Documentazione didattica SCE per una soluzione di automazione omogenea Totally Integrated Automation (TIA)

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1 Documentazione didattica SCE per una soluzione di automazione omogenea Totally Integrated Automation (TIA) Modulo TIA Portal Tecnica di regolazione con il controllore SIMATIC S Documentazione didattica SCE Pagina 1 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

2 Trainer Package SCE adatti a questa documentazione SIMATIC S AC/DC/RELAIS pacchetti da 6 postazioni PLC "TIA Portal" Nr. di ordinazione: 6ES7214-1BE30-4AB3 SIMATIC S DC/DC/DC pacchetti da 6 postazioni PLC "TIA Portal" Nr. di ordinazione: 6ES7214-1AE30-4AB3 SIMATIC S7-SW for Training STEP 7 BASIC V11 Upgrade per 6 pacchetti STEP 7 Basic (per S7-1200) "TIA Portal" Nr. di ordinazione: 6ES7822-0AA01-4YE0 Tenere presente che questi Trainer Package potrebbero essere sostituiti da successivi pacchetti. Potete consultare i pacchetti SCE attualmente disponibili su: siemens.com/sce/tp Corsi di formazione Per corsi di formazione regionali di Siemens SCE contattare il partner di contatto SCE regionale siemens.com/sce/contact Ulteriori informazioni su SCE siemens.com/sce Avvertenza importante sulla traduzione La presente documentazione didattica è stata tradotta sulla base dei documenti redatti in tedesco. Gli screenshot sono stati riprodotti dalla lingua inglese. Per agevolare la comprensione, anche all'interno del testo sono stati adottati i comandi di programma in inglese con traduzione nella lingua straniera tra parentesi. Avvertenze per l'impiego La documentazione di formazione per una soluzione di automazione omogenea Totally Integrated Automation (T I A) è stata creata per il programma "Siemens Automation Cooperates with Education (SCE)" specialmente per scopi di formazione per enti di formazione, di ricerca e di sviluppo pubblici. La Siemens AG declina qualunque responsabilità riguardo ai contenuti di questa documentazione. Questa documentazione può essere utilizzata solo per la formazione base di prodotti e sistemi Siemens. Ciò significa che può essere copiata in parte, o completamente, e distribuita agli studenti nell'ambito della loro formazione professionale. La riproduzione, distribuzione e divulgazione di questa documentazione è consentita solo all'interno di istituzioni di formazione pubbliche e a scopo di formazione professionale. Qualsiasi eccezione richiede un'autorizzazione scritta dal partner di riferimento di Siemens AG: Sig. Roland Scheuerer roland.scheuerer@siemens.com. Le trasgressioni obbligano al risarcimento dei danni. Tutti i diritti sono riservati, incluso anche quelli relativi alla distribuzione e in particolare quelli relativi ai brevetti e ai marchi GM. L'utilizzo per corsi rivolti a clienti del settore industria è esplicitamente proibito e non è inoltre permesso l utilizzo commerciale della documentazione. Ringraziamo Michael Dziallas Engineering e tutte le persone coinvolte nella creazione di questa documentazione. Documentazione didattica SCE Pagina 2 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

3 Pagina: 1. Prefazione Avvertenze sulla programmazione di SIMATIC S Sistema di automazione SIMATIC S Software di programmazione STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11) Basi della tecnica di regolazione Compiti della tecnica di regolazione Componenti di un circuito di regolazione Funzione di salto per l'analisi dei sistemi regolati Sistemi regolati con compensazione Sistemi regolati proporzionali senza ritardo Sistemi regolati proporzionali senza ritardo Sistemi regolati proporzionali con due ritardi Sistemi regolati proporzionali con n ritardi Sistemi regolati senza compensazione Principali tipi di regolatori continui Il regolatore proporzionale (regolatore P) Il regolatore integrale (regolatore I) Il regolatore PI Il regolatore ad azione derivativa (regolatore D) Il regolatore PID Obiettivi dell'impostazione del regolatore Impostazioni dei sistemi regolati Impostazione del regolatore PI secondo Ziegler-Nichols Impostazione del regolatore PI secondo Chien, Hrones e Reswick Regolatori digitali Esempio di programmazione: regolazione del livello di un serbatoio Programmazione della regolazione del livello di riempimento per il SIMATIC S Documentazione didattica SCE Pagina 3 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

4 1. Prefazione Il modulo SCE_DE_ appartiene per contenuti all'unità didattica 'Basi della programmazione PLC' e descrive la programmazione di un regolatore PID nel controllore SIMATIC S con TIA Portal. Basi della programmazione PLC Moduli 010 e moduli 020 Ulteriori funzioni per la programmazione PLC Moduli 030 Ulteriori linguaggi di programmazione AS-Interface Moduli 50 PROFIBUS Moduli 60 PROFINET Moduli 70 Sistemi fail safe Moduli 80 Sensori Moduli 110 Visualizzazione del processo Moduli 90 Azionamenti Moduli 100 Obiettivo didattico: L'obiettivo di questo modulo è far conoscere al lettore la programmazione di un regolatore PID con il controllore SIMATIC S con il tool di programmazione TIA Portal. Il modulo fornisce le nozioni di base e spiega il procedimento basandosi su un esempio dettagliato. Presupposti: Per una corretta elaborazione di questo modulo si presuppongono le conoscenze seguenti: Esperienza nell'uso di Windows Basi della programmazione di PLC con TIA Portal (ad es. modulo Avvio alla programmazione con SIMATIC S con TIA Portal V11) Blocchi per il SIMATIC S (ad es. modulo Tipi di blocchi del controllore SIMATIC S ) Elaborazione del valore analogico nel SIMATIC S (ad es. modulo Elaborazione del valore analogico nel controllore SIMATIC S ) Documentazione didattica SCE Pagina 4 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

