wstecz | dalej  

 Archiwum Process Control Club 2002, poz.21

 

 


Wykorzystanie mikrosterowników w procesach przemysłowych

 

Wiesław Gątkowski
student V roku AGH, spec. Automatyka i Metrologia
 

Streszczenie - W niniejszej pracy określone zostały możliwości wykorzystania mikrosterowników w sterowaniu procesami przemysłowymi. Wymieniono wady i zalety tej grupy sterowników. Porównano parametry wybranych mikrosterowników i wybrano optymalny do sterowań. Przedstawiono także przykład zastosowania w układzie regulacji temperatury.


SPIS TREŚCI

1. Wstęp
2. Porównanie mikrosterowników
  2.1. Wybór mikrosterowników i kryteria porównania
  2.2. Porównanie parametrów
    2.2.1. Parametry ogólne
    2.2.2. Zasilanie mikrosterowników
    2.2.3. Parametry wejść
    2.2.4. Parametry wyjść
    2.2.5. Porównanie parametrów funkcji specjalnych
    2.2.6. Podsumowanie i wybór mikrosterownika
3. Badania laboratoryjne
  3.1. Układ regulacji temperatury
  3.2. Mikrosterownik "Zen 10C1DR-D" - ogólna charakterystyka
  3.3. Obiekt regulacji
  3.4. Zasada działania programu
4. Wyniki badań
  4.1. Błąd komparatora analogowego
  4.2. Proces regulacji temperatury
5. Wnioski
Literatura


1. Wstęp

    Jednym z etapów automatyzacji było wprowadzenie do układów automatyki programowalnych sterowników przemysłowych (ang. PLC - Programmable Logic Controlers). Trudno sobie wyobrazić nowoczesny zakład, w którym funkcje sterowania nie pełniłyby PLC. Czasami realizują one skomplikowane algorytmy sterowania (np. algorytm regulatora PID) . Czasami jednak algorytmy te są bardzo proste. W takiej sytuacji możliwości sterowników nie są w pełni wykorzystywane, a koszt sterownika i jego instalacji jest znaczny. 
Aby wyjść naprzeciw oczekiwaniom konsumentów powstała grupa miniaturowych sterowników zwanych mikrosterownikami. Są one prostsze w budowie i programowaniu od normalnych PLC oraz znacznie tańsze. Ponieważ jest to nowość na rynku nie ma jeszcze literatury związanej z tym tematem. Jedynie są dostępne materiały producentów w formie instrukcji obsługi, danych technicznych, itp., według których mikrosterowniki przeznaczone są m.in. do automatyzacji urządzeń powszechnego użytku: np. myjnia samochodowa, kontrola oświetlenia, ruchome schody, itp. W niniejszej pracy zostaną określone możliwości wykorzystania mikrosterowników w sterowaniu procesami przemysłowymi. Będą także porównane parametry mikrosterowników pięciu producentów. Są to firmy: Omron, Mitsubishi Electric, Siemens AG, Unitronics, GE Fanuc Automation. Jeden z pięciu mikrosterowników zostanie omówiony szczegółowo. Zostanie przedstawiony także opis przykładowego zastosowania wybranego mikrosterownika w układzie regulacji temperatury.


2. Porównanie mikrosterowników
2.1. Wybór mikrosterowników i kryteria porównania

     W niniejszej pracy zostały porównane wyroby zarówno czołowych producentów sterowników, jak również wyroby firmy, która od niedawna zajmuje się tego typu działalnością. Wszystkie firmy oferują kilka modeli mikrosterowników, różniących się liczbą punktów, rodzajem napięcia zasilania oraz szeregiem innych parametrów. Porównanie zostało przeprowadzone w następujących kategoriach:

parametry ogólne,
zasilanie mikrosterownika,
parametry wejść,
parametry wyjść,
parametry funkcji specjalnych.
 

