Excercise 4 - Jakub Możaryn › wp-content › uploads › 2016 › 02 › AS_laboratory_4.pdfPODSTAWY AUTOMATYKI Components of the stand (Fig. 1) are: tanks Z 1 and Z 2, a pump P

Institute of Automatic Control and Robotics

Faculty of Mechatronics

Automation Systems laboratory

Excercise 4

„Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid”

Autors : PhD. Eng. Danuta Holejko, PhD. Eng. Jakub Możaryn, MSc. Eng. Kacper Malinowski, BSc. Eng. Michał Bezler

Warsaw, 2016

Excercise 4


PODSTAWY AUTOMATYKI

2

Identification of process in control system of level in tank with free outflow of liquid

The aim of the exercise is to determine a mathematical model of the process of the

changes in the liquid level in the open tank, on the basis of experimentally determined static

and dynamic characteristics,. The process of obtaining a mathematical model is called the

identification of the object.

2. DESCRIPTION OF THE PROCESS INSTALATION

Experiments were conducted on laboratory stand presented in Fig. 1.

Controlled process is a change of liquid level in connected tanks Z1, Z2. Fig.5 presents installation diagram.

Depending on the configuration \of the valves V2 and V4 and the use of specially

constructed elastic tube there can be realized process with various properties (see Table 1).

Table 1. Properties of the process depending on the valves configuration.

No. Type of the

process

Valve Valve setup Process

value

1. 1st order lag

system without

delay

V2 Closed

Level H1 V4 Liquid flows directly into tank Z1

2. 1st order lag system with delay

V2 Closed

Level H1 V4

Liquid flows into tank Z1 through

elastic tube W

3. 2nd order lag

system without

delay

V2 Open

Level H2 V4 Liquid flows directly into tank Z1

4. 2nd order lag

system with delay

V2 Open

Level H2 V4

Liquid flows into tank Z1 through elastic tube W

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

3

Figure 1. Installation scheme of the laboratory stand for designing the control system of

the liquid level in a tank.

Description :

Z1, Z2 – tanks,

V1, V3 - manual outflow valves

V2 - manual valve connecting tanks Z1 and Z2,

V4 - threeway valve ,

W- elastic tube,

T0 - transport delay introduced by elastic tube,

VE1- electromagnetic valve to cut-off the outflow from tank Z1.

VE2 - electromagnetic valve to cutt-off the water outflow at the pump plunging.

H1 , H2 - height of the liquid column in tank Z1, Z2,

PV – output signal from the liquid level sensor,

LT1, LT2 – liquid level sensors in tanks Z1, Z2,

Q - output signal from the flow sensor QT (Venturi flowmeter),

P- variable displacement pump,

CV - pump control signal (output signal from PLC controller),

P1, P2 - manual switches of electromagnetic valves to introduce disturbances.

Excercise 4


PODSTAWY AUTOMATYKI

4

Components of the stand (Fig. 1) are: tanks Z1 and Z2, a pump P is controlled by

standard current signal that corresponds to a change of the pump capacity 0 - 6.5 [l / min],

LT1, LT2 are pressure transducers (measuring range 0-500 mmH20) for measuring a liquid

level in each of tanks (H1, H2), W is elastic tube, through which the liquid can flow into the

tank Z1 (it introduces the transport delay to the object). V1, V2, V3, V4 are manually operated

valves, which are used to change the way that liquid flows. There are also two

electromechanical valves (VE1, VE2), used to introduce disturbances into the process. By ZK1

we denote leakage from the tank Z1 (opening the valve VE1), and by ZK2 we denote leakage at pump outlet (opening the valve VE2).

Connection of the tanks is realized by using of shut-off valve V2. The controlled variable

is the height of the column of liquid in the tank Z1 (H1) or tank Z2 (H2). Requirement for a

system is to regulate it to keep at a preset constant value the height of water column despite

the disturbances acting on the object.

Disturbances are changes of the flow at the inlet or outlet of the tanks. These disturbances

are carried out by remote-controlled shut-off magnetoelectric valves VE1, VE2. Opening /

closinf of valves is realized using the P1 and P2 buttons located on the desktop stand. The

valve VE1 induces a step change in flow at the outlet from the tank Z1. It is the fault VE1.

The valve VE2 induces a step change in flow at the inlet to the tank Z1 (ie. liquid drop from the pump). It is the fault VE2.