5 Requisiti hardware e software 1 PC Pentium 4, 1.7 GHz 1 (XP) 2 (Vista) GB RAM, memoria su disco rigido ca. 2 GB, sistema operativo Windows XP Professional SP3 / Windows 7 Professional / Windows 7 Enterprise / Windows 7 Ultimate / Windows 2003 Server R2 / Windows Server 2008 Premium SP1, Business SP1, Ultimate SP1 2 Software STEP7 Professional V11 SP1 (Totally Integrated Automation (TIA) Portal V11) 3 Collegamento Ethernet tra PC e CPU 315F-2 PN/DP 4 PLC SIMATIC S7-1200, ad es. CPU 1214C. Gli ingressi devono essere condotti su un quadro di comando esterno. 1 PC 2 STEP7 Professional V11 (TIA Portal) 3 Collegamento Ethernet 4 S con CPU 1214C Documentazione didattica SCE Pagina 5 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

6 2. Avvertenze sulla programmazione di SIMATIC S Sistema di automazione SIMATIC S Il sistema di automazione SIMATIC S è un mini controllore modulare per la fascia di potenzialità medio-bassa. Un'ampia gamma di unità consente di adeguarlo in modo ottimale al compito di automazione specifico. Il controllore S7 è costituito da un alimentatore, da una CPU e da unità di ingressi e uscite per i segnali digitali e analogici. Eventualmente è possibile aggiungere processori di comunicazione e moduli funzionali per compiti speciali, come ad es. un blocco di comando motore passo-passo. Il controllore programmabile (PLC) controlla e comanda con il programma S7 una macchina o un processo. Nel programma S7 le unità I/O vengono interrogate attraverso gli indirizzi di ingresso (%I) e indirizzate dagli indirizzi di uscita (%Q). Il sistema si programma con il software STEP Software di programmazione STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11) Il software STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11) è il tool per la programmazione dei sistemi di automazione - SIMATIC S SIMATIC S SIMATIC S SIMATIC WinAC Con STEP 7 Professional V11 è possibile utilizzare le seguenti funzioni per l'automazione di un impianto: - Configurazione e parametrizzazione dell'hardware - Definizione della comunicazione - Programmazione - Test, messa in servizio e Service con le funzioni operative e di diagnostica - Documentazione - Creazione di visualizzazioni per i SIMATIC Basic Panel con WinCC Basic integrato. - Con ulteriori pacchetti WinCC è possibile realizzare soluzioni di visualizzazione anche per PC e altri pannelli operatore Tutte le funzioni sono supportate da una dettagliata Guida in linea. Documentazione didattica SCE Pagina 6 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

7 3. Basi della tecnica di regolazione 3.1 Compiti della tecnica di regolazione "La regolazione è un processo nel quale il valore di una grandezza viene continuamente generato e mantenuto con la misurazione costante di tale grandezza. Ne deriva una sequenza di effetti che hanno luogo in un circuito chiuso - il circuito di regolazione - perché il processo si svolge basandosi sulle misure di una grandezza che a sua volta è influenzata da se stessa." La grandezza da regolare viene continuamente misurata e confrontata con un'altra grandezza predefinita dello stesso tipo. A seconda dell'esito di questo confronto, la regolazione adegua la grandezza da regolare al valore della grandezza predefinita. Documentazione didattica SCE Pagina 7 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

8 3.2 Componenti di un circuito di regolazione Qui di seguito vengono spiegati singolarmente i termini di base della tecnica di regolazione. In primo luogo ecco uno schema riassuntivo: 1. Grandezza regolata x È il reale "obiettivo" della regolazione: in altri termini, lo scopo dell'intero sistema è influenzare o mantenere costante questa grandezza. Nel nostro esempio sarebbe la temperatura ambiente. Il valore momentaneo della grandezza regolata presente in un determinato momento è definito "valore istantaneo". 2. Variabile di reazione r In un circuito di regolazione la grandezza regolata viene controllata continuamente per poter reagire a variazioni indesiderate. La grandezza di misura proporzionale alla grandezza regolata è la variabile di reazione. Se prendessimo come esempio un sistema di riscaldamento, corrisponderebbe alla tensione di misura del termometro interno. Documentazione didattica SCE Pagina 8 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

9 4. Grandezza di disturbo z La grandezza di disturbo è quella grandezza che interferisce involontariamente sulla grandezza regolata allontanandola del setpoint attuale. Nelle regolazioni a valore fisso la grandezza regolata è necessaria proprio perché esistono le grandezze di disturbo. Nel sistema di riscaldamento che stiamo considerando sarebbe ad es. la temperatura esterna, ma anche qualsiasi altra grandezza che causasse l'allontanamento della temperatura ambiente dal valore ideale. 5. Setpoint w Il setpoint è il valore ideale in un determinato momento che la grandezza regolata dovrebbe assumere proprio in quel momento. È importante osservare che nel caso di un controllo di corrispondenza il setpoint potrebbe variare continuamente. Il valore di misura che verrebbe rilevato dal misuratore se la grandezza regolata avesse esattamente il valore del setpoint è il valore momentaneo della grandezza pilota. Nell'esempio il setpoint sarebbe la temperatura ambiente attualmente desiderata. 6. Comparatore È il punto in cui il valore di misura attuale della grandezza regolata e il valore momentaneo della grandezza pilota vengono confrontati tra loro. Nella maggior parte dei casi queste due grandezze sono tensioni di misura. La differenza delle due grandezze è la "differenza di regolazione" (e) che viene trasferita e analizzata nell'elemento di controllo (vedere oltre). 7. Elemento di controllo L'elemento di controllo è il fulcro della regolazione. Analizza la differenza di regolazione (ovvero l'informazione se, come e quanto la grandezza regolata diverge dal setpoint attuale) come grandezza di ingresso e ne ricava la "variabile di uscita del regolatore" Y R dalla quale, in ultima analisi, viene influenzata la grandezza regolata. Nell'esempio del sistema di riscaldamento la variabile di uscita del regolatore sarebbe la tensione per il motore del miscelatore. Il modo in cui l'elemento di controllo determina la variabile di uscita del regolatore in base alla differenza di regolazione è il criterio principale della regolazione. Questo argomento è approfondito nella seconda parte. Documentazione didattica SCE Pagina 9 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

