regulacija in kontrola temperature na napravah za … · regulacijo bomo izvedli s pid...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Jožef Petelinek

REGULACIJA IN KONTROLA TEMPERATURE NA NAPRAVAH ZA TERMIČNO OBDELAVO

Diplomska naloga

Maribor, september 2013

Stran II Naslov diplomskega dela

REGULACIJA IN KONTROLA TEMPERATURE NA

NAPRAVAH ZA TERMIČNO OBDELAVO

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

Študent: Jožef Petelinek Študijski program: univerzitetni, Elektrotehnika Smer: Elektronika Mentor: doc. dr. Iztok KRAMBERGER Somentor: dr. Marko KOS

Regulacija in kontrola temperature na napravah za termično obdelavo Stran III

II Regulacija in kontrola temperature na napravah za termično obdelavo

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju, doc. dr. Iztoku Krambergerju za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem somentorju, dr. Marku Kosu. Hvala tudi Tadeju Buhu, za napotke pri izdelavi programa.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij.

Regulacija in kontrola temperature na napravah za termično obdelavo III

REGULACIJA IN KONTROLA TEMPERATURE NA NAPRAVAH ZA

TREMIČNO OBDELAVO

Ključne besede: regulacija, PID regulator, programmable logic controller (PLC), operacijski panel (OP).

UDK: 621.38(043.2)

Povzetek

Namen diplomskega dela je prenova in poenostavitev sistema regulacije in kontrole temperature

popuščne peči na kalilni liniji. Glavni elementi prenove so izdelava krmilnega programa, ki

nadzoruje in regulira temperaturo v peči in uporabniškega vmesnika, preko katerega uporabnik

nastavlja delovanje peči ter shranjuje in kontrolira temperaturo peči. Regulacija sodi v področje

vodenja procesov, za vodenje tega procesa, pa smo uporabili proporcionalno-integrirano-

diferencialno regulacijo ali krajše PID regulacijo. Bistvo PID regulacije je pravilna nastavitev

parametrov regulacije. Program regulacije izvaja Siemensov PLC napisan v programskem jeziku

STEP 7. Uporabniški vmesnik na operacijskem panelu omogoča preprosto nastavljanje vseh

želenih parametrov,prikazuje stanje posameznih con v peči in omogoča shranjevanje arhiviranih

vrednosti temperatur v posamezni coni.

IV Regulacija in kontrola temperature na napravah za termično obdelavo

TITLE OF THE THESIS

Key Words: regulation, PID regulator, programmable logic controller (PLC), operation panle (OP)

UDK: 621.38(043.2)

Abstract

The purpose of the thesis is a renovation and simplification of the regulation system and

temperature control of tempering furnace on hardening line. The main elements of the

renovation are making control program that monitors and controls the temperature in the

furnace and making the user interface, with which user manages the furnac, stores and

controls the temperature of the furnace. Regulation is one of the process management

scope and to manage this process, we used a proportional-integrated-differential control

or shorter PID control. The whole point of the PID control is the correct setting of control

parameters. The control program runs on Siemens PLC and is written with a STEP 7

programming language. The user interface on the operating panel makes it easy to set all

desired parameters, it shows the status of individual zones in the furnace and it enables to

store the archived values of temperatures in each zone.

Regulacija in kontrola temperature na napravah za termično obdelavo V

VSEBINA

1 UVOD ............................................................................................................................ 1

2 OSNOVE REGULACIJE .............................................................................................. 3

OBJEKT VODENJA – PROCES ........................................................................................ 3 2.1

NAČELO REGULACIJE .................................................................................................. 4 2.2

REGULACIJA ............................................................................................................... 6 2.3

PID REGULACIJA ........................................................................................................ 8 2.4

2.4.1 Proporcionalni člen P ........................................................................................ 8

2.4.2 Integralni člen I .................................................................................................. 9

2.4.3 Primerjava PID regulacije z drugimi vrstami regulacij ................................... 11

3 PREGLED NAPRAVE ZA REGULACIJO IN KONTROLO TERMIČNE

OBDELAVE ........................................................................................................................ 12

4 NAČRTOVANJE IN IZVEDBA TEMPERATURNE REGULACIJA TER

KONTROLE ZA TERMIČNE NAPRAV .......................................................................... 15

STROJNA OPREMA ..................................................................................................... 15 4.1

4.1.1 PLC 6ES7 313-5BE01-0AB0 .......................................................................... 15

4.1.2 Analogni vhodni modul 6ES7 331-7KF02-0AB0 ........................................... 17

4.1.3 Operacijski panel SIMATIC HMI TP700 comfort panel ................................ 18

4.1.4 Termoelement .................................................................................................. 19

4.1.5 Uporovni temperaturni odjemnik .................................................................... 21

PROGRAMSKA OPREMA ............................................................................................. 23 4.2

4.2.1 Portal TIA in Siemensovo razvojno okolje STEP 7 ........................................ 23

4.2.2 MPI .................................................................................................................. 25

IZDELAVA ................................................................................................................. 25 4.3

PROGRAM ................................................................................................................. 26 4.4

UPORABNIŠKI VMESNIK ............................................................................................ 30 4.5

5 MERITVE IN REZULTATI ....................................................................................... 36

6 SKLEP ......................................................................................................................... 40

7 VIRI ............................................................................................................................. 42

8 PRILOGE .................................................................................................................... 44

VI Regulacija in kontrola temperature na napravah za termično obdelavo

SEZNAM SLIK

Slika 2.1 Fizikalne povezave med procesom in okolico ....................................................... 3

Slika 2.2 Blokovna shema modela procesa z več vhodi in izhodi ........................................ 4

Slika 2.3 Blokovna regulacijska shema ................................................................................. 5

Slika 2.4 Shema celotnega regulacijskega kroga .................................................................. 6

Slika 2.5 Časovni potek izhodne veličine ............................................................................. 8

Slika 2.6 Odziv regulacije PID na stopnico ........................................................................ 10

Slika 2.7 Vpliv posameznih delov odziva na stopnico ........................................................ 11

Slika 3.1 Linija kalilne peči Kraft ....................................................................................... 12

Slika 3.2 Temperaturno časovni diagram kaljenja in popuščanja ....................................... 13

Slika 3.3 Regulator Philips KS 4290 ................................................................................... 14

Slika 3.4 Registrator Shinko HR-700 .................................................................................. 14

Slika 4.1 PLC 313C ............................................................................................................ 16

Slika 4.2 Vhodi in izhodi PLC-ja 313C .............................................................................. 16

Slika 4.3 Analogni modul 6ES7 331 7KF02 0AB0 ............................................................ 17

Slika 4.4 Blokovni diagram in vezalna shema za termoelemente z zunanjo kompenzacijo 18

Slika 4.5 HMI TP700 Comfort panel .................................................................................. 19

Slika 4.6 Struktura termoelementa ...................................................................................... 20

Slika 4.7 Upornost senzorja Pt100 in Ni100 v odvisnosti od temperature ......................... 22

Slika 4.8 Primer programske kode napisane v lestvični logiki ........................................... 24

Slika 4.9 Primer kode v obliki liste ukazov ........................................................................ 24

Slika 4.10 Konfiguracija vseh vhodov ter izhodov PLC-ja ................................................ 26

Slika 4.11 Vzpostavitev komunikacije med OPjem in PLCjem ......................................... 27

Slika 4.12 Izbira vrste regulatorja in nastavitev parametrov PID ....................................... 28

Slika 4.13 Blokovni diagram funkcijskega bloka FB41 ..................................................... 29

Slika 4.14 Širina generiranega impulza v odvisnosti od velikosti izhodne veličine ........... 30

Slika 4.15 Zaslon prikaz stanja ........................................................................................... 31

