Laboratórium 2 - 11. Mérés ellenőrző kérdései

← Vissza az előző oldalra – Laboratórium 2

← Vissza az előző oldalra – Laboratórium 2 - 11. Mérés: Logikai vezérlők alkalmazástechnikája

1. Mi a PLC és mire lehet használni?

A PLC egy olyan számítógép, amelyet architektúráját, működési rendszerét, programozási nyelvét és konstrukcióját tekintve gyártási folyamatok vezérlésére illetve szabályozására fejlesztettek ki. A PLC analóg és digitális jelekkel csatlakozik a folyamathoz, programozása speciális programozó készülékkel vagy hagyományos PC-vel történik.

2. Rajzolja fel a mérési elrendezés blokkvázlatát!

3. Mit jelent az, hogy a PLC programfeldolgozása ciklikus működésű? Ismertesse a PLC ciklikus programvezérlésének a lépéseit!

A PLC-k programfeldolgozása ciklikus működésű. A ciklus mindig egy startup blokkal (OB100 vagy OB101) indul, ami RUN állapotba való átkapcsoláskor vagy újraindításkor hívódik meg. A blokk törli a belső változókat, a megfelelő memóriákat és megszakítás kéréseket.

Egy programciklus az alábbi részekből áll:

• A ciklusidő-figyelés újraindítása
• A kimeneti értékek táblájának (PIQ) kiírása a kimeneti kártyákra
• A bemeneti jelek állapotának lekérdezése és a bemeneti értékek táblájának (PII) aktualizálása
• A felhasználói program végrehajtása a benne lévő utasításokkal (azaz az OB1 blokk meghívása).

4. Milyen jelszintűek a PLC analóg ki- és bemenetei és ezek milyen funkciót látnak el a mérési elrendezésben?

Az illesztő kártya analóg ki- és bemenetei mindkét irányban 0-10 V-os jelszintűek. A bemenetek bemeneti ellenállása 100 kOhm. A kimenetek maximális terhelő árama 10 mA.

Ellátott funkciók:

• Analóg kimenet:
  • Fűtés vezérlése (PLC1)
  • Ventilátor vezérlése (PLC2) (az új mérési elrendezésben csak 1 plc van, a ventillátor vezérlését egy digitális kimenet végzi)
• Analóg bemenet:
  • Tranzisztor hőmérséklet (PLC1)
  • Hűtőtönk hőmérséklet (PLC1)

5. Mivel mérjük a hűtőtönk hőmérsékletét? Hogyan tudjuk növelni illetve csökkenteni a hűtőtönk hőmérsékletét?

A hűtőtönk hőmérsékletét illetve a teljesítmény tranzisztor tok-hőmérsékletét egy-egy hőmérséklet-érzékelővel mérjük. A hűtőtönk hőmérsékletét a teljesítmény-tranzisztor áramának növelésével lehet növelni. A termikus folyamat gyorsítása érdekében kényszerhűtést alkalmazunk.

6. Milyen funkciókat valósít meg a mérési elrendezésben a WinCC operációs rendszer?

A WinCC operációs rendszer a folyamatirányítási feladatok ember-gép kapcsolati felületét (HMI = Human Machine Interface) hivatott megvalósítani. Grafikus felülete lehetőséget biztosít, hogy elemenként tetszőlegesen építsük fel az operátori felületet. Lehetőséget nyújt egy folyamat jeleinek megjelenítésére, vezérlésére. A WinCC változók segítségével kapcsolódik a PLC-k paramétereit és mérési adatait tartalmazó blokkhoz.

Funkciók:

• Szabályozásra vonatkozó beállítások, szabályozó típusának kiválasztása, szabályozási paraméterek
• A kézi beavatkozójel, az alapjel és a hűtőventilátor jelének beállítása
• Hiba nyugtázása
• Human Machine Interface

7. Milyen funkciókat valósít meg a mérési elrendezésben a Simatic Manager?

A Siemens S7-300-as típusú PLC-khez szükséges programokat a Simatic Manager szoftver segítségével tudjuk megírni, szimulálni, a PLC-t felprogramozni. A szoftver kezelőfelülete a Simatic Manager, mely használatával képesek vagyunk beállítások, konfigurációk, fejlesztések, szimulációk és sok más dolog elvégzésére. A STEP7 szoftver több, alacsonyabb és magasabb szintű programozási nyelvet ismer.

8. Adja meg az egytárolós arányos tag átviteli függvényét és ábrázolja az ugrásválaszát!

Az egytárolós tag átviteli függvénye - Vigyázat: Az sem szabad elfelejteni, hogy van egy A erősítése is!