10 8. Attuatore L'attuatore è per così dire l'"esecutore" della regolazione. Ricevendo la variabile di uscita del regolatore dall'elemento di controllo, viene informato di come debba essere influenzata la grandezza regolata, che provvede a convertire in una modifica della "grandezza regolante". Nel nostro esempio l'attuatore sarebbe il motore del miscelatore. A seconda della tensione fornita dall'elemento di controllo (quindi della variabile di uscita del regolatore) esso influenza la posizione del miscelatore (che qui rappresenta la grandezza regolante). 9. Elemento per il controllo finale È l'elemento del circuito di regolazione che influenza (più o meno direttamente) la grandezza regolata in funzione della grandezza regolante Y. Nell'esempio sarebbe la combinazione di miscelatore, tubazioni del riscaldamento e radiatori. L'impostazione del miscelatore (la grandezza regolante) è affidata al motore del miscelatore (attuatore) e influenza la temperatura ambiente attraverso la temperatura dell'acqua. 10. Sistema regolato Il sistema regolato è il sistema in cui si trova la grandezza da regolare, nell'esempio del riscaldamento quindi lo spazio abitativo. 11. Tempo morto Si definisce tempo morto il tempo che trascorre tra una variazione della variabile di uscita del regolatore e la reazione misurabile del sistema regolato. Nel nostro esempio sarebbe quindi il tempo tra la variazione della tensione del motore del miscelatore e la conseguente variazione misurabile della temperatura ambiente. Documentazione didattica SCE Pagina 10 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

11 3.3 Funzione di salto per l'analisi dei sistemi regolati Per analizzare il comportamento di sistemi regolati, regolatori e circuiti di regolazione si utilizza una funzione unitaria per il segnale di ingresso: la funzione di salto. A seconda che si esamini un elemento del circuito di regolazione o l'interno circuito, è possibile assegnare la funzione di salto alla grandezza regolata x(t), alla grandezza regolante y(t), alla grandezza pilota w(t) o alla alla grandezza di disturbo z(t). Per questo motivo spesso il segnale di ingresso - la funzione di salto - viene designato con xe(t) e il segnale di uscita con xa(t). Documentazione didattica SCE Pagina 11 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

12 3.4 Sistemi regolati con compensazione Sistemi regolati proporzionali senza ritardo Il sistema regolato è denominato in breve 'sistema P'. Documentazione didattica SCE Pagina 12 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

13 3.4.2 Sistemi regolati proporzionali senza ritardo Il sistema regolato è denominato in breve 'sistema P-T1'. Documentazione didattica SCE Pagina 13 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

14 3.4.3 Sistemi regolati proporzionali con due ritardi Il sistema regolato è denominato in breve 'sistema P-T2'. Fig.: risposta a gradino del sistema P-T2 Tu: tempo di ritardo Tg: tempo di compensazione Il sistema consiste nel collegamento in serie di due sistemi P-T1 senza effetto di retroazione che hanno le costanti di tempo TS1 e TS2. Regolabilità dei sistemi P-Tn: Più aumenta il rapporto Tu/Tg più diventa difficile regolare il sistema. Documentazione didattica SCE Pagina 14 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

15 3.4.4 Sistemi regolati proporzionali con n ritardi Il sistema regolato è denominato in breve 'sistema P-Tn'. Il comportamento nel tempo è descritto da un'equazione differenziale di ordine n. La curva della riposta a gradino è analoga a quella del sistema P-T2. Il comportamento nel tempo è descritto da Tu e Tg. Sostituzione: il sistema regolato con numerosi ritardi può essere sostituito per approssimazione con il collegamento in serie di un sistema P-T1 con un sistema con tempo morto. Vale: Tt» Tu e TS» Tg. Risposta a gradino sostitutiva per il sistema P-Tn Documentazione didattica SCE Pagina 15 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

16 3.5 Sistemi regolati senza compensazione In seguito a un disturbo la grandezza regolata continua a crescere senza cercare di raggiungere un valore finale preciso. Esempio: regolazione del livello Un contenitore dotato di scarico in cui la portata volumetrica in entrata è uguale a quella in uscita mantiene un livello di riempimento costante. In caso di variazione della portata in entrata o in uscita il livello del liquido sale o scende. Maggiore è la differenza tra volume in entrata e volume in uscita, maggiore è la velocità con cui cambia il livello. Dall'esempio si evince che normalmente nella pratica l'azione integrale ha dei limiti. La grandezza regolata aumenta o diminuisce solo finché non ha raggiunto un valore limite imposto dal sistema: il contenitore trabocca o è vuoto, la pressione raggiunge il max. o il minimo del sistema ecc. La figura mostra il comportamento di un sistema I nel tempo in presenza di una variazione a gradino della grandezza di ingresso e lo schema a blocchi che ne deriva: Se la funzione di salto nell'ingresso porta a una funzione qualsiasi xe(t): * Figura tratta da SAMSON Technische Information - L102 - Regler und Regelstrecken, edizione: agosto 2000 ( ) Documentazione didattica SCE Pagina 16 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

17 3.6 Principali tipi di regolatori continui Come già detto in precedenza, i regolatori discreti descritti finora hanno il vantaggio di essere semplici. Sia il regolatore stesso che l'attuatore e l'elemento per il controllo finale sono di natura semplice, e quindi più economici dei regolatori continui. Tuttavia i regolatori discreti hanno anche una serie di svantaggi. Ad esempio, nel caso della commutazione di carichi elevati come grandi motori elettrici o gruppi di refrigerazione, al momento dell'inserzione si possono verificare picchi di carico tali da sovraccaricare l'alimentazione. Per questa ragione spesso non si commuta tra "ON" e "OFF" ma tra la potenza massima ("pieno carico") e una potenza nettamente minore dell'attuatore o dell'elemento per il controllo finale ("carico di base"). Ma anche con questi miglioramenti, sono numerose le applicazioni per cui il regolatore discreto non è adatto. Immaginiamo il motore di un'automobile con il regime regolato in modo discreto. Non esisterebbero altri valori al di fuori del regime minimo e massimo. A prescindere dal fatto che accelerando a fondo e all'improvviso sarebbe impossibile trasmettere la giusta potenza alla strada, un'auto di questo tipo sarebbe del tutto inadeguata alla circolazione stradale. Perciò per le applicazioni di questo genere si utilizzano i regolatori continui. Qui teoricamente la correlazione matematica che l'elemento di controllo crea tra differenza di regolazione e variabile di uscita del regolatore è pressoché illimitata. Tuttavia, nella pratica, si distinguono tre tipi di regolatori di base classici, che approfondiremo nei prossimi paragrafi. Documentazione didattica SCE Pagina 17 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

18 3.6.1 Il regolatore proporzionale (regolatore P) In un regolatore P la grandezza regolante y è sempre proporzionale alla differenza di regolazione (y ~ e). Ne deriva che un regolatore P reagisce a un errore di regolazione senza ritardo, generando una grandezza regolante solo in presenza di un errore 'e'. Il regolatore di pressione proporzionale rappresentato in figura confronta la forza FS della molla di riferimento con la forza FB generata dalla pressione p2 nel soffietto metallico elastico. Se le forze non sono bilanciate, la leva ruota intorno al centro di rotazione D. La posizione della valvola ñ cambia - e di conseguenza anche la pressione da regolare p2 - finché non viene ristabilito l'equilibrio delle forze. La figura in basso mostra il comportamento del regolatore P se si verifica una differenza di regolazione improvvisa. L'ampiezza del salto della grandezza regolante y dipende dal livello della differenza 'e' e dal valore del coefficiente proporzionale Kp: Per contenere al massimo l'errore di regolazione dunque è necessario scegliere un fattore proporzionale possibilmente elevato. L'aumento del fattore consente una reazione più rapida del regolatore, tuttavia un valore eccessivo nasconde anche il pericolo di sovraelongazione e instabilità del regolatore. * Figura tratta da SAMSON Technische Information - L102 - Regler und Regelstrecken, edizione: agosto 2000 ( ) Documentazione didattica SCE Pagina 18 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

19 Lo schema seguente mostra il comportamento del regolatore P: I vantaggi di questo tipo di regolatore sono la semplicità da un lato (la realizzazione elettronica, nel più semplice dei casi, può consistere in una sola resistenza) e dall'altro la reazione davvero tempestiva rispetto ad altri tipi di regolatori. Lo svantaggio principale del regolatore P è l'errore di regolazione permanente: il setpoint non viene mai raggiunto completamente, nemmeno a lungo termine. Questo svantaggio, insieme alla velocità di reazione non ancora ideale, si può ridurre solo in parte aumentando il fattore proporzionale perché diversamente si ha una sovraelongazione del regolatore, ovvero una specie di iperreazione. Nel peggiore dei casi il regolatore entra in uno stato di oscillazione permanente, causando periodicamente l'allontanamento della grandezza regolata dal setpoint, non più provocato dalla grandezza di disturbo ma dal regolatore stesso. Il problema dell'errore di regolazione permanente si risolve al meglio con un regolatore integrale. Documentazione didattica SCE Pagina 19 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

20 3.6.2 Il regolatore integrale (regolatore I) I regolatori ad azione integrale vengono impiegati per correggere completamente gli errori di regolazione in ogni punto di lavoro. Finché l'errore di regolazione è diverso da zero, il valore della grandezza regolante varia. La regolazione si assesta solo quando la grandezza pilota e la grandezza regolata sono uguali, o al più tardi quando la grandezza regolante raggiunge il valore limite specifico del sistema (Umax, Pmax ecc.). La formula matematica di questo comportamento integrale è la seguente: la grandezza regolante è proporzionale al tempo integrale della differenza di regolazione 'e': La velocità con cui la grandezza regolante aumenta (o diminuisce) dipende dall'errore di regolazione e dal tempo di integrazione. * Figura tratta da SAMSON Technische Information - L102 - Regler und Regelstrecken, edizione: agosto 2000 ( ) Documentazione didattica SCE Pagina 20 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

21 3.6.3 Il regolatore PI Il regolatore PI è un tipo di regolatore molto usato nella pratica. Si ottiene collegando in parallelo un regolatore P con un regolatore I. Se configurato correttamente riunisce i vantaggi di entrambi i tipi di regolatori (stabilità, velocità e nessun errore di regolazione permanente), compensandone allo stesso tempo gli svantaggi. Il comportamento nel tempo è caratterizzato dal coefficiente proporzionale Kp e dal tempo dell'azione integratrice Tn. Grazie al componente proporzionale la grandezza regolante reagisce direttamente a ogni errore di regolazione 'e' mentre il componente integrale agisce solo con il tempo. Tn è il tempo che trascorre prima che il componente I generi la stessa ampiezza che viene generata immediatamente nel caso del componente P (Kp). Come nel caso del regolatore I il tempo dell'azione integratrice Tn deve essere ridotto se si desidera aumentare il componente integrale. Configurazione del regolatore: A seconda del dimensionamento di Kp e Tn è possibile ridurre la sovraelongazione della grandezza regolata a discapito della dinamica della regolazione. Campi di applicazione del regolatore PI: circuiti di regolazione veloci che non ammettono errori di regolazione permanenti. Esempi: regolazioni di pressione, di temperatura e proporzionali * Figura tratta da SAMSON Technische Information - L102 - Regler und Regelstrecken, edizione: agosto 2000 ( ) Documentazione didattica SCE Pagina 21 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

22 3.6.4 Il regolatore ad azione derivativa (regolatore D) Il regolatore D genera la propria grandezza regolante dalla velocità di variazione della differenza di regolazione e non, come il regolatore P, dalla sua ampiezza. Perciò reagisce ancora più rapidamente del regolatore P. Anche se la differenza di regolazione è piccola, genera quasi in modo "predittivo" ampiezze di regolazione notevoli non appena si verifica una variazione dell'ampiezza. Il regolatore D invece non riconosce un errore di regolazione permanente perché, a prescindere da quanto è elevato, la sua velocità di variazione è uguale a zero. Per questo motivo il regolatore D raramente viene impiegato da solo nella pratica, ma viene piuttosto combinato con altri elementi di regolazione, per lo più con un componente proporzionale Il regolatore PID Aggiungendo un componente D a un regolatore PI si ottiene il regolatore universale PID. Come per il regolatore PD l'integrazione del componente D fa sì che - con la corretta configurazione - la grandezza regolata raggiunga il setpoint e si assesti più rapidamente. * Figura tratta da SAMSON Technische Information - L102 - Regler und Regelstrecken, edizione: agosto 2000 ( ) Documentazione didattica SCE Pagina 22 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

23 3.7 Obiettivi dell'impostazione del regolatore Per ottenere un risultato di regolazione soddisfacente è molto importante saper scegliere il regolatore adeguato. Ancor più importante, tuttavia, è l'impostazione dei parametri del regolatore Kp, Tn e Tv, che devono essere adeguati al comportamento del sistema regolato. Per lo più è necessario trovare un compromesso tra una regolazione molto stabile ma anche lenta o un comportamento di regolazione molto dinamico e irregolare che in determinate circostanze può sviluppare una tendenza all'oscillazione e risultare instabile. Nel caso dei sistemi non lineari, che devono sempre essere elaborati nello stesso punto di lavoro - come ad es. la regolazione a valore fisso - i parametri del regolatore devono essere adeguati al comportamento del sistema in questo punto di lavoro. Se non è possibile definire un punto di lavoro fisso - come nel caso delle regolazioni con valore asservito ñ - è necessario trovare un'impostazione del regolatore che fornisca un risultato del regolatore abbastanza rapido e stabile nell'intero campo di lavoro. Nella pratica i regolatori vengono impostati per lo più sulla base di valori empirici. In mancanza di tali dati è necessario analizzare l'esatto comportamento del sistema regolato per poi definire parametri del regolatore adeguati con l'aiuto di svariati procedimenti di configurazione teorici o pratici. Un possibile aiuto è la prova di oscillazione secondo il metodo di Ziegler-Nichols. Questo metodo consente una configurazione semplice e adatta a molti casi. Questo metodo di impostazione, tuttavia, si può applicare solo ai sistemi regolati che consentono di far oscillare la grandezza regolata automaticamente. Il procedimento è il seguente: Impostare Kp e Tv sul valore minimo e Tn sul valore max. nel regolatore (azione minima possibile del regolatore). Portare manualmente il sistema regolato sul punto di lavoro desiderato (approssimare la regolazione). Impostare la grandezza regolante del regolatore sul valore predefinito manualmente e commutare al funzionamento automatico. Aumentare Kp (ridurre Xp) finché non si rilevano oscillazioni armoniche della grandezza regolata. Se possibile, stimolare l'oscillazione del circuito di regolazione con piccole variazioni improvvise del setpoint durante la regolazione di Kp. * Figura tratta da SAMSON Technische Information - L102 - Regler und Regelstrecken, edizione: agosto 2000 ( ) Documentazione didattica SCE Pagina 23 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

24 Annotare il valore Kp impostato come coefficiente proporzionale critico 'Kp,crit'. Determinare la durata di un'intera oscillazione come 'Tcrit' - possibilmente con un cronometro - calcolando la media aritmetica in base a diverse oscillazioni. Moltiplicare i valori di 'Kp,crit' e 'Tcrit' con i moltiplicatori seguendo la tabella e impostare nel regolatore i valori per Kp, Tn e Tv così determinati. * Figura tratta da SAMSON Technische Information - L102 - Regler und Regelstrecken, edizione: agosto 2000 ( ) Documentazione didattica SCE Pagina 24 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

25 3.8 Impostazioni dei sistemi regolati L'impostazione dei sistemi regolati viene realizzata in base all'esempio di un sistema PT2. Approssimazione T u -T g La base dei metodi di Ziegler-Nichols e di Chien, Hrones e Reswick è l'approssimazione T u -T g in cui, dalla risposta a gradino del sistema, vengono determinati i parametri coefficiente di trasmissione del sistema K S, tempo di ritardo T u e tempo di compensazione T g. Le regole per l'impostazione descritte nel seguito del capitolo sono state trovate sperimentalmente con l'aiuto di simulazioni analogiche al computer. I sistemi P-T N si possono descrivere con sufficiente accuratezza con una cosiddetta approssimazione T u -T g, ovvero per approssimazione con un sistema P-T 1 -T L. Il punto di partenza è la risposta a gradino del sistema con altezza del gradino di ingresso K. I parametri necessari - coefficiente di trasmissione del sistema K S, tempo di ritardo T u e tempo di compensazione T g - vengono determinati come in figura. La misura della funzione di trasferimento fino al valore finale stazionario (K*Ks) è necessaria per poter determinare il coefficiente di trasmissione del sistema K S necessario per il calcolo. Il vantaggio sostanziale di questo metodo è che l'approssimazione può essere applicata anche se non è possibile una descrizione analitica del sistema regolato. x / % K*K S Wendepunkt T u T g t/sec Figura: approssimazione T u -T g Documentazione didattica SCE Pagina 25 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