Slika 4.16 Zaslon za nastavitev kompenzacije temperature ................................................ 32

Slika 4.17 Zaslon za izbiro in nastavitev parametrov PID .................................................. 33

Slika 4.18 Zaslon trend gretja ............................................................................................. 33

Slika 4.19 Zaslon za shranjevanje podatkov ....................................................................... 34

Regulacija in kontrola temperature na napravah za termično obdelavo VII

Slika 4.20 Primer vsebine shranjene datoteke ..................................................................... 35

Slika 5.1 Potek regulacije pri temperaturi 70°C .................................................................. 36

Slika 5.2 Meritev s popravljenimi parametri PID ............................................................... 37

Slika 5.3 Potek regulacije pri 250 °C in 350 °C .................................................................. 38

Slika 5.4 Potek regulacije pri temperaturi 400°C ................................................................ 39

SEZNAM PREGLEDNIC

Tabela 4.1 Preglednica termoelementov ter njihovih lastnosti ............................................ 21

VIII Regulacija in kontrola temperature na napravah za termično obdelavo

UPORABLJENE KRATICE

PID - Proporcionalno-integrirano-diferencialno

PLC - Programmable logic contoller - Programirljiv logični krmilnik

OP - Operacijski panel

MPI - Multi point interface - Več točkovni vmesnik

TIA - Totally integrated Automation - Popolnoma integrirana avtomatizacija

OB - Organizacijski blok

FB - Funkcijski blok

FC - Funkcija

USB - Universal Serial Bus - Univerzalno serijsko vodilo

Regulacija in kontrola temperature na napravah za termično obdelavo 1

1 UVOD

Pravilna regulacija temperature ter kontrola le-te, je eden izmed najpomembnejših

dejavnikov pri zagotavljanju kakovostne in pravilne toplotne obdelave kovin. Eden izmed

teh procesov je kaljenje jekla. Pri postopku kaljenja se izdelki najprej kalijo v kalilni peči,

nato gasijo v olju ter nazadnje popuščajo v popuščni peči, da material dobi želene lastnosti.

Naš cilj je posodobitev sistema na popuščni peči.

Sedanji sistem regulirajo Philpsovi digitalni PID regulatorji, temperaturo pa analogno na

papir beleži registrator Shinko. Prav ta nadzor temperature pa predstavlja največji problem

obstoječega sistema. Cilj diplomskega dela je izdelati regulator, ki bo pravilno reguliral

želeno temperaturo v peči in pa predvsem izboljšati kontrolo temperature v peči.

Temperatura procesa lahko od želene vrednosti odstopa največ za 10 °C. Osnovna naloga

diplomskega dela je izdelava programa za regulacijo in shranjevanje izmerjenih podatkov

ter izdelavo uporabniškega vmesnika, ki bo omogočal preprosto nastavljanje parametrov

regulacije in upravljanje peči.

Regulacijo bomo izvedli s PID regulatorjem. PID regulator je zaradi svojih lastnosti

največkrat uporabljen regulator v procesni industriji. Pri uporabi PID regulatorja je

osnovna naloga nastavitev njegovih parametrov.

Diplomsko delo bomo izvedli s Siemensovimi PLC-jem in analognim vhodnim modulom.

Kot uporabniški vmesnik smo uporabili Siemensov operacijski panel.

Sistem v praksi ni bil postavljen in preizkušen zaradi finančnih razlogov. Med samo

izdelavo sistema je vodstvo podjetja sprejelo sklep, da te kalilne linije trenutno in v

prihodnje zaradi ne potrebuje. Kot vzrok je bilo navedeno pomanjkanje naročil ročnega

orodja. Zaradi tega ni bilo mogoče opraviti nobene realne meritve in izvedbe regulacije ter

kontrole temperatur na želeni peči, saj bi zagon peči in njeno testiranje pomenilo stroške

podjetju, ki pa si tega zaradi trenutne finančne situacije žal trenutno ne more privoščiti.

Obnašanje in delovanje sistema smo zato preizkusili na manjši laboratorijski peči.

2 Regulacija in kontrola temperature na napravah za termično obdelavo

V diplomskem delu je v začetku razložen objekt vodenja, načelo regulacije ter sama

regulacija ter teorija povezana z PID regulacijo. V tretjem poglavju je opisana naprava za

termično obdelavo, za katero je sistem regulacije in kontrole temperature predviden. Četrto

poglavje obsega opis strojne ter programske opreme in pa opis in izdelavo programa. V

zadnjem, petem vsebinskem poglavju, pa smo predstavili meritve in rezultate, ki smo jih

dobili s preizkušanjem sistema na mali laboratorijski peči.


2 OSNOVE REGULACIJE

Objekt vodenja – proces 2.1

Ko se seznanjamo z optimalnim vodenjem po principu regulacije moramo najprej poznati

objekt vodenja ali tehnološko-tehniški proces, kateremu je načelo vodenja namenjeno.

Označimo ga kot sistem, ki je organiziran, sestavljen iz enot (fizični elementi, deli, naprave

… ), ki so funkcionalno povezani v celoto. Namen sistema je, da ustvari pogoje, ki

omogočajo ciljno koriščenje pretvarjanje in izmenjevanje energije, materije ali

informacij.[1]

Zahtevno nalogo prestavlja zagotavljanje urejenega delovanja procesa, zato je to nalogo

potrebno pravilno načrtovati ter izvesti premišljeno in postopoma. Prva faza pri

načrtovanju vodenja procesa je ugotoviti in opredeliti, kaj nek proces predstavlja. Tukaj

moramo biti pazljivi,saj moramo prepoznati in upoštevati vse fizikalne povezave med

procesom in okolico. Povezavo med procesom in okolico prikazuje slika 2.1.[1]

Slika 2.1 Fizikalne povezave med procesom in okolico[1]


Ustrezen model vodenja procesa upodobimo pri teoretičnih postopkih analize in sinteze.

Odvisno od njegove zahtevnosti je lahko ta model bolj ali manj popoln. Kakšna je stopnja

ujemanj izhodov iz procesa in modela, nam pove kako popoln je model. Slika 2.2 prikazuje

blokovno shemo modela procesa, ki ima več vhodov in izhodov.[1]

Slika 2.2 Blokovna shema modela procesa z več vhodi in izhodi[1]

Vhode v proces razdelimo v dve skupini. Prva skupina so vhodne veličine na katere lahko

vplivamo in posredno preko njih vplivamo tudi na izhodne veličine. Druga skupina pa so

motnje. To skupino vsiljuje okolica in na njih nimamo neposrednega vpliva. Njihov izvor

je lahko izven procesa, ki ga obravnavamo, ali pa v samem procesu. Da bi te motilne

veličine v največji možni meri odstranili, uvedemo zaprtozančno vodenje ali postopek

regulacije.[1]

Načelo regulacije 2.2

Pred samim postopkom vodenja procesov ali avtomatizacije, moramo proces dobro

poznati. Poznati moramo medsebojne funkcijske povezave med vhodi in izhodi procesa.