Do porównania zostały wybrane następujące mikrosterowniki:

      mikrosterownik "ZEN-10C1DR-D" firmy OMRON,
mikrosterownik "ALPHA AL-10MR-D" firmy MITSUBISHI,
moduł logiczny "LOGO! 230RC" firmy SIEMENS AG,
mikrosterownik "M90-T" firmy UNITRONICS,
mikrosterownik "VersaMax Nano IC200NDR001" firmy GE FANUC AUTOMATION.

2.2. Porównanie parametrów

2.2.1. Parametry ogólne

    Porównując wymiary gabarytowe oraz masę mikrosterowników nie zauważamy dużych różnic. Najmniejszy i zarazem najlżejszy jest mikrosterownik "VersaMax Nano". Największy jest mikrosterownik "M90-T", a najcięższy mikrosterownik "Zen". Jednak różnice między poszczególnymi mikrosterownikami są niewielkie i w praktyce nie mają dużego znaczenia. 
Pod względem liczby wejść i wyjść (jednostki centralnej) jest prawie całkowita zgodność producentów. Prawie wszystkie mikrosterowniki mają po sześć wejść i cztery wyjścia. Jedynie małą przewagę uzyskała firma Unitronics z mikrosterownikiem "M90-T", której produkt ma osiem wejść i sześć wyjść. 
Wielkość programu jaką możemy wgrać do mikrosterowników jest znacznie mniejsza niż w normalnych sterownikach. Mikrosterowniki "Zen", "Alpha" oraz "Logo 230RC" mogą przechowywać w pamięci programy o porównywalnej wielkości (lecz jest to program bardzo krótki). "Alpha" oraz "Logo 230RC" mogą zmieścić w swojej pamięci program zawierający 64 bloki funkcyjne, a Zen program o długości 96 linii. Nieco większy program (zawierający 2048 słów) można wgrać do "M90-T", a największy (4 kB) do mikrosterownika "VersaMax Nano".
Wyświetlacz LCD jest bardzo praktyczną funkcją. Nie posiada jej jedynie mikrosterownik "VersaMax Nano". Wyświetlacze poszczególnych mikrosterowników różnią się jednak między sobą liczbą linii oraz znaków. Największy wyświetlacz posiada "Zen" (4linie po 12 znaków). Nieco mniejszy (4 linie po 10 znaków) mają mikrosterowniki "Alpha" oraz "Logo! 230RC". Wyświetlacz mikrosterownika "M90-T" jest już dużo mniejszy, ponieważ ma zaledwie 1 linię z 16 znakami.
Porównywane mikrosterowniki różnią się znacznie pod względem maksymalnej liczby punktów (łącznej ilości we/wy). Najmniej posiadają "Alpha" oraz "VersaMax Nano" - po 10 punktów (nie mają możliwości dołączenia modułów rozszerzających). Pozostałe mikrosterowniki mają już dużo więcej punktów, przy czym najwięcej (78 punktów) posiada "M90-T". "Logo 230RC" oraz "Zen" posiadają odpowiednio 56 i 34 punkty.
Wszystkie mikrosterowniki można programować za pomocą komputera PC. Komunikacja miedzy nimi jest realizowana za pomocą portu szeregowego RS 232. Jednak każdy z nich ma specjalne (firmowe) gniazdo, do którego podpinany jest przewód łączący. Tak więc aby mieć możliwość komunikacji, musimy kupić przewód firmowy od producenta. Oprócz programowania za pomocą komputera PC, istnieje także możliwość programowania przy użyciu panelu sterującego oraz wyświetlacza LCD. Jest to oczywiście możliwe tylko w przypadku, jeżeli dany mikrosterownik taki wyświetlacz posiada.
W przypadku programowania przewagę uzyskuje mikrosterownik "VersaMax Nano", którego można programować w dwojaki sposób: za pomocą listy instrukcji lub schematów drabinkowych. Pozostali producenci oferują tylko po jednym sposobie programowania. I tak dla mikrosterowników "Zen" i "M90-T" są to schematy drabinkowe, a dla "Alpha" i "Logo 230RC" są to bloki funkcyjne.
Wszystkie mikrosterowniki można montować na szynie DIN 35 [mm]. Jest to prosty i szybki sposób montażu nie wymagający dodatkowych łączników, narzędzi, itp. Dodatkowo oprócz mikrosterownika "Logo 230RC" można je także montować na panelu. Ten sposób montażu wymaga jednak stosowania śrub jako łączników.
Przy wyborze mikrosterownika kierujemy się m.in. jego ceną. Najtańsze z nich to "Zen" i "Alpha". Nieco droższe są "Logo 230RC" i "VersaMax Nano". Najgorzej w tej klasyfikacji wypada "M90-T", który jest droższy od najtańszego ("Zen") prawie dwukrotnie. Musimy jednak wziąć pod uwagę także cenę osprzętu, np. przewodu do komunikacji z komputerem PC (w celu programowania), baterii, modułu pamięci, itp. Zestawienie wszystkich porównywanych parametrów dla omawianych mikrosterowników zawiera tabela 1.