26 3.8.1 Impostazione del regolatore PI secondo Ziegler-Nichols Esaminando i sistemi P-T 1 -T L Ziegler e Nichols hanno scoperto le seguenti impostazioni del regolatore ideali per la regolazione con valore fisso: K PR = 0,9 T g K S T u T N = 3,33 T u Impostando questi valori si ottiene in generale una risposta al disturbo piuttosto buona. [7] Impostazione del regolatore PI secondo Chien, Hrones e Reswick Per quel che riguarda questo metodo sono state prese in esame sia la risposta a gradino sia la risposta al disturbo per ottenere i parametri del regolatore più vantaggiosi. Nei due casi sono risultati valori diversi. Inoltre vengono specificate rispettivamente due diverse impostazioni, che soddisfano requisiti diversi in termini di qualità della regolazione. Sono risultate le impostazioni seguenti: Per la risposta al disturbo: aperiodischer Einschwingvorgang mit kürzester Dauer 20% Überschwingen minimale Schwingungsdauer K PR = 0,6 T g K PR = 0,7 T g K S T u K S T u T N = 4 T u T N = 2,3 T u Documentazione didattica SCE Pagina 26 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

27 Per la risposta a gradino: aperiodischer Einschwingvorgang mit kürzester Dauer 20% Überschwingen minimale Schwingungsdauer K PR = 0,35 T g K PR = 0,6 T g K S T u K S T u T N = 1,2 T g T N = T g Documentazione didattica SCE Pagina 27 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

28 3.9 Regolatori digitali Fino a questo momento abbiamo preso in esame principalmente i regolatori analogici, ovvero quelli che derivano la variabile di uscita del regolatore dalla differenza di regolazione - disponibile come valore analogico - utilizzando il metodo analogico. Lo schema di un circuito di regolazione di questo tipo è ormai noto. Spesso, tuttavia, conviene eseguire la valutazione vera e propria della differenza di regolazione con il metodo digitale. Da un lato è possibile stabilire la relazione tra differenza di regolazione e variabile di uscita del regolatore con maggiore flessibilità se è definita da un algoritmo o da una formula con cui è possibile programmare un computer piuttosto che doverla implementare in forma di circuito analogico. D'altra parte la tecnica digitale consente un grado di integrazione dei circuiti decisamente maggiore, tale da poter contenere diversi regolatori in uno spazio minimo. Infine, distribuendo il tempo di calcolo se la capacità è sufficiente - è possibile persino utilizzare un solo computer come elemento di controllo di diversi circuiti. Per consentire l'elaborazione digitale delle grandezze, sia la grandezza pilota che che la variabile di reazione vengono prima di tutto convertite in grandezze digitali con un convertitore analogico-digitale (ADC). Successivamente un comparatore digitale le sottrae l'una dall'altra e trasferisce la differenza al regolatore digitale. In seguito la variabile di uscita del regolatore viene riconvertita in un grandezza analogica in un convertitore digitale-analogico (DAC). L'unità costituita da convertitori, comparatore e regolatore vista dall'esterno sembra insomma un regolatore analogico. Documentazione didattica SCE Pagina 28 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

29 Consideriamo la configurazione di un regolatore digitale in base a un grafico: Oltre ai vari vantaggi, la conversione digitale del regolatore presenta anche alcuni problemi. Per questo motivo alcune grandezze scelte in riferimento al regolatore digitale devono essere abbastanza grandi da non ridurre troppo l'accuratezza del regolatore. I criteri di qualità dei computer digitali sono: Risoluzione della quantizzazione dei convertitori digitale-analogico. Indica la risoluzione della griglia del campo di valori stabile. La risoluzione deve essere abbastanza elevata da non perdere dettagli importanti per la regolazione. Frequenza di campionamento dei convertitori analogico-digitale. È la frequenza con cui vengono misurati e digitalizzati i valori analogici presenti nel convertitore. Deve essere abbastanza elevata da consentire al regolatore di reagire per tempo anche a variazioni improvvise della grandezza regolata. Tempo di ciclo. Diversamente da un regolatore analogico, un computer digitale funziona in cicli di clock. La velocità del computer deve essere abbastanza elevata da impedire che si verifichino variazioni significative della grandezza regolata durante un ciclo di clock (nel quale viene calcolato il valore di uscita e non viene interrogato nessun valore di ingresso). La qualità del regolatore digitale deve essere così elevata da permettergli di rispondere verso l'esterno con la stessa prontezza e precisione di un regolatore analogico. Documentazione didattica SCE Pagina 29 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

30 4. Esempio di programmazione: regolazione del livello di un serbatoio Il nostro programma consiste nella programmazione di una regolazione del livello di riempimento. Un sensore misura il livello di riempimento in un serbatoio e lo converte in un segnale di tensione di 0-10V. 0V corrispondono a un livello di 0 litri e 10V a un livello di 1000 litri. Questo sensore è collegato al primo ingresso analogico del SIMATIC S Questo livello ora deve essere regolato a 0 litri (S1 == 0) oppure a 700 litri (S1 == 1). Utilizzeremo un regolatore integrato in STEP 7 Basic V10.5 "PID_Compact". Questo regolatore PID a sua volta comanda una pompa come grandezza regolante a 0-10V. Lista di attribuzione: Indirizz Simbolo Tipo di dati Commento o %IW 64 X_Level_Tank1 Int analog input actual level filling level tank1 %QW 80 Y_Level_Tank1 Int analog output manipulated value pump1 %I 0.0 S1 Bool sudden setpoint change filling level 0 (0) or 700 liter (1) Documentazione didattica SCE Pagina 30 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