Te funkcijske povezave opisujejo obravnavani proces v stacionarnem in tudi dinamičnem

ali tranzientnem stanju. Ko se obravnave problema vodenja procesa lotimo teoretično, je ta

največkrat predstavljen v obliki tehnološke sheme. Tega predstavimo v obliki modela

blokovne sheme. V primeru, da omejimo opis procesa samo z enim vhodom in enim

izhodom, največkrat izberemo kot vhodno veličino tisto, ki jo lahko najbolje manipuliramo

in ima ključni vpliv na delovanje procesa oziroma na izhodno veličino. To veličino tudi

vključimo v postopke vodenja procesa. [1]


Za vodenje po načelu regulacije, so značilni štirje osnovni postopki. Prvi postopek je

merjenje izhodne veličine vodenja x. Izhodno veličino merimo, da dobimo informacijo o

vrednosti te veličine. Drugi postopek je primerjanje izhodne veličine vodenja x z želeno

veličino vodenja , da ugotovimo pogrešek ԑ, ki predstavlja razliko med želeno in izhodno

veličino vodenja. Tretji postopek predstavlja obdelava informacije o pogrešku. S to

obdelavo želimo doseči optimalen potek izhodne veličine vodenja x. Zadnji postopek pa je

izvajanje obdelave informacije o pogrešku. S tem želimo doseči optimalen potek izhodne

veličine. Tok informacijskega signala poteka po zaključeni zanki, zato načelo regulacije

imenujemo sistem zaključenega vodenja procesa. Zaključen sistem vodenja je razdeljen na

direktno vejo, v kateri se nahajata proces in del regulacijske naprave, imenovan regulator s

primerjalnim členom in negativno povratno zvezo, v kateri imamo nameščen merilni člen

za pridobivanje informacije o vrednosti izhodne veličine delovanja. [1]

Iz tega lahko izpeljemo, da je regulacija načelo optimalnega vodenja tehničnega sistema,

postopkom merjenja, primerjanja in izvajanja vzdržujemo izhodno veličino vodenja na

predpisani ali želeni vrednosti – kljub delovanju spremenljivih motilnih veličin na izhodno

veličino vodenja – in na ta način dosegamo optimalne učinke pri postopku vodenja. Za ta

postopek je značilna negativna povratna vezava.[1]

Slika 2.3 Blokovna regulacijska shema[1]


Regulacija 2.3

Bistvo regulacije sta dve nalogi. Prva je odpravljanje vpliva motenj na izhodno veličino,

druga pa predstavlja sledenje izhodne veličine za vhodno veličino. Vplivanje na izhodno

veličino pri spremembah motenj ali želene vrednosti se pri realnih sistemih ne zgodi

hipoma, ampak pojav poteka določen čas. Ko se motilna veličina spremeni skočno,

regulacija reagira tako, da ponovno poveča izhodno veličino, ki je najprej upadla. Ta pojav

pa poteka z določeno zakasnitvijo in je neodvisen od tega, kakšne fizikalne lastnosti ima

sistem.[2]

Vrsta in oblika časovnega poteka regulirane veličine sta najpomembnejša za obnašanje

regulacije. Zamislimo si nek primer. V regulacijskem krogu izberemo regulator tako, da

ohranjamo zakasnitev na najmanjši možni stopnji. Lastnosti takega regulatorja so, da bo

učinkoval na vse spremembe hitro in efektivno. Zato bo pri spremembi motnje x hitro

izravnal z , ampak bo zaradi zakasnitev v nadaljevanju presegel vrednost . Regulator

mora tukaj vplivati tako, da spremni predznak regulacijske napake ԑ na tak način, da

zmanjša izhodno veličino. V tem primeru izhodna veličina upada in predstavlja neko

oscilacijo kot funkcijo časa. Izhodna veličina v splošnem predstavlja pri skočni spremembi

motilne ali vhodne veličine prehodni pojav, ki lahko oscilira ali pa poteka aperiodično. V

primeru prehodni pojav izhodne veličine izniha v končnem času, pravimo, da je regulacija

stabilna. Ko pa se prehodni pojav ne izniha (ima potek osciliranja), je regulacija nestabilna

in posledično zaradi tega zato neuporabna. Od regulacije vedno zahtevamo, da mora biti

stabilna. [2]

Slika 2.4 Shema celotnega regulacijskega kroga[2]


Lastnost stabilne regulacije je, da po iznihanju prehodnega pojava regulacijska napaka

izgine, oziroma ostane v predpisani tolerančni meji. Samo v takih primerih bo imela

izhodna veličina po prehodnem pojavu enako vrednost vhodni veličini. [2]

Iz tega lahko izpeljemo, da mora regulacijski krog izpolnjevati dve zahtevi. Mora biti

stabilen in pa napaka izhodne veličine mora ležati znotraj predpisanih mej.[2]

Regulacijski krog pa mora poleg teh dveh zahtev, v nekaterih primerih izpolnjevati še

nekatere druge zahteve. Prehodni pojav izhodne veličine mora imeti neko določeno obliko,

regulacijski čas (čas, v katerem se izniha prehodni pojav) ima predpisano dolžino

trajanja ali pa na primer dinamična napaka (maksimalna vredno regulacijske napake) ne

sme preseči določene vrednosti. Od izpolnitve teh pogojev so odvisne dinamične lastnosti

regulacijske proge, vendar niso izpolnjene same po sebi. V primeru, da za neko poljubno

regulacijsko progo izberemo merilni, primerjalni in nastavitveni člen, ter člene med seboj

povežemo, dobimo regulacijo, ki je nestabilna ali netočna ali prepočasna. Za izpolnitev

dinamičnih lastnosti regulacij, moramo regulacijske kroge analizirati. Dinamika

regulacijskega objekta in nastavitvenega člena je običajno dana z izvedbo regulacije. Zato

z izbiro korekcijskega člena oblikujemo dinamične lastnosti regulacije. Za zadostitev

postavljenim zahtevam za nadzorovanje dinamičnih pojavov regulacije in pravilno izbiro

regulatorja (korekcijskih členov), je potrebno natančno analizirati vse elemente

regulacijskih krogov. To je edini način da opravimo sintezo, analizo in izboljšamo

regulacijo.[2]

Za krmiljenje pa veljajo enako ugotovitve, kadar želimo izračunati vhodno veličino na

način, da bodo imeli časovni poteki izhodne veličine želeno obliko. Slika 2.5 predstavlja

pregleden in natančen opis dinamičnih lastnosti nekega sistema. [2]


Slika 2.5 Časovni potek izhodne veličine[2]

– maksimalna vrednost regulacijske napake

– čas regulacije

PID regulacija 2.4

PID regulacija (proporcionalno-integrirano-diferencialna regulacija) se v industriji

pojavlja kot največkrat uporabljen regulacijski pristopov. Odlikujejo jo enostavna izvedba,

dobre dinamične lastnosti ter njena robustnost pri izvajanju. Izvedba PID regulacije je v

bistvu vsota treh členov. To so (P) proporcionalni, (I) integralni ter (D) diferencialni člen.

Proporcionalni člen se nanaša in je odvisen od trenutne velikosti napake, integralni člen je

odvisen od integrala preteklih napak, diferencialni člen pa je odvisen od napovedi

prihodnjih napak v odvisnosti od spreminjanja le teh.

2.4.1 Proporcionalni člen P

Proporcionalni (P-člen) predstavlja v vsakem trenutku zvezo med vhodno in izhodno

veličino. Je linearni člen in deluje brez zakasnitve (teoretično deluje neskončno hitro).

Enačba (2.1) opisuje proporcionalni člen.[1]

(2.1)


Z Laplaceovo transformacijo preoblikujemo (2.1) v (2.2):

(2.2)

Iz tega pa lahko izpeljemo prenosno funkcijo proporcionalnega (P) člena (2.3):

(2.3)

2.4.2 Integralni člen I

Dinamična enačba, ki opisuje integralni (I) člen je (2.4).

∫ (2.4)

Iz te enačbe s pomočjo Laplaceove transformacije dobimo prenosno funkcijo (2.5).

(2.5)

je integracijska časovna konstanta z dimenzijo časa.[1]

Diferencialni člen D

Pri diferencialnem členu je izhodna veličina proporcionalna odvodu vhodne veličine, kot

kaže (2.6).

(2.6)

Prenosna funkcija po Laplaceovi transformacija je (2.7).

(2.7)

Ta člen je idealni diferenciator in ga kot takega v praksi ne realiziramo na tak način.