Tabela 1. Parametry ogólne.

2.2.2. Zasilanie mikrosterowników

    Mikrosterowniki zasilane są napięciami standardowymi 24 VDC lub jak to jest w przypadku "Logo 230RC" 115/230 VAC. Często jednak występują wahania napięcia w sieciach zasilających. Największe odchyłki od napięcia znamionowego dopuszcza mikrosterownik "VersaMax Nano" (-20 % do 25 %), zaś najmniejsze "Zen" (-15 % do +10 %).
Znaczną stratę do konkurencji odnosi "Zen" także w porównaniu poboru prądu podczas pracy oraz podczas rozruchu. Są to wielkości trzykrotnie większe niż w przypadku innych mikrosterowników. Najmniejszymi poborami prądu podczas rozruchu charakteryzują się mikrosterowniki "VersaMax Nano" i "Logo 230RC". Nieco inaczej wygląda to w przypadku poboru prądu podczas pracy. Najmniej prądu zużywa "Logo 230RC", a najwięcej "Zen".
Często zdarzają się zaniki napięcia w instalacjach elektrycznych. Mikrosterowniki są przed tego typu zakłóceniami zabezpieczone. Istnieje krótki czas, kiedy w przypadku zaniku napięcia praca mikrosterownika jest podtrzymywana. Czas ten jest najkrótszy (2 ms) dla mikrosterownika "Zen", a najdłuższy (10 ms dla 115 VAC i 20 ms dla 230 VAC) dla "Logo 230RC". Dla pozostałych mikrosterowników czas ten wynosi 5 ms.


Tabela 2. Zasilanie mikrosterowników.

