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 ventilátor vezérlését egy PWM üzemmódú 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!

$W (s) = \frac{A}{1 + s T}$

Az egytárolós tag ugrásválasza:

$v (t) = L^{- 1} {\frac{A}{s \cdot (1 + s T)}} = A \cdot (1 - e^{- t / τ}) \cdot ε (t)$

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:

$W_{P I} (s) = A_{P} \cdot (1 + \frac{1}{s T_{i}}) = \frac{A_{P}}{T_{i}} \cdot \frac{1 + s T_{i}}{s}$

A szabályozó $A_{P}$ erősítése és $T_{i}$ integrálási időállandója pozitív számok.

A szabályzó a körerősítést $\frac{A_{P}}{T_{i}}$ -szeresére változtatja, a szabályozási kör típusszámát pedig eggyel növeli.

A szabályzó egy $- \frac{1}{T_{i}}$ zérust is bevisz a felnyitott kör átviteli függvényébe.

Paraméterek:

$A_{P} :$ Így tudunk előírt fázistartalékra tervezni.
$T_{i} :$ 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: $W_{P} (s)$

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

$W_{0} (s) = W_{C} (s) \cdot W_{P} (s) = \frac{K}{s^{i}} \cdot W_{01} (s)$

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

Statikus/maradó hiba:

$i = 0$ esetén $e_{\infty} = \frac{1}{1 + K}$
$i = 1$ esetén $e_{\infty} = 0$

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: $\frac{K}{s}$

Átmeneti függvénye: $v (t) = K \cdot t \cdot ε (t)$

Amplitúdó spektruma: $M (ω) = \frac{K}{| ω |}$

Fázisfüggvénye: $- 9 0^{\circ}$

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:

$D_{P I D} (z) = A_{P} + \frac{A_{P}}{T_{i}} \cdot \frac{T}{1 - z^{- 1}} + A_{P} \cdot T_{D} \cdot \frac{1 - z^{- 1}}{T}$

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

$u [k] = b_{0} \cdot e [k] + b_{1} \cdot e [k - 1] + b_{2} \cdot e [k - 2] + u [k - 1]$

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

$b_{0} = A_{P} \cdot (1 + \frac{T}{T_{i}} + \frac{T_{D}}{T})$

$b_{1} = - A_{P} \cdot (1 + 2 \cdot \frac{T_{D}}{T})$

$b_{2} = A_{P} \cdot \frac{T_{D}}{T}$

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

Ideális PID szabályzó átviteli függvénye (párhuzamos realizációban):

$W_{P I D} (s) = A_{P} \cdot (1 + \frac{1}{s T_{i}} + s T_{D}) = \frac{A_{P}}{T_{i}} \cdot \frac{1 + s T_{i} + s^{2} T_{i} T_{D}}{s}$

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

$W_{P I D} (s) = A_{P} \cdot (1 + \frac{1}{s T_{i}} + \frac{s T_{D}}{1 + s T_{C}}) = \frac{A_{P}}{T_{i}} \cdot \frac{1 + s (T_{i} + T_{C}) + s^{2} T_{i} (T_{D} + T_{C})}{s \cdot (1 + s T_{C})}$

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:

$y [k] + a_{1} y [k - 1] + . . . + a_{n a} y [k - n a] = b_{1} u [k - 1 - n d] + . . . + b_{n b} u [k - n b - n d]$

Ahol $k = 0, 1, 2, 3 . . .$ a diszkrét időpontokat jelöli, $y [k]$ a folyamat kimenőjele, $u [k]$ a bemenőjele, $n d$ a holtidő, továbbá ${a_{i}, b_{i}}$ a folyamat modelljének paraméterei.

A fenti összefüggés átírható az úgynevezett ARX alakra:

$y [k] = \frac{B (z^{- 1})}{A (z^{- 1})} \cdot u [k - n d]$

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 $t = 1 . . . N$ bemeneti-kimeneti mintapár ismeretében keressük az ${{\hat{a}}_{i}, {\hat{b}}_{i}}$ becsült paramétereket olyan formában, hogy a modell kimenete és a tényleges mért kimenet közötti $e (t)$ eltérések négyzetének $J$ összege (más szóval veszteségfüggvény) minimális legyen:

$J = \sum_{t = n a + n k + 1}^{N} \limits {[e (t)]}^{2}$