The control value of the object is a standard signal 4 - 20 mA from the controller Simatic

PLC S7-1200 (Siemens). This signal is converted by a electronic circuit to the voltage signal

0 - 10 V and operate the pump, the output of which varies in the range: 0 - 6.5 l / min at the

inlet to the tank Z1. This pump acts as an actuator in the control system. In addition, a flow

measurement is carried out using a Venturi flowmeter. The flow changes from 0 to 6.5 L /

min causes a pressure difference across the Venturi flowmeter in the range from 0 to 500 mm

H2O. Applied differential pressure transducer converts the pressure difference across the

orifice to a standard signal range of 4 - 20 mA.

Information on the current value of the controlled variable (height H1 or H2 of the liquid

column) is provided by electrical transducers with the range of 0 - 500 mm H2O and the

output signal 4 - 20 mA (measuring the height of the liquid column is carried out using the indirect method by measuring hydrostatic pressure).

Ćwiczenie PA7a



PODSTAWY AUTOMATYKI

5

3.Course of exercise

Identification of the described process will be conducted in the control system presented in the scheme at Fig.6.

Identification of the process will be conducted on the basis of the measurement of the static

characteristics in the full range of possible changes in the controlled variable and the time

response of the process to introduced step input signal for a chosen operationg point selected

from static characteristic. This will be therefore an experiment in which intentional impact on the process will take place through the control signal set by the operator.

Measurements of static and dynamic properties of the object will be carried out in a fixed

set point open control system of liquid level (in manual mode). Static and dynamic properties

would be represented by the relationship between the controlled variable, which is the height

H1 of the liquid column in the tank Z1 processed to a measured signal PV, the control signal

CV and between the controlled variable and the introduced disturbances. These compounds

will be represented by the transfer function of a process Gob (s) and the transfer functions of

disturbances GZ1 (s), GZ2 (s). These transfer functions will represent the dynamic properties in

the vicinity of the operating point of the process.

Excercise 4


PODSTAWY AUTOMATYKI

6

Rys.6. Schemat połączeń elementów układu regulacji poziomu cieczy

W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą:

zespół zbiorników połączonych szeregowo,

sterownik PLC SIMATIC S7-1200 firmy Siemens wraz z modułem wejść/wyjść analogowych wraz z zasilaczem 24V,

panel HMI

komputer stacjonarny

Ćwiczenie PA7a



PODSTAWY AUTOMATYKI

7

3.1.Wizualizacja

Podczas wykonywania ćwiczenia student komunikuje się ze sterownikiem PLC

za pośrednictwem panelu operatorskiego HMI typu SIMATIC KPT600 z dotykowym

kolorowym ekranem.

Na ekranie startowym należy wybrać obiekt Zbiornik i strukturę Jednoobwodową. Po

naciśnięciu przycisku "Start", należy przejść do wizualizacji obiektu poprzez przycisk

"Zbiornik".

Rys. 7. Wizualizacja stanowiska

Następnym krokiem jest przejście do ekranu identyfikacji obiektu (przycisk

„Identyfikacja obiektu”, Rys.8).

Excercise 4


PODSTAWY AUTOMATYKI

8

Rys. 8. Ekran identyfikacji obiektu

Z poziomu tego ekranu możemy zadawać w procentach sterowanie na obu wyjściach

analogowych (w tym obiekcie nie używamy wyjścia analogowego 1).

Wizualizację przebiegów zmian wielkości wejściowych i wyjściowych zrealizowano

na komputerze stacjonarnym wykorzystując oprogramowanie TIA PORTAL. Wygląd ekranu

startowego przedstawia rys. 9.

Rys. 9. Ekran startowy

Ćwiczenie PA7a



PODSTAWY AUTOMATYKI

9

Ekran zawiera informację o wprowadzonej strukturze. Po naciśnięciu przycisku

,,Regulator główny”, przechodzimy do monitora z przebiegami wielkości wejściowych i

wyjściowych (Rys. 10).

Rys. 10. Ekran z przebiegami wartości wyjściowych i wejściowych

Ponad przebiegami jest wykres obrazujący aktywne zakłócenia w postaci wykresu

słupkowego:

- Kolor czerwony – zawór VE1

- Kolor pomarańczowy – zawór VE2

- Kolor zielony - „Skok SP”

- Przycisk Start/Stop pozwala na zatrzymanie lub wznowienie monitorowania przebiegów

- Przyciski „Zwiększ przedział czasu” i „Zmniejsz przedział czasu” pozwalają na

modyfikowanie aktualnie wyświetlanego przedziału czasu w zakresie od 15sek do 16min

- Pola pod polem tekstowym „Oś” pozwalają na wyskalowanie osi Y wykresu. Zwiększanie

zakresu wykonuje się od razu. W przypadku zmniejszania zakresu skala zmieni się

dopiero po pewnym czasie.