Vzrok tega so hitre spremembe referenčnega signala, ki bi povzročile velike spremembe

regulirane količine in nasičenja izvršnih členov. Zato v praksi uporabimo člen , ki ga

lahko opišemo s (2.8).[1]

(2.8)

Izhodno veličino PID regulacije, zapišemo kot (2.9).

∫

∫

(2.9)


Iz tega pa lahko izpeljemo prenosno funkcijo F(s), ki je definirana kot razmerje

Laplaceovega transforma izhoda x(s) in Laplaceovega transofrma napake y(s), kar

prikazuje (2.10)

(2.10)

Oziroma z upoštevanje enačbe (2.10) za člen , dobimo (2.11).

(2.11)

Pri čemer je ojačenje proporcionalnega, ojačenje integralnega in ojačenje

diferencialnega člena. predstavlja diferencialni čas, čas integracije pa .[1]

Slika 2.6 Odziv regulacije PID na stopnico[4]


2.4.3 Primerjava PID regulacije z drugimi vrstami regulacij

PID regulacija pa ni edina vrsta regulacije, ki jo poznamo oziroma uporabljamo. Te

izvedbe so: P regulacija, PI regulacija, ali pa PD regulacija. Izvedba regulacije s členom I

ali D se samostojno uporablja zelo redko. Slika 2.7 prikazuje vpliv posameznega člena

regulacije pri odzivu na stopnico.

Slika 2.7 Vpliv posameznih delov odziva na stopnico[4]

Pri regulaciji s P regulatorjem tudi po daljšem času ostane napaka regulacije, ki je odvisna

od ojačenja. Pri regulaciji s PI regulatorjem po nekem času pade napaka regulacije na 0.

Potreben pa je daljši čas, da dosežemo želeno vrednost, ki je pri 1. S PID regulacijo pa

hitreje dosežemo želeno vrednost regulacije.[4]


3 PREGLED NAPRAVE ZA REGULACIJO IN KONTROLO

TERMIČNE OBDELAVE

Naš cilj je modernizacija in poenostavitev sistema kontrole in regulacije temperature na

plinski kalilni peči Kraft podjetja Bosio za termično obdelavo kovanih izdelkov. Sama peč

je v resnici sestavljena iz treh delov: dveh peči in pa oljne kopeli.

Slika 3.1 Linija kalilne peči Kraft

Prvi del predstavlja peč za kaljenje, kjer se izdelki segrejejo do temperature kaljenja in se

vzdržujejo na tej temperaturi, dokler se ne pregrejejo po celotnem prerezu. Temperatura

kaljenja zavzema vrednosti nekje med 750°C in 850°C, odvisno od materiala izdelka. Za


zaščito pred oksidacijo izdelkov, je kalilna peč napolnjena z mešanico zaščitnih plinov

(dušik, argon, ogljikov dioksid). Naslednja faza je gašenje izdelka, pri čemer izdelek

hipoma ohladimo v olju. Zadnjo stopnjo postopka pa predstavlja popuščanje. Izdelek

vodimo skozi »tako imenovano« peč za popuščanje. Ta postopek je potreben, saj je

izdelek, ki je samo kaljen zelo trd ter krhek in kot posledica tega obstaja nevarnost

pokanja. Zato v peči za popuščanje izdelek ponovno segrevamo na primerni temperaturi

(od 450 do 550 °C), da postane bolj žilavo, dobi stabilnejšo strukturo in manjše notranje

napetosti.

Slika 3.2 Temperaturno časovni diagram kaljenja in popuščanja[5]

Kalilna peč ima tri cone. V vsaki od con merimo temperaturo s termoelementom tipa K

(NiCr-Ni). Regulacija temperature se izvaja preko digitalnih Philipsovih PID regulatorjev,

tipa KS 4290 (slika 3.3).

Peč za popuščanje ima le dve coni, a za merjenje temperature potrebujemo štiri

termoelemente. Razlog da potrebujemo štiri je v tem, da potrebujemo dva za regulacijo

temperature, dva pa za registrator, ki beleži temperaturo.


Slika 3.3 Regulator Philips KS 4290

Shinkov registrator HR-700 (slika 3.4) temperaturo zapisuje na papir v minutnih intervalih,

po minuto na eno cono. Torej prvo minuto zapisuje temperaturo cone 1, drugo minuto cone

2, trejo minuto zopet cone 1, in v tem zaporedju dalje.

Cilj postavitve novega sistema je torej posodobit in nadgraditi sedanji sistem regulacije ter

beleženja podatkov na peči za popuščanje.

Slika 3.4 Registrator Shinko HR-700


4 NAČRTOVANJE IN IZVEDBA TEMPERATURNE REGULACIJA

TER KONTROLE ZA TERMIČNE NAPRAV

Strojna oprema 4.1

Strojno opremo sistema predstavlja PLC 313C, analogni vhodni modul 331, operacijski

panel HMI TP700, termoelementi tipa K in uporovne merilne sonde pt100.

4.1.1 PLC 6ES7 313-5BE01-0AB0

Kot PLC je bil uporabljen Siemensov krmilnik 313C (slika 4.1), ki spada v družino

krmilnikov S7-300. Krmilnik ima 128 kB integriranega spomina ter razširitveno mesto za

MMC (Micro Memory Card), na kateri je shranjen program. Največja dovoljena velikost

kartice je 8 MB. Ima 24 digitalnih vhodov, 16 digitalnih izhodov, 5 analognih vhodov ter 2

analogna izhoda (slika 4.2). Za izvedbo bitne operacije potrebuje 0.07 µs, besedne

operacije 0.15 µs, aritmetike s fiksno vejico 0.2 µs ter za izvedbo operacije v aritmetiki s

plavajočo vejico 0.72 µs. Omogoča uporabo časovnikov in števcev (na primer S7 časovnik,

IEC števec), ki so omejeni zgolj na velikost delovnega pomnilnika. Komunikacija z

drugimi uporabniškimi vmesniki je možna prek komunikacijskega vmesnika za MPI.


1 – Statusni indikatorji ter indikatorji

napak

2 – Reža za SIMANTIC Micro

Memory Card

3 – Terminali integriranih vhodov in

izhodov

4 – Vhod za napajalno napetost

5 – MPI vmesnik

6 – Izbira načina

Slika 4.1 PLC 313C[6]

1 – Analogni vhodi in izhodi

2 – Digitalni vhodi

3 – Digitalni izhodi

Slika 4.2 Vhodi in izhodi PLC-ja 313C[6]


4.1.2 Analogni vhodni modul 6ES7 331-7KF02-0AB0

Ima možnost uporabe osmih vhodov v štiri kanalnih skupinah. Omogoča programirano

merjenje katere koli skupine: napetosti, toka, upornosti ali temperature. Poljubna

implementacija resolucije, vsake skupine (9/12/14 bitov plus predznak). Poljubna izbira

območja meritve (štiri območja) za katerega koli od osmih kanal. Programirljiva

diagnostika in pa prekinitve diagnostike. Omogoča programiranje prekinitev strojne

opreme ob preseženih mejnih vrednostih. Karta je galvansko ločena od CPU.ja in njegove

napajalne napetosti.

Napajalna napetost analognega modula je 24 V enosmerne napetosti, maksimalni tok na

kanal pa znaša 60 mA. Ima zaščito proti kratkemu stiku.

Podpira napetostne, tokovne in uporovne vhode ter termoelemente tipa E (NiCr-CuNi), N

(NiCrSi-NiSi), J (Fe-CuNi), K (NiCr-Ni) in L (Fe-CuNi) z možnostjo zunanje ali notranje

kompenzacije. Primer vezave z zunanjo kompenzacijo prikazuje slika 4.4. Podpira tudi

uporovna termo sondi Pt 100 in Ni 100.