2.2.3. Parametry wejść

    Nominalne napięcie wejściowe jest we wszystkich mikrosterownikach równe napięciu zasilania. Tak wiec dla "Logo 230RC" jest to napięcie 115/230 VAC, a dla pozostałych mikrosterowników jest to napięcie 24 VDC.
Impedancja wejść dla mikrosterowników zasilanych napięciem 24 VDC jest porównywalna. Najmniejszą ma "VersaMax Nano" (2.8 k), a największą "M90-T" (8.4 k). "Logo 230RC" zasilany napięciem 115/230 VAC ma impedancję wejścia bardzo dużą wynoszącą (1.1 M).
Napięcia progowe powodujące załączenia wejścia dla poszczególnych mikrosterowników zasilanych napięciem 24 VDC różnią się bardzo nieznacznie. Najwyższe napięcie progowe ma "Alpha" (18 VDC), nieco mniejsze "Zen" (16 VDC) oraz 15 VDC dla "VersaMax Nano" i "M90-T". Podobnie jest w przypadku napięcia progowego powodującego wyłączenie wejścia. Napięcie to dla mikrosterownika "Alpha" wynosi 4 VDC, a dla pozostałych jest to napięcie 5 VDC.
Również bardzo podobnie przedstawia się sytuacja w przypadku prądów progowych powodujących załączenie wejścia. Dla mikrosterowników "Alpha" oraz "VersaMax Nano" wartości te są porównywalne i wynoszą odpowiednio: 4.3 mA i 4.5 mA. Mikrosterownik "Logo 230RC" ze względu na napięcie przemienne ma ten prąd bardzo mały, wynoszący 0.08 mA. Dla "Zen-a" oraz "M90-T" parametry te nie zostały podane.
Analogicznie jest w przypadku prądów progowych powodujących wyłączenie wejścia. Dla "Logo 230 RC" jest on najmniejszy i wynosi 0.03 mA. Dla pozostałych prądy te wynoszą odpowiednio: "Alpha" - 1.1mA, i "VersaMax Nano" - 1.5 mA.
Czas załączenia i wyłączenia wejścia jest ważnym parametrem. Opóźnienie załączenia wejścia powoduje filtrację ewentualnych szumów, zakłóceń czy wahań napięcia. Nie może być to jednak zbyt duża zwłoka, ponieważ zwalniałoby to reakcje mikrosterownika. Dla "M90-T" czas załączenia wynosi 5 ms, a wyłączenia 10 ms i nie ma możliwości jego konfigurowania. Dla pozostałych mikrosterowników czasy załączenia i wyłączenia wyjścia są sobie równe. Czas reakcji wejść "Alphy" wynosi 10 - 20 ms i także nie możemy go konfigurować. Ograniczenia tego są pozbawione pozostałe mikrosterowniki. Najszybsze wejścia posiada "VersaMax Nano", którego czas reakcji można zmieniać w zakresie od 0.5 do 20 ms. Najwolniejsze są wejścia mikrosterowników "Zen" i "Logo 230RC", których czas reakcji można ustawić maksymalnie na 50 ms.


Tabela 3. Parametry wejść.

2.2.4. Parametry wyjść

    Wszystkie porównywane mikrosterowniki posiadają wyjścia przekaźnikowe. Ważnym parametrem jest ich maksymalne obciążenie. Największą wartość prądu jaką można obciążyć wyjście ma mikrosterownik "Logo 230RC". Prąd ten wynosi 10 A. Jest to jednak wyjście na napięcie 240 VAC. Największą obciążalność z mikrosterowników z wyjściami 24 VDC ma "Alpha" (8 A). Nieco mniejsze obciążenie (5 A) mają "Zen" i "M90-T". Zdecydowanie najmniejszym prądem można obciążyć wyjście "VersaMax Nano", ponieważ nie możemy przekroczyć 2 A. 
W przypadku obciążenia minimalnego można zauważyć zgodność producentów. Minimalne obciążenie wyjść mikrosterowników wynosi 10 mA. Dla mikrosterowników "Logo 230RC" oraz "M90-T" parametry te nie zostały podane
Ważną cechą wyjść przekaźnikowych jest żywotność przekaźnika, zwłaszcza przy sterowaniu z dużą częstotliwością. Najmniejszą żywotność elektryczną posiada mikrosterownik "Logo 230RC" (25000 cykli). "Zen" ma przekaźnik o żywotności dwukrotnie większej (50000 cykli). Dużo trwalsze przekaźniki posiadają "Alpha" oraz "VersaMax Nano", dla których parametry te wynoszą odpowiednio 100000 i 200000 cykli. Można zauważyć, że istnieje duża różnica miedzy żywotnością przekaźników, która dochodzi do ośmiu razy. Dla mikrosterownika "M90-T" zarówno żywotność elektryczna przekaźnika jak również pozostałe parametry wyjść nie zostały podane.
Żywotność mechaniczna przekaźników przedstawia się podobnie jak elektryczna, przy czym występują mniejsze różnice miedzy mikrosterownikami (maksymalnie cztery razy). Żywotność przekaźnika dla mikrosterownika "Zen" wynosi 10 mln. Dwukrotnie mniejszą trwałość ma "Logo 230RC" (5 mln cykli), a dwukrotnie większą "VersaMax Nano" (20 mln cykli). Parametr ten nie został podany także przez producenta "Alphy".
Kolejnym parametrem wyjścia jest czas jego załączenia. W tym przypadku nie ma dużych różnic miedzy poszczególnymi mikrosterownikami. Najszybciej reaguje wyjście "Alphy" (10 ms). Nieco dłuższy czas załączenia mają "Zen" oraz "VersaMax Nano" po 15 ms. Najwolniej reagują przekaźniki "Logo 230RC", dla którego czas ten wynosi 20 ms. Czas wyłączenia wyjścia jest w większości przypadków równy czasowi jego załączenia. Jedynie "Zen" ma czas wyłączenia trzykrotnie krótszy od czasu załączenia i wynosi 5 ms.


