Industriell reglerteknik: Föreläsning 1

Transkript

1 Industriell reglerteknik: Föreläsning 1 Martin Enqvist Reglerteknik Institutionen för systemteknik Linköpings universitet

2 Diverse 1 / 31 Föreläsare och examinator: Martin Enqvist Lektionsassistenter: Erik Hedberg Oskar Ljungqvist Kurshemsida:

3 Vem är jag? 2 / 31 Martin Enqvist: Y-linjen Doktorand i reglerteknik Doktorsavhandling: Linear Models of Nonlinear Systems Postdocår på ett universitet i Bryssel, Belgien, under 2006 Tillbaka på LiU sedan 2007 Nu: Universitetslektor i reglerteknik, forskar om systemidentifiering (bl.a. flyg, fordon, fartyg, elektronik)

4 Mål 3 / 31 Målet med kursen är att förmedla kunskaper om de reglertekniska metoder som är vanligt förekommande i industrin. Tre teman i kursen: Sekvensstyrning (= styrning med hjälp av binära mät- och styrsignaler) Design, implementering och drift av en regulator Multivariabel reglering (regulatorstrukturer och optimeringsbaserad reglering) Dessutom: Kompletterande reglertekniska verktyg (tidsdiskret reglerteori och modellering av industriella system)

5 Vad är industriell reglerteknik? 4 / 31

6 Industriell reglerteknik 5 / 31 Var hittar man reglerteknik i industriella tillämpningar? Jo, i form av... Inbyggda reglersystem (ofta i konsumentprodukter som t.ex. tvättmaskiner, kylskåp, kaffemaskiner) Applikationsspecifika reglersystem (t.ex. autopiloter, säkerhetssystem i bilar, reglersystem för industrirobotar) Öppna reglersystem (generella regulatorer för bl.a. processindustrin (pappersmaskiner, värmekraftverk, oljeraffinaderier, stålverk, etc)).

7 Typisk industriell tillämpning 6 / styrsignaler reglerkretsar 9 personer/skiftlag m/minut (världsrekord 2009: m/minut) PM12 på Stora Enso Kvarnsveden i Borlänge Foto: Stora Enso

8 Industriell reglerteknik 7 / 31 Varför använder man reglerteknik i industriella tillämpningar? Flera olika skäl: Produkten är inte möjlig utan reglerteknik (t.ex. en läsare för optiska skivor) Produkten är i sig en reglerteknisk lösning (t.ex. ett antisladdsystem i en bil) Ett reglersystem ökar säkerheten (t.ex. tryckreglering i ett kraftverk) En god reglering ger ekonomiska vinster (t.ex. högre produktionstakt, snabbare uppstarter, lägre kassation, lägre energi- och råvarukostnader) ( miljövinster)

9 Exempel: Ekonomi & reglerteknik 8 / Betrakta tillverkning av rostfritt stål som ska ha en nickelhalt på (minst) 5%

10 Exempel: Ekonomi & reglerteknik... 9 / Bättre reglering Minskad varians Ger detta någon ekonomisk vinst?

11 Exempel: Ekonomi & reglerteknik / Den ekonomiska vinsten kommer först när man justerar börvärdet

12 Kursens upplägg 11 / 31

13 Organisation 12 / st föreläsningar (varav en gästföreläsning) 10 st lektioner (alla i datorsal) 3 st laborationer: Styrning av legofabrik (total labtid cirka 20h) Inställning och implementering av PID-regulatorer med framkoppling (total labtid cirka 16h) Modellbaserad prediktionsreglering av destillationskolonn (total labtid cirka 16h) Anmäl er så snart som möjligt! Datortentamen (kurskompendiet och grundkursboken tillåtna hjälpmedel)

14 Föreläsningar 13 / 31 1 Sekvensstyrning: Funktionsdiagram, Grafcet. 2 Grundläggande reglerteori i diskret tid. 3 Modellering. Design av regulatorer. 4 Framkoppling från referenssignal. PID-regulatorn. 5 PID-regulatorn. Implementering av regulatorer. 6 Regulatorer i drift. Olinjära regulatorer. 7 Regulatorstrukturer. 8 Regulatorstrukturer. MPC: Grundprincip, problemformulering. 9 MPC: Problemformulering, referensföljning, I-verkan. 10 MPC: Stabilitet. 11 Gästföreläsning. 12 MPC: Tolkningar. Sammanfattning.

15 Laborationer 14 / 31 Konceptet Självständiga laborationer: Laborationerna utförs till stora delar på egen hand under en vecka. Obligatoriskt introduktionstillfälle. Resurstillfällen. Redovisning (i Laboteket eller med rapport). Syftet är att detta ska leda till: Minskad tidspress. Ökad kreativitet. Djupare lärande.

16 Kursvärderingen i fjol 15 / 31 Resultat: Sammanfattningsbetyg: 4.8 Svarsfrekvens: 43% Examinationen: 4.6 Lärarnas insatser: 4.8 Kurslitteraturen: 4.8 Arbetsinsats: Lagom enligt 92% Åtgärder: Mindre modifieringar av upplägget med datortenta för att minska på stressen Smidigare examination på lab 3

17 Sekvensstyrning 16 / 31

18 Sekvensstyrning 17 / 31 Många system har diskreta inslag (t.ex. binära givare och variabler). Man är ofta intresserad av att göra styringrepp som tar systemet från ett starttillstånd till ett annat tillstånd. Sådana ingrepp kallas handlingar. Sekvensstyrning: Utförandet av en bestämd sekvens av handlingar.

19 Sekvensstyrning / 31 Varför sekvensstyrning med binära styr- och mätsignaler? Naturligt för många typer av systemkomponenter. Ger enklare och billigare givare och styrdon. De flesta styr- och reglerproblem i industrin är av denna typ.

20 Historik 19 / talet f.kr: Hydrauliska styrsystem 1700-talet: Mekaniska styrsystem (hålkort, programverk) 1920-talet: Elektromagnetiska reläer. Pneumatik och ventiler 1960-talet: Grindlogik och vippor 1970-talet: PLC-system (lågnivåprogrammering) 1980-talet: Högnivåspråk

21 Komplexitet 20 / 31 JAS 39 Gripens landningssystem: 32 binära givare 2 32 olika kombinationer, dvs fall som behöver undersökas. (Ytterligare 5 flervärda givare ger ännu högre komplexitet!) Komplexiteten och kraven på korrekthet, säkerhet och läsbarhet gör att någon typ av modellerings- och programmeringsspråk behövs. Här: Funktionsdiagram (Grafcet)

22 Funktionsdiagram (Grafcet) 21 / 31 Startsteg Steg Övergång Parallellförgrening Alternativförgrening Makrosteg En komplett graf ska vara sluten R : /Nödstopp Nollställningsvillkor x0 Typ Styrsignal G4 Övergångsvillkor Typspecifikation x1 x3 C E2 G5 G3 F 2 G2 + /V 1 x2 x4 Handlingsvillkor (underhandsvillkor) G7 /G7 x5 F 4 Markör (eng. token) (aktivt steg) x6 x7 G4 Repetition G5 /G5

23 Handlingstyper 22 / 31 Handlingstyp Beteckning Beskrivning x1 G E x1 G E Villkorlig x1 handling x1 C E B B G G E Ettställning x2 S E x2 Lagrad handling G2 G2 E Nollställning x5 R E x5 G5 G5 Tidsbegränsad handling x1 L E 8 s x1 G G E 8 s Tidsfördröjd handling x1 D E 5 s x1 G G E 5 s Standardhandling Pulshandling x1 P E G x1 G E...

24 Realisering av styrlagar 23 / 31 PLC-system Reläer Grindlogik Pneumatik Mekaniska programverk

25 PLC-system 24 / 31 PLC = Programmable Logic Controller Mycket vanliga idag pga flexibilitet, tillförlitlighet, ekonomi PLC-kod påminner om assemblerkod PLC-koden kan ofta automatgenereras från ett funktionsdiagram Ett kodexempel: E 1 = (/G 1 + G 5 ) X 3 LD G1 NOT OR G5 AND X3 ST E1

26 PLC-system / 31 Typiskt utseende: Nätdel CPU Kom. In D In D Ut D In A Ut A Programmeringsenhet Skrivare Bildskärm Datorer Nätdel. 2. Centralenhet. 3. Kommunikationsmodul. 4. Digital ingångsmodul. 5. Digital utgångsmodul. 6. Analog ingångsmodul. Moderna PLC-er. 7. Analog utgångsmodul. Moderna PLC-er. CPU 2 1 In 4 Data Ut 5

27 Reläer 26 / 31 Reläets funktion och hur dess komponenter ritas: Spole Relä med kontakter Symbol (IEC) Symbol (Amerikansk) Beskrivning + Styrdon (relä) u(t) Slutande kontakt Brytande kontakter Ankare Slutande kontakter Tryckknappar Brytande kontakt Slutande & återfjädrande kontakt Dragfjäder Brytande & återfjädrandekontakt

28 Typkodning med reläer 27 / 31 TIMER ON Standardhandling Villkorlig handling Lagrad handling + + x y x y Tidsfördröjd TON handling IN Q + + x x S y B x R y y Tidsbegränsad handling T#2s + x T#2s PT TON IN Q PT T ET ET T y

29 Exempel: Trafikljus 28 / 31 Betrakta regleringen av trafikljusen i en korsning. (Projektarbete av LiU-studenten Christian Schreck.)

30 Exempel: Trafikljus / 31 Sekvensstyrprogram implementerat m.h.a. Proview (open source-processtyrsystem från SSAB Oxelösund)

31 Exempel: Trafikljus / 31

32 Sammanfattning 31 / 31 Sekvensstyrning Funktionsdiagram: Steg, övergångar, övergångsvillkor, handlingar, parallell- och alternativförgreningar Handlingstyper: Standard, villkorlig, (lagrad), tidsbegränsad, tidsfördröjd, (puls) PLC-system Reläscheman: Logiska uttryck med hjälp av kontakter och spolar

33