Slika 4.3 Analogni modul 6ES7 331 7KF02 0AB0[12]


Slika 4.4 Blokovni diagram in vezalna shema za termoelemente z zunanjo

kompenzacijo[7]

4.1.3 Operacijski panel SIMATIC HMI TP700 comfort panel

HMI TP700 comfort panel prikazan na sliki 4.5, je 7 inčni operacijski panel z zaslonom na

dotik. Namenjen je uporabi za preproste kot tudi bolj zahtevne aplikacije. Je energetsko

zelo varčen, saj omogoča zatemnitev LED osvetlitve do 100 %. To pa ne omogoča le

prihranka energije, ampak tudi prilagajanje zaslona ustrezni aplikaciji.

Panel nudi tudi popolno varnost pred ničelno napetostjo, brez dodatnega

brezprekinitvenega napajanja, s pomočjo dveh Simatic HMI pomnilniških kartic. To

omogoča varovanje podatkov iz notranjega pomnilnika in arhiva pri izpadu napetosti.

Možna je sistemska diagnostika pri povezavi s Simatic krmilniki. Informacije diagnostike,

je možno brati prek panela. Projekti se nalagajo preko PROFINET, PROFIBUS ali

standardnega USB kabla. Vse nastavitve naprave se izvedejo preprosto pri konfiguraciji.

To preprečuje potrebo po dodatnih nastavitvah na napravi in s tem poenostavlja postopek

zagona. Vsi podatki so shranjeni na kartici sistema, ki se nahaja v napravi in se lahko

uporablja za enostavno prenašanje projekta. Operacijski panel deluje na okrnjenem

operacijskem sistemu Windows.


Slika 4.5 HMI TP700 Comfort panel[9]

4.1.4 Termoelement

Sklenjen električni krog iz dveh različnih vodnikov, ki sta na spojnem mestu zvarjena. Če

imata spojni mesti različni temperaturi, v tem sklenjenem vezju steče tok. V primeru, da

prekinemo enega izmed vodnikov in merimo napetost med sponkama, izmerimo

termoelekrično napetost. Pri velikih temperaturnih razlikah se termoelektrična napetost

nelinearno veča z naraščanjem temperature.[3]

Pri majhnih razlikah temperatur je termoelektrična napetost sorazmerna s temperaturno

razliko ΔT, to prikazuje (4.1).

(4.1)

Pri tem je koeficient α koeficient termoelektrične napetosti ali Seebeckov koeficient.

Dvojico na obeh koncih spojenih različnih prevodnikov imenujemo termoelement. [3]


Termoelement sestavljata dva termočlena. Prvi je merilni termočlen in pa temočlen, ki je

nameščen na primerjalno mesto s konstantno referenčno temperaturo, kot prikazuje slika

4.4.[3]

Slika 4.6 Struktura termoelementa[3]

Termoelektrična napetost termoelementov je nelinearno odvisna od temperature. Tabele

sprememb termoelektrične napetosti v odvisnosti od temperature so podane po koraku 1°C.

Termočlene lahko dobimo v obliki plašča in žice, izdelujemo pa jih iz žlahtnih kovin, ki so

bolj toplotno odporne, odporne proti oksidaciji, imajo višjo čistost. Ali pa iz nežlahtnih

kovin, ki pa dajejo od 5- do 7-krat višje termoelektrične napetosti. Termočleni iz žlahtnih

kovin so bolj točni. Tabela 4.1. prikazuje lastnosti posameznih tipov termoelementov.[3]


Tabela 4.1 Preglednica termoelementov ter njihovih lastnosti[3]

Termočlen

Tip Material

Temperaturno

merilno območje[°C]

Termoelktrična

napetost [mV]

T Cu-CuNi -270…+ 400 -6,26 – 20,87

E NiCr-CuNi -270…+ 1000 -9,84 – 76,36

J Fe-CuNi

Fe-konstantan

-210…+ 1200 -8,1 – 69,54

K NiCr-Ni -270…+ 1372 -6,46 – 54,88

R PtRh13-Pt -50…+ 1769 -0,23 – 21,10

S PtRh10-Pt -50… + 1768 -0,24 – 18,69

B PtRh30-PtRh6 0…+ 1820 0 – 13,81

U Cu-CuNi -200 …+ 600

L Fe-CuNi -200 …+ 900

N NiCrSi-NiSi -200 …+ 1300

4.1.5 Uporovni temperaturni odjemnik

Kovinam se upornost spreminja glede na njihovo temperaturo, kar nam v večini primerov

predstavlja slabost (motilni vpliv). Pri uporovnih temperaturnih senzorjih pa to lastnost

uporabimo za posredno merjenje temperature. Vzrok za to temperaturno odvisnost je v

koncentracija prostih elektronov, ki narašča z naraščajočo temperaturo, kot prikazuje (4.2).

. (4.2)

je upornost prevodnika v ohmih pri temperaturi , je upornost prevodnika v ohmih

pri temperaturi , pa so temperaturni kalibracijski koeficienti.[10]

Kot materiale najpogosteje uporabimo platino (visoka cena, velika linearnost), baker

(majhno temperaturno območje), nikelj (nizka cena, nizke temperature) in pa zlitine niklja

(nizke temperature, nizka cena).[3]

Od naštetih materialov se najpogosteje uporablja platina, saj jo lahko relativno enostavno

oblikujemo, poleg tega pa je mehansko in električno stabilna. Merilni element izdelan iz

platine označujemo kot npr. Pt100 senzor, ima pri referenčni temperaturi 0°C nazivno


upornost 100 Ω. Platina je primerna za široko temperaturno območje (od -200°C do

+800°C). [3]

Slika 4.7 Upornost senzorja Pt100 in Ni100 v odvisnosti od temperature[10]


Programska oprema 4.2

4.2.1 Portal TIA in Siemensovo razvojno okolje STEP 7

Portal TIA (Totally Integrated Automation) je inženirski okvir, ki povezuje krmilnik,

uporabniški vmesnik ter gonilnike. Med drugo programsko opremo, portal TIA zajema

SIMATIC STEP 7. STEP 7 je standardni paket programske opreme, ki se uporablja za

programiranje in nastavljanje SIMATIC programirljivih logičnih krmilnikov. Z njim

nastavljamo in pišemo programe za strojno opremo ter upravljamo in postavljamo omrežje

v katerem ta programska oprema deluje.

Razvojno okolje STEP 7 omogoča programiranje z lestvičnim logika (LAD - Ladder

Logic), listo ukazov (STL - Statement List) ali pa z funkcijskim blok diagramom (FDB -

Function Block Diagram).

Lestvična logika je grafična oblika programskega jezika STEP 7. Njena sintaksa temelji na

predstavitvi diagrama vezja. Elementi diagrama vezja, na primer odprta, zaprta stikala so

povezana med sabo in tvorijo omrežje. Posamezen del kode predstavlja eno ali več

omrežij. Lestvična logika omogoča sprotno spremljanje pretoka moči, ki prehaja preko

različnih stikov, kompleksnih elementov ali na izhodne enote. Lista ukazov je tekstovni

prikaz programskega jezika STEP 7 in je podobna strojni kodi. Če je program napisan listo

ukazov, posamezna navodila ustrezajo korakom, ki jih izvaja PLC pri svojem delovanju.

Več izjav se lahko poveže in oblikuje omrežje. Funkcijski blok diagram je še ena grafična

oblika programskega jezika STEP 7. Uporablja polja logične bloke, podobne kot Boolova

logika. Kompleksnejše funkcije (na primer matematične funkcije) lahko predstavimo

neposredno v kombinaciji z logičnimi bloki.