Excercise 4


PODSTAWY AUTOMATYKI

10

- Przycisk „Skok SP” pozwala na wygenerowanie zakłócenia w postaci skoku wartości

zadanej wraz z monitorowaniem go na górnym wykresie

- Pole tekstowe obok (obok przycisku "Cofnij") pozwala na wpisanie wielkości

wprowadzanego zakłócenia przyciskiem "Skok SP". Po wprowadzeniu któregoś z zakłóceń,

nie należy zmieniać wartości pola przed resetem zakłócenia (przycisk "Cofnij")

- Przycisk „Cofnij” resetuje zakłócenie wywołane przyciskiem „Skok SP”

W celu wydrukowania wykresu, należy zatrzymać przebieg przyciskiem

START/STOP, wcisnąć na klawiaturze komputera przycisk prtsc, wkleić zapamiętany ekran

do edytora graficznego i wybrać opcję drukowania.

3.2. Identyfikacja eksperymentalna właściwości statycznych obiektu regulacji

Identyfikacja właściwości statycznych obiektu sprowadzać się będzie do pomiaru charakterystyk statycznych obiektu jako związku w stanie ustalonym wielkości regulowanej

od sterowania w pełnym zakresie działających zakłóceń. Charakterystyki te są istotne do

określenia możliwych punktów pracy obiektu i dopuszczalnych sterowań. Charakterystyki

statyczne wykonywane będą dla trzech oddzielnych przypadków:

1. Zawory VE1 i VE2 zamknięte => brak zakłóceń 2. Zawór VE1 – otwarty, VE2 – zamknięty => zakłócenie VE1 3. Zawór VE1 – zamknięty , VE2 – otwarty => zakłócenie VE2.

Wyniki pomiarów należy zamieścić w odpowiednich komórkach tablicy 2.

Każdy z tych przypadków wymaga przeprowadzenia takiej samej procedury, którą przedstawiono poniżej:

a) Sprawdzić położenie zaworów VE1 i VE2 poprzez skontrolowanie stanu przełączników P1 i P2, bądź lampek kontrolnych na wizualizacji komputerowej.

b) Ustawić na panelu HMI sygnał sterujący pompą CV na wartość 0% c) Odczytać i zapisać bieżącą wartość PV poziomu wody. d) Odczytać poziom wody H1 wykorzystując skalę umieszczoną na ściance zbiornika. e) Wykonać punkty od c) do e) zmieniając wartość sygnału sterującego pompą CV

zgodnie z tablicą 2. Procedurę powtórzyć dla kolejnych dwóch przypadków.

.Wyniki pomiarów zamieścić w tablicy 2.

Tablica 2. Wyniki pomiarów charakterystyki statycznej obiektu regulacji

CV[%] 0 20 30 40 50 60 70 80 100

1.

H1[cm]

PV[%]

2.

H1[cm]

PV[%]

3.

H1[cm]

PV[%]

Ćwiczenie PA7a



PODSTAWY AUTOMATYKI

11

3.3. Identyfikacja właściwości dynamicznych obiektu regulacji

Celem identyfikacji będzie określenie parametrów transmitancji zastępczych: obiektu i

zakłóceniowych. Identyfikacja ta zostanie przeprowadzona metodą eksperymentu czynnego w

którym wykorzystano metodę odpowiedzi skokowej generując skokowe zmiany sygnału

sterującego CV i wielkości zakłócających. Metoda ta pozwala na wyznaczenie parametrów

założonej transmitancji obiektu na podstawie prostych konstrukcji graficznych. Z

otrzymanych z badań odpowiedzi obiektu na zakłócenia skokowe określać się będzie

transmitancje operatorową obiektu względem sterowania Gob.(s) , oraz transmitancje operatorowe obiektu G z1.(s), G z2.(s) względem zakłóceń .

3.3.1.Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu regulacji na zmianę sterowania CV (zwiększenie wydajności pompy) w układzie otwartym. Określenie parametrów transmitancji Gob(s)

Badania przeprowadzić stosując poniższą procedurę:

a) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte b) Na panelu HMI ustawić CV=50% c) Odczekać aż PV osiągnie ustaloną wartość d) Zmienić wartość CV z 50% na 60% e) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const f) Zapisać cały przebieg przejściowy na komputerze dobierając odpowiedni przedział

czasu. Zaleca się przyjąć ok. 300 sek.

g) Po zatrzymaniu przebiegu na monitorze przyciskiem STOP, wcisnąć na klawiaturze komputera przycisk prtsc ,wkleić zapamiętany ekran do edytora graficznego i

wydrukować dwie kopie przebiegu przejściowego ( do obróbki wykresu stosując

metodę stycznej (rys.9) i siecznej rys.4).

