowalnych

brak obrazka

Książka jest kierowana przede wszystkim do studentów kierunków automatyka i robotyka, elektronika i telekomunikacja w specjalnościach, związanych z cyfrowymi systemami sterowania, jak również mechatronika.
Przedstawione w niej informacje mogą posłużyć

Preloader

Norma „IEC 61131-3: Programming Languages” porządkuje wszystkie informacje, zalecenia, zasady programowania sterowników PLC.
Wymienione w niej i opisane szczegółowo języki programowania służą od wielu już lat inżynierom – automatykom na całym świecie do budowy układów sterowania maszyn i rozmaitych urządzeń, z jakimi na co dzień spotykamy się w aplikacjach przemysłowych.
Od prostego sterowania procesami dyskretnymi po złożone wielowymiarowe instalacje sterujące procesami produkcyjnymi.
Od pewnego czasu, wraz z rozwojem technologicznym urządzeń sterujących, zauważalny jest wzrost zainteresowania coraz bardziej zaawansowanymi funkcjami sterowania i regulacji automatycznej.
Pośród rozmaitych algorytmów regulacji spotykanych w aplikacjach przemysłowych niezaprzeczalnie dominuje algorytm proporcjonalno-całkująco-różniczkujący (ang. Proportional Integral Derivative – PID).
O nieustającym zainteresowaniu problematyką projektowania, identyfikacji dla potrzeb strojenia regulatorów PID oraz ich strojenia świadczyć może znacząca liczba dostępnych obecnie na rynku publikacji. Do niedawna w rozwiązaniach przemysłowych regulatory PID dostępne były jedynie w formie rozwiązań autonomicznych regulatorów mikroprocesorowych. Wprowadzenie algorytmu PID do listy funkcji sterowników programowalnych PLC wywołane zostało rosnącymi potrzebami użytkowników, którzy chcieli, aby sterowniki poza prostymi operacjami sterowania dyskretnego umożliwiały jednoczesną regulację poziomu cieczy, temperatury, ciśnienia, czy prędkości obrotowej.
Poza prostymi algorytmami regulacji automatycznej badacze opracowują również algorytmy coraz bardziej złożone, zarówno pod względem złożoności obliczeniowej, jak i ilości informacji, stosowanych do wypracowywania prawa sterowania.
Część z tych algorytmów zaimplementowano już z powodzeniem w ramach funkcji (bloków funkcyjnych) rozmaitych modeli urządzeń sterujących. W pracach, poświęconych tematyce układów regulacji MFC omówiono bardzo szczegółowo nowy sposób odpornej (niewrażliwej na zmiany parametrów sterowanego procesu oraz na zmienne zewnętrzne zakłócenia) regulacji PID, o dwóch stopniach swobody.
Jest to jeden z wielu przykładów algorytmów o dużym potencjale zastosowania w aplikacjach przemysłowych, co zostało udowodnione w wielu pracach autora.
W ciągu kilku ostatnich lat zarówno polski jak i światowy rynek sterowników PLC rozwijały się bardzo dynamicznie. Z jednej strony funkcje i możliwości oferowanych przez producentów modeli ciągle rozszerzają się, z drugiej zaś potrzeby aplikacji i umiejętności nowych pokoleń automatyków – programistów PLC rosną z każdym nowym rokiem.
Zakres aplikacji, w których zastosowanie mają sterowniki PLC jest bardzo szeroki. W książce przedstawiono wyniki badań rynku sterowników programowalnych przeprowadzanych w Polsce oraz Stanach Zjednoczonych od roku 2004. Pośród istotnych wskaźników, odzwierciedlających galopujący postęp technologiczny jest liczba języków programowania, w jakich programista może zrealizować zadania sterowania przewidziane specyfiką procesu.
Do pozostałych zaliczyć można m.in. zakres aplikacji, do jakich zastosowanie mogą mieć sterowniki PLC.
Norma IEC 61131-3 definiuje następujące języki programowania sterowników PLC:
– język listy instrukcji IL (ang. Instruction List),
– język schematów drabinkowych LAD (ang. LAdder Diagram),
– język schematów funkcjonalnych SFC (ang. Sequential Function Chart),
– język bloków funkcyjnych FBD (ang. Function Block Diagram),
– język tekstu strukturalnego ST (ang. Structured Text).

