I
WPROWADZENIE
Celem projektu było opracowanie, wdrożenie do produkcji i wdrożenia obiektowe
uniwersalnego adaptacyjnego regulatora PID do automatyzacji procesów technologicznych w
energetyce, ciepłownictwie, hutnictwie, przemyśle maszynowym, chemicznym, materiałów
budowlanych i innych. Ze względu na funkcjonalność i mikrokontroler (80C537) przyjęto
nazwę Regulator funkcjonalny RF-537. Regulator został opracowany w dwu wersjach -
podstawowej i rozszerzonej, różniących się zakresem funkcji i pojemnością pamięci (64/128K
EPROM). W wersji podstawowej jest on konwencjonalnym regulatorem PID przeznaczonym
do regulacji jednoobwodowej, stosunku i kaskadowej, z wyjściem ciągłym, 2- lub 3-
pozycyjnym. W wersji rozszerzonej staje siÄ™ regulatorem adaptacyjnym mogÄ…cym
jednocześnie prowadzić sterowanie logiczno-sekwencyjne i przetwarzać pomocnicze
pomiary. Zegar RTC pozwala uzależnić funkcjonowanie od czasu rzeczywistego. Wersja
rozszerzona jest wersją docelową. RF-537 może pracować zarówno indywidualnie, jak i
wchodzić w skład kompleksowych systemów sterowania. Nie wymaga specjalizowanych
driverów komunikacyjnych.
Podstawowe parametry RF-537
Poniższe zestawienie pozwala bliżej zorientować się w podstawowych parametrach
regulatora.
" Konstrukcja sprzętowa: mikrokontroler 80C537; pamięci 64/128K EPROM, 2/4K
EEPROM, 8/32K RAM (2 wersje); panel czołowy - wskaz
nik 4-cyfrowy, identyfikator
(1 cyfr.), 5 przycisków, linijka LED-owa, LED-y pojedyncze; komunikacja - RS-485, RS-
232C; wymiary - 144×72×270 mm
" Wejścia/wyjścia obiektowe: 4 wejścia analogowe 0/4...20 mA, 2 wyjścia analogowe
0/4...20 mA, 8 wejść binarnych 24V/10mA, 6 wyjść binarnych - w tym 2 przekaz
nikowe
30V/1A i 4 napięciowe 24V/0.4A, 1 wyjście watch-doga 24V/1A
" Wersja podstawowa: 13 struktur regulacyjnych (jednoobwodowe, stosunku, kaskadowe), 5
wariantów określania wielkości zadanej, sterowanie ciągłe, 2- lub 3-pozycyjne, współpraca
ze stacyjkami zewnętrznymi i regulatorem redundancyjnym, kontrola siłownika, protokół
komunikacyjny TRANS
" Wersja rozszerzona: samonastrajanie, adaptacja, programowa zmiana nastaw, programator
20-etapowy dla procesów okresowych, zegar czasu rzeczywistego RTC, 16 grup bloków
funkcyjnych (arytmetyczne, logiczne, przerzutniki, komparatory itp.), protokoły MODBUS
i PROFIBUS
" Symulator RF-537: pełna symulacja komputerowa regulatora (konfiguracja,
parametryzacja, obsługa), symulator obiektowy - wybór struktury, transmitancji i
parametrów obiektu, przesyłanie danych konfiguracyjnych i parametrów do RF-537
" Konfigurator graficzny: wizualizacja obwodów wejścia/wyjścia, struktur regulacyjnych,
bloków PID itp., zmiana przełączników konfiguracyjnych i parametrów, przesyłanie
danych do RF-537.
Symulator służy do nauki obsługi i konfiguracji RF-537, testowania skonfigurowanych
struktur, analizy sterowania adaptacyjnego itp. Widok skonfigurowanych schematów
generowanych przez konfigurator graficzny ułatwia zrozumienie funkcjonowania regulatora
zastępując w znacznym stopniu instrukcję.
 II
Charakterystyka oprogramowania
Struktury regulacyjne. W RF-537 są one następujące (por. [1]): FSP - regulacja
stałowartościowa, 2SP - dwie wielkości zadane, DSP - zależne wielkości zadane, DDC -
bezpośrednie sterowanie cyfrowe, RDN - rezerwa redundancyjna, ESP - regulacja nadążna,
FRTO - stałowartościowa regulacja stosunku, ERTO - nadążna regulacja stosunku, FSPC -
kaskadowa regulacja stałowartościowa, ESPC - nadążna regulacja kaskadowa, FCRT -
kaskadowa stałowartościowa regulacja stosunku, ECRT - kaskadowa nadążna regulacja
stosunku, PIND - wskaz
nik procesowy. Wyjście ciągłe, 2- lub 3-pozycyjne może być
ustawiane automatycznie (z PID), ręcznie, zdalnie - ze stacyjki SSR, sterownika PLC lub
komputera, albo przełączane na wartość bezpieczną. Za pośrednictwem wejść binarnych RF-
537 może kontrolować pracę siłownika.