Excercise 4


PODSTAWY AUTOMATYKI

12

Rys.9. Przykład konstrukcji

graficznej do określania

parametrów transmitancji

operatorowej obiektu

wyznaczonych metodą stycznej

Otrzymany przebieg będzie miał postać jak na rys.9 Zgodnie z rys.9, dla badanego

obiektu można przyjąć model matematyczny opisany transmitancją (2) :

sTe

szT

obk

sCV

sPVsobG

0

1

)(

)()(

(6)

Z zarejestrowanego przebiegu należy odczytać wartości parametrów zastępczej

transmitancji operatorowej obiektu :Tz ,T0, kob. Parametry te należy odczytać stosując metodę stycznej (rys.9) oraz metodę siecznej (rys.4).

Przedstawione transmitancje zostaną zastosowane do doboru nastaw regulatora w układzie regulacji poziomu cieczy w zbiorniku.

3.3.2. Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu dla zakłócenia wywołanego zwiększeniem odpływu cieczy (skokowa zmiana otwarcia zaworu VE1). Określenie parametrów transmitancji zakłóceniowej G z1(s)

Wykonać następujące czynności:

a) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte

b) Na panelu HMI ustawić CV=50%

c) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const.

d) Przełącznikiem P1 (rys.6) wprowadzić zakłócenie VE1

e) Poczekać na ustalenie się poziomu

f) Zapisać cały przebieg przejściowy, który posłuży do wyznaczenia parametrów założonej transmitancji:

sT

esT

k

sf

sPVszG

0

11

11

)(

)()(

(7)

Ćwiczenie PA7a



PODSTAWY AUTOMATYKI

13

f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1. Wg danych katalogowych f = 30.4 %

Na zarejestrowanym wykresie odczytać PV i obliczyć w ten sposób wartość f

PVk

1

3.3.3. Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu wywołanej zmianą otwarcia zaworu VE2 („zrzut” z pompy). Określenie parametrów transmitancji zakłóceniowej Gz2(s)

Należy wykonać następujące czynności:

a) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte b) Na panelu HMI ustawić CV=50% c) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const d) Przełącznikiem P2 (rys.5) wprowadzić zakłócenie VE2 e) Poczekać na ustalenie się poziomu f) Zapisać cały przebieg przejściowy, który posłuży do wyznaczenia transmitancji:

sT

esT

k

sf

sPVszG

0

12

22

)(

)()(

(8)

f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1, wg danych katalogowych f = 30.4 %.

Z zarejestrowanego wykresu odczytać PV i obliczyć podobnie jak w p.3.3.2 wartość k2.

4. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA

Sprawozdanie winno zawierać takie elementy jak: opis przebiegu ćwiczenia ,

schematy, wykresy otrzymane z rejestratora z naniesioną obróbką danych, wykresy wykonane na podstawie pomiarów itp. oraz odpowiedzi na pytania poniżej:

1) Określ parametry transmitancji obiektu stosując metodę siecznej oraz stycznej.

2) Określ przebieg odpowiedzi skokowej obiektu obliczony na podstawie przyjętych transmitancji i dokonaj porównania z przebiegiem rzeczywistym.

3) Narysuj schemat blokowy badanego obiektu regulacji oraz przeprowadź jego analizę.

4) Narysuj charakterystykę statyczną obiektu i przeprowadź analizę właściwości statycznych obiektu,

5) Określ na podstawie charakterystyki statycznej obiektu możliwe punkty pracy układu regulacji

6) Porównaj wartość wzmocnienia obiektu kob otrzymaną z charakterystyki statycznej obiektu oraz z charakterystyki skokowej. Skomentuj otrzymane wyniki.

7) Określ na podstawie schematu blokowego obiektu jaki winien być kierunek działania regulatora w układzie zamkniętym.

Excercise 4


PODSTAWY AUTOMATYKI

14

5. LITERATURA

1.Kościelny W.J.: Materiały pomocnicze do nauczania podstaw automatyki dla

studiów wieczorowych, WPW, 1997, 2001.

2. Węgrzyn S.: Podstawy automatyki. PWN 1980

3. Żelazny M.: Podstawy automatyki . PWN, 1976

Documents

Excercise 4 - Jakub Możaryn › wp-content › uploads › 2016 › 02 › AS_laboratory_4.pdfPODSTAWY AUTOMATYKI Components of the stand (Fig. 1) are: tanks Z 1 and Z 2, a pump P