31 5. Programmazione della regolazione del livello di riempimento per il SIMATIC S Per la gestione del progetto e la programmazione si utilizza il software 'Totally Integrated Automation Portal'. Qui si creano, si parametrizzano e si programmano con un'interfaccia utente unificata i componenti come controllore, visualizzazione e collegamento in rete della soluzione di automazione. Per la diagnostica degli errori sono disponibili diversi tool online. Con i passi seguenti è possibile creare un progetto per il SIMATIC S e programmare la soluzione del compito che ci siamo proposti: 1. Il tool principale è 'Totally Integrated Automation Portal', che si richiama qui con un doppio clic. ( Totally Integrated Automation Portal V11) Documentazione didattica SCE Pagina 31 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

32 2. I programmi per il SIMATIC S vengono gestiti in progetti. Uno di questi progetti verrà ora creato nella vista portale ( Create new project (Crea nuovo progetto) Tank_PID Create (Crea)) Documentazione didattica SCE Pagina 32 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

33 3. Ora alla voce 'First steps' vengono proposti i primi passi per la progettazione. Innanzitutto vogliamo creare un dispositivo con 'Configure a device'. ( Primi passi Configura un dispositivo) Documentazione didattica SCE Pagina 33 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

34 4. Successivamente inseriremo con 'Add new device' un nuovo dispositivo denominato 'controller_tank'. Selezionare dal catalogo la 'CPU1214C' con il numero di ordinazione adeguato. ( Aggiungi nuovo dispositivo Regolazione_serbatoio CPU1214C 6ES7. Aggiungi) Documentazione didattica SCE Pagina 34 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

35 5. Ora il software passa automaticamente alla vista progetto con la configurazione hardware aperta. Qui è possibile aggiungere ulteriori moduli prelevandoli dal catalogo hardware (a destra!). Inserire qui la signal board per un'uscita analogica trascinandola con il mouse dal catalogo. ( Catalog (Catalogo) Signal board AQ1 x 12 bit 6ES ) Documentazione didattica SCE Pagina 35 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

36 6. Nella vista 'Device view' è possibile impostare gli indirizzi degli ingressi e delle uscite. Qui gli ingressi analogici integrati della CPU hanno gli indirizzi %IW64 - %IW66 e gli ingressi digitali integrati gli indirizzi %I0.0 - %I1.3. L'indirizzo dell'uscita analogica sulla signal board è QW80 ( Vista generale dispositivi AQ1 x 12 bit 80 81) Documentazione didattica SCE Pagina 36 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

37 7. Per far sì che in un secondo tempo il software acceda alla CPU corretta è necessario impostare l'indirizzo IP e la maschera di sottorete. ( Properties (Proprietà) General (Generale) PROFINET interface (Interfaccia PROFINET) Ethernet addresses Indirizzi Ethernet IP address (Indirizzo IP): Subnet mask (Maschera di sottorete): ) Documentazione didattica SCE Pagina 37 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

38 8. Poiché nella moderna programmazione non si utilizzano gli indirizzi assoluti ma delle variabili, qui è necessario definire le variabili PLC globali. Queste variabili PLC globali sono nomi descrittivi corredati di commento per gli ingressi e le uscite che vengono utilizzati nel programma. In un secondo momento, durante la programmazione, da questi nomi si potrà accedere alle variabili PLC globali. Queste variabili globali si possono utilizzare in tutto il programma in tutti i blocchi. Nella navigazione del progetto selezionare prima 'controller_tank[cpu1214c DC/DC/DC]' e poi 'PLC tags'. Aprire la tabella 'PLC tags' con un doppio clic e inserire i nomi degli ingressi e delle uscite come nella figura seguente. ( Regolazione_serbatoio[CPU1214C DC/DC/DC] Variabili PLC Tabella delle variabili standard) Documentazione didattica SCE Pagina 38 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

39 9. Per creare la funzione FC1 selezionare nella navigazione del progetto 'controller_tank[cpu1214c DC/DC/DC]' e quindi 'Program blocks'. Fare doppio clic su 'Add new block'. ( Regolazione_serbatoio[CPU1214C DC/DC/DC] Blocchi di programma Inserisci nuovo blocco) Documentazione didattica SCE Pagina 39 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

40 10. Selezionare 'Organization block (OB)' e in seguito il tipo 'Cyclic interrupt'. Come linguaggio di programmazione è preimpostato lo schema funzionale 'FBD'. La numerazione (OB200) è automatica. Lasciamo il tempo di ciclo fisso a 100ms. Applicare i dati inseriti con 'OK'. ( Blocco organizzativo(ob) Schedulazione orologio FUP Tempo di ciclo 100 OK) Avvertenza: Il regolatore PID deve essere assolutamente richiamato con un tempo di ciclo fisso (qui 100ms) perché la sua elaborazione è critica in riferimento al tempo. Il regolatore non potrebbe essere ottimizzato se non venisse richiamato nel modo opportuno. Documentazione didattica SCE Pagina 40 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

41 11. Il blocco organizzativo 'Cyclic interrupt[ob200]' si apre automaticamente. Prima di poter scrivere il programma è necessario definirne le variabili locali. Per questo blocco viene utilizzato solo un tipo di variabili: Tipo Denominazio ne Funzione Disponibile in Dati locali temporanei Temp Variabili che permettono il salvataggio di risultati intermedi temporanei. I dati temporanei vengono mantenuti solo per un ciclo. Funzioni, blocchi funzionali e blocchi organizzativi 12. Nel nostro esempio è necessaria solo la seguente variabile locale: Temp: w_level_tank1 Real Questa variabile salva il setpoint per Tank1 come valore intermedio In questo esempio è importante utilizzare il tipo di dati Real corretto perché in caso contrario non sarebbe compatibile con il blocco di regolazione PID nel programma successivo. Per una migliore comprensione, tutte le variabili locali dovrebbero anche essere corredate di un commento sufficientemente esplicativo. Documentazione didattica SCE Pagina 41 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