Tabela 4. Parametry wyjść.

2.2.5. Porównanie parametrów funkcji specjalnych

    Często zachodzi potrzeba zliczania impulsów z dużą częstotliwością. Służą do tego liczniki impulsów wysokiej częstotliwości. Z porównywanych mikrosterowników liczniki te posiadają "M90-T" oraz "VersaMax Nano". Są to liczniki 16-to bitowe. Różnią się jednak miedzy sobą maksymalną częstotliwością impulsów. W przypadku "M90-T" jest to 5 kHz, a dla "VersaMax Nano" jest ona dwa razy większa, czyli wynosi 10 kHz. Znaczną przewagę ma również "VersaMax Nano" w porównaniu minimalnej szerokości zliczanych impulsów, która wynosi 200 ns, a dla "M90-T" - 80 .
Ważną funkcją sterowników jest zegar czasu rzeczywistego. Oprócz "VersaMax Nano" mają go wszystkie porównywane mikrosterowniki. Różnica miedzy nimi polega na sposobie i czasie podtrzymania jego pracy po odłączeniu zasilania. Najdłużej, bo aż siedem lat, podtrzymywana jest praca zegara w mikrosterowniku "M90-T". Wynika to z faktu, iż została w nim (standardowo) zainstalowana bateria. W pozostałych urządzeniach zegar jest podtrzymywany za pomocą kondensatora. W przypadku mikrosterownika "Alpha" potrzymanie to trwa max 20 dni, dla "Zen" - 2 dni, a dla "Logo 230RC" 80 godz.
Program w mikrosterownikach jest przechowywany w dwóch typach pamięci: FLASH i EEPROM. Pamięci te zapewniają zachowanie programu przez długi czas po odłączeniu zasilania. Pamięć FLASH posiadają "M90-T" oraz "VersaMax Nano". Pozostałe porównywane mikrosterowniki mają pamięć EEPROM. Aby zabezpieczyć program w pamięci przed skasowaniem lub zmianami przez osoby niepożądane, zastosowano w niektórych mikrosterownikach ochronę programu za pomocą hasła. Funkcja ta jest bardzo przydatna w przypadku mikrosterowników z klawiaturą, w których w łatwy sposób i bez użycia komputera można wprowadzać zmiany w programie. Funkcję to posiadają: "Zen" oraz "VersaMax Nano".
Sterowniki częstą są wykorzystywane w układach regulacji automatycznej (URA) jako regulatory PID. Niektóre z nich mają wbudowane algorytmy PID jako gotowe funkcje, co znacznie upraszcza program, skraca czas cyklu programu i ułatwia jego obsługę. W taką funkcję są wyposażone: "VersaMax Nano" oraz "M90-T".
W pierwszych sterownikach można było wykonywać operacje tylko na liczbach całkowitych. W miarę upływu czasu i rozwijającej się technologii zbudowano sterowniki wykonujące operacje matematyczne na liczbach zmiennoprzecinkowych. W porównywanych mikrosterownikach ta funkcja występuje tylko w "VersaMax Nano".


Tabela 5. Parametry funkcji specjalnych.