Slika 4.8 Primer programske kode napisane v lestvični logiki

Slika 4.9 Primer kode v obliki liste ukazov


4.2.2 MPI

Multi Point Interface – Multi točkovni vmesnik. MPI je vmesnik programirljivih logičnih

krmilnikov SIMATIC S7 družbe Siemens. Uporablja se za priključitev med postajo

programiranja (osebni računalnik) ter drugim napravami družine SIMATIC. Ta tehnologija

je navdihnila razvoj protokolov profibus. MPI deluje s hitrostjo 187,5 kbit/s. Mreža MPI

mora imeti upornost na koncu linije in je na splošno vključena v priključek ter se aktivira s

preprostim stikalom.[11]

Izdelava 4.3

Izdelavo sistema regulacije smo pričeli s spoznavanjem programskega okolja TIA in

programiranja v programskem okolju step 7. Strojno opremo sta na začetku prestavljala

Siemensov PLC 313C iz družine S7-300 ter operacijski panel TP700 comfort panel.

Komunikacija med PLC-jem in pa OPjem poteka preko MPI protokola. Prav tako pa je

preko MPI povezave vzpostavljena komunikacija med osebnim računalnikom in PLC-jem

oziroma OPjem.

Prva verzija programa je bila napisana za merjenje temperatur s temperaturnim senzorjem

pt100. Vzrok temu je bil v PLC-ju 313C, ki ne podpiral vhodov za termoelemente. Kljub

temu se je ta verzija izkazala za dobro v dveh vidikih. Prvi je ta, da je mnogo lažje

simuliranje temperatur med 0 in 100 stopinjami celzija. To je omogočalo hitro in predvsem

lahko testiranje. Drugo stvar pa predstavlja možnost uporabe senzorja pt100 za kontrolo

temperature olje, pri procesu gašenja kaljenih izdelkov, da se to ne pregreje in posledično

vname med samim procesom. Ali pa ta senzor uporabimo preprosto za meritev okolice

temperature.

Za priključitev termoelementov smo sistemu dodali še Siemensov analogni vhodni modul

331-7KF02-0AB0. Za merjenje temperature smo izbrali termoelemente tipa K. Po vključiti

tega modula v sistem, smo lahko pričeli prve meritve s termoelementom.


Termoelement je natančen na 1°C. Bolj natančna meritev ni možna, saj je potrebno

vrednost ki jo dobimo na vhodu shraniti v celoštevilsko spremenljivko. Takšno obliko

vrednosti potrebujemo za nadaljnjo obdelavo vrednosti.

Program 4.4

Začetek pisanja samega programa je bil precej težaven, saj je bilo to naše prvo srečanje s

Siemenosvim programskim okoljem STEP 7.

Pred samim začetkom pisanjem programa za PLC 313C in pa nastavljanjem OP-ja je bilo

potrebno konfigurirati naslove vhodov in izhodov. Pri konfiguraciji (slika 4.10) je bilo

potrebo biti pazljiv le na prekrivanje naslovov.

Slika 4.10 Konfiguracija vseh vhodov ter izhodov PLC-ja


Potrebno pa je bilo tudi vzpostaviti komunikacijo med PLC-jem in pa OP-jem. Na sliki

4.11 je prikaz vzpostavitve povezave med OP-jem in PLC-jem

Slika 4.11 Vzpostavitev komunikacije med OPjem in PLCjem

Celoten program v bistvu sestavljata dva organizacijska bloka. To sta OB1 in OB35. OB1

je osnovni organizacijski blok, ki se izvaja ciklično. Operacijski sistem ciklično kliče OB1

in s tem začne ciklično izvajanje napisanega programa. Drugi organizacijski blok OB35 pa

je ciklični prekinitveni organizacijski blok. Izvede se enkrat na interval, ki ima privzeto

dolžino intervala nastavljeno na 100 ms. OB35 se izvaja vzporedno in neodvisno od OB1.

Njegova glavna naloga pa je izvajanje funkcije meritve ter regulacije. Poleg dveh

organizacijskih blokov, so ključni za delovanje programa še funkcijski bloki in funkcije.

Funkcija FC_MERITVE je funkcija FC110. Funkcija prebere vrednost na vhodu, jo shrani

in izvede klic funkcije SCALE (FC105), ki vrednost skalira. Klic funkcije SCALE

potrebujemo, ko imamo na vhodu uporovni termometer, saj PLC ne pozna kakšno vrsto

sonde imamo priključene na vhod. Za termoelement pa uporabe te funkcije ne

potrebujemo, saj nam konfiguracija vhodov ponuja možnost izbire vhoda za termoelement.

Vhodni vrednosti prištejemo še kompenzacijsko temperaturo, velikost katere po potrebi

nastavljamo na OP-ju. Na koncu vrednost še filtriramo, da ta nima prevelikega nihanja.


Filtriranju sledi še kontrola mej vrednosti, če ta slučajno presega dovoljeno območje. Če

vrednost ni v izbranem območju, program javi napako.

Funkcija FC_PID_EXEC je funkcija FC111. Naloga funkcije je klic tehnološkega objekta

CONC_C (FB41). Namenjen je kontroli tehniškega procesa s kontinuirano vrednostjo

vhodov ter izhodov. Implementiran ima celoten PID regulator z zveznim nastavljanjem

izhodne veličine. Ima tudi možnost ročne nastavitve parametrov PID. Ravno v tem je tudi

razlog, da je bil za regulacijo uporabljen prav ta funkcijski blok in ne FB58. FB58 je

funkcijski blok namenjen prav regulaciji temperature, a z razliko da ne omogoča ročne

nastavitve parametrov PID. Ročno nastavljanje parametrov potrebujemo, saj želimo imeti

možnost nastavljanja parametrov PID preko OP-ja, kar nam omogoča zelo lahko in hitro

spreminjanje ter uravnavanje regulacije.

Slika 4.12 Izbira vrste regulatorja in nastavitev parametrov PID


Slika 4.13 Blokovni diagram funkcijskega bloka FB41

Funkcija vsebuje tudi objekt PULSGEN. Funkcija pretvarja analogno regulirano veličino v

niz impulzov s periodo PER_TM. Dejansko dolžino impulza predstavlja CYCLE_P.

Najkrajša dolžina impulza je omejena s P_B_TM, ki v našem primeru znaša 100 ms.

Velikost impulza CYCLE_C (slika 4.14) je proporcionalna velikosti regulirane veličine in

se izračuna kot produkt med periodo in vrednostjo regulacije deljeno s 100, kot je na (4.3).

(4.3)


Slika 4.14 Širina generiranega impulza v odvisnosti od velikosti izhodne veličine

Poleg teh dveh funkcij, bi izpostavil še dve funkciji, ki sta ključni za delovanje programa.

To sta funkciji FC_GENERAL (FC200) in pa HMI_operation (FC160).

Funkcija FC_GENERAL generira impulz s širino 1 sekunde in pa 100 milisekunde ter

omogoča brisanje napak, ki bi se pojavile. HMI_operation funkcija pa skrbi in nadzoruje

komunikacijo PLC-ja z OP-jem.

Uporabniški vmesnik 4.5

Uporabniški vmesnik predstavlja neposredni stik med uporabnikom ter vso strojno in

programsko opremo in je ključnega pomena za uporabnika oziroma operaterja, ki bo

nadzoroval delovanje peči. Zato je bil velik del programiranja posvečen nastavljanju in

urejanju uporabniškega vmesnika na OP-ju.

Uporabniški vmesnik vsebuje skupaj 16 različnih zaslonov. Osnovni in pa začetni zaslon je

procesna slika, ki prikazuje model peči ter temperaturo v posamezni coni. Podoben zaslon

temu je zaslon prikaz stanja (slika 4.15), ki pa poleg stanja temperature prikazuje tudi

želeno temperaturo in vrednost PID regulacije.