[math]W(s)={A \over 1 +sT}[/math]

Az egytárolós tag ugrásválasza:

[math]v(t)=L^{-1} \left\{ {A \over s \cdot (1+sT)} \right\} = A \cdot \left( 1 - e^{- {t / \tau }} \right) \cdot \varepsilon (t)[/math]

Az egytárolós tag ugrásválaszának ábrázolása:

9. Adja meg a folytonos PI szabályzó átviteli függvényét! Hány paramétere van a szabályzónak és ezeket hogyan választjuk meg?

A PI típusú szabályzó átviteli függvénye:

[math]W_{PI}(s)=A_P \cdot \left( 1 + {1 \over sT_i}\right) = {A_P \over T_i} \cdot {1 + sT_i\over s}[/math]

A szabályozó [math]A_P[/math] erősítése és [math]T_i[/math] integrálási időállandója pozitív számok.

A szabályzó a körerősítést [math]{A_P \over T_i}[/math] -szeresére változtatja, a szabályozási kör típusszámát pedig eggyel növeli.

A szabályzó egy [math]- {1 \over T_i}[/math] zérust is bevisz a felnyitott kör átviteli függvényébe.

Paraméterek:

• [math]A_P:[/math] Így tudunk előírt fázistartalékra tervezni.
• [math]T_i:[/math] Ezzel kiejthetjük a szakasz leglassabb pólusát, biztosítva így a gyorsabb működést.

10. Mit nevezünk a rendszer típusszámának? Milyen hibával követi az egységugrás alapjelet egy 0 illetve egy 1 típusú rendszer?

A szakasz átviteli függvénye: [math]W_P(s)[/math]

A felnyitott kör függvény átviteli függvénye soros kompenzátor és egységnyi merev negatív visszacsatolás esetén:

[math]W_0(s)=W_C(s) \cdot W_P(s) = {K \over s^i} \cdot W_{01}(s)[/math]

Ahol [math]W_{01}(0)=1[/math] , [math]K[/math] a körerősítés és [math]i[/math] a szabályozási kör típusszáma. Tehát a típusszám a szabályozási körben található integrátorok száma.

Statikus/maradó hiba:

• [math]i=0[/math] esetén [math]e_{\infty}={1 \over 1+K}[/math]
• [math]i=1[/math] esetén [math]e_{\infty}=0[/math]

11. Milyen tervezési (minőségi) előírásokat ismer egy zárt szabályozási kör jellemzésére?

• Statikus hiba
• Túllövés
• Beállási idő (5%-os tartományba kerülésig eltelt idő)
• Felfutási idő
• Fázistartalék
• Vágási (metszési) körfrekvencia
• A beavatkozójel maximális értéke adott alapjel esetén

12. Mikor stabilis egy folytonos illetve egy mintavételes lineáris rendszer?

• Folytonos lineáris rendszer stabilis: A zárt kör minden sajátértéke a bal oldali félsíkon van: Re{s}<0
• Mintavételes lineáris rendszer stabilis: A zárt kör minden sajátértéke a komplex számsíkon az egységkörön belül van: |z|<1

13. Adja meg az integrátor tulajdonságait!

Átviteli függvénye: [math]{K \over s}[/math]

Átmeneti függvénye: [math]v(t)=K \cdot t \cdot \varepsilon (t)[/math]

Amplitúdó spektruma: [math]M(\omega)={K \over |\omega|}[/math]

Fázisfüggvénye: [math]-90^{\circ}[/math]

Jellemzői:

• Dinamikus tag - Kimenő jele a bemenő jelének idő szerinti integrálja.
• Kimenő jele időben lineárisan változik, ha a bemenő jele állandó.
• Kimenő jele csak akkor állandó, ha a bemenő jele 0.
• A kimenő jel véges bemenő jel eseten nem ugorhat.
• Memória tulajdonsága van.

14. Adja meg egy diszkrét PID szabályzó impulzusátviteli függvényét és differencia egyenletét!

A diszkrét PID szabályzó impulzusátviteli függvénye - T a mintavételi periódusidő, s operátor közelítése BWD-vel, 1/s operátor közelítése RSR-rel:

[math]D_{PID}(z)= A_P + {A_P \over T_i} \cdot {T \over 1-z^{-1}} + A_P \cdot T_D \cdot {1 - z^{-1} \over T}[/math]

Differencia egyenlete - u[k] a beavatkozó jel, e[k] pedig a hibajel:

[math]u[k]=b_0 \cdot e[k] + b_1 \cdot e[k-1] + b_2 \cdot e[k-2] + u[k-1][/math]

A három paraméter pedig, könnyen meghatározható, ha a JR2-ből tanult módszerrel az átviteli karakterisztikából felírjuk a rendszeregyenletet:

[math]b_0 = A_P \cdot \left( 1 + {T \over T_i} + {T_D \over T} \right)[/math]

[math]b_1 = - A_P \cdot \left( 1 + 2 \cdot {T_D \over T}\right)[/math]

[math]b_2 = A_P \cdot {T_D \over T}[/math]

15. Adja meg egy folytonos PID szabályzó átvitel függvényét soros és párhuzamos realizációban!

Ideális PID szabályzó átviteli függvénye (párhuzamos realizációban):

[math]W_{PID}(s)=A_P \cdot \left( 1 + {1 \over sT_i} + sT_D \right) = {A_P \over T_i} \cdot {1 + sT_i + s^2 T_i T_D \over s }[/math]

Mivel ez a gyakorlatban nem realizálható, ezért közelítő PID szabályzót alkalmazunk:

[math]W_{PID}(s)=A_P \cdot \left( 1 + {1 \over sT_i} + {sT_D \over 1 +sT_C} \right) = {A_P \over T_i} \cdot {1 + s(T_i + T_C) + s^2 T_i( T_D +T_C) \over s \cdot (1+sT_C) }[/math]

16. Hogyan befolyásolja a beavatkozójel korlátozása a szabályozási kör működését?

Ha korlátozzuk a beavatkozó jelet, akkor később áll be a szabályozási kör. Tehát nő a beállási tranziens, a beállás lengő jellegű lesz. A túllövés mértéke is növekedhet.

17. Hogyan valósítható meg pont-pont összeköttetés feltételes bevitellel, lazán csatolt rendszerekben?

Van két független eszköz, amelynek vannak közös perifériái.

Például a mérésünk keretei között azt akarjuk, hogy az egyik eszköz tudjon a másikkal kommunikálni, mert szeretnénk, ha az a PLC, amelyet programozni tudunk (PLC1), tudja vezérelni a ventilátorhűtést (amit viszont a PLC0 végez).

Egy közös perifériát használunk a kommunikációra.

PLC1 fogja magát, beír valamit ebbe a perifériába (képzeld el úgy, mint egy I/O write). A PLC0 ezt észreveszi, hogy küldtek neki valamit, kiveszi az üzenetet és értelmezi.

A nyalánkságok: Hogyan veszi észre PLC0, hogy üzenetet kapott? Például úgy, hogy van egy másik periféria (set-reset jellegű), amit ha üzenetet küldesz, akkor 1-be billented, amikor elveszed az üzenetet, akkor 0-ba.

18. Milyen memóriaszegmensei vannak a Siemens 314C-2DP kompakt PLC-nek?

A PLC-ben rendelkezésre álló memória alapvetően három részre osztható:

• A memóriakártyán (MMC) található részben tárolódik minden programkód, az adatblokkok és a konfigurációs adatok.
• A RAM memória tartalmazza a mindenkori futó programot és annak adatait.
• A rendszer memória további konfigurációs adatokat, valamint a be- és kimenetek aktuális értékeit tárolja.

19. Adja meg az ARX modell kifejezését!

Legyen egy mintavételezett diszkrét idejő folyamat differenciaegyenlete a következő:

[math]y[k]+a_1y[k-1]+...+a_{na}y[k-na]=b_1u[k-1-nd]+...+b_{nb}u[k-nb-nd][/math]

Ahol [math]k=0,1,2,3...[/math] a diszkrét időpontokat jelöli, [math]y[k][/math] a folyamat kimenőjele, [math]u[k][/math] a bemenőjele, [math]nd[/math] a holtidő, továbbá [math]\left\{a_i,b_i \right\}[/math] a folyamat modelljének paraméterei.

A fenti összefüggés átírható az úgynevezett ARX alakra:

[math]y[k]={B\left( z^{-1} \right) \over A\left( z^{-1} \right)} \cdot u[k-nd][/math]

20. Milyen költségfüggvényt használ a Matlab arx utasítás?

Az arx utasítás a legkisebb négyzetes (LS = Least Squares) költségfüggvényt használja.

A legkisebb négyzetek módszerének alkalmazásakor a rendelkezésre álló [math]t=1...N[/math] bemeneti-kimeneti mintapár ismeretében keressük az [math]\left\{ \hat{a}_i, \hat{b}_i\right\}[/math] becsült paramétereket olyan formában, hogy a modell kimenete és a tényleges mért kimenet közötti [math]e(t)[/math] eltérések négyzetének [math]J[/math] összege (más szóval veszteségfüggvény) minimális legyen:

[math]J=\sum_{t=na+nk+1}^N\limits \left[ e(t) \right]^2[/math]