Izdelava računalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RA UNALNIŠTVO IN INFORMATIKO





Marko Jalšovec





IZDELAVA RA UNALNIŠKEGA SIMULATORJA ZA TESTIRANJE PROCESNIH KRMILNIKOV




Diplomska naloga





Maribor, oktober 2008

I





UNIVERZA V MARIBORU


FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RA UNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

2000 Maribor, Smetanova ul. 17





Diplomska naloga univerzitetnega študijskega programa





IZDELAVA RA UNALNIŠKEGA SIMULATORJA ZA TESTIRANJE PROCESNIH KRMILNIKOV





Študent: Marko JALŠOVEC Študijski program: univerzitetni, Elektrotehnika Smer: Mo nostna elektrotehnika

Mentor: doc. dr. Jožef RITONJA Somentor: red. prof. dr. Drago DOLINAR

Maribor, oktober 2008

II

III





ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Jožefu Ritonji in somentorju red. prof. dr. Dragu Dolinarju za pomo in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogo ili študij.

IV





IZDELAVA RA UNALNIŠKEGA

SIMULATORJA ZA TESTIRANJE PROCESNIH KRMILNIKOV




Klju ne besede: procesni krmilnik, OPC tehnologija, analogno/digitalni vmesnik,

Matlab, Simulink, krmiljenje in regulacija.

UDK: 004.415.53:681.51(043.2)

Povzetek

Diplomsko delo opisuje izdelavo univerzalnega simulatorja za testiranje uporabniških programov procesnih krmilnikov. Opisana sta dva na ina vzpostavitve povezave med procesnim krmilnikom in programsko opremo: uporaba OPC tehnologije in uporaba analogno/digitalnega vmesnika. Za numeri ne izra une dinami nih simuliranih procesov smo uporabili programsko okolje Matlab/Simulink. Naredili smo univerzalni grafi ni vmesnik za vnos zgradbe in parametrov dinami nega sistema. V okviru grafi nega uporabniškega vmesnika smo prikazali asovne poteke spremenljivk procesa.

V





Key words: programmable logic controllers, OPC technology, analog/digital converter,

Matlab, Simulink, open-loop and closed-loop control

UDK: 004.415.53:681.51(043.2)

Abstract

This diploma thesis describes development of universal simulators for testing of user programmes of the programmable logic controllers. Here are also described two ways how to create a communication between programmable logic controllers and programme software: the use of the OPC technology and via analog/digital interface. For numerical calculations of dynamic simulated processes, programme software Matlab/Simulink has been used. We have also made a universal graphic interface for entering the structure and parameters of the dynamic system. In the framework of the graphic user interface, we have shown the time-dependant responses of the process's variables.


DEVELOPMENT OF COMPUTER

SIMULATORS FOR TESTING PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLERS

VI





VSEBINA............................................................................................................................VI

SEZNAM SLIK................................................................................................................ VIII

UPORABLJENE KRATICE...............................................................................................XI

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

2. UPORABA AD/DA VMESNIKA ZA PRENOS SIGNALOV MED PROCESNIM

KRMILNIKOM IN OSEBNIM RA UNALNIKOM S PROGRAMSKO OPREMO

MATLAB/SIMULINK...................................................................................................... 3

2.1. Strojna oprema............................................................................................................ 4

2.2. Programska oprema .................................................................................................... 5

2.3. Meritev hitrosti prenosa podatkov s pomo jo AD/DA vmesnika .............................. 6

3. UNIVERZALNI GRAFI NI VMESNIK ZA VNOS ZGRADBE IN PARAMETROV

DINAMI NEGA SISTEMA .......................................................................................... 10

3.1. Programsko okolje Matlab GUIs.............................................................................. 10

3.2. Izdelava grafi nega vmesnika SimuLab................................................................... 11

3.3. Vnos zgradbe in parametrov..................................................................................... 13

4. NUMERI NI IZRA UN................................................................................................ 17

4.1. Priprava modela........................................................................................................ 18

4.2. Analiza sistem .......................................................................................................... 20

4.3. Simulacija sistema.................................................................................................... 21

5. PRIKAZ REZULTATOV ............................................................................................... 24

6. PRIMER UPORABE GRAFI NEGA VMESNIKA SIMULAB................................... 26

6.1. Dolo itev regulatorja........................................................................................... 27

6.2. Regulacijski algoritem ........................................................................................ 30

6.3. Rezultati izra unov.............................................................................................. 30


VSEBINA

VII





7. UPORABA OPC TEHNOLOGIJE ZA PRENOS SIGNALOV MED PROCESNIM

KRMILNIKOM IN OSEBNIM RA UNALNIKOM S PROGRAMSKO OPREMO

MATLAB/SIMULINK.................................................................................................... 32

7.1. Predstavitev OPC tehnologije................................................................................... 33

7.2. OPC strežnik (OPC server) ...................................................................................... 35

7.2.1. KEPServerEx V4.2 .......................................................................................... 36

7.2.2. MatrikonOPC Server V3.03............................................................................. 37

7.2.3. Softing S7/S5 OPC Server V3.10 .................................................................... 38

7.3. OPC odjemalec (OPC client).................................................................................... 39

7.3.1. Povezava s pomo jo Matlabovega ukaznega okna .......................................... 40

7.3.2. Povezava s pomo jo Simulinkovih blokov...................................................... 41

7.3.3. Povezava s pomo jo grafi nega vmesnika za OPC Toolbox........................... 42

7.3.4. Povezava z uporabo S-funkcije........................................................................ 44

7.5. Meritev hitrosti prenosa podatkov s pomo jo OPC tehnologije............................... 46

7.5.1. Prikaz rezultatov............................................................................................... 48

7.5.2. Primerjava lastnosti OPC strežnikov ............................................................... 52

8. PRIMER IZDELAVE SIMULATORJA HIDRAVLI NEGA SISTEMA Z UPORABO

OPC TEHNOLOGIJE ZA PRENOS SIGNALOV ......................................................... 54

8.1. Knjižnica Gauges Blockset....................................................................................... 54

8.2. Izdelava simulatorja hidravli nega procesa.............................................................. 55

8.2.1. Prenos signalov hidravli nega sistema............................................................. 56

8.2.2. Vnos zgradbe in parametrov hidravli nega sistema......................................... 57

8.2.3. Numeri ni izra un hidravli nega sistema ........................................................ 58

8.2.4. Grafi na ponazoritev hidravli nega sistema .................................................... 58

9. SKLEP............................................................................................................................. 59

VIRI, LITERATURA.......................................................................................................... 60

PRILOGE ............................................................................................................................ 61

VIII





Slika 1.1: Grafi na predstavitev problema ............................................................................ 1
Slika 2.1: Prikaz uporabe AD/DA vmesnika za prenos signalov.......................................... 3
Slika 2.2: AD/DA vmesnik NI USB-6008 ............................................................................ 4
Slika 2.3: Knjižnica Data Acquisition Toolbox .................................................................... 5
Slika 2.4: Shematski prikaz merjenja hitrosti prenosa podatkov .......................................... 7
Slika 2.5: Shematski prikaz OPC povezave v programskem paketu Matlab/Simulink......... 7
Slika 2.6: Zakasnitev signala z uporabo AD/DA vmesnika NI USB-6008 preko USB

vodila ( t=6ms)............................................................................................................. 8
Slika 2.7: Pove
an izrez zakasnitev signala z uporabo AD/DA vmesnika NI USB-6008

preko USB vodila ( t=6ms)......................................................................................... 8
Slika 3.1: Delovno okolje Matlab GUI................................................................................ 11
Slika 3.2: Univerzalni grafi
ni uporabniški vmesnik SimuLab .......................................... 12
Slika 3.3: Zgradba programa SimuLab................................................................................ 13
Slika 3.4: Zgradba vnosa podatkov ..................................................................................... 14
Slika 3.5: Vnos parametrov dinami
nega sistema v obliki prenosne funkcije ali prostora

stanj.............................................................................................................................. 15
Slika 3.6: Izbira in vnos parametrov referen
nega signala.................................................. 16
Slika 3.7: Vnos parametrov simulacije................................................................................ 16
Slika 4.1: Zgradba numeri
nega izra una ........................................................................... 17
Slika 4.2: Simulacijska shema za izra
un odziva matemati nega modela v obliki prenosne

funkcije brez uporabe AD/DA vmesnika .................................................................... 18
Slika 4.3: Simulacijska shema za izra
un odziva matemati nega modela v prostoru stanj

brez uporabe AD/DA vmesnika .................................................................................. 19
Slika 4.4: Simulacijska shema za izra
un odziva matemati nega modela v obliki prenosne

funkcije z uporabo AD/DA vmesnika ......................................................................... 19
Slika 4.5: Simulacijska shema za izra
un odziva matemati nega modela v prostoru stanj z

uporabo AD/DA vmesnika .......................................................................................... 20
Slika 4.6: Izra
un lastnosti sistema ..................................................................................... 21


SEZNAM SLIK

IX





Slika 4.7: Ukazi za zagon in prekinitev izra unov .............................................................. 21
Slika 4.8: Simulinkov blok za zagotavljanje
asovno realnega numeri nega izra una ...... 23
Slika 5.1: Zgradba prikaza rezultatov.................................................................................. 24
Slika 5.2: Izris rezultatov..................................................................................................... 24
Slika 6.1: Povezava procesnega krmilnika in simulatorja dinami
nega sistema ................ 26
Slika 6.2: Bode-jev diagram za izbrani
len 3. reda............................................................ 28
Slika 6.3: Odziv
lena 3.reda na generiran referen ni signal .............................................. 30
Slika 6.4: Primerjava odzivov
lena 3. reda ........................................................................ 31
Slika 7.1: Shematski prikaz prenosa signalov s pomo
jo OPC tehnologije........................ 32
Slika 7.2: Navaden na
in povezovanja naprav.................................................................... 33
Slika 7.3: Povezovanje naprav s pomo
jo OPC tehnologije ............................................... 34
Slika 7.4: Grafi
no okolje OPC Toolbox ............................................................................ 39
Slika 7.5: Bloki za vzpostavitev OPC povezave ................................................................. 42
Slika 7.6: Grafi
ni vmesnik za OPC Toolbox..................................................................... 43
Slika 7.7: Oštevil
enje in vloga zastavic............................................................................. 44
Slika 7.8: Shematski prikaz merjenja hitrosti prenosa podatkov ........................................ 47
Slika 7.9: Shematski prikaz OPC povezave v programskem paketu Matlab/Simulink....... 48
Slika 7.10: Zakasnitev signala z uporabo OPCstrežnika KEPServerEx preko RS 232 vodila

( t=700 ms)................................................................................................................. 49
Slika 7.11: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika KEPServerEx preko Ethernet

vodila ( t=200 ms)...................................................................................................... 49
Slika 7.12: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika Matrikon preko RS 232 vodila

( t=420 ms)................................................................................................................. 50
Slika 7.13: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika Matrikon preko Ethernet vodila

( t=150 ms)................................................................................................................. 50
Slika 7.14: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika Softing S7/S5 preko RS 232

vodila ( t=600 ms)...................................................................................................... 51
Slika 7.15: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika Softing S7/S5 preko Ethernet

vodila ( t=170 ms)...................................................................................................... 51
Slika 7.16: Primerjava rezultatov meritev zakasnitev signalov razli
nih OPC strežnikov z

uporabo razli nih vodilih............................................................................................. 52
Slika 7.17: Primerjava cen razli
nih OPC strežnikov ......................................................... 53

X





Slika 8.1: Knjižnica Gauges Blockset ................................................................................. 55
Slika 8.2: Grafi
na predstavitev hidravli nega sistem ........................................................ 56
Slika 8.3: Zgradba hidravli
nega sistema............................................................................ 56
Slika 8.4: Bloki za prenos podatkov hidravli
nega sistema ................................................ 57
Slika 8.5: Model hidravli
nega sistema............................................................................... 57
Slika 8.6: Matemati
ni model hidravli nega sistema.......................................................... 58
Slika 8.7: Grafi
na ponazoritev hidravli nega sistema ....................................................... 58

XI





UPORABLJENE KRATICE




OPC – OLE za procesno avtomatizacijo ( OLE for process controllers)

OLE – predmetno povezovanje in vdelovanje ( Object Linking and Embedding) AD – analogno - digitalni pretvornik
DA – digitalno - analogni pretvornik
GUI – grafi
ni uporabniški vmesnik (Graphical User Interface)

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 1





1 UVOD




Zaradi vse širše uporabe pomnilniško programirljivih procesnih krmilnikov potrebujemo orodje za preizkušanje uporabniških programov. Na tržiš u obstajajo namenski simulatorji za dolo ene sisteme, ki pa so dragi, njihova uporaba pa je omejena samo na testiranje programov za preddolo ene sisteme. Zato smo se v okvirju diplomske naloge odlo ili za izdelavo univerzalnega simulatorja za preizkušanje dinami nih sistemov. Izdelan simulator bo omogo il analizo razli nih dinami nih procesov. Izdelavo univerzalnega simulatorja smo razdelili v štiri faze:

1. prenos signalov med procesnim krmilnikom in osebnim ra unalnikom z ustrezno programsko opremo,

2. izdelava grafi nega uporabniškega vmesnika za vnos zgradbe in parametrov dinami nega sistema,

3. numeri ni izra un dinamike analiziranega sistema,

4. prikaz dobljenih rezultatov in njihova grafi na ponazoritev.

Slika 1.1 shematsko prikazuje povezavo med procesnim krmilnikom in osebnim ra unalnikom z ustrezno programsko opremo. V diplomski nalogi smo podrobno opisali vse štiri faze izdelave univerzalnega simulatorja.





Slika 1.1: Grafi na predstavitev problema


Ra unalnik



1. vnos zgradbe

in parametrov,

2. numeri ni

izra un,

3. prikaz

rezultatov.


Binarni izhod

Binarni vhod

Analogni izhod

Analogni vhod


Krmilnik


Prenos

signalov

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 2





Zelo pomembna in najbolj zahtevna faza izdelave univerzalnega simulatorja je prenos podatkov. Prenos podatkov mora biti zanesljiv in hiter, uporabljena oprema pa cenovno ugodna. Obstaja ve na inov prenosa signalov. Po narejenem celovitem pregledu na inov prenosa signalov smo se omejili na dva najbolj uporabna prenosa signalov med procesnim krmilnikom in osebnim ra unalnikom. To sta:

1. prenos signalov s pomo jo analogno/digitalnega (AD/DA) vmesnika,

2. prenos podatkov s pomo jo OPC tehnologije .

Vnos zgradbe in podatkov sistema je realiziran z uporabo grafi nega uporabniškega vmesnika Matlab GUIs. Numeri ni izra uni se izvajajo na osnovi parametri nih modelov z numeri nim reševanjem diferencialnih ena b. Parametri ne modele smo zgradili v programskem orodju Matlab/Simulink. Prikaz dobljenih rezultatov in njihovo grafi no ponazoritev pa smo naredili s pomo jo grafov.

Naloga je sestavljena iz dveh delov. V prvem delu je prikazana izdelava univerzalnega simulatorja dinami nih sistemov, kjer smo za prenos signalov uporabili AD/DA vmesnik. V drugem delu pa je prikazana izdelava simulatorja hidravli nega sistema, kjer smo za prenos signalov uporabili OPC tehnologijo.

Diplomsko delo je razdeljeno na devet poglavji. Drugo poglavje je namenjeno opisu uporabe AD/DA vmesnika in prenosu signalov med procesnim krmilnikom in osebnim ra unalnikom s programsko opremo Matlab/Simulink. V tretjem poglavju so opisane faze izdelave univerzalnega grafi nega vmesnika za vnos zgradbe in parametrov dinami nega sistema. etrto in peto poglavje prikazujeta na in izvajanja numeri nih izra unov in prikazovanje rezultatov. V šestem poglavju je prikazana dejanska uporaba grafi nega vmesnika. Sedmo poglavje je namenjeno opisu OPC tehnologije in prenosu signalov med procesnim krmilnikom in osebnim ra unalnikom s programsko opremo Matlab/Simulink. Osmo poglavje prikazuje uporabo OPC tehnologije na primeru hidravli nega procesa. V zadnjem poglavju je podan zaklju ek.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 3





2 UPORABA AD/DA VMESNIKA ZA PRENOS SIGNALOV MED PROCESNIM KRMILNIKOM IN OSEBNIM RA UNALNIKOM S PROGRAMSKO OPREMO MATLAB/SIMULINK





Prenos signalov med procesnim krmilnikom in osebnim ra unalnikom z uporabo AD/DA vmesnika predstavlja osnovni možni na in prenosa podatkov. Na sliki 2.1 je prikazana shematska povezava procesnega krmilnika s programsko opremo Matlab/Simulink, kjer je za prenos signalov uporabljen AD/DA vmesnik.





Slika 2.1: Prikaz uporabe AD/DA vmesnika za prenos signalov

V tem primeru krmilnikove analogne in digitalne vhode in izhode neposredno povežemo z ra unalnikom preko AD/DA vmesnika. Sam AD/DA vmesnik je lahko povezan z ra unalnikom na ve na inov. Najpogostejši na ini povezave AD/DA vmesnika z ra unalniško periferijo so:

· z uporabo notranjih vodil (ISA, PCI, PXI…),

· z uporabo serijskega vodila (RS 232),

· z uporabo paralelnega vodila (LPT),

· z uporabo USB vodila,

· z uporabo Ethernet vodila (TCP/IP).


Krmilnik


Binarni izhod

Binarni vhod

Analogni izhod

Analogni vhod

NI USB


Analogno

Digitalni

Vmesnik


Matlab


Simulink




-

6008

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 4





2.1 Strojna oprema


Za prenos signalov med procesnim krmilnikom in osebnim ra unalnikom smo uporabili AD/DA vmesnik National Instruments USB-6008. Ta AD/DA vmesnik smo izbrali zato, ker ima programsko podporo v okvirju programskega okolja Matlab/Simulink (knjižnica Data Acquisition Toolbox). Vmesnik NI USB-6008 omogo a osnovno AD/DA pretvorbo za aplikacije kot so enostavna podatkovna obdelava, zunanje meritve in laboratorijske raziskave. Je zelo enostaven za konfiguriranje in uporabo, obenem pa tudi dovolj zmogljiv za obsežnejše aplikacije. Lahko ga uporabljamo v razli nih programskih okoljih: C/C++, LabVIEW, Matlab/Simulink in podobno. Cenovno je ugoden in ima USB vodilo ki nam omogo a široko uporabnost na razli nih ra unalniških sistemih. Slika 2.2 prikazuje AD/DA vmesnik NI USB-6008.





Slika 2.2: AD/DA vmesnik NI USB-6008

Tehniške lastnosti AD/DA vmesnika NI USB-6008:

· 8 analognih vhodov (12-bitni AD pretvornik, hitrost vzor enja 10 kvzorcev/s, razpon vhodnega signala ±10 V) ,

· 2 analogna izhoda (12-bitni DA pretvornik, hitrost vzor enja 150 vzorcev/s, razpon izhodnega signala 0-5 V),

· 12 digitalnih vhodov (5 V je logi na ''1'', 0 V je logi na ''0''),

· 12 digitalnih izhodov (logi na ''1'' je 5 V, logi na ''0'' je 0 V),

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 5





· povezava preko USB vodila,

· nizka cena (približno 100),

· ne potrebuje dodatnega napajanja.



2.2 Programska oprema


Za uporabo AD/DA vmesnika na ra unalniku potrebujemo ustrezno programsko opremo. Proizvajalec vmesnika zagotavlja gonilnike za prenos signalov iz AD/DA vmesnika v osebni ra unalnik. Zagotovi nam tudi lastno programsko opremo, v kateri lahko opazujemo poteke signalov in izvajamo dolo ene aplikacije. V nekaterih primerih proizvajal eva programska oprema ne ustreza. Zato moramo izbrati lastno programsko okolje in poskrbeti za prenos signalov v njega. Pisanju gonilnikov za lastno programsko opremo smo se izognili z izbiro programskega paketa Matlab/Simulink. Programski paket Simulink namre vsebuje knjižnico Data Acquisition Toolbox. Z uporabo te knjižnice lahko na enostaven na in prenašamo signale iz AD/DA vmesnika v Simulinkovo delovno okolje.





Slika 2.3: Knjižnica Data Acquisition Toolbox

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 6





Na sliki 2.3 je prikazana vsebina knjižnice Data Acquisition Toolbox. V njej se nahaja šest blokov, od katerih štiri uporabljamo za prenos analognih signalov in dva za prenos digitalnih signalov. Pomen dolo enega bloka je:

· blok A/D − prebere signal na analognem vhodu ( as vzor enje je neodvisen od

asa integracije),

· blok D/A − digitalno informacijo pošilja na analogni izhod ( as vzor enje je neodvisen od asa integracije),

· blok Single Sample A/D − prebere signal na analognem vhodu ( as vzor enja je enak asu integracije ali je njen ve kratnik),

· blok Single Sample D/A − digitalno informacijo pošilja na analogni izhod ( as vzor enja je enak asu integracije ali je njen ve kratnik),

· blok Digital Input − prebere signal na digitalnem vhodu,

· blok Digital Output − digitalno informacijo pošilja na digitalni izhod.



2.3 Meritev hitrosti prenosa podatkov s pomo jo AD/DA vmesnika


Za izbrani AD/DA vmesnik smo izmerili hitrost prenosa signalov oziroma zakasnitev izhodnega signala proti vhodnemu. Celotna zakasnitev signala je sestavljena iz petih komponent:

· prva komponenta zakasnitve signala se nam pojavi pri branju analognega signala na vhodu AD/DA vmesnika in pretvorbi tega signala v digitalno informacijo,

· druga komponenta zakasnitve je posledica prenosa digitalne informacije med AD vmesnikom in programsko opremo Matlab/Simulink,

· tretja komponenta zakasnitve se nanaša na as trajanja numeri nih izra unov na osebnem ra unalniku,

· etrta komponenta zakasnitve signala se nam pojavi pri prenosu digitalne informacije iz programske opreme Matlab/Simulink na DA vmesnik,

· peta komponenta zakasnitve signala je posledica pretvarjanja digitalne informacije v analogni signal in pošiljanje tega analognega signala na izhod AD/DA vmesnika.

Slika 2.4 prikazuje shematsko povezavo AD/DA vmesnika in osebnega ra unalnika ter na in merjenja zakasnitve signala.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 7





Slika 2.4: Shematski prikaz merjenja hitrosti prenosa podatkov

Iz funkcijskega generatorja smo poslali signal na analogni vhod AD/DA vmesnika, ki je analogni signal pretvoril v digitalno obliko. Preko USB vodila smo s pomo jo bloka Analog Input (Single Sample) prebrali vrednost analognega vhodnega signala v programsko okolje Matlab/Simulink. Digitalno informacijo, katero smo prebrali v Matlab/Simulik, smo z uporabo bloka Analog Output (Single Sample) poslali preko USB vodila na analogni izhod AD/DA vmesnika. Originalni signal iz funkcijskega generatorja smo potem primerjali s signalom na izhodu AD/DA pretvornika in smo tako izmerili celotno zakasnitev signala. Ocena posameznih komponent zakasnitev na ta na in ni možna. Na sliki 2.5 je predstavljena shematska povezava blokov za branje in pisanje signalov v programskem okolju Matlab/Simulink.





nidaq Dev 1 USB-6008


nidaq Dev 1 USB-6008



Analog Input (Single Sample )





Scope


Analog Output (Single Sample )





Slika 2.5: Shematski prikaz povezave v programskem okolju Matlab/Simulink

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 8





Na sliki 2.6 je prikazan rezultat meritve hitrosti prenosa podatkov z AD/DA vmesnikom v programsko okolje Matlab/Simulink. Slika 2.7 prikazuje pove an izrez slike 2.6.





Slika 2.6: Zakasnitev signala z uporabo AD/DA vmesnika NI USB-6008 preko USB vodila ( t=6ms)





8 ms





Slika 2.7: Pove an izrez zakasnitve signala z uporabo AD/DA vmesnika NI USB-6008 preko USB vodila ( t=6ms)


6 ms

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 9





Iz dobljenih odzivov je opazna:

· asovna diskretizacija izhodnega signala, ki je posledica AD/DA pretvorbe (približno 8 ms),

· amplitudna diskretizacija izhodnega signala, ki je posledica AD/DA pretvorbe (približno 120 mV)

· zakasnitev izhodnega signala glede na vhodni signal (približno 6 ms).

Dodaten blok osciloskopa katerega smo dodali za asovno spremljanje poteka vhodnega signala v programskem paketu Matlab/Simulink ne vnaša omembe vrednih zakasnitev.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 10





3 UNIVERZALNI GRAFI NI VMESNIK ZA VNOS ZGRADBE IN

PARAMETROV DINAMI NEGA SISTEMA





Naslednja faza diplomske naloge je bila izdelava univerzalnega grafi nega uporabniškega vmesnika, ki je omogo al hiter, enostaven in pregleden vnos zgradbe in parametrov matemati nega modela obravnavanega dinami nega procesa. Univerzalni grafi ni uporabniški vmesnik je namenjen za hitro testiranje uporabniških programov procesnih krmilnikov. Z zgrajenim grafi nim vmesnikom smo se izognili interaktivnemu vnosu parametrov modela preko ukazne vrstice oziroma izdelavi parametrizacijskih datotek. Vmesnik vsebuje možnost vnosa parametrov matemati nega modela v obliki prenosne funkcije in modela v prostoru stanj. Pri vnosu modela v obliki prenosne funkcije smo se omejili na sisteme z enim vhodom in enim izhodom (SISO). Izdelava univerzalnega grafi nega uporabniškega vmesnika je potekala v programskem orodju Matlab GUIs (Graphical user interfaces).



3.1 Programsko orodje Matlab GUIs


V okvirju programske opreme Matlab se nahaja orodje Matalb GUI s pomo jo katerega lahko realiziramo hiter vnos zgradbe in parametrov ter grafi no ponazorimo delovanje dolo enih procesov ali dinami nih sistemov. Elementi, ki jih lahko uporabljamo pri ustvarjanju grafi nega vmesnika so:

· meniji,

· potezni meniji,

· gumbi,

· tekstualni bloki,

· stati ni tekst.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 11





Za prikaz rezultatov imamo na izbiro tabele in diagrame. Na sliki 3.1 je prikazano delovno okno programskega orodja Matlab GUI. V okvirju tega okna definiramo obliko in funkcijo elementov v bodo em grafi nem vmesniku. Vsak element ki ga definiramo v delovnem oknu Matlab GUI je povezan s funkcijo, ki se nahaja v M-file datoteki. Ko uporabnik izbere dolo en element v grafi nem vmesniku se za ne izvajanje ustrezne prirejene funkcije.





Slika 3.1 Delovno okno Matlab GUI



3.2 Izdelava grafi nega vmesnika SimuLab


V tem poglavju je prikazana izdelava in uporaba univerzalnega grafi nega uporabniškega vmesnika. Program smo poimenovali SimuLab (Simulacijski laboratorij). Simulator lahko uporabljamo za simulacijo in analizo dinami nih sistemov. Osnovni na in uporabe grafi nega vmesnika SimuLab je da signal na analognem vhodu AD/DA vmesnika predstavlja vhod v dinami ni sistem. Pri tem dinami ni sistem vnaša uporabnik, lahko pa je v obliki prenosne funkcije ali model v prostoru stanj. Izhod iz dinami nega sistema pa

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 12





pošiljamo na analogni izhod AD/DA vmesnika. Poleg tega lahko v grafi nem vmesniku Simulab izberemo še želeno obliko referen nega signala in jo pošiljamo na analogni izhod AD/DA vmesnika. Velikokrat pa želimo samo opraviti analizo modela. V tem primeru ne potrebujemo AD/DA vmesnik, potrebne signale pa izberemo znotraj programskega orodja Matlab/Simulink. Glede na ta dva na ina dela imamo dve vrsti izvajanja simulacije:

· simulacija z uporabo AD/DA vmesnika in

· simulacija brez uporabe AD/DA vmesnika.

Na sliki 5.2 je prikazan primer univerzalnega grafi nega uporabniškega vmesnika SimuLab, ki ga dobimo ob zagonu programa.





Slika 3.2 Univerzalni grafi ni uporabniški vmesnik SimuLab

Program SimuLab je razdeljen v tri osnovne dele:

· vnos zgradbe in parametrov matemati nega modela simuliranega procesa,

· numeri ni izra uni simuliranega procesa,

· prikaz rezultatov simuliranega procesa.

Na sliki 3.3 je prikazana zgradba programa SimuLab iz teh treh omenjenih delov.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 13





Slika 3.3 Zgradba programa SimuLab

V nadaljevanju poglavja bomo prikazali na in vnosa zgradbe in parametrov matemati nega modela simuliranega procesa. Izvedba numeri nih izra unov je predstavljena v poglavju 4, izvedba prikaza rezultatov simulacije pa v poglavju 5.



3.3 Vnos zgradbe in parametrov


Vnos zgradbe in parametrov matemati nega modela obravnavanega procesa je razdeljen v tri bloke:

1. vnos zgradbe in parametrov matemati nega modela simuliranega procesa,

2. izbira oblike referen nega signala,

3. nastavitev parametrov simulacije.

Slika 3.4 nam grafi no prikazuje menijsko zgradbo vnosa podatkov.


SimuLab

Vnos zgradbe in

parametrov


Numeri ni izra un


Prikaz rezultatov

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 14





Slika 3.4: Zgradba vnosa podatkov




Vnašanje zgradbe in parametrov matemati nega modela obravnavanega procesa v grafi ni vmesnik je realizirano preko pogovornih oken. Ustvarimo lahko nov model ali pa preberemo podatke že vnesenega modela. Te podatke naložimo v grafi ni vmesnik. Z izbiro ukaza »Nova« ustvarimo novo datoteko, v kateri lahko izbiramo med vnosom modela v obliki prenosne funkcije ali modela v prostoru stanj. Na in vnosa podatkov je prikazan na sliki 3.5. Po vnosu modela lahko podatke z ukazom »Shrani« shranimo v datoteko z želenim imenom. Tako shranjene podatke lahko kasneje ponovno naložimo z izbiro ukaza »Naloži«. e ne želimo ve uporabljati programa SimuLab enostavno izberemo ukaz »Izhod« in zaklju imo z delom.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 15





Slika 3.5: Vnos parametrov dinami nega sistema v obliki prenosne funkcije ali matrik v prostoru stanj




Dodatno lahko izbiramo obliko referen nega signala. Referen ni signal lahko pošiljamo na analogni izhod AD/DA vmesnika. Na ta na in se izognemo uporabi zunanjega funkcijskega generatorja. V primeru na ina dela brez AD/DA vmesnika pa nam referen ni signal predstavlja vhod v matemati ni model. Ta signal je lahko sinusne, pravokotne ali žagaste oblike razli ne amplitude, frekvence in amplitudnega zamika. Numeri no izra unane vrednosti modelnih izhodnih signalov so ve inoma bipolarne vrednosti v obmo ju od +10 do -10. Uporabljeni DA pretvornik uporablja napajane preko USB vodila in omogo a samo unipolarne izhodne signale v obmo ju od 0-5 V. Ustrezno linearno prilagoditev lahko izvedemo programsko (-10 = 0 V, +10 = 5 V). Ob uporabi te bipolarno/unipolarne prilagoditve je potrebno na krmilniku izvest inverzno prilagoditev. Vklju itev in izklju itev prilagoditve je izvedena znotraj okna za izbiro vhodnega signala in je prikazana na sliki 3.6. Znotraj tega okna izbiramo še obliko in parametre vhodnega (referen nega) signala.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 16





Slika 3.6: Izbira in vnos parametrov referen nega signala

Pred samim za etkom izvajanja numeri nih izra unov je potrebno izbrati numeri no metodo in parametre simulacije. V okvirju grafi nega uporabniškega vmesnika lahko izbiramo samo as simulacije in integracijski korak. Numeri no metodo pa lahko spreminjamo le znotraj Simulinkovih modelov v meniju parametri simulacije. Naprej nastavljena numeri na metoda za izvajanje izra unov je Runge-Kuta 4. reda. Na sliki 3.7 je predstavljeno okno za vnos parametrov simulacije.





Slika 3.7: Vnos parametrov simulacije

Pri izbiri integracijskega koraka je ob upoštevanju dinamike sistema potrebno upoštevati tudi as vzor enja. Na splošno velja pravilo, da integracijski korak mora biti enak ali krajši kot pa je as vzor enja AD/DA vmesnika.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 17





4 NUMERI NI IZRA UN


Po vnosu zgradbe in parametrov modela je potrebno izra unati odziv modela na izbrane vhodne signale. Za numeri ne izra une smo uporabili programsko orodje Simulink, v katerem smo s pomo jo razpoložljivih knjižnic in ustrezne integracijske numeri ne metode izvajali numeri ne izra une diferencialnih ena b vnesenih matemati nih modelov. Zgradba dela za numeri ni izra un je prikazana na sliki 4.1 in je razdeljena v 3 bloke:

· priprava modelov,

· analiza sistema,

· simulacija modela.





Slika 4.1 Zgradba numeri nega izra una

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 18





V prvem koraku prenesemo parametre modelov v vnaprej pripravljene simulacijske modele. Odvisno od oblike sistema in na ina simulacije se nam odpre ustrezen Simulinkov model. Nato naredimo analizo vnesenega dinami nega sistema in izvedemo simulacijo modela.


4.1 Priprava modela


Iz slike 4.1 je razvidno, da so v okviru programa SimuLab pripravljene štiri simulacijske sheme. Odvisno od vrste simulacije in vrste vnesenega modela program izbere ustrezno simulacijsko shemo. Pripravljene so naslednje simulacijske sheme:

· simulacijska shema za izra un odziva matemati nega modela v obliki prenosne funkcije brez uporabe AD/DA vmesnika (slika 4.1, datoteka GodsSim.mdl, slika

4.2),

· simulacijska shema za izra un odziva matemati nega modela v obliki prenosne funkcije z uporabo AD/DA vmesnika (slika 4.1, datoteka GodsADC.mdl, slika 4.3),

· simulacijska shema za izra un odziva matemati nega modela v prostoru stanj brez uporabe AD/DA vmesnika (slika 4.1, datoteka AbcdSim.mdl, slika 4.4),

· simulacijska shema za izra un odziva matemati nega modela v prostoru stanj z uporabo AD/DA vmesnika (slika 4.1, datoteka AbcdADC.mdl, slika 4.5).





Slika 4.2: Simulacijska shema za izra un odziva matemati nega modela v obliki prenosne funkcije brez uporabe AD/DA vmesnika


casSim

vhodSim

Clock





Ste(s)

Ime (s)


izhodSim



SG

Offset


Prenosna funkcija



0

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 19





vhodSim


casSim

Clock




d



d




K


*u


1 s


K


*u


izhodSim



SG

Offset


b


Integrator


cT



A

K*u


0





Slika 4.3: Simulacijska shema za izra un odziva matemati nega modela v prostoru stanj brez uporabe AD/DA vmesnika





vhodSim


izhodSim


casSim



Clock

Prilagoditev



In1 Out1

nidaq Dev 1 USB-6008


Ste(s)

Ime (s)


nidaq Dev 1 USB-6008

Switch1


Zero -Order Hold

Analog Input (Single Sample )


Rate Transition


0


Analog Output (Single Sample )


Prenosna

Pri1




Prilagoditev



RTBlock


In1 Out1

0


nidaq Dev 1 USB-6008


Timer Function

Switch


Ref

SG


Zero -Order Hold 1


Analog Output (Single Sample )

0

0

Offset



Slika 4.4: Simulacijska shema za izra un odziva matemati nega modela v obliki prenosne funkcije z uporabo AD/DA vmesnika

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 20





vhodSim


d


izhodSim


casSim



Prilagoditev


Clock





Analog Output (Single Sample )


d

In1 Out1

nidaq Dev 1 USB-6008


K


*u


1 s


nidaq Dev 1 USB-6008


K


*u

Switch1

b


Integrator


cT


Zero -Order Hold

Analog Input (Single Sample )


Rate Transition


0


Analog Output (Single Sample )

A

K*u


Pri1





RTBlock


Prilagoditev



In1 Out1

Timer Function


0


nidaq Dev 1 USB-6008

Switch


Ref

SG


Zero -Order Hold 1



0

0

Offset




Slika 4.5: Simulacijska shema za izra un odziva matemati nega modela v prostoru stanj z uporabo AD/DA vmesnika

Poleg standardnih blokov so v shemah uporabljeni tudi naslednji bloki.

· blok Timer Functio je namenjen uskladitvi simulacijske in realne ure in bo podrobneje opisan v poglavju 4.3,

· blok Rate Transition je namenjen za prilagoditev asa vzor enja AD/DA vmesnika in integracijskega koraka ter nam v primeru razli nih asov generira za izra un manjkajo e vzorce,

· blok Zero-Order Hold je zadrževalni len ni -tega reda in je potreben pred blokom za klic DA pretvornika ker z njim dolo imo as vzor enja (klicanja) DA pretvornika.



4.2 Analiza sistema


V okviru programa SimuLab je omogo ena tudi analiza modelov. Po vnosu parametrov matemati nega modela dinami nega sistema se nam na zaslonu izpišejo njegove lastne vrednosti. Dodatno lahko izrišemo:

· Bode-jev diagram,

· diagram lege korenov,

· odziv na stopnico,

· za model v prostoru stanj lahko narišemo odziv na za etne pogoje.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 21





Slika 4.6 prikazuje okno v katerem se nam izpišejo lastne vrednosti in v katerem se nahajajo gumbi za izris dolo enih diagramov in odzivov.





Slika 4.6: Izra un lastnosti sistema





4.3 Simulacija sistema


Glede na predhodno izbrane in vnesene parametre izvedemo simulacijo modela. Z izbiro polja »Start« v oknu simulacija zaženemo simulacijo, z izbiro polja »Stop« pa simulacijo prekinemo. Okno za simulacijo je prikazano na sliki 4.7.





Slika 4.7: Ukazi za zagon in prekinitev izra unov

Po kon anih izra unih se nam rezultati prenesejo v Matlabov pomnilnik (Workspace) v vektorske spremenljivke:

· vhodSim,

· izhodSim,

· casSim.

Najve ji problem, s katerim smo se soo ali pri izdelavi simulatorja je bil zagotavljanje izvajanja numeri nih izra unov simuliranih procesov v realnem asu. Program, ki se izvaja v Matlab/Simulinku se lahko izvaja hitreje ali po asneje kot te e realni as. Zaradi tega so vsi izra uni, katere naredimo na ra unalniku brez uskladitve simulacijske in realne ure popolnoma neuporabni za preizkušanje procesnih krmilnikov. Obstaja ve možnosti, s katerimi lahko rešimo ta problem in dosežemo asovno uskladitev. Te možnosti so:

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 22





· izbira integracijskega koraka, ki zagotavlja simulacijski izra un v realnem asu,

· izvajanje izra unov na periferni napravi,

· uporaba knjižnice Real-Time Windows Target,

· izdelava lastnega simulacijskega programa v katerem zagotovimo asovno realen izra un (v okviru M-file datoteke),

· uporaba dodatnega bloka v Simulinku, ki zagotavlja asovno realen izra un. Najenostavnejši na in za zagotavljanje asovno realnega izra una je spreminjanje dolžine integracijskega koraka. S krajšanjem integracijskega koraka se as, potreben za simulacijski izra un, pove a. Ker se izra uni diferencialnih ena b uporabljenih modelov v Simulinku obi ajno izvajajo zelo hitro je as izra una krajši. Uskladitev asa izra una in realnega asa lahko dosežemo tako, da izberemo ustrezno manjši integracijski korak simulacije. Tako dosežemo, da je as simulacije enak realnemu asu. Ker je as izra una vezan na ra unsko zahtevnost sistema nam vsaka sprememba podatkov povzro i porušitev uskladitve. Zaradi tega ja ta metoda pogojno uporabna, vendar zaradi enostavnosti predstavlja osnoven na in zagotavljanja asovno-realne uskladitve.

Najbolj uporaben na in uskladitve asa simulacije in realnega asa je izvajanje izra unov na periferni napravi z lastnim procesorjem. V tem primeru model iz Simulinka zapišemo v ustrezno programsko kodo (C/C++, Fortran…) ki jo prevedemo v strojno kodo. Le to naložimo na periferno napravo z lastnim procesor in jo tam izvajamo. Za genenriranje želene programske kode uporabljamo Real-Time Workshop. Ker zunanji procesor deluje samostojno nismo ve vezani za interni procesor in lahko izvajamo izra une asovno realno. Pomanjkljivost te metode je, da potrebujemo dodatno strojno opremo, ki velikokrat predstavlja visoke investicijske stroške (dSpace).

Najbolj obetavna možnost je uporaba Matlabove knjižnice Real-Time Windows Target, ki deluje podobno kot izvajanje programov na periferni napravi. V tem primeru s pomo jo Real-Time Workshopa generiramo programsko kodo ampak izra une ne izvajamo na procesorju periferne naprave temve na lastnem ra unalniškem procesorju. Žal ta metoda še ima zelo veliko pomanjkljivosti. V našem primeru nismo mogli uporabiti omenjene knjižnice ker ne podpira uporabljen AD/DA vmesnik. Real-Time Windows Target ne podpira bloke za branje in pisanje podatkov s pomo jo uporabljenega AD/DA vmesnika. Sicer ta knjižnica podpira veliko število AD/DA vmesnikov ampak noben vmesnik iz nabora ne uporablja USB vodilo za prenos signalov.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 23





Ena od metod za realizacija asovno realnega izra una je izdelava lasnega programa v okvirju katerega usklajujemo izvajanje programa skladno z realnim asom. Vsak blok kateri je grafi no predstavljen v Simulinku lahko zapišemo v obliki kode v Matlabovem komandnem oknu. V programu bi primerjali as simulacije ter realni as. Vsak naslednji korak izra una bi izvedli le, e je as simulacije enak (ali ve ji) realnemu asu. S tem bi naredili naš proces asovno realen. Glavni problem pri uporabi te metode je prevelika zakasnitev signala pri branju in pisanju podatkov znotraj programskega okolja Matlab (dovolj hitro izvajanje smo dobili samo z uporabo Simulinkovih blokov). Namre , ko AD/DA vmesnik uporabljamo znotraj M-file datoteke nam ta postane zaradi velike (100 ms) zakasnitve signala neuporaben.

Edini primeren in uporaben na in za zagotavljanje izvajanja asovno realnega izra una dinami nih procesov je uporaba dodatnega bloka v Simulinku. Ta blok v primeru, ko se izra un odvija po asneje kot pa te e realni as, prekine izvajanje vseh teko ih procesov na ra unalniku in s tem pospeši izvajanje simulacije. V tem primeru se izvajanje numeri nih izra unov matemati nih modelov lahko izvaja poljubno hitro. S tem lahko zagotovimo

asovno realno izvajanje numeri nih izra unov simulacije. Ta blok ni sestavni del programskega paketa Matlab/Simulink oziroma Mathworksovih knjižnic ampak predstavlja izdelek uporabnika Leonarda Dage, ki pa ga je dal na razpolago preko Mathworksovih internetnih strani. Zgrajen je s pomo jo S-funkcije katere koda je zapisana v programu okolju C++. Slika 4.8 prikazuje ikono bloka za zagotavljanje asovno realnega numeri nega izra una





Slika 4.8: Simulinkov blok za zagotavljanje asovno realnega numeri nega izra una

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 24





5 PRIKAZ REZULTATOV


Po narejenih numeri nih izra unih dobljene rezultate grafi no predstavimo. Zgradba programskega dela za prikazovanje rezultatov je podana na sliki 5.1.





Slika 5.1: Zgradba prikaza rezultatov

Dobljene rezultate izrišemo z ukazom »Izriši«. e želimo dobljeni potek rezultatov zadržati na zaslonu izberemo ukaz »Zadrži«. e je ukaz »Zadrži« vklju en nam vsi poteki izra unov ostanejo na grafu. V nasprotnem primeru pa so na zaslonu prikazani samo zadnji rezultati izra unov. Okno za izris dobljenih rezultatov numeri nih izra unov je prikazano na sliki 5.2.





Slika 5.2: Izris rezultatov

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 25





Izris je možen samo po zaklju ku izvajanja simulacije. Zato smo v vsak simulacijski model dodali osciloskop, ki omogo a asovno realno spremljanje rezultatov numeri nih izra unov.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 26





6 PRIMER UPORABE GRAFI NEGA VMESNIKA SIMULAB


Uporabnost programa SimuLab smo preverili na primeru preizkušanja uporabnikovega regulacijskega programa procesnega krmilnika. Procesni krmilnik je predstavljal regulator, ra unalnik z AD/DA vmesnikom ter programom SimuLab pa simulator reguliranega dinami nega sistema.





Slika 6.1: Povezava procesnega krmilnika in simulatorja dinami nega sistema

Reguliran proces (ponazorjen z ra unalnikom, AD/DA vmesnikom in programom SimuLab) je imel dinamiko lena 3. reda. Matemati ni model reguliranega procesa prikazuje prenosna funkcija (6.1):

1

( )


( 1)(0.2 1)(0.1 1)


Referenca





Krmilnik


Vhod


Ra unalnik
+ AD/DA Vmesnik

+ Program SimuLab



Izhod





G s s s s


=


(6.1)

+ + +

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 27





6.1 Dolo itev regulatorja


Na krmilniku smo želeli preizkusiti uporabo diskretnega PI regulatorja. Najprej smo s pomo jo frekven nih karakteristik [L1] dolo ili parametre zveznega regulatorja. Pri sintezi regulatorja izhajamo iz dopustnega 4% prenihaja na stopni no spremembo referen ne vrednosti.

Iz prenosne funkcije (6.1) smo dolo ili asovne konstante procesa:





1

2

3


T T T


=1.0 s

=0.2 s =0.1 s


(6.2)

Glede na asovne konstante procesa (6.2) izberemo asovne konstante regulatorjev [L1]:


=1 s


T T T


i

d

d


(6.3)


=0.2 s

'=0.1 s




Prenosna funkcija PI regulatorja z oja anjem Kr = 1 je:





, 1


1 1


s


+


= (6.4)



Za regulator z vrednostjo oja anja Kr = 1 izra unamo prenosno funkcijo odprte regulacijske zanke:





, 1


G



r K


r


=


1


s





1 1 1


s


+


(6.5)

Za izra unano prenosno funkcijo odprte regulacijske zanke (6.5) narišemo frekven no karakteristiko v Bodejevem diagramu (Slika 6.2).


G s s s s


=


o K


r


=


1 ( 1)(0.2 1)(0.1 1)


+ + +

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 28





-150


Bode Diagram

50




0

Magnitude (dB)


-50




-100





-90




-135

Phase (deg)


-180




-225




-270


10-1


100


101


102


103

Frequency (rad/sec)



Slika 6.2: Bodejev diagram za izbrani len 3. reda

S pomo jo izkustvene formule (6.6) iz [L2] :




+ » (6.6)


smo za predpisani prenihaj 4% izra unali potrebno fazno rezervo 66°. Nato smo iz frekven ne karakteristike od itali amplitudo za izra unano fazno rezervo.





66


fazna rezerva prenihaj


[


° % 70


]


[


]






fazna rezerva a = °


=



(6.7)

Iz od itane vrednosti (6.7) amplitudne karakteristike izra unamo oja anje PI regulatorja.





66


66 0.68


=


fazna rezerva





a


0.68


1 1


=


fazna rezerva

fazna rezerva


= °



k


= = = (6.8)


1.47

a


0.68


= °


66

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 29





V procesnem krmilniku smo uporabili diskretni PI regulator, katerega parametre smo dolo ili na osnovi zveznega PI regulatorja (6.8). Diskretni regulator opisuje ena ba (6.9):




u k u k q e k q e k


[


]


= - + + ´ -


[


1


]


[


]


[


1


]


0 1


(6.9)




Kjer je:

· u[k],u[k-1] – vrednost vhodnega signala v trenutku k in k-1,

· e[k],e[k-1] – vrednost razlike referen nega in izhodnega signala
v trenutku k in k-1.

Konstanti q0 in q1 smo dolo ili z ena bo (6.10) [L4]:





0


T

q k T




= +


1


d



0

(6.10)


T T


q k


= - + -


d


0



2 1


1



T T


0


i





In za naš primer znašata:




=


q q


0

1


1.47

1.44


= - (6.11)


Uporabnik mora v okviru programa, ki se izvaja na procesnem krmilniku, zagotoviti ekvidistan no vzor enje. Hitrost vzor enja AD/DA pretvornika procesnega krmilnika lahko dolo imo z uporabo organizacijskega bloka OB35, v katerega vpišemo celotni regulacijski algoritem. Glede na dinamiko reguliranega procesa smo izbrali asovno konstanto vzor enja T0 = 20 ms.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 30





6.2 Regulacijski algoritem


Za realizacijo diskretnega PI regulatorja smo uporabili procesni krmilnik Siemens Simatic S7-314 IFM. Regulacijski algoritem smo izdelali v programskem okolju STEP7 in je prikazan v dodatku A.



6.3 Rezultati izra unov


Izdelan ra unalniški simulator smo preko analognih vhodov in izhodov povezali s procesnim krmilnikom in preizkusili njegovo uporabnost. V procesnem krmilniku je tekel regulacijski algoritem, ra unalniški simulator pa je predstavljal len 3. reda. Za krmilnikov referen ni signal smo uporabili enotino stopni no funkcijo, ki smo jo generirali v SimuLabovem oknu in preko analognega izhoda poslali na krmilnikov analogni vhod. Na sliki 6.3 je prikazan odziv lena 3. reda na generiran referen ni signal.





Slika 6.3: Odziv lena 3. reda na generiran referen ni signal

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 31





Odziv je stacionarno to en (integracijski del regulatorja) ima pa ve ji prenihaj, kot je bil predpisan. Razlog za preveliki prenihaj je pri simulacijskih izra unih neupoštevana zakasnitev procesnega krmilnika (20 ms). Slika 6.4 prikazuje:

· odziv iz slike 6.3 (rezultat iz ra unalniškega simulatorja),

· v Simulinku izra unan stopni ni odziv lena 3. reda z zveznim PI regulatorjem,

· v Simulinku izra unan stopni ni odziv lena 3. reda z zveznim PI regulatorjem in z upoštevanjem zakasnitvenega asa procesnega krmilnika.





Slika 6.4: Primerjava odzivov lena 3. reda


Odziv iz ra unalniškega simulatorja SimuLab


Odziv z upoštevanajem zakasnitve krmilnika





Odziv brez upoštevanaj zakasnitve krmilnika

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 32





7 UPORABA OPC TEHNOLOGIJE ZA PRENOS SIGNALOV MED PROCESNIM KRMILNIKOM IN OSEBNIM RA UNALNIKOM S PROGRAMSKO OPREMO MATLAB/SIMULINK


Velikokrat želimo realizirati prenos analognih in digitalnih signalov med osebnim ra unalnikom z operacijskim sistemom Windows in procesnimi krmilniki brez uporabe AD/DA vmesnika. Eno izmed rešitev predstavlja uporaba OPC tehnologije za prenos signalov. V tem poglavju je podrobno opisana realizacija vzpostavitve povezave med procesnim krmilnikom in ra unalniško opremo Matlab/Simulink s pomo jo OPC tehnologije. Opisana je konfiguracija uporabljenih OPC strežnikov in OPC odjemalcev. Razloženi so na ini branja in vpisovanja podatkov ter njihova dejanska programska realizacija. Vsak ta opisani postopek je obravnavan lo eno in opisan v svojem poglavju. Lo eno so opisani postopki vzpostavitve povezave med:

· krmilnikom in OPC vodilom,

· OPC vodilom in Matlab/Simulinkom.





Slika 7.1: Shematski prikaz prenosa signalov s pomo jo OPC tehnologije


Binarni izhod

Binarni vhod

Analogni izhod

Analogni vhod


Krmilnik


OPC
Vodilo


Matlab


Simulink

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 33





7.1 Predstavitev OPC tehnologije


OPC je kratica za OLE-for Proces Control ki ozna uje Microsoftovo OLE tehnologijo (Object Linking and Embedding). Predstavlja vrsto skupnega komunikacijskega vmesnika (OPC vodila) med razli nimi napravami in ra unalniki. Ta enotni na in komunikacije uporabljamo pri krmiljenju in nadzoru tehnoloških procesov. OPC tehnologija je proizvajalcem programske opreme odvzela breme pisanja številnih gonilnikov, ter omogo ila njihovim programom povezovanje z veliko ve jim številom zunanjih naprav.

as, ki so ga pri tem pridobili, so proizvajalci lahko porabili za izboljšanje svojih produktov. Zaradi enostavnosti same OPC tehnologije se nam zmanjšajo tudi stroški vzdrževanja in vsake bodo e nadgradnje nekega sistema.

Osnovna ideja OPC tehnologije je zmanjšanje potreb po specifi nih gonilnikih. Pri klasi nem na inu povezovanja programskih aplikacij (Matlab, Excel, LabView…) z zunanjo strojno opremo (krmilniki, merilniki…) potrebujemo za vsako periferno napravo gonilnik do vsake programske aplikacije. Na sliki 7.2 je grafi no predstavljen navaden na in povezovanja razli nih perifernih naprav in ra unalniških aplikacij s specializiranimi gonilniki.




RA UNALNIK





Merilne naprave Krmilne naprave Zaš itne naprave



Slika 7.2: Navaden na in povezovanja naprav

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 34





V primeru uporabe OPC tehnologije pa moramo za vsako zunanjo strojno opremo zagotoviti samo en program, ki izvede prenos podatkov iz priklju ene strojne opreme do tako imenovanega OPC vodila. Prav tako potrebujemo samo en program znotraj programske aplikacije za prenos podatkov med OPC vodilom in programsko aplikacijo. Program, za povezavo med zunanjo strojno opremo in OPC vodilom imenujemo OPC strežnik. Program, za povezavo OPC vodila in programske aplikacije pa imenujemo OPC odjemalec. Na sliki 7.3 je predstavljen na in povezovanja razli nih perifernih naprav in ra unalniških aplikacij s pomo jo OPC tehnologije.




RA UNALNIK





Merilne naprave Krmilne naprave Zaš itne naprave



Slika 7.3: Povezovanje naprav s pomo jo OPC tehnologije

OPC je ime za standarde, katerih namen je olajšanje komunikacije do merilnih in krmilnih naprav razli nih proizvajalcev v industriji. Ti standardi so bili razviti leta 1996 s strani vodilnih podjetji na podro ju avtomatizacije (Hewlett-Packard, Siemens…) v sodelovanju z podjetjem Microsoft. Organizacija, ki ureja te standarde, se imenuje OPC fundacija in šteje preko 300 lanov z vsega sveta. Fundacija skrbi za razvoj in prilagoditev OPC standardov in je aktivna še danes. OPC fundacija je do sedaj izdala že ve specifikacij OPC standarda:

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 35





· OPC standard 1.0

· OPC standard 1.0 s asovno zna ko

· OPC standard 2.0

· OPC standard 3.0

Proizvajalci strojne opreme obi ajno izdelajo lastni strežnik, ki njihovo strojno opremo poveže z OPC vodilom. Na razpolago pa so tudi strežniki, ki podpirajo ve razli nih naprav razli nih proizvajalcev. Z njimi lahko med seboj enostavneje povežemo razli ne naprave.





7.2 OPC strežnik (OPC server)


OPC strežnik je jedro vsake OPC povezave. Predstavlja navidezno povezavo med zunanjo strojno opremo in OPC vodilom. Njegova naloga je, da bere podatke iz dolo ene naprave ter jih obdela in prilagodi dolo enemu programskemu okolju. OPC strežnik obi ajno zagotovi proizvajalec strojne opreme. Pri vzpostavitvi OPC povezave z OPC strežnikom je potrebna pravilna parametrizacija spremenljivk, ki jih želimo opazovati ali shranjevati. Obstajata dva osnovna na ina parametrizacije OPC strežnika.

Prvi na in parametrizacije OPC strežnika je navadna interaktivna metoda, pri kateri je potrebno ve znanja za pravilno konfiguracijo povezave. Metoda je zelo zamudna in ob utljiva (že en napa en korak in povezava ni vzpostavljena). Pri sami vzpostavitvi povezave je najprej potrebno poiskati napravo, s katero želimo komunicirati (Device). V naslednjem koraku moramo nastaviti kanal (Channel), po katerem bo potekala komunikacija. Na koncu moramo še dolo iti želeno spremenljivko, (Tag) ki jo bomo opazovali. Pomembno je, da pravilno definiramo tip spremenljivke in njeno velikost zaradi nadaljnje obdelave podatkov v izbranem programskem okolju. Nastavitev potem shranimo in s tem zaklju imo konfiguracijo OPC strežnika.

Druga metoda je uporabniško prijaznejša, saj omogo a hitro in enostavno konfiguracijo OPC povezave brez predznanja. Vendar pa to metodo vsebuje in podpira zelo malo število OPC strežnikov. e OPC strežnik razpolaga s to funkcijo potem program samostojno poiš e napravo, ki je priklju ena na ra unalnik in dolo i kanal, preko katerega bo komuniciral z napravo. Na koncu prikaže seznam vseh spremenljivk priklju ene strojne

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 36





opreme, ki jih lahko krmilimo in spremljamo. Uporabnik samo izbere spremenljivke, ki jih želi nadzorovati. S tem je konfiguracija OPC strežnika kon ana. Nekateri OPC strežniki dopuš ajo spreminjanje in dodajanje dolo enih spremenljivk znotraj nekega procesa ne da bi s tem prekinili njegovo izvajanje.

V našem primeru smo uporabili tri razli ne proizvajalce OPC strežnikov in preizkusili vsakega posebej. Na osnovi podrobnih preizkušanj smo dolo ili njihove najpomembnejše lastnosti:

· hitrost obdelave podatkov,

· hitrost prenosa podatkov,

· enostavnost konfiguracije,

· cena OPC strežnika.

Preizkusili smo naslednje OPC strežnike:

· KEPServerEx V4.2,

· MatrikonOPC Server V3.03,

· Softing S7/S5 OPC Server V3.10.



7.2.1 KEPServerEx V4.2


V prvem primeru smo za prenos podatkov med krmilnikom in Matlabom uporabili KEPwareov OPC strežnik KEPServerEx V4.2. Cena popolne podjetniške verzije omenjenega OPC strežnika je 615. Za ta OPC strežnik smo se odlo ili zaradi njegove zelo široke uporabe in enostavne konfiguracije. Njegova zelo pomembna lastnost je, da omogo a povezavo med mnogimi industrijskimi napravami in sistemi ki jih uporabljamo v avtomatizaciji, merilni tehniki in zaš itnih napravah. Podpira povezavo preko velikega števila razli nih vodil kot so RS 232 vodilo, USB vodilo, Ethernet vodilo in druga podobna vodila. Razvit je bil z namenom hitre vzpostavitve komunikacije pri raznih regulacijskih in nadzornih sistemih. OPC tehnologije ki jih ta strežnik podpira so:

· OPC Data Access 1.0,

· OPC Data Access 2.05a,

· OPC Data Access 3.0,

· DDE Format CF_Text,

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 37





· DDE Format AdvancedDDE.

OPC strežnik KEPServerEx omogo a isto asno komunikacijo z ve jim številom naprav razli nih proizvajalcev. Med veliko množico gonilnikov, ki jih ta OPC strežnik vsebuje, je tudi gonilnik za Siemensove krmilnike serije S7-200 S7-300 in S7-400 ki komunicirajo preko RS 232 ali Ethernet vmesnika. Program je bil zasnovan za delovanje na Microsoft Windows operacijskih sistemih Win Vista/Server 2008/XP/Server 2003/2000.

Ob namestitvi KEPServerEx OPC strežnika se namestijo tudi druga orodja, s katerimi si lahko pomagamo med konfiguracijo OPC strežnika. V okvirju tega OPC strežnika se nahaja OPC odjemalec OPC Quick Client, s katerim lahko zelo hitro ugotovimo vse strežnike kateri so povezani na OPC vodilo, kanal preko katerega komunicira dolo en strežnik in celoten nabor vseh spremenljivk nekega procesa kot tudi njihove trenutne vrednosti.

Ker smo uporabljali le demo verzijo KEPwareovega OPC strežnika, je bilo neprekinjeno delovanje programa asovno omejeno le na dve uri.



7.2.2 MatrikonOPC Server V3.03


MatrikonOPC server je namenjen samo za krmilnike iz serije Simatic (Siemens) S5/S7 in omogo a prenos podatkov preko Ethernet ali RS 232 vmesnika. Komunikacija lahko poteka samo med krmilniki iz serije S5/S7 in razli nimi OPC odjemalci. Cena popolne podjetniške licence znaša 595. Ta OPC strežnik smo izbrali zaradi njegove široke uporabe v industriji ter zaradi priporo il vodilnih ra unalniških podjetji kot so Mathworks (Matlab) in National Instruments (LabView). Konfiguracija tega OPC strežnika je nekoliko zahtevnejša kot pri ostalih OPC strežnikih. Pomembna lastnost programa je, da lahko direktno prenesemo tabelo simbolov iz programa STEP5/STEP7 v ta OPC strežnik in si s tem prihranimo veliko asa, ki bi ga sicer potrebovali za konfiguracijo opazovanih spremenljivk. OPC tehnologije, ki jih ta strežnik podpira, so:

· OPC Data Access 1.0a,

· OPC Data Access 2.0,

· OPC Data Access 2.05a,

· OPC Data Access 3.0,

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 38





· OPC Security 1.00.

Program je namenjen za delovanje v ra unalniškem okolju Microsoft Windows Win 2000/XP/2003. Tudi ta program vsebuje lasten OPC odjemalec z imenom MatrikonOPC Explorer ter je namenjen opazovanju samih spremenljiv tokom izvajanja nekega tehnološkega procesa. eprav je konfiguracija programa zahtevnejša je MatrikonOPC strežnik zelo pregleden in pri uporabi prijazen program.



7.2.3 Softing S7/S5 OPC Server V3.10


Softingov S5/S7 OPC strežnik je podobno kot MatrikonOPC Server namenjen samo za Siemensove krmilnike iz serije Simatic S5/S7. Cena popolne podjetniške verzije Softing S5/S7 OPC strežnika je 400. Razlog za uporabo tega strežnika je priporo ilo podjetje Siemens. Je eden od vodilnih OPC strežnikov na podro ju Siemensovih krmilnikov. Softing S5/S7 OPC strežnik je zelo je enostaven za konfiguracijo in omogo a hitro vzpostavitev povezave. Prednost tega strežnika je samostojno iskanje procesnih krmilnikov ki so povezani na ra unalnik. S tem se izognemo konfiguraciji kanala. Dodatna prednost tega programa je, da samostojno poiš e spremenljivke procesa iz datotek programskega paketa Step7. OPC tehnologije ki jih ta strežnik podpira so:

· OPC Data Access 1.0a,

· OPC Data Access 2.05,

· OPC Data Access 3.0,

· OPC XML – DA.

Program je namenjen za delovanje na Microsoft Windows operacijskih sistemih in sicer na Win XP/2000/NT/ME/98/95/Server2003. Kot vsi ostali programi tudi ta program vsebuje lasten OPC odjemalec z imenom Softing OPC Toolbox Client. Z njim lahko opazujemo trenutno stanje spremenljivk nekega procesa.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 39





7.3 OPC odjemalec (OPC client)


OPC odjemalec zagotovi proizvajalec programske opreme. Osnovna naloga vsakega uporabnika je nastavitev OPC odjemalca. Le ta mora biti izvedena tako, da lahko dostopamo do podatkov na OPC vodilu. Podatke nam na OPC vodilo posreduje OPC strežnik, od koder jih bere in pošilja nazaj na izbrano napravo. Zato je potrebno dolo iti napravo, s katero se želimo povezati, dolo iti kanal na katerem je sama naprava in dolo iti spremenljivko, katero želimo opazovati. Razli ni programski paketi imajo razli ne OPC odjemalce, kjer pa se postopki nastavitve med sabo razlikujejo. Pomembno je, da pravilno in smiselno povežemo OPC strežnik in OPC odjemalce. Za dolo eno programsko opremo imamo velikokrat na voljo ve je število OPC odjemalcev. Vsi delujejo na enak na in, razlikujejo se le po zahtevnosti konfiguracije povezave in nastavitve spremenljivk.

OPC odjemalec za programski paket Matlab/Simulink je knjižnica OPC ToolBox, ki jo lahko zasledimo pri novejših verzijah Matlaba. Z njo smo omogo ili povezavo Matlaba z OPC vodilom. Z uporabo OPC ToolBoxovih funkcij ustvarimo OPC Data Access odjemalca (opcda), ki predstavlja povezavo med Matlabom in OPC strežnikom. Na sliki

7.4 je prikazano grafi no okolje OPC Toolboxa.





Slika 7.4: Grafi no okolje OPC Toolbox

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 40





Osnovna naloga knjižnice OPC Toolbox je izmenjava podatkov med Matlabom in OPC strežniki. Sami si ustvarimo in prilagodimo na in branja in pisanja iz/v OPC strežnik. S pomo jo knjižnice OPC Toolbox lahko dostopamo do OPC vodila iz programskega okolja Matlab/Simulink na štiri razli ne na ine:

· z uporabo Matlabovega ukaznega okna,

· z uporabo Simulinkovih blokov,

· z uporabo grafi nega vmesnika,

· z uporabo Matlabovih funkcij (M-file, S-function).

Po povezavi z OPC strežnikom ustvarimo Data Access Group (dagroup), ki predstavlja zbirko Data Access Items (daitem), v kateri se nahajajo naslovi predmetov oziroma spremenljivk, katere lahko nadzorujemo ali spreminjamo (beremo/pišemo). Z uporabo lastnosti OPC DA odjemalca lahko preverimo stanje povezave, beležimo dogodke za kasnejšo analizo ali pa prenašamo podatke oziroma signale v kako drugo programsko okolje, kjer te podatke naknadno obdelamo ali izrišemo.





7.3.1 Povezava s pomo jo Matlabovega ukaznega okna

Matlabovo ukazno okno je namenjeno interaktivnemu delu. Za vzpostavitev povezave potrebujemo naslednje štiri ukaze:

· povezava=opcda('ime ra unalnika','ime OPC strežnika'); S tem ukazom povemo, da dostopamo do podatkov na izbranem OPC strežniku, ki se nahaja na dolo enem ra unalniku. Ra unalnik se obi ajno poimenuje ''localhost'' e se strežnik nahaja na našem ra unalniku ali pa zapišemo njegovo IP številko, e je strežnik na drugem ra unalniku.

· connect (povezava); Ta ukaz vzpostavi povezavo med Matlabom in definiranim OPC strežnikom.

· ime skupine=addgroup (povezava); S tem ukazom definiramo ime skupine v kateri se bodo nahajali predmeti oziroma spremenljivke procesa.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 41





· predmet=additem(ime_skupine,'kanal.naprava.predmet','tipspremenljiv
ke')
; Ta ukaz uporabljamo za definiranje predmetov oziroma spremenljivk procesa. Pri definiranju predmetov moramo zapisati naslov natanko tako kot si sledi vrstni red v OPC strežniku ( kanal, naprava, predmet). Tip spremenljivke izberemo glede na vrsto formata ( integer, double, word, …). Vrsta spremenljivke je odvisna od tipa podatkov, ki jih prenašamo iz OPC strežnika v programski paket Matlab. e prenašamo digitalne signale je to tip integer, e pa prenašamo analogne signale pa je to podatkovni tip double.

Vse štiri ukaze lahko zapišemo v obliki Matlabove datoteke M-file in na ta na in pospešimo njihovo izvajanje.





7.3.2 Povezava s pomo jo Simulinkovih blokov


V Simulinku imamo na razpolago bloke za vzpostavitev OPC povezave. Knjižnica vsebuje štiri bloke:

· blok za konfiguracijo OPC odjemalca (OPC Configuration),

· blok za branje podatkov iz OPC vodila (OPC Read),

· blok za pisanje podatkov na OPC vodilo (OPC Write),

· blok za kontrolo kvalitete prenosa podatkov (OPC Quality Parts),.

Uporaba teh blokov predstavlja najenostavnejši na in povezave programskega okolja Matlab/Simulink z OPC vodilom. Lahko zelo hitro definiramo predmete oziroma spremenljivke procesa. Blok za konfiguracijo OPC odjemalca pa vsebuje funkcijo, ki omogo a asovno realni izra un simulacije. Na sliki 7.5 so prikazani Simulinkovi bloki za vzpostavitev OPC povezave.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 42





Slika 7.5: Bloki za vzpostavitev OPC povezave





7.3.3 Povezava s pomo jo grafi nega vmesnika za OPC Toolbox

Grafi ni vmesnik za OPC Toolbox je novost pri programskem paketu Matlab in je na razpolago samo v novejših verzijah knjižnice OPC Toolbox. Vmesnik omogo a hitro in enostavno konfiguracijo povezave med OPC vodilom in programskim okoljem Matlab/Simulink. Z uporabo tega vmesnika se izognemo pisanju ukazov v ukaznem oknu. Na enostaven na in lahko izbiramo katere spremenljivke želimo nadzorovati. Pomembna lastnost vmesnika je ta, da lahko spremljamo trenutne vrednosti izbranih spremenljivk. Omogo a tudi snemanje in izris asovnega poteka posameznih spremenljivk. Slika 7.6 prikazuje delovno okolje grafi nega vmesnika za OPC Toolbox.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 43





Slika 7.6: Grafi ni vmesnik za OPC Toolbox

Na levi strani okna vidimo vse OPC strežnike, ki so nameš eni na osebnem ra unalniku. V levi polovici desnega okna se nahaja Matlabov OPC odjemalec, ki je povezan na želeni OPC strežnik. Tukaj lahko vidimo do katerih spremenljivk procesa dostopamo, na katerem kanalu so te spremenljivke in iz katere naprave beremo te spremenljivke. Na desni polovici desnega okna so prikazane lastnosti posamezne spremenljivke. Tukaj lahko v dolo enem

asovnem trenutku preberemo trenutno vrednost spremenljivk ali pa vpišemo neko novo vrednost spremenljivke na OPC vodilo.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 44





7.4.3 Povezava z uporabo S-funkcije


S-funkcija je uporabniško definiran blok. Blok je lahko napisan v razli nih programskih jezikih kot so C, M (nivo-1) ali Fortran in mora ustrezati standardom S-funkcije. V našem primeru smo uporabili M-file S-function, ki uporablja programski jezik M (nivo-1). M-file S-funkcija uporablja posebno sintakso, ki omogo a sodelovanje s Simulinkovim reševalcem ena b (Equation Solver), podobno kot pri privzetih Simulinkovih blokih. Z uporabo S-funkcije lahko poljubno opisujemo zvezne, diskretne ali hibridne sisteme. Argumenti S-funkcije so:

· trenutni as t,

· vektor stanj x,

· vhodni vektor u,

· flag (zastavica), celoštevil na vrednost, ki pokaže katera izmed nalog naj se izvede. Zastavice so oštevil ene s števili:

Zastavice Izvedba naloge Opis 0 mdlInitialize

Inicializacija; definira osnovne karakteristike kot so, as vzor enja, za etne vrednosti, povezava s strežnikom,št. vhodov, št. izhodov, dolo itev stanj…

1 mdlDerivates

Prera unavanje odvodov zveznih spremenljivk stanja

2 mdlUpdate

Posodablja diskretna stanja, ase vzor enja

3 mdlOutputs


Izra un izhodov S-funkcije
4 mdlGetTimeOfNextVarHit Prera
una naslednji asovni korak. To se

uporablja pri diskretnih sistemih
9 mdlTerminate Izvede potrebne naloge za kon
anje simulacije




Slika 7.7: Oštevil enje in vloga zastavic

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 45





Izhodi S-funkcije so:

· splošen izhodni argument sys. Vrnjene vrednosti so odvisne od zastavice. e je število zastavice 3, vsebuje sys izhode iz funkcije, ki so odvisni od namena uporabnika.

· za etna vrednost spremenljivke stanja x0,

· as vzor enja ts.

V našem primeru smo s pomo jo S-funkcije vzpostavili povezavo med Matlabovim OPC Toolboxom in Simulinkom. Najpomembnejši nalogi funkcije sta bili vzpostavitev povezave z OPC Toolboxom pri inicializaciji (flag=0) in branje ter pisanje podatkov (flag=3). V nadaljevanju je podan primer S-funkcije za branje vrednosti iz OPC strežnika.




function [sys,x0]=modelp(t,x,u,flag)

global povezava

if flag == 0

sizes=simsizes;

sizes.NumContStates = 0;

sizes.NumDiscStates = 0;

sizes.NumOutputs = 0;

sizes.NumInputs = 1;

sizes.DirFeedthrough = 1;

sizes.NumSampleTimes = 1;

povezava=opcda('localhost','Kepware.kepserverex.v4');

connect(povezava)

skupina=addgroup(povezava,'skupina');

izhod=additem(skupina,'Kanal.Naprava.Izhod','double');

sys = [0 0 0 1 1 1];

x0 = [];

elseif flag == 3

write(Izhod,u);

sys = [];

elseif flag == 9

disconnect(da)

clear Izhod

sys = [];

x0 = [];

end

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 46





7.5 Meritev hitrosti prenosa podatkov s pomo jo OPC tehnologije


Pomemben podatek o uporabnosti OPC tehnologije je podatek o hitrosti prenosa signalov. V tem poglavju pa je podrobno opisan postopek vzpostavitve celotne povezave in na in merjenja hitrosti prenosa, oziroma merjenje zakasnitve prenosa signalov.

Povezava med procesnim krmilnikom in osebnim ra unalnikom s programsko opremo Matlab/Simulink je bila izvedena v ve korakih. Vsak ta korak nam vnaša dolo eno zakasnitev pri prenosu signalov. Celotna zakasnitev signala je sestavljena iz:

· zakasnitve signala zaradi branja analognega signala na vhodu AD vmesnika procesnega krmilnika in pretvorbe tega signala v digitalno obliko,

· zakasnitve signala, ki je posledica prenosa digitalne informacije med procesnim krmilnikom in OPC vodilom,

· zakasnitve signala zaradi izmenjave podatkov med OPC vodilom in programsko opremo Matlab/Simulink,

· zakasnitve zaradi asa trajanja numeri nih izra unov na osebnem ra unalniku,

· zakasnitve signala zaradi izmenjave podatkov med programsko opremo Matlab/Simulink in OPC vodilom,

· zakasnitve signala, ki je posledica prenosa digitalne informacije med OPC vodilom in procesnim krmilnikom,

· zakasnitve signala zaradi pretvorbe digitalne informacije v analogni signal in njegovega pošiljanja na izhod DA vmesnika procesnega krmilnika.

Slika 7.8 prikazuje shematsko povezavo procesnega krmilnika in osebnega ra unalnika ter na in merjenja zakasnitve signala.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 47





Slika 7.8: Shematski prikaz merjenja hitrosti prenosa podatkov

Iz funkcijskega generatorja smo poslali signal na analogni vhod AD vmesnika procesnega krmilnika. Procesni krmilnik je signal spremenil v digitalno informacijo in jo shranil na izbrano pomnilniško lokacijo. OPC strežnik je prebral digitalno informacijo iz pomnilniške lokacije in jo posredoval na OPC vodilo. OPC odjemalec je informacijo iz OPC vodila prenesel v programsko okolje Matlab/Simulink v katerem smo izvajali numeri ne izra une. Na enak na in smo s pomo jo OPC tehnologije pošiljali digitalno informacijo iz osebnega ra unalnika na analogni izhod DA vmesnika procesnega krmilnika. Originalni signal iz funkcijskega generatorja smo potem primerjali z signalom na izhodu DA pretvornika procesnega krmilnika. Na ta na in smo izmerili celotno zakasnitev signala. Ocena posameznih komponent zakasnitev na ta na in ni možna.

Za prenos signalov med procesnim krmilnikom in OPC vodilom smo najprej morali v procesnem krmilniku narediti program za branje in pisanje podatkov na njegovih vhodih in izhodih. Programska koda za branje in pisanje signalov je zgrajena v programskem jeziku STEP7 in je podana v nadaljevanju:

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 48





// Izmenjava podatkov // Pisanje

L PIW 128 - preberemo vrednost signala na analognem vhodu

ITD - pretvorimo 16-bitno številko v 32-bitno številko

DTR - pretvorimo 32-bitno številko v realno število

T MD 10 - shranimo realno število na izbrano pomnilniško lokacijo // Branje

L MD 20 - preberemo podatek iz izbrane pomnilniške lokacije

RND - pretvorimo realno število v 32-bitno številko

T PQW 128 -pošljemo informacijo na analogni izhod // Konec

V programskem orodju Simulink preberemo informacijo iz OPC vodila s pomo jo bloka OPC Read. Prebrano informacijo zatem pošljemo s pomo jo bloka OPC Write na OPC vodilo. Shematska povezava blokov za branje in pisanje signalov v programskem okolju Matlab/Simulink je prikazana na sliki 7.9.





Slika 7.9: Shematski prikaz OPC povezave v programskem paketu Matlab/Simulink



7.5.1 Prikaz rezultatov


Slike od 7.10 do 7.15 prikazujejo rezultate meritev hitrosti prenosa podatkov, oziroma zakasnitev med vhodnim in izhodnim signalom. Rezultati so dobljeni z uporabo treh razli nih OPC strežnikov (KEPServerEx, MatrikonOPC Server in Softing S7/S5 OPC server) in z uporabo dveh razli nih vodil (RS 232 in Ethernet vmesnik).


OPC Config

Real -Time

OPC Configuration




OPC Read (Cache ): Kanal .Naprava .Vhod V


OPC Write (Sync): Kanal .Naprava .Izhod




OPC Read

OPC Write





Scope

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 49





Slika 7.10: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika KEPServerEx preko RS 232 vodila ( t = 700 ms)





Slika 7.11: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika KEPServerEx preko Ethernet vodila ( t = 200 ms)

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 50





Slika 7.12: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika Matrikon preko RS 232 vodila ( t = 420 ms)





Slika 7.13: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika Matrikon preko Ethernet vodila ( t = 150 ms)

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 51





Slika 7.14: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika Softing S7/S5 preko RS 232 vodila ( t = 600 ms)





Slika 7.15: Zakasnitev signala z uporabo OPC strežnika Softing S7/S5 preko Ethernet vodila ( t = 170 ms)

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 52





7.5.2 Primerjava lastnosti OPC strežnikov


Iz dobljenih rezultatov je vidno, da razli ni OPC strežniki razpolagajo z razli nimi hitrostmi prenosa podatkov. Najhitrejši izmed teh treh OPC strežnikov je Matrikon s katerim dobimo najboljše rezultate. Pri vseh OPC strežnikih je opazno, da je Ethernet vmesnik precej hitrejši kot pa navaden RS 232 vmesnik. Na sliki 7.16 je prikazana primerjava zakasnitev signala posameznega OPC strežnika.





Slika 7.16: Primerjava rezultatov meritev zakasnitev signalov razli nih OPC strežnikov z uporabo razli nih vodilih

Pomemben dejavnik pri izbiri OPC strežnika je tudi cena, ki predstavlja poglaviten strošek OPC povezave. Na sliki 7.16 so podane cene polnih podjetniških licenc OPC strežnikov, katere smo uporabljali.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 53





Slika 7.17: Primerjava cen razli nih OPC strežnikov

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 54





8 PRIMER IZDELAVE SIMULATORJA HIDRAVLI NEGA SISTEMA

Z UPORABO OPC TEHNOLOGIJE ZA PRENOS SIGNALOV





Iz rezultatov v poglavju 7 je razvidno, da je prenos signalov s pomo jo OPC tehnologije po asen. Zato smo uporabo OPC tehnologije prikazali na izdelavi simulatorja dinami no manj zahtevnega sistema. Kot primer smo vzeli enostaven hidravli en proces. Grafi no ponazoritev smo realizirali s pomo jo Simulinkove knjižnice Gauges Blockset.



8.1 Knjižnica Gauges Blockset


S knjižnico Gauges Blockset lahko grafi no ponazorimo enostavne elemente kot so inštrumenti, prikazovalniki, stikala, termometri, tanki in podobno. V tej knjižnici se nahajajo bloki za realisti en prikaz specifi nih procesov v Simulinkovem delovnem okolju. Tipi ne aplikacije katere lahko realiziramo s pomo jo teh blokov so:

· avtomobilske armaturne ploš e,

· letalske nadzorne ploš e,

· nadzorne in procesne ploš e,

· komunikacijske in elektroenergetske sisteme,

· medicinske sisteme.

V našem primeru smo uporabili bloke iz knjižnice Gauges Blockset za grafi no ponazoritev praznjenja in polnjenja tanka. Slika 8.1 prikazuje vsebino knjižnice Gauges Blockset.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 55





Slika 8.1: Knjižnica Gauges Blockset



8.2 Izdelava simulatorja hidravli nega procesa


Hidravli ni sistem smo grafi no ponazorili in krmilili s pomo jo procesnega krmilnika v katerem smo realizirali dvopoložajni regulator. Hidravli ni sistem je sestavljen iz tanka,

rpalke, ventila ter senzorjev za višino vode. Slika 8.2 predstavlja grafi no ponazoritev hidravli nega sistema. Procesni krmilnik ima nalogo vzdrževanja pravilnega nivoja vode v primeru nastopa motnje. Ko je spodnji senzor višine vode izklopljen, vklopimo rpalko in za nemo polniti tank. Polnimo ga tako dolgo dokler se senzor zgornje višine vode ne vklju i. e uporabnik odpre ventil, voda za ne iztekat iz tanka, ki se za ne praznit. Ko se spodnji senzor višine vode izklopi, procesni krmilnik zazna pomanjkanje vode v tanku in vklopi rpalko ter za ne polniti tank. Na sliki 8.2 je prikazana zgradba simulatorja hidravli nega procesa.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 56





Slika 8.2: Grafi na predstavitev hidravli nega sistema





Slika 8.3: Zgradba hidravli nega sistema



8.2.1 Prenos signalov hidravli nega sistema


Za prenos signalov med procesnim krmilnikom in programsko opremo Matlab/Simulink v okviru katere smo realizirali simulator, smo uporabili OPC tehnologijo. Prenašali smo samo binarne signale s pomo jo katerih je procesni krmilnik reguliral nivo vode v tanku. Za prenos signalov smo uporabili štiri bloke iz Matlabove knjižnice OPC toolbox za branje in pisanje binarnih signalov. Dva bloka za vpisovanje signalov na procesni krmilnik sta bila uporabljena za signalizacijo stanja nivoja vode. Ostala dva bloka pa smo uporabili za branje stanja rpalke in ventila. Ti bloki so ponazorjeni na sliki 8.4.


Simulator hidravli nega sistema

Ra unalnik



Matlab


Simulink


Operater Odpiranje ventila Krmilnik


Nivo vode zgoraj

Nivo vode spodaj

Vklop rpalke

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 57





OPC Config Real -Time

OPC Configuration



OPC Write (Sync): Senzor Gor


OPC Read (Cache ): Crpalka
V



OPC Write


OPC Read



OPC Write (Sync): Senzor Dol


OPC Read (Cache ): Ventil


V



OPC Write


OPC Read




Slika 8.4: Bloki za prenos podatkov hidravli nega sistema



8.2.2 Vnos zgradbe in parametrov hidravli nega sistema


Kompletna zgradba hidravli nega sistema je bila narejena s pomo jo knjižnice Gauges Blockset v programskem orodju Simulink. Na sliki 8.5 je prikazan izdelan model hidravli nega sistema.





Slika 8.5: Model hidravli nega sistema

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 58





8.2.3 Numeri ni izra un hidravli nega sistema


Numeri ne izra une hidravli nega sistema smo izvajali v programskem okolju Matlab/Simulink. V njem smo reševali sistem (diferencialno ena bo) zgrajenega simulacijskega modela. Na sliki 8.6 je prikazana zgradba matemati nega modela hidravli nega sistema.



+





Slika 8.6: Matemati ni model hidravli nega sistema



8.2.4 Grafi na ponazoritev hidravli nega sistema


Na sliki 8.7 je prikazana grafi na ponazoritev simulatorja hidravli nega sistema s pomo jo programske opreme Matlab/Simulink.





Slika 8.7: Grafi na ponazoritev hidravli nega sistema


1

Ti


Dotok

Odtok


Tank



_



Integrator

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 59





9 SKLEP


V okviru diplomskega dela smo naredili simulator za hitro testiranje uporabniških programov procesnih krmilnikov. Delo je bilo razdeljeno v dva dela.

V prvem delu smo za prenos signalov med procesnim krmilnikom in osebnim ra unalnikom s programsko opremo Matlab/Simulink uporabili AD/DA vmesnik. Uporabili smo AD/DA vmesnik National Instruments USB-6008. Za izbran AD/DA vmesnik smo izmerili hitrost prenosa signalov oziroma zakasnitev izhodnega signala proti vhodnemu. Celotna zakasnitev signala je znašala približno 6ms. V naslednjem koraku smo izdelali univerzalni grafi ni uporabniški vmesnik za hiter, enostaven in pregleden vnos zgradbe in parametrov matemati nih modelov dinami nih sistemov. Vmesnik je namenjen hitremu testiranju uporabniških programov procesnih krmilnikov. Poglavitni problem s katerim smo se soo ali pri izdelavi simulatorja je bil zagotavljanje izvajanja numeri nih izra unov simuliranih procesov v realnem asu. Ta problem smo odpravili z uporabo dodatnega bloka v Simulinku, ki zagotavlja asovno realno izvajanje izra unov.

V drugem delu smo za prenos signalov med procesnim krmilnikom in osebnim ra unalnikom s programsko opremo Matlab/Simulink uporabili OPC tehnologijo. Uporabili smo tri razli ne proizvajalce OPC strežnikov in dolo ili njihove najpomembnejše lastnosti. Medsebojno smo primerjali hitrosti prenosa podatkov in cene uporabljenih OPC strežnikov. Iz dobljenih rezultatov lahko sklepamo, da OPC tehnologija pri prenosu podatkov vnaša precejšno zakasnitev signala (najmanjša zakasnitev signala je znašla 150ms), medtem ko je cena OPC strežnikov za faktor 5 višja od cene uporabljenega AD/DA vmesnika. Zato smo uporabo OPC tehnologije prikazali na izdelavi simulatorja dinami no manj zahtevnega sistema.

Iz celotne analize narejene v tem diplomskem delu lahko sklepamo, da je pri dinami no zahtevnejših sistemih nujna uporaba AD/DA vmesnika. OPC tehnologija je zelo obetavna in bo z vsakdanjim razvojem ra unalniške i programske opreme vse bolj uporabna. Zaenkrat pa je uporaba OPC tehnologije za prenos podatkov smiselna le pri dinami no manj zahtevnih sistemih.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 60





VIRI, LITERATURA




[1] D. Dolinar: Dinamika linearnih sistemov in regulacije, 1. izd., Založniška dejavnost FERI, Maribor, 1997.

[2] J. Ritonja: Regulacijska tehnika: Zbirka vaj, 1. izd., FERI, Maribor 2004.

[3] J. Ritonja: Industrijska krmilja, 1. izd., FERI, Maribor 1999.

[4] B. Gr ar, J. Ritonja: Ra unalniško vodenje procesov, 1. izd., FERI, Maribor 1997.

[5] Brian R. Hunt, Ronald L. Lipsman, Jonathan M. Rosenberg: A Guide to MATLAB,

1. izd., Cambridge University Press, United Kingdom, 2001.

[6] M. Kosec: Povezava procesnih krmilnikov Siemens s programskim okoljem Matlab, Diplomsko delo, Maribor 2004.

[7] www.mathworks.com

[8] www.kepware.com

[9] www.matrikonopc.com

[10] www.softing.com

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 61





PRILOGE





A Regulacijski algoritem diskretnega PI regulatorja

//Program za branje vhoda L MD 30

L MD 30 //Branje reference T MD 34

L PIW 128 L MD 40
ITD T MD 44
DTR

L 2.764000e+003 //Ra unanje odstopanja e /R L MD 10
T MD 10 L MD 20

-R

//Prilagoditev signala T MD 40

L MD 10

L 4.000e+000 //Ra unanje faktorjev

*R L 1.453000e+000
T MD 10 L MD 40
L MD 10 *R
L 10.000e+000 T MD 50 -R L 1.424000e+000
T MD 10 L MD 44

*R

//Branje izhoda sistema T MD 54

L PIW 130

ITD //Ra unanje novega vhoda u DTR L MD34
L 2.764000e+003 L MD 50

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 62





/R +R
T MD 20 L MD 54 L MD 20 +R
L 4 T MD 30

*R
T MD 20 //Program za pisanje izhoda u L MD 20 L MD 30
L 10 L 2.764000e+003
-R *R
T MD 20 RND

T PQW 128

//Program za regulacijo

A Q 124.0

JZ ZERO

L 0.000000e+000

T MD 34

L 0.000000e+000

T MD 44 ZERO: L MD 30

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 63





B Namestitev in konfiguracija OPC strežnika KEPServerEx V4.2



Najprej namestimo program na osebni ra unalnik. Po namestitvi za nemo z izdelavo nove aplikacije na OPC strežniku. Na sliki B.1 je prikazan primer programa KEPServerEx ob zagonu.





Slika B.1: Primer programa KEPServerEx

Prvi korak konfiguracije povezave je izbira imena kanala po katerem bo OPC strežnik komuniciral z želeno napravo. Ta postopek je prikazan na sliki B.2.





Slika B.2: Dolo itev imena kanala

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 64





B.1 Povezava s pomo jo RS 232 vmesnika

Ko smo enkrat dolo ili ime kanala moramo dolo iti še napravo s katero želimo komunicirati. e želimo do krmilnika dostopati preko RS 232 vmesnika moramo to narediti na na in kot je prikazan na slikah B.3 in B.4:





Slika B.3: Izbira naprave

Po izbiri naprave moramo dolo iti COM kanala s pomo jo katerega želimo dostopati do izbrane naprave in hitrost prenosa podatkov (Baud Rate).





Slika B.4: Konfiguracija kanala in hitrosti prenosa podatkov

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 65





V naslednjem koraku sledi konfiguracija optimizacije, oziroma dolo itev razmerja med branjem in vpisovanjem trenutnih vrednosti spremenljivk na OPC vodilo. Konfiguracija optimizacije je prikazana na sliki B.5.





Slika B.5: Konfiguracija optimizacije




Na koncu preverimo še lastnosti konfigurirane povezave, kar je prikazano na sliki B.6.





Slika B.6: Lastnosti konfigurirane povezave

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 66





B.2 Povezava s pomo jo Ethernet vmesnika

e želimo do krmilnika dostopati preko Ethernet vmesnika moramo to narediti na na in, prikazan na slikah B.7 in B.8:





Slika B.7: Izbira naprave

Ra unalnik je lahko povezan na omrežje preko razli nih Ethernet vmesnikov. Zato moramo definirati vmesnik preko katerega OPC strežnik komunicira z izbrano napravo.





Slika B.7: Izbira Ethernet vmesnika




Na koncu preverimo še lastnosti konfigurirane povezave, kar je prikazano na sliki B.8.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 67





Slika B.8: Lastnosti konfigurirane povezave





B.3 Konfiguracija naprave


Konfiguracijo naprave za nemo z izbiro ikone New Device. Izbira in vnos imena naprave sta prikazana na sliki B.9.





Slika B.8: Dolo itev imena naprave

V naslednjem koraku moramo izbrati tip naprave s katero bomo komunicirali. Izbira tipa naprave je razvidna iz slike B.10.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 68





Slika B.10: Izbira tipa naprave




asovni parametri komunikacije pa se dolo ijo v oknu, prikazanem na sliki B.11.





Slika B.11: asovni parametri komunukacije

V zadnjem koraku preverimo še pravilnost konfiguranih parametrov naprave. Lastnosti parametrov naprave prikazuje slika B.12.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 69





Slika B.12: Lastnosti konfigurirane povezave

Po konfiguraciji kanala in naprave dobimo primer programa, ki je prikazan na sliki B.13.





Slika B.12: Primer programa po konfiguraciji kanala in naprave

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 70





B.4 Konfiguracija spremenljivk procesa


Za nemo z izbiro ikone New Tag. Pojavi se nam okno v katerem moramo dolo iti ime in lokacijo spremenljivke. Vnesena lokacija spremenljivke v programu se mora ujemati s spremenljivko, ki je vpisana v procesni krmilnik. Konifiguracija sprmenljivke je prikazana na sliki B.14.





Slika B.14: Primer konfiguracije spremenljivk procesa

Po kon ani konfiguraciji OPC strežnika lahko z OPC odjemalcem preverimo ali povezava deluje pravilno. Primer kon ane konfiguracije KEPwareovega OPC strežnik je podan na sliki B.15.





Slika B.15: Primer programa po konfiguraciji spremenljivk procesa

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 71





C Namestitev in konfiguracija OPC strežnika MatrikonOPC Server

Po namestitvi programa na osebni ra unalnik zaženemo program in za nemo z njegovo konfiguracijo. Sam primer programa je prikazan na sliki C.1.





Slika C.1: Primer programa MatrikonOPC Server

V prvem koraku konfiguracije moramo definirati kanal, po katerem bomo komunicirali z dolo eno napravo (Acess Path). Slika C.2 prikazuje konfiguracijo kanala.





Slika C.2: Primer okna za definiranje kanala

Matrikon OPC strežnik je namenjen samo napravam proizvajalca Siemens serije Simatic S5/S7. Komunikacija pa lahko poteka s pomo jo RS 232 ali Ethernet vmesnika.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 72





C.1 Povezava s pomo jo RS 232 vmesnika



Samo konfiguracijo povezave s pomo jo RS 232 vmesnika za nemo z izbiro nove povezave (New Connection). V prvem koraku izberemo ime povezave, kar je prikazano na sliki C.3.





Slika C.3: Izbira imena povezave

Slika C.4 prikazuje vnos parametrov povezave.





Slika C.4: Konfiguracija parametrov povezave

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 73





S tem je konfiguracija povezave kon ana, rezultat pa je prikazan na sliki C.5. Pravilnost konfiguracije lahko preverimo z OPC odjemalcem MatrikonOPC Explorer.





Slika C.5: Primer konfigurirane povezave





C.2 Povezava s pomo jo Ethernet vodila

S klikom na povezavo New Conection za nemo s konfiguracijo same naprave. Na za etku moramo definirati ime in tip povezave ter tip protokola. To naredimo na na in, prikazan na sliki C.6.





Slika C.6: Dolo itev imena in vrste povezave

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 74





Potem se nam odpre okno v katerem moramo definirati parametre TCP/IP povezave. Tukaj izberemo IP številko naprave s katero želimo komunicirati, kot tudi vrsto protokola in optimizacijo branja. Definiranje parametrov TCP/IP povezave je prikazana na sliki C.7.





Slika C.7: Definiranje parametrov TCP/IP povezave

V podro ju Conection Settings z nastavitvijo ISO parametrov dolo amo do katere naprave želimo dostopati. Definiranje ISO parametrov prikazuje slika C.8.





Slika C.8: Definiranje ISO parametrov

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 75





S tem je konfiguracija Ethernet vodila kon ana. Na sliki C.8 je prikazano okno programa MatrikonOPC Server po kon ani konfiguaciji.





Slika C.8: Primer programa po konfiguraciji povezave





C.3 Optimizacija OPC strežnika

Z optimizacijo strežnika dosežemo ve jo hitrost prenosa podatkov. Optimiziranje se predvsem nanaša na dolo anje razmerja med vpisovanjem in branjem podatkov na napravo. Nastavitev optimizacije je prikazana na sliki C.9.





Slika C.9: Nastavitev optimizacije

Ker je pri OPC strežnikih vpisovanje podatkov težavno in cikel vpisovanja traja dlje kot pa cikel branja lahko strežnik nastavimo tako, da izvaja branje med samim vpisovanjem podatkov. Optimizacija pisanja na OPC strežnik je prikazana na sliki C.10.

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 76





Slika C.10: Optimizacija pisanja na OPC strežnik





C.4 Konfiguracija spremenljivk procesa

Zelo velika prednost Matrikon OPC strežnika je direktno branje tabele simbolov iz programskega paketa Step S7. Z tem prihranimo veliko asa pri konfiguraciji spremenljivk procesa. Primer konfiguracije spremenljivk procesa je prikazan na sliki C.11.





Slika C.11: Primer konfiguracije spremenljivk procesa

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 77





Simbole vnesemo tako da izberemo direktorij dolo enega STEP7 projekta in kliknemo na gumb Import Symbol. Na ta na in se nam avtomatsko konfigurirajo spremenljivke procesa. Slika C.12 prikazuje prenos spremenljivk procesa iz STEP7 projekta v OPC strežnik.





Slika C.12: Prikaz prenosa spremenljivk

Na koncu lahko preverimo še to, katere spremenljivke proces vsebuje STEP7 projekt in kakega podatkovnega tipa so te spremenljivke. Primer prenesenih konfiguriranih spremenljivk je prikazan na sliki C.13.





Slika C.13: Primer konfiguriranih spremenljivk

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 78





D Namestitev in konfiguracija OPC strežnika Softing S7/S5 OPC Server

Na samem za etku namestimo program na ra unalnik. Primer programa Softing S7/S5

OPC Server je prikazan na sliki D.1.





Slika D.1: Primer programa Softing S7/S5 OPC Server

Konfiguracijo za nemo z zaustavitvijo delujo ega strežnika in z zaganjanjem OPC konfiguratora. Ta OPC strežnik vsebuje možnost samostojnega iskanja priklju enih naprav, kar nam prihrani veliko asa, potrebnega za konfiguracijo kanala. Samostojno konfiguracijo izvedemo z izbiro ikone Scan. Slika D.2 prikazuje primer OPC konfiguratorja.





Slika D.2: Primer OPC konfiguratorja

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 79





D.1 Povezava s pomo jo RS 232 vmesnika

Konfiguracijo povezave s pomo jo RS 232 vmesnika za nemo z izbiro razpredelnice Chanel. V njej lahko vnaprej konfiguriramo 16 kanalov preko katerih pozneje komuniciramo z izbranimi napravami. Slika D.3 prikazuje na in konfiguracije povezave s pomo jo RS 232 vmesnika.





Slika D.3: Konfiguracija povezave s pomo jo RS 232 vmesnika

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 80





D.2 Povezava s pomo jo Ethernet vmesnika


e želimo komunicirati preko TCP/IP protokola se nam odpre okno v katerega moramo vpisati IP številko procesnega krmilnika oziroma IP številko naprave, ki omogo a Ethernet povezavo. Slika D.4 prikazuje na in konfiguracije povezave s pomo jo Ethernet vmesnika.





Slika D.4: Konfiguracija povezave s pomo jo Ethernet vmesnika

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 81





E Naslov študenta


Marko Jalšovec
Vu
etinec 106a
40311 Lopatinec
Hrvaška
Tel: 031 522 018
e-mail: markojalsovec@yahoo.com





F Kratek življenjepis


Rojen: 18.03.1985 v akovcu Šolanje:

1991-1999 Osnovna šola I.G Kova i Lopatinec 1999-2003 Tehni ka industrijska i obrtni ka škola akovec 2003 Vpis na FERI

Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje procesnih krmilnikov 82





UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RA UNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

(ime fakultete)

IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJU NEGA DELA IN
OBJAVI OSEBNIH PODATKOV AVTORJA

Ime in priimek avtorja (avtorice): Marko JALŠOVEC

Vpisna številka: 93550476

Študijski program: univerzitetni, Elektrotehnika

Naslov zaklju nega dela: Izdelava ra unalniškega simulatorja za testiranje

procesnih krmilnikov

doc. dr. Jožef RITONJA

red. prof. dr. Drago DOLINAR





izjavljam, da sem za potrebe arhiviranja oddal-a elektronsko verzijo zaklju nega dela v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru. Zaklju no delo sem izdelal-a sam-a ob pomo i mentorja. V skladu s 1. odstavkom 21.

lena Zakona o avtorskih in sorodnih pravicah (Ur. l. RS, št. 16/2007) dovoljujem, da se zgoraj navedeno zaklju no delo objavi na portalu Digitalne knjižnice Univerze v Mariboru.

Tiskana verzija zaklju nega dela je istovetna elektronski verziji, ki sem jo oddal-a za objavo v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru. Podpisani-a izjavljam, da dovoljujem objavo osebnih podatkov, vezanih na zaklju ek študija (ime, priimek, leto in kraj rojstva, datum zagovora, naslov zaklju nega dela) na spletnih straneh in v publikacijah UM.





Kraj in datum: Podpis avtorja (avtorice):


Mentor:

Somentor:





Podpisani-a Marko Jalšovec