Slika 4.15 Zaslon prikaz stanja

Za nas pa so bolj pomembni zasloni, na katerih nastavljamo posamezne parametre. Prvi od

teh je zaslon za kompenzacijo temperature (slika 4.16). Na zaslon po potrebni želeni coni

nastavljamo kakšno vrednost temperature želimo kompenzirati. Program to vrednost

samodejno prišteje oziroma odšteje dejanski vrednosti temperature.


Slika 4.16 Zaslon za nastavitev kompenzacije temperature

Naslednji zaslon (slika 4.17) v tej kategoriji je zaslon za nastavitev parametrov PID. Ta

nam v prvi fazi omogoča izbiro samega regulatorja. S tipko IZB preprosto vključimo ali

izključimo člena I in D. Tako lahko zbiramo med P, PI, PD ali pa PID regulatorjem. Poleg

tega pa nam omogoča možnost nastavitve poljubne želene vrednosti vseh parametrov PID.

To je vsekakor zelo ugodna rešitev, saj bi v drugačnem primeru morali za nastavljanje teh

parametrov vzpostaviti povezavo med osebni računalnikom in PLC-jem ter parametre

nastaviti na ta način.

Poleg vseh nastavitvenih možnosti, pa nam ta zaslon prikazuje trenutno vrednost

temperature v posamezni coni, želeno temperaturo in vrednost regulacije PID.


Slika 4.17 Zaslon za izbiro in nastavitev parametrov PID

Zadnji od teh zaslonov pa je zaslon, ki predstavlja trend gretja peči, je prikazan na sliki

4.18. Na grafu so predstavljene trenutne vrednosti v želeni coni peči, kolikšna je želena

vrednost temperature in kolikšna je vrednost regulacije PID.

Slika 4.18 Zaslon trend gretja


Zelo pomembna funkcija OP-ja pa je shranjevanje posamezne vrednosti temperature v

vseh conah peči. Zato OP vsebuje še zaslon (slika 4.19), preko katerega uporabnik

shranjuje podatke regulacije preprosto na USB napravo. Za shranjevanje moramo najprej s

tipko STOP ustaviti beleženje vrednosti, šele nato lahko shrani podatke temperatur za

posamezno cono.

Slika 4.19 Zaslon za shranjevanje podatkov

Beleženje in shranjevanje vrednosti temperatur je tudi eden naših osnovnih ciljev

diplomskega dela. S tem želimo zamenjati dosedanje beleženje temperature na papir.

Program shranjuje vrednost vsake pol minute. Prenesena datoteka ima končnico cvs, in je

oblike LOG_Z20_20130904_143334_HMI_Panel.cvs. Obliko shranjenih meritev cone 1

prikazuje slika 4.20.


Slika 4.20 Primer vsebine shranjene datoteke

VarName TimeString VarValue Validity

ST\DBST.T03 3.9.2013 15:58 42,89159 1

ST\DBST.T03 3.9.2013 15:59 45,79394 1

ST\DBST.T03 3.9.2013 15:59 49,80537 1

ST\DBST.T03 3.9.2013 16:00 53,86571 1

ST\DBST.T03 3.9.2013 16:00 57,97917 1

ST\DBST.T03 3.9.2013 16:01 62,28065 1

ST\DBST.T03 3.9.2013 16:01 66,84691 1

ST\DBST.T03 3.9.2013 16:02 70,65044 1

ST\DBST.T03 3.9.2013 16:02 74,27412 1

ST\DBST.T03 3.9.2013 16:03 78,09014 1

ST\DBST.T03 3.9.2013 16:03 80,93394 1


5 MERITVE IN REZULTATI

Meritev in preizkusa sistema žal ni bilo mogoče izvesti na načrtovani napravi za termično

obdelavo. Ker pa smo sistem morali nekako preizkusiti, smo meritve opravljali na

preizkusni laboratorijski peči. Ta električna peč ima nazivno moč 3000 vatov.

Na peči smo izvajali dve meritve, in sicer eno pri nizki temperaturi s temperaturnim

senzorjem pt100 in drugo pri višji temperaturi s termoelementom.

Temperaturni senzor pt100, ki ga uporabljamo, ima območje delovanja od 0 °C pa do 100

°C. Zato smo kot nizko temperaturo izbrali 70 °C. Kot parametre PID pa smo pustili

privzeto nastavljene parametre, ki jih ponuja program in sicer = 2, = 100 sekund ter

= 10 sekund. Izvajanje regulacije pri tej temperaturi je povzročalo velike težave. Po

vklopu peči je temperatura prevzpona dosegla maksimalno vrednost 98,8 °C, kar presega

nastavljeno vrednost skoraj za 40 %. Tudi po začetnem prevzponu pa je temperatura nihala

med 68 °C in 77 °C. Kar za spodnjo mejo znaša 3 % za zgornjo pa 10 % odstopanje.

Slika 5.1 Potek regulacije pri temperaturi 70°C

0

20

40

60

80

100

120

4.9.2013 16:48 4.9.2013 18:00 4.9.2013 19:12 4.9.2013 20:24 4.9.2013 21:36

Dejnska temperatura Željena temperatura


Slika 5.1 prikazuje celoten potek regulacije. Graf poteka regulacije smo izrisali samo iz

podatkov shranjenih vrednosti. Pri času 18:00 je opazen hipni padec temperature. Vzrok

temu padcu temperature je bilo kratkotrajno odprtje vrat peči.

Odstopanje zgornje vrednosti za 10 % predstavlja precejšnjo napako, zato smo parametre

PID nekoliko spremenili in ponovili meritev.

Slika 5.2 Meritev s popravljenimi parametri PID

Slika 5.2 prikazuje ponovljeno meritev s popravljenimi parametri PID. Parametri PID so v

tem primeru znašali: = 1,5 = 75 sekund ter = 15 sekund. V tem primeru je

temperatura prevzpona dosegla vrednost 97,7°C. Po prevzponu pa je vrednost temperature

zavzemala vrednost med 68,6°C in 75°C. Iz rezultata je razvidno, da smo odstopanje

zgornje meje izboljšali za 2°C, a odstopanje znaša še vedno več kot 7 %.

Za tako veliko procentualno odstopanje pa je vzrok tudi v sami peči, ki ima preveliko

nazivno moč za regulacijo pri tako nizki temperaturi regulacije.

Podobno meritev smo izvedli še pri višji temperaturi. Za temperaturo smo si izbrali

vrednosti 250°C in 350°C. Podobno kot v prvem primeru smo za prvo meritev izbrali

vnaprej podane parametre, ki jih ponuja program.


Slika 5.3 prikazuje potek te regulacije. Pri želeni temperaturi 250 °C je regulirana

temperatura zavzemala vrednost med 240°C in 275°C. Pri nastavljeni temperaturi 350°C

pa je bilo odstopanje še nekoliko večje. Temperatura je tukaj zavzemala vrednosti med

338°C in 370°C.

Slika 5.3 Potek regulacije pri 250 °C in 350 °C

To meritev smo želeli izboljšati, zato smo nekoliko spremenili parametre regulacije, želeno

temperaturo pa nekoliko dvignili na 400°C. Parametri pri tej regulaciji so bili: = 1,5

= 50 sekund ter = 15 sekund. Potek regulacije je na sliki 5.4.


Slika 5.4 Potek regulacije pri temperaturi 400°C

Rezultati te regulacije so dosti bolj ugodni kot pri prejšnji. Temperatura prevzpona je v tem

primeru dosegla vrednost le 415°C, nato pa je ostala v območju med 390°C in 410°C. Ta

vrednost pa predstavlja le 2,5 % odstopanje želene vrednosti, kar tudi ustreza zahtevam.


6 SKLEP

V diplomskem delu je predstavljena prenova regulacije in kontrole temperature popuščne

peči na kalilni liniji. Da pri procesu popuščanja dobimo želene lastnosti kovine, je ključna

pravilna regulacija temperature. Glavni razlog za zamenjavo trenutnega sistema regulacije

in kontrole temperature je njegova zastarelost. Največjo težavo pri tem predstavlja

beleženje temperature.

Nalogo dosedanjega PID regulatorja opravlja sedaj Siemensov PLC 313C, temperatura pa

se shranjuje in prikazuje na operacijskem panelu, namesto analogno na papir preko

registratorja.

PLC izvaja program regulacije, operacijski panel pa predstavlja uporabniški priročnik, ki je

preprost za uporabo. Program je napisan v razvojnem programskem okolju TIA. V

diplomskem delu je opisan primer programiranja v programskem jeziku STEP 7 in pa

struktura vseh glavnih funkcij programa. Najpomembnejša funkcija programa je izvajana

proporcionalno-integrirano-diferencialne regulacije. Za enostavno nastavljanje vseh

parametrov regulacije smo implementirali preprost uporabniški vmesnik. Uporabniški

vmesnik smo izdelali na operacijskem panelu. Na njem je mogoče preprosto nastavljanje

vseh parametrov regulacije in tudi izbiro same vrste regulacije. Izbiramo lahko med P, PI,

PD in PID regulatorjem. Panel prikazuje tudi trend gretja vsake cone v peči in omogoča

shranjevanje arhiviranih vrednosti temperatur.

Med izdelavo diplomskega dela je vodstvo podjetja sprejelo sklep, da kalilne linije, del

katere je tudi popuščna peč, ne potrebuje v obratovanju.

Zaradi tega novega sistema regulacija nismo uspeli preizkusiti in postaviti na želeni

napravi za termično obdelavo. Sistem smo vseeno realizirali do te mere, da omogoča

takojšnjo postavitev na katerem koli objektu za termično obdelavo. Sam sistem pa smo

preizkusili na manjši preizkusni laboratorijski peči.


Iz meritev je razvidno, da sistem deluje, kot je bilo predvideno. Za nastavljanje parametrov

PID regulacije, nismo uporabili nobene metode za nastavljanje parametrov, saj to ni bilo

smiselno, ker ne poznamo na kateri termični napravi bo sistem postavljen. Pri testiranju pa

smo parametre nastavljali glede na opazovanje delovanja sistema in dobili rezultate, ki so

od želene vrednosti odstopali zgolj 10°C. Rezultat bi lahko izboljšali, če bi namesto

digitalnega izhoda uporabili analogni izhod in nato tiristor, ki bi regulacijo izvajal zvezno

in ne pulzno.


7 VIRI

[1] Kiker E. Regulacijska tehnika. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 200

[2] Jezernik K. Teorija regulacij 1. Maribor: Visoka tehniška šola VTO elektrotehnika,

1979.

[3] Solar M. Meritve v elektrotehnik. Maribor: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in

informatiko, 2001.

[4] Vrste regulatorjev, dostop 2.8.2013

http://users.volja.net/ipavlic/Vrste%20regulatorjev.pdf

[5] Kaljenje jekel, dostop 4.8.2013

http://www2.sts.si/arhiv/tehno/projekt7/kaljenje_jekel.htm

[6] Siemens S7-300 31x in 31xC priročnik, dostop 5.8.2013

http://cache.automation.siemens.com/dnl/Tk/Tk1MDQwMQAA_12996906_HB/s7300_cp

u_31xc_and_cpu_31x_manual_en-US_en-US.pdf

[7] Siemens S7-300 priročnik modulov, dostop 5.8.2013

http://cache.automation.siemens.com/dnl/DQ/DQzMzMxAAAA_8859629_HB/s7300_mo

dule_data_manual_en-US_en-US.pdf

[8] Siemens HMI comfort panels priročnik, dostop 6.8.2013

http://cache.automation.siemens.com/dnl/jU/jUyNzI0OQAA_49313233_HB/hmi_comfort

_panels_operating_instructions_en-US_en-US.pdf

[9] Siemens HMI TP700 comfort panel, dostop 6.8.2013

http://www.automation.siemens.com/mcms/human-machine-interface/en/operator-

interfaces/hmi-comfort-panels/simatic-tp700-comfort/pages/default.aspx#

[10] Uporovni temperaturni odjemnik, dostop 8.8.2013

http://lrtme.fe.unilj.si/lrtme/slo/UNIVSS/daja_pret/PREDAVANJE_6_Merjenje%20tempe

rature_1del.pdf

http://users.volja.net/ipavlic/Vrste%20regulatorjev.pdf

http://www2.sts.si/arhiv/tehno/projekt7/kaljenje_jekel.htm

http://cache.automation.siemens.com/dnl/Tk/Tk1MDQwMQAA_12996906_HB/s7300_cpu_31xc_and_cpu_31x_manual_en-US_en-US.pdf

http://cache.automation.siemens.com/dnl/Tk/Tk1MDQwMQAA_12996906_HB/s7300_cpu_31xc_and_cpu_31x_manual_en-US_en-US.pdf

http://cache.automation.siemens.com/dnl/DQ/DQzMzMxAAAA_8859629_HB/s7300_module_data_manual_en-US_en-US.pdf

http://cache.automation.siemens.com/dnl/DQ/DQzMzMxAAAA_8859629_HB/s7300_module_data_manual_en-US_en-US.pdf

http://cache.automation.siemens.com/dnl/jU/jUyNzI0OQAA_49313233_HB/hmi_comfort_panels_operating_instructions_en-US_en-US.pdf

http://cache.automation.siemens.com/dnl/jU/jUyNzI0OQAA_49313233_HB/hmi_comfort_panels_operating_instructions_en-US_en-US.pdf

http://www.automation.siemens.com/mcms/human-machine-interface/en/operator-interfaces/hmi-comfort-panels/simatic-tp700-comfort/pages/default.aspx

http://www.automation.siemens.com/mcms/human-machine-interface/en/operator-interfaces/hmi-comfort-panels/simatic-tp700-comfort/pages/default.aspx

http://lrtme.fe.unilj.si/lrtme/slo/UNIVSS/daja_pret/PREDAVANJE_6_Merjenje%20temperature_1del.pdf

http://lrtme.fe.unilj.si/lrtme/slo/UNIVSS/daja_pret/PREDAVANJE_6_Merjenje%20temperature_1del.pdf


[11] Multi point interface, dostop 11.8.2013

http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-Point_Interface

[12] Analogni vhodni modul, dostop 13.8.2013

http://cache.automation.siemens.com/dnl/DU/DU0NTYxNwAA_6ES73317KF020AB0_M

LFB/P_ST70_XX_00026i.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-Point_Interface

http://cache.automation.siemens.com/dnl/DU/DU0NTYxNwAA_6ES73317KF020AB0_MLFB/P_ST70_XX_00026i.jpg

http://cache.automation.siemens.com/dnl/DU/DU0NTYxNwAA_6ES73317KF020AB0_MLFB/P_ST70_XX_00026i.jpg


8 PRILOGE

Priloga A

ŢIVLJENJEPIS

OSEBNI PODATKI

Ime in priimek: Jožef Petelinek

Rojen: 28.05.1991

Naslov: Osredek 19A

Pošta: 3214 Zreče

E-pošta: [email protected]

ŠOLANJE

1998 – 2006 Osnovna šola Zreče, Zreče

2006 – 2010 Šolski center Slovenske Konjice – Zreče, Gimnazija Slovenske

Konjice, Slovenske Konjice

2010 – 2013 Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in

informatiko. Študij na univerzitetnem študijskem programu

elektrotehnika – smer elektronika, Maribor

regulacija in kontrola temperature na napravah za … · regulacijo bomo izvedli s pid...

Documents