Samonastrajanie. Celem samonastrajania i adaptacji jest uzyskanie przebiegów przejściowych
o zadanym kształcie i minimalnym czasie trwania. Kształt jest określony przez zadane
przeregulowanie OVS* i tłumienie DMP* dla odpowiedzi na zakłócenie skokowe. Taki sam
cel ma algorytm EXACT Foxboro [2]. Strojenie standardowe jest prowadzone metodÄ…
sterowania przekaz
nikowego, jak u Hägglunda-9
ströma [3]. Rozpoczyna siÄ™ od krótkiego
okresu pasywnej obserwacji obiektu, gdzie regulator ocenia poziom szumu (3 minuty). RF-
537 automatycznie dobiera amplitudÄ™ przekaz
nika, histerezę oraz typ działania regulatora (PI
lub PID). Nastawy sÄ… okreÅ›lane z warunku R(jÉ0)G(jÉ0)=0.5Å"exp(-j135°) (zmodyfikowana
metoda Zieglera-Nicholsa [3]), który daje przebiegi bliskie aperiodycznym krytycznym.
Podczas strojenia precyzyjnego regulator pobudza obiekt krótkimi impulsami, po czym
obserwując przebiegi przejściowe (rejestracja w RAM) tak koryguje nastawy, aby przebiegi
uzyskały zadany kształt (OVS*, DMP*) i trwały jak najkrócej. Tę samą metodę zastosowano
w adaptacji. Samonastrajanie dostarcza również danych do programowej zmiany nastaw
(parabola poprowadzona przez 3 punkty).
Adaptacja. Jest prowadzona nowym algorytmem  kroczenia po powierzchni [4, 5]. RF-537
ma zapisane w pamięci EPROM mapy przeregulowania OVS, tłumienia DMP oraz względnej
czÄ™stotliwoÅ›ci naturalnej OMN (=ÉnTi) jako funkcje nastaw PID. Powierzchnie te
jednoznacznie określają optymalny punkt, w którym przebiegi uzyskują zadany kształt
(OVS*, DMP*) i minimalny czas. Regulator na podstawie wartości OVS, DMP, OMN
charakteryzujÄ…cych ostatnio zarejestrowany przebieg (RAM) wykonuje krok w kierunku tego
-Ä
s
punktu. Mapy OVS, DMP, OMN sÄ… wyznaczone dla obiektu k0 e /(Ts+1), gdzie Ä=T, tzn.
opóz
nienie jest równe stałej czasowej. Wrażliwość takiego  wzorcowego obiektu na zmiany
nastaw jest wiÄ™ksza niż dla Äostrożnie (monotonicznie) dochodzi do punktu optymalnego, zwiÄ™kszajÄ…c stopniowo czuÅ‚ość.
W przypadku obiektów z dominującym opóz
nieniem (Ä>T) różnice wrażliwoÅ›ci z wzorcem
są nieduże, więc zbieżność, choć nie monotoniczna, pozostaje zadowalająca. Badania
porównawcze pokazały, że pod względem zbieżności algorytm  kroczenia zachowuje się
podobnie jak EXACT Foxboro [2,4,5, 6].
Bloki funkcyjne. Regulator RF-537 jest wyposażony w 16 grup bloków funkcyjnych
służących następującym celom: (1) niestandardowe przetwarzanie zmiennych procesowych
dla PID, (2) wielkość zadana zmieniana programowo, zależna od czasu rzeczywistego, wejść
analogowych, binarnych itp., (3) sterowanie logiczno-sekwencyjne urządzeń
współpracujących z obiektem, np. pomp, silników, (4) przetwarzanie sygnałów dla komputera
nadrzędnego. Bloki pozwalają na pełne wykorzystanie zasobów sprzętowych regulatora
zbliżając go do sterowników wielofunkcyjnych [7]. Wśród bloków przeważają proste -
matematyczne, logiczne, przerzutniki, komparatory, timery. Blokami złożonymi są: kalkulator
 III
przepływu, aproksymacje wieloodcinkowe, programator 20-etapowy, zegar RTC. Wśród
bloków wejściowych i wyjściowych znajdują się nadajnik i odbiornik komunikacyjny. Ręczne
oddziaływanie na bloki z pominięciem PID, np. włączenie/zatrzymanie/zerowanie
programatora, odbywa siÄ™ za pomocÄ… 2 klawiszy  wirtualnych .
Komunikacja. RF-537 może prowadzić komunikację według protokołów TRANS, MODBUS
i PROFIBUS, przy czym protokołem podstawowym jest MODBUS. Uporządkowanie
sygnałów analogowych i binarnych (adresy) jest takie samo jak w sterownikach PLC
Modicon [8], dzięki czemu z regulatorem można komunikować się korzystając z typowych
driverów komunikacyjnych MODBUS RTU. Podobnie postąpiono w przypadku
PROFIBUSa, gdzie RF-537 emuluje regulator Digitric P Hartmanna-Brauna [9]. RF-537
można bezpośrednio włączyć do systemów sterowania, w których pakietami SCADA są FIX,
InTouch, Wizcon.
Prace badawczo-rozwojowe i wdrożenia
Prace badawczo rozwojowe obejmowały wykonanie prototypów regulatora w wersji
podstawowej i rozszerzonej, opracowanie oprogramowania dla obydwu wersji (z gruntownym
przetestowaniem), opracowanie symulatora, konfiguratora oraz podręcznika użytkownika. W
pracach tych wykorzystano następujące narzędzia programowe: OrCAD - projekty płytek
drukowanych, Borland C, C++ - symulator regulatora i konfigurator graficzny, Keil 100 -
oprogramowanie użytkowe RF-537 (rodzina 8051), Matlab-Simulink - badanie algorytmów
samonastrajania i adaptacji. Problemami, których rozwiązanie wymagało szczególnego
nakładu pracy były: (1) doprowