Sterownik programowalny TSX37 Micro jako rozmyty regulator napięcia generatora synchronicznego małej mocy

Seria: ELEKTRYKA 177 Nr 1501

Komunikat Adrian NOCOŃ1)

STEROWNIK PROGRAMOWALNY TSX37 MICRO JAKO ROZMYTY REGULATOR NAPIĘCIA GENERATORA SYNCHRONICZNEGO MAŁEJ MOCY

S tres zc ze n ie . W artykule przedstawiono badania laboratoryjne dotyczące możliwości wykorzystania sterowników programowalnych PLC w zamkniętych układach regulacji. Badany sterownik TSX37 Micro firmy Modicon został wykorzystany do regulacji napięcia twomika generatora małej mocy, pracującego samotnie.

Do sterowania zastosowano regulator typu PI, oparty na module (FUZ) logiki rozmytej implementowanym w badanym sterowniku.

TSX37 MICRO PLCs AS FUZZY VOLTAGE CONTROLLER OF LOW-POWER SYNCHRONOUS GENERATOR

Sum m ary: In the paper laboratory tests dealing with the use of PLCs in control systems are described.

The T S X 3 7 Micro PLCs of Modicon is used for control of a stator voltage of a low power synchronous generator working standalone. A PLCs it is used Pl-type controller based on fuzzy logic module (FUZ) is implemented in the controller investigated.

K ey w ords: synchronous generator, PLC controller, fuzzy controller

1. W P R O W AD ZEN IE

Sterowniki program ow alne PLC wyposażane s ą zazwyczaj w m oduły wejść i wyjść dwustanowych, co w znaczny sposób ogranicza ich zastosow anie. Karta komunikacyjna pozwala na sterow anie innym i urządzeniam i, takim i ja k przem ienniki częstotliwości i układy łagodnego rozruchu. W yposażenie sterownika w m oduł w ejść i w yjść analogowych i połączenie go z energoelektronicznym m odułem m ocy daje m ożliwość zastosow ania sterownika jako regulatora. W niniejszej pracy został przedstawiony układ wykorzystujący program owalny sterownik TSX37 Micro firm y M odicon ja ko regulator sterujący napięciem generatora synchronicznego m ałej mocy pracującego samotnie.

W rozw iązaniach klasycznych do sterownia napięciem generatora wykorzystyw any je s t mniej lub bardziej skom plikow any (zaw ierający elem enty dodatkowe takie ja k ograniczenia, m oduły kontroli i m onitoringu) układ regulacji oparty na algorytm ie regulacji typu PI (proporcjonalno- całkujący) lub PID (proporcjonalno-całukuąco-różniczkujący). Obecnie coraz częściej klasyczny algorytm sterowania proporcjonalno-całkującego m odyfikowany proceduram i dostosowującym i go do zm ieniających się w arunków pracy układu sterowania (zm iana param etrów obiektu regulacji lub w ym ogów procesu technologicznego). P ow stają w ięc coraz bardziej złożone regulatory adaptacyjne realizow ane przez układy m ikroprocesorowe. Alternatyw nym rozwiązaniem wydaje się być budowa regulatorów opartych na logice rozmytej, dla których obliczenia projektowe i numeryczne nakłady obliczeniowe w czasie pracy nie s ą duże, a ja ko ść regulacji, przy odpowiednim doborze regulatora (odpowiednio dobrane zm ienne lingwistyczne i ich funkcje przynależności oraz poprawna konstrukcja Bazy Reguł), je s t porównywalna, a czasem i wyższa niż w układach klasycznych.

Zastosow anie logiki rozm ytej daje szerokie m ożliwości dostosowania dynamiki regulatora do obiektu regulacji. Możliwa je s t budowa układu regulacji „odpornego” na zakłócenia i um ożliw iającego poprawne sterow anie w szerokich granicach zmian parametrów obiektu regulacji, dla generatora - np. zm iana niektórych jego param etrów, dla prostownika sterowanego będącego źródłem wzbudzenia - np. zm iana charakteru prądu z nieprzerywanegp na przerywany.

11 Mgr inż., Katedra Maszyn i Urządzeń Elektrycznych Politechniki Śląskiej, ul. Akademicka lOa, 44-100 Gliwice, tel. +4832-237-18-32, a_nocon@kmiue.elektr.polsl.gliwice.pl

2. S T E R O W N IK P R O G R A M O W A LN Y TSX37 M ICRO

A b y sterow nik PLC m ógt spełniać rolę regulatora, m usi zostać w yposażony w m oduły (kasety) w e jść i w yjść analogowych. M oduły takie um ożliw iają sterowanie w zm acniaczem m ocy (np.

prostow nikiem sterow anym , rys.2) bezpośrednio ze sterownika, bez pośrednictwa kart kom unikacyjnych lub przetw orników cyfrow o-analogow ych (wyjście) i analogowo-cyfrowych (wejście). Z am ontow ane m oduły w badanym sterow niku obsługiw ały 8 w e jść i 4 w yjścia napięciowe o zakresie ± 1 0 V i separacji w zględem części sterującej 1000V.

Do program ow ania zarów no sam ego sterownika, ja k i program owego m odułu logiki rozmytej (FUZ) w ykorzystyw any je s t program PL7 M icro, przystosow any do pracy w środowisku Windows9x.

Przejrzysta struktura i pom oc ze strony program u w znaczny sposób ułatw iają programowanie sterow nika zarów no „klasyczne” (obsługa w ejść i w yjść dwustanowych), ja k i z wykorzystaniem m odułów dodatkow ych - np. logiki rozm ytej.

Sterow niki program ow alne T SX37 s ą urządzeniam i z m ożliw ością sterowania z wykorzystaniem logiki rozm ytej. M oduł logiki rozm ytej im plem entow any w sterowniki TSX37 posiada następujące podstaw ow e w łaściw ości:

• 5 w ejść; 4 wyjścia;

• m aksym alnie 25 reguł w Bazie Reguł;

• m aksym alnie 20 funkcji przynależności dla zm iennej wejściowej i 16 dla wyjściowej;

• m aksym alnie 10 zm iennych lingwistycznych;

• w yjście typu „singelton";

Jako funkcje przynależności w sterowniku dostępne s ą predefiniow ane zbiory w postaci jak na rys.1. Na ich podstawie, przy w artościach xA, xB, xC i xD definiowanych przez programistę, m ożliw a je s t konstrukcja prawie w szystkich m ożliwych relacji rozm ytych wykorzystyw anych w regulacji.

wejście wyjść ie

1-

xA xB

1-

xA xB xC xA xB

"singe* ton"

xA Rys.1. Predefiniowane funkcje przynależności modułu logiki rozmytej sterownika T S X 37 Fig. 1. Predefined membership functions of fuzzy rule databases in TS X 37

3. U KŁAD RE.GULACJI

W badanym układzie regulacji zastosow ano pojedynczy rozm yty regulator napięcia typu PI.

Funkcje przejścia regulatora określa zależność (1), a ogólną postać zbudow anego układu regulacji przedstaw ia rys.2.

U = k p e + k ] j e - d t . ( 1 )

W spółczynniki w zm ocnienia części proporcjonalnej kp i całkującej ki zostały wstępnie dobrane na podstawie stałych czasow ych przejściow ej i podprzejściowej generatora. Do wyznaczenia tychże nastaw w ykorzystano optim um m odułowe.

pomiarowe

W badanym układzie regulacji m oduł logiki rozm ytej m a na celu dostosowanie w zm ocnień części proporcjonalnej i całkującej do aktualnego stanu pracy obiektu regulacji. Dla dużego błędu regulacji zarów no część proporcjonalna, ja k i całkująca powinny w ja k najkrótszym czasie doprow adzić do zerowego błędu, w ięc w artości w zm ocnień kp i ki powinny być duże. N atom iast w stanie ustalonym , gdy napięcie tw ornika je s t równe w artości zadanej, układ regulacji powinien w m aksym alny sposób stabilizow ać to napięcie. Stabilizacje ta ką m ożna uzyskać zm niejszając w artości w spółczynników w zm ocnienia regulatora.D aje to, w pewnym sensie, ograniczenie wpływu zakłócających szum ów na układ regulacji.

Powyższe działanie m ożna osiągnąć poprzez zastosow anie, zarów no do zm ian w spółczynnika wzm ocnienia członu proporcjonalnego ja k i całkującego, następującej Bazy Reguł:

1 If X is U then Y is U 2 If X is Z then Y is Z

3 If X is D then Y is D Rys.3. Funkcje przynależności

Fig. 3. Membership functions W szystkie zm ienne lingw istyczne w Bazie Reguł m ają funkcje przynależności o kształcie pokazanym na rys.3.

4. W Y N IKI BADAŃ LABO RATO R YJN YCH

Badania zostały przeprow adzone dla układu przedstawionego w postaci schematu ideowego na rys.4. Przedm iotem badań był układ regulacji generatora synchronicznego m ałej m ocy o następujących danych znam ionowych:

napięcie znam ionow e tw ornika - 400V, prąd znam ionow y - 7A,

m oc znam ionow a - 4kW ,

prędkość znam ionowa - 3000 obr/m in.

Uzwojenie wzbudzenia generatora zasilone zostało z sześcipulsowego tyrystorowego prostownika sterowanego.