Z kolei o umiejętnościach inżyniera-programisty PLC świadczyć może w pewien sposób (choć nie jest to warunek) liczba języków programowania PLC, jakimi posługuje się na co dzień.
W książce pokazano m.in., jak od roku 2004 kształtuje się znajomość języków programowania PLC pośród użytkowników w Polsce i USA.
Każdy z języków obecnych w normie IEC 61131-3 ma swoje korzenie i może być stosowany do realizacji różnego rodzaju zadań sterowania. Złożone obliczenia znacznie łatwiej jest oprogramować z użyciem języków tekstowych wysokiego poziomu (jak ST, czy znany doskonale z komputerów osobistych ANSI C) aniżeli za pomocą bloków funkcyjnych czy języka schematów drabinkowych (FBD, LAD).
Coraz istotniejsze na rynku PLC mają języki dedykowane wybranych producentów. Stanowią one z reguły tekstowe odpowiedniki języka ST, jednakże zwykle dużo prostsze w składni, przez co wygodniejsze i wydajniejsze w użytkowaniu.
Z wielu opracowań, dostępnych również w Internecie, wynika, że wśród inżynierów-automatyków najpopularniejszym językiem jest właśnie LAD. Jest to dość oczywiste, gdyż wszystkie aktualnie dostępne na rynku modele PLC umożliwiają tworzenie aplikacji sterowania z jego pomocą.
W niniejszej pracy zaprezentowano możliwości, jakie rysują się przed użytkownikami, jeżeli tylko zechcą sięgnąć po modele sterowników, pozwalające tworzyć aplikacje, funkcje, bloki funkcyjne z użyciem języków tekstowych wysokiego poziomu. O ile dla inżyniera – automatyka – programisty możliwość tworzenia aplikacji w języku ST czy ANSI C (coraz częściej obecnego w modelach PLC, nie zdefiniowanego jednakże w normie IEC 61131-3) może wydawać się mało interesująca, o tyle na etapie tworzenia nowych bloków funkcyjnych, realizujących implementacje rozmaitych (nawet bardzo złożonych) regulatorów, wydaje się być bezkonkurencyjna.
W jednym z rozdziałów przedstawiono bardzo szczegółowo implementacje kilku algorytmów regulacji automatycznej z użyciem języków tekstowych wysokiego poziomu. Pośrednim bowiem celem niniejszej książki jest pokazanie, jak wiedza naukowa może zostać zastosowana i wykorzystana przez programistów PLC.
Droga od pomysłu na algorytm sterowania do jego implementacji w urządzeniu sterującym czasu rzeczywistego nie jest krótka. Badania nad nowymi sposobami sterowania znacznie przyspieszają narzędzia (programy komputerowe) przeznaczone do prowadzenia badań symulacyjnych (w formie schematów blokowych). Dzięki nim możliwe jest:
– modelowanie obiektów regulacji w formie schematów blokowych,
– modelowanie regulatorów,
– testowanie nowych koncepcji poprzez symulację komputerową działania układu,
– rejestrację i późniejszą analizę uzyskanych podczas symulacji wyników.

Z zagadnieniem badań nad nowymi algorytmami sterowania nierozerwalnie związane jest pojęcie ich szybkiego prototypowania – sprawdzania w warunkach rzeczywistych. Wraz z rozwojem przemysłowych systemów sterowania na rynku zaczęły pojawiać się narzędzia, dzięki którym czas wdrożenia nowego algorytmu od momentu jego testowania w warunkach symulacyjnych znacznie uległ skróceniu, w porównaniu do stanu z lat poprzednich.
Modelowanie złożonych procesów jest kwestią kluczową podczas projektowania każdego systemu (algorytmu) sterowania. Dobry, z punktu widzenia projektowania układu sterowania, model to ten, który jest na tyle złożony, aby odzwierciedlać najważniejsze cechy obiektu (własności dynamiczne, statyczne, wpływ zakłóceń czy nieliniowości). Z drugiej strony model musi być na tyle prosty, by z jego pomocą i z użyciem znanych metod syntezy układów regulacji wypracować nieskomplikowaną zależność opisującą prawo sterowania obiektem rzeczywistym.
Większość współcześnie znanych i wykorzystywanych metod projektowania układów regulacji związanych jest ściśle z układami ciągłymi. Wtedy zarówno proces jak i regulator modelowane są z użyciem równań różniczkowych. Okazuje się jednak, że w praktyce przemysłowej spotyka się wiele procesów, dla których nie istnieją modele wykorzystujące układy równań różniczkowych (czy różnicowych w przypadku opisu w czasie dyskretnym). Procesami takimi mogą być np. rozproszone systemy sterowania sieciowego.
Podejście stosowane w teorii układów hybrydowych (dyskretno – ciągłych) dostarcza szeregu wygodnych narzędzi modelowania układów z szerokiego spektrum aplikacji przemysłowych:
a). układy mechaniczne – ciągły ruch może zostać zakłócony, np. przez wystąpienie zdarzenia – kolizji;
b). układy elektryczne – ciągłe zjawiska, takie jak np. ładowanie kondensatorów, sterowane są poprzez dyskretne załączanie/wyłączanie źródeł;
c). układy sterowania procesami chemicznymi – ciągła ewolucja reakcji chemicznych sterowana jest za pomocą szeregu zaworów i pomp;
d). komputerowe systemy sterowania – cyfrowe (mikroprocesorowe) układy sterowania współdziałają z obiektami za pośrednictwem przetwarzanych sygnałów analogowych.

Ogólnie, układami hybrydowymi nazywa się dowolne systemy, na których dynamikę składają się elementy dynamiki ciągłej jak i dyskretnego działania, zależnego od występujących w układzie zdarzeń (ang. Discrete Event Systems). W niniejszej pracy zostaną przedstawione narzędzia modelowania i symulacji układów hybrydowych (dyskretno-ciągłych), jak również opisane i pokazane na przykładach możliwości ich implementacji w urządzeniach sterujących czasu rzeczywistego.
W podsumowaniu można dodać, że książka ta kierowana jest przede wszystkim do studentów kierunków automatyka i robotyka, elektronika i telekomunikacja w specjalnościach, związanych z cyfrowymi systemami sterowania, jak również mechatronika.
Przedstawione w niej informacje mogą posłużyć zarówno podczas kursów poświęconych sterownikom programowalnym PLC oraz w tych, poruszających problematykę szybkiego prototypowania układów regulacji.
Rosnące w ostatnich latach zainteresowanie algorytmami regulacji w sterownikach PLC sprawia, że inżynierowie poszukujący nowych możliwości również znajdą tutaj wiele ciekawych informacji. Wydaje się bowiem (i nie jest to tylko zdanie autora niniejszej książki), że przyszłość sterowników PLC silnie związana jest z ich możliwościami co do programowania z użyciem języków tekstowych wysokiego poziomu.
Niniejsza książka kierowana jest również do pracowników naukowych, dla których przedstawione w niej narzędzia potencjalnie mogą pomóc w organizacji i rozbudowie własnego warsztatu pracy.