2.2.6. Podsumowanie i wybór mikrosterownika

    Wszystkie przedstawione mikrosterowniki znacznie odbiegają swoimi parametrami od normalnych sterowników PLC. Jednak między poszczególnymi mikrosterownikami nie występują już tak znaczące różnice (poza kilkoma parametrami). Można zauważyć pewne podobieństwa: np. miedzy mikrosterownikami „Zen” i „Alpha”. Różnice miedzy nimi są bardzo niewielkie. Trochę gorzej prezentuje się „Logo 230RC”, przy czym jego cena jest kilkadziesiąt złotych większa. Z kolei mikrosterowniki „M90-T” oraz „VersaMax Nano” posiadają kilka funkcji takich jak: liczniki impulsów wysokiej częstotliwości, algorytm PID, które zwiększają ich zastosowanie. Jednak są one droższe od pozostałych, a zwłaszcza „M90-T”, którego cena jest prawie dwukrotnie większa od najtańszego mikrosterownika, którym jest „Zen”. Ponadto posiada on dużo większe gabaryty. Nie można jednak jednoznacznie określić, który z mikrosterowników ma najlepsze parametry, ponieważ jeśli w pewnych ma przewagę, to w przypadku innych ulega konkurencji. Uwzględniając stosunek parametrów i oferowanych funkcji do ceny nieznaczną przewagę uzyskuje mikrosterownik „VersaMax Nano” firmy GE Fanuc. Jednak przy wyborze mikrosterownika musimy kierować się m.in. rodzajem obiektu oraz zadaniami stawianymi mikrosterownikowi. W pracy tej obiektem regulacji jest stanowisko laboratoryjne do regulacji temperatury. Obiekt ten wymaga od mikrosterownika czterech wejść cyfrowych (przyciski), jednego wejścia analogowego do pomiaru temperatury oraz czterech wyjść cyfrowych, zasilających przekaźniki typu 3PDT 5A. Zadanie mikrosterownika będzie polegało na realizowaniu algorytmu regulacji dwupołożeniowej. Do tego układu wybieram mikrosterownik „Zen-10C1DR-D”, ponieważ spełnia wszystkie stawiane wymagania i jest przy tym najtańszy.


3. Badania laboratoryjne
3.1. Układ regulacji temperatury

    Rolę regulatora temperatury w tym układzie regulacji pełni mikrosterownik. Został napisany do niego program realizujący algorytm regulacji dwupołożeniowej bez histerezy. Wartością regulowaną jest temperatura. Wykorzystano fakt, iż wejścia analogowe mają niewielką histerezę. Tak więc pisząc program bez histerezy, otrzymujemy algorytm regulacji z histerezą. Schemat układu regulacji przedstawia rys.1.


Rys.1. Schemat układu regulacji.

3.2. Mikrosterownik "Zen 10C1DR-D" - ogólna charakterystyka

   "Zen" jest najmniejszym mikrosterownikiem (programowalnym przekaźnikiem) produkcji firmy OMRON. Na modułach "Zen" można realizować podstawowe funkcje logiczne, zliczać impulsy wejściowe, opóźniać sygnały poprzez funkcję przekaźnika czasowego, generować impulsy o zadanej szerokości i przebiegi prostokątne. Moduł wyposażony jest w zegar czasu rzeczywistego i kalendarz. Doskonale nadaje się do niedużych aplikacji. "Zen" jest dostępny w dwóch wersjach:
 

      wersja LCD: Wyświetlacz LCD i przyciski funkcyjne,
wersja LED: z diodą LED (bez wyświetlacza LCD i przycisków funkcyjnych).