Rys.4. Schem at ideowy badanego układu Fig. 4. Schematic diagram of the laboratory stand

Poniew aż badany regulator w ykorzystuje program ow y algorytm regulacji, m a bardzo szerokie m ożliw ości prostej zm ia ny nastaw ień poszczególnych elem entów regulatora. Zm iana następuje poprzez w pisanie do program u sterow nika żądanej w artości, odpow iadającej w zm ocnieniu czy stałej czasow ej całkow ania. Rysunek 5 prezentuje przebiegi napięcia tw ornika i prądu wzbudzenia przy skokow ej zm ia nie w artości zadanej dla różnych nastawień współczynnika w zm ocnienia członu proporcjonalnego regulatora napięcia.

a) b)

c z a s [s]

0 .2 0 .4 0 .6 c z a s [s]

0.8

Rys.5.W pływ zmian współczynnika wzmocnienia kp regulatora rozmytego na napięcie twornika 1) i prąd wzbudzenia 2) dla skokowej zmiany wartości zadanej napięcia twornika

Fig.5. Influence of changes of the gain coefficient kp of a fuzzy controller on armature voltage 1) and exciting current 2) for jum p of the fixed armature voltage

R egulator typu PI zrealizow any w sterow niku PLC je s t regulatorem cyfrowym (operującym na w artościach próbek w ielkości wejściow ych), posiada rów nież wyjście, którego stan zmienia skokow o sw o ją w a rto ść (w sterowniku PLC w artość w yjścia - napięcie m odułu analogowego - aktualizow ane je s t po zakończeniu w szystkich operacji obliczeniowych). Powyższe cechy oraz pewne nieuniknione błędy num eryczne i skończona rozdzielczość w e jść i w yjść m og ą niekorzystnie w p ływ a ć na prąd w zbudzenia, a co za tym idzie i na napięcie tw ornika. Jednakże „bezwładność"

w stępnego członu w zm acniacza m ocy (układu w yzwalania tyrystorów) powoduje wygładzenie oscylacji napięcia sterow ania w zbudzenia i prądu w zbudzenia (rys.6 b), a tym sam ym poprawę stabilności pracy układu regulacji.

a)

3

b)

cz a s [s] c z a s [s]

Rys.6. Napięcie wyjściowe układu regulacji a), prąd wzbudzenia b) przy skokowej zmianie wartości zadanej Fig. 6. Output voltage of a fuzzy controller a), excitation current b) for jump of the fixed stator voltage

5. W NIO SKI

Na podstawie przeprow adzonych badań m ożna stwierdzić, iż sterowniki program owalne oprócz standardowych funkcji nadzoru procesu technologicznego m ogą spełniać funkcje regulacyjne.

W ykorzystanie sterow ników program owalnych do regulacji posiada ogrom ną zaletę, ja k ą jest prostota program ow ania i budowy układu regulacji. O znacza to, iż sterownik PLC wyposażony w m oduły w ejść i w yjść analogow ych staje się uniwersalnym regulatorem . Może posłużyć do sterow ania w ielom a nawet skom plikow anym i procesam i i to nie tylko z wykorzystaniem standardowego regulatora PID (niektórzy producenci w yposażają swoje sterowniki w wewnętrzny algorytm regulatora PID), ale również innych algorytm ów, np. adaptacyjnego typu PI. Jeżeli sterow nik je s t w yposażony w odpow iednie oprogram owanie, możliwa je s t budowa układu regulacji w oparciu o logikę rozm ytą, co je s t obecnie pożądane w układach regulacji.

L ITE R A T U R A

1. Paszek W .: Dynam ika m aszyn elektrycznych. W ydawnictwo Helion, Gliwice 1998.

2. Paszek W .: Z astosow anie w zm acniaczy m agnetycznych do układów regulacji napięcia. PWN, W arszaw a 1967.

3. Y ager R., Filev D.: Podstaw y m odelowania i sterowania rozm ytego. WNT, W arszaw a 1995.

4. Vas.p.: A rtificial - Intelligence - Based Electrical M achines and Drives, Oxford Science Publications, O xford 1999.

5. Dokum entacja techniczna sterow nika TSX 37 05 / 37 08 / 37 10 / 37 20.

6. Dokum entacja techniczna oprogram owania PL7 M icro/Junior/Pro/Pro Dyn (Version V3.«).

7. Dokum entacja techniczna oprogram owania PL7 FUZ.

Recenzent: Dr hab. inż. Teresa Orłowska-Kowalska Profesor Politechniki W rocławskiej

W płynęło do Redakcji dnia 15 lutego 2001 r.

Abstract

T he paper presents the possibility o f using PLC controllers as a fuzzy controller o f a tow power synchronous g e nerator operating standalone. In the laboratory tests the PLC used as a controller cooperated w ith a bridge, 3-phase, thyristor, controlled rectifier (Fig.2).

C hapter 1 describes the genesis o f the fuzzy controller basing on a PLC controller.

T he fuzzy logic m odule included in the software o f the TSX37 M icro controller investigated (m anufactured by M odicon) is presented in Chapter 2. Fig. 1 shows the predefined m em bership functions o f the linguistic variables o f the fuzzy logic m odule inputs and outputs.

C hapter 3 gives the general inform ation dealing with the control system , especially w ith the PI fuzzy controller. Fig. 2 show s the general structure o f the control system consisting of a fuzzy controller, a pow er am p lifier and a controlled system.