42 13. Dopo aver dichiarato le variabili locali è possibile immettere il programma utente utilizzando i nomi delle variabili. (Le variabili sono identificate dal simbolo '#'.) Qui nei primi due segmenti viene utilizzata un'istruzione 'MOVE' ciascuno per copiare o il valore in virgola mobile 0.0 (S1 == 0) o (S1 == 1) nella variabile locale #w_level_tank1. ( Basic instructions (Istruzioni di base) Move operations (Operazioni di trasferimento) MOVE ) Documentazione didattica SCE Pagina 42 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

43 14. Nel terzo segmento viene spostato il blocco di regolazione 'PID_Compact'. Poiché non supporta la multiistanza, è necessario assegnargli un blocco dati come istanza singola. Quest'ultimo a sua volta viene creato automaticamente da STEP7. ( Extended instructions (Istruzioni avanzate) PID PID_Compact OK) Documentazione didattica SCE Pagina 43 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

44 15. Interconnettere questo blocco come indicato in figura con il setpoint (variabile locale #w_level_tank1), il valore istantaneo (variabile globale "X_Level_Tank1") e la grandezza regolante (variabile globale "Y_Level_Tank1"). In seguito è possibile aprire la maschera di configurazione ' ' del blocco di regolazione. ( #w_level_tank1 "X_Level_Tank1" "Y_Level_Tank1" ) Documentazione didattica SCE Pagina 44 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

45 16. Nella finestra 'Basic settings' definire il tipo di regolazione e l'interconnessione della struttura del regolatore interna. ( Impostazioni di base Modo di regolazione Volume l Valore istantaneo: Input_PER(analog) Valore regolante: Output_PER ) Documentazione didattica SCE Pagina 45 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

46 17. Nella finestra 'Process value settings' imposteremo il campo di misura da 0 a 1000 litri. Anche i limiti devono essere adeguati. ( Impostazione del valore istantaneo Valore istantaneo superiore riportato in scala l Limite superiore valore istantaneo l Limite inferiore valore istantaneo 0.0 l Valore istantaneo inferiore riportato in scala 0.0 l) Documentazione didattica SCE Pagina 46 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

47 18. Nella finestra 'Advanced settings' figurano ad es. le voci 'Process value monitoring' e un'impostazione manuale dei 'PID Parameters'. Facendo clic con il mouse su (Salva progetto) si salva il progetto. ( Impostazioni avanzate Controllo del valore istantaneo Parametri PID ) Documentazione didattica SCE Pagina 47 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

48 19. Per caricare l'intero programma nella CPU selezionare prima la cartella 'controller_tank' quindi fare clic sul simbolo (Carica nel dispositivo). ( Regolazione_serbatoio ) Documentazione didattica SCE Pagina 48 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

49 20. Se si è dimenticato di definire prima l'interfaccia PG/PC (vedere il modulo M1, capitolo 4) viene visualizzata una finestra nella quale è possibile procedere all'operazione. ( Type of the PG/PC interface Load) Documentazione didattica SCE Pagina 49 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

50 21. Fare clic nuovamente su 'Load'. Durante il caricamento lo stato viene visualizzato in una finestra. ( Carica) 22. Il caricamento completato senza errori viene visualizzato in una finestra. Fare clic con il mouse su 'Finish'. ( Fine) Documentazione didattica SCE Pagina 50 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

51 23. Avviare la CPU facendo clic con il mouse sul simbolo. ( ) 24. Confermare l'avvio della CPU con 'OK'. ( OK) Documentazione didattica SCE Pagina 51 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

52 25. Con un clic del mouse sul simbolo Monitoring on/off (Controllo on/off) è possibile controllare lo stato dei blocchi e delle variabili durante il test del programma. Al primo avvio della CPU, tuttavia, il regolatore 'PID_Compact' non è ancora attivato. Dobbiamo ancora avviare la messa in servizio facendo clic con il mouse sul simbolo '. ( Cyclic interrupt[ob200] (Schedulazione orologio[ob200]) PID_Compact Commissioning (Messa in servizio)) Documentazione didattica SCE Pagina 52 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

53 26. In una maschera operativa è possibile visualizzare setpoint, valore istantaneo e grandezza regolante in un solo diagramma con 'Measurement Start/Stop'. Dopo il primo caricamento nel controllore il regolatore non è ancora attivo. Ciò significa che la grandezza regolante resta allo 0%. Selezionare 'Tuning mode' 'Pretuning' e 'Pretuning' 'Start'. ( Misura Start Tipo di ottimizzazione Ottimizzazione iniziale Start) Documentazione didattica SCE Pagina 53 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

54 27. Ora si avvia l'impostazione automatica. Nel campo 'Tuning status' (Stato dell'ottimizzazione) vengono visualizzate le fasi operative in corso e gli eventuali errori. La barra di avanzamento mostra l'avanzamento della fase operativa attuale. Documentazione didattica SCE Pagina 54 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S

55 28. Se l'impostazione automatica si conclude senza messaggi di errore significa che i parametri PID sono stati ottimizzati. Il regolatore PID entra in funzionamento automatico e utilizza i parametri ottimizzati. I parametri PID ottimizzati vengono mantenuti anche in caso di RETE ON e di nuovo avvio della CPU. Con il pulsante ' ' è possibile caricare i parametri PID nel progetto. ( ) Avvertenza: Per i processi più veloci, come ad es. la regolazione della velocità, è preferibile scegliere Fine tuning (Ottimizzazione fine). In questo caso viene eseguito un ciclo di qualche minuto in cui vengono rilevati e impostati tutti i parametri PID. Dopo aver caricato i valori dei parametri nel progetto è possibile controllarli nel blocco dati. Documentazione didattica SCE Pagina 55 di 55 Utilizzo solo per enti di formazione e di R&S