Moduł w wersji LCD posiada wbudowany wyświetlacz LCD (12 znaków w 4 liniach) umożliwiający zaprogramowanie modułu. Dodatkowo możliwa jest komunikacja poprzez port szeregowy RS232C. Do tego celu konieczny jest kabel ZEN-CIF01 i oprogramowanie ZEN Software Support. Moduł CPU mikrosterownika obsługuje maksymalnie 18 wejść i 16 wyjść, 6 wejść i 4 wyjścia w module jednostki CPU, pozostałe w maksymalnie trzech modułach rozszerzeń (4+4, 4+0 lub 0+4). Sygnały wejściowe w zależności od typu mogą być z zakresu 100-240AC lub 24DC. Wszystkie wyjścia są typu przekaźnikowego.

Pomimo swych małych rozmiarów, "Zen" wyposażony jest w wiele różnorodnych funkcji, umożliwiających łatwą i niezawodną kontrolę w małych aplikacjach. Należą do nich m.in.:

      proste programowanie za pomocą przycisków funkcyjnych,
wyraźny, podświetlany ekran LCD w 6-ciu wersjach językowych,
przyciski sterownika mogą być wykorzystywane jako zwierne przyciski wejściowe,
wbudowany timer tygodniowy i kalendarz, umożliwiający w prosty sposób sterowa-nie okresowe lub w oparciu o aktualną datę i czas,
wbudowany komparator analogowy dla kontroli temperatury oraz innych wielkości analogowych,
ustawianie filtrów wejściowych, zabezpieczających przed zakłóceniami.

3.3. Obiekt regulacji


Rys.2. Obiekt regulacji.

    Obiektem regulacji w rozpatrywanym stanowisku jest grzejnik oporowy (rys. 2), którego konstrukcja została wykonana z profili firmy Bosch Automation, oszklony hartowaną podwójną szybą o grub. 4 [mm]. Szyba ta wytrzymuje zmiany temperatury w zakresie 300 oC.
Na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę dynamiczną obiektu. Jest to obiekt z inercyjnością drugiego rzędu. Można z niej odczytać czas opóźnienia oraz stałą czasową obiektu. Wynoszą one odpowiednio:

L = 7 [s]   

  T = 130 [s]

Obiekt ten można w przybliżeniu opisać modelem obiektu z inercyjnością pierwszego rzędu z opóźnieniem. Zatem transmitancja miałaby następującą postać:


Rys. 3. Charakterystyka dynamiczna obiektu.

3.4. Zasada działania programu

    Program uruchamiany jest przyciskiem START a wyłączamy przyciskiem STOP. Jeżeli nie będzie spełniony warunek daty program będzie dalej wykonywany. Po uruchomieniu programu załącza się wentylator na pięć sekund, a następnie grzałki 1 i 2. W zależności od godziny program będzie działał w trybie DZIEŃ (od 7.00 do 15.00 od poniedziałku do piątku) lub w trybie NOC (od 15.00 do 7.00 od poniedziałku do piątku i całą sobotę i niedzielę). Tryb DZIEŃ i NOC różnią się między sobą wartością temperatury zadanej. Wynosi ona odpowiednio 60 oC i 40 oC. Dodatkowo można wymusić tryb DZIEŃ w czasie nocy i odwrotnie. Można to zrobić trzymając wciśnięty przycisk DZIEŃ (lub NOC - w zależności na jaki tryb chcemy przełączyć) przez 1 sekundę. Powrót do normalnej pracy następuje po równoczesnym wciśnięciu przycisków DZIEŃ i NOC. Po naciśnięciu przycisku STOP wyłączają się grzałki, a po upływie 20 sekund także wentylator. W przypadku braku sygnału z czujnika temperatury (przerwanie przewodu, brak zasilania przetwornika temperatury, itp.) realizowana jest taka sama procedura jak w przypadku wciśnięcia przycisku STOP. Dodatkowo, aby zasygnalizować awarię mruga lampka. Po usunięciu awarii lampka nadal mruga. Aby ją wyłączyć należy równocześnie wcisnąć przyciski START i DZIEŃ. Jeżeli zostanie przekroczona temperatura maksymalna to zapali się lampka oraz realizowana jest taka sama procedura jak w przypadku wciśnięcia przycisku STOP. Jeżeli temperatura obniży się poniżej temperatury maksymalnej lampka nadal się świeci. Aby ją wyłączyć należy równocześnie wcisnąć przyciski START i DZIEŃ.


4. Wyniki badań
4.1. Błąd komparatora analogowego

    Wejścia analogowe w mikrosterowniku „Zen” nie należą niestety do najdokładniejszych. Mogą one wykrywać napięcie stałe z zakresu od 0 do 10 VDC. Błąd komparatora podany przez producenta to 10 % . W rzeczywistości jest on znacznie mniejszy co przedstawia rysunek 4.


Rys. 4. Błąd komparatora analogowego.

Na początku zakresu jest on nieco mniejszy a na końcu większy. W przybliżeniu możemy założyć, że jest on równy w całym zakresie i wynosi 0.15 VDC. Dużym problemem jest także rozdzielczość komparatora, która wynosi 0.1 VDC. W układach automatycznej regulacji nie pozwala ona na dokładne nastawienie wielkości zadanej. W rozpatrywanym układzie regulacji pozwala nam na nastawienie temperatury zadanej z rozdzielczością 5 oC.

4.2. Proces regulacji temperatury

    Przebieg temperatury został sprawdzony dla dwóch wartości zadanych: 58 oC oraz 70 oC. Jak widać na wykresie (rys. 5) w układzie występuje duża histereza, która wynosi 8 oC. Wynika to z rozdzielczości komparatora analogowego, która w przeliczeniu na temperaturę wynosi 3.6 oC oraz z dużej bezwładności obiektu. Tak duża histereza zawęża możliwości wykorzystania mikrosterownika "Zen" tylko do układów gdzie nie jest wymagana duża dokładność regulacji.

 
Rys. 5. Przebieg procesu.


5. Wnioski

    W pracy tej zostało porównanych pięć mikrosterowników, które znacznie odbiegają swoimi parametrami od normalnych sterowników PLC. Mają znacznie mniejsze gabaryty, mniejszą pojemność programu (co w niektórych przypadkach może ograniczyć ich stosowanie), mniejszą liczbę punktów itd. ale też niższą cenę. Na podstawie szczegółowej analizy parametrów stwierdzono, iż nie da się jednoznacznie określić, który mikrosterownik ma najlepsze parametry, ponieważ jeśli w pewnych ma przewagę, to w przypadku innych ulega konkurencji. Uwzględniając stosunek parametrów i oferowanych funkcji do ceny nieznaczną przewagę uzyskuje mikrosterownik "VersaMax Nano" firmy GE Fanuc. Jednak przy wyborze mikrosterownika musimy kierować się m.in. rodzajem obiektu oraz zadaniami stawianymi mikrosterownikowi. Na podstawie przeprowadzonych badań układu regulacji temperatury stwierdzono, iż mikrosterowniki mogą pełnić rolę regulatorów w układach regulacji dwupołożeniowej nie wymagających dużej dokładności regulacji. Wynika to z małej rozdzielczości i dokładności wejść analogowych, wynikiem czego jest m.in. znaczna histereza. Zaletą ich jest fakt posiadania wyświetlacza LCD i przycisków, za pomocą których można w łatwy i szybki sposób zmieniać parametry procesu (np. temperaturę zadaną) w trybie "online". Praktyczną cechą jest także duża obciążalność wyjść (5 A), co umożliwia bezpośrednie podłączenie urządzeń sterujących. Mikrosterownik "Zen" dzięki modułom rozszerzającym ma także możliwość poszerzania systemu. Maksymalna obsługiwana liczba punktów wynosi 34. Mikrosterowniki nadają się także do sterowania systemami transportowymi, np.: napędy przenośników taśmowych, w produkcji seryjnej do sterowania procesami nalepiania etykiet, pakowania itp. Myślę, że mikrosterowniki znajdą zastosowanie w sterowaniu prostymi procesami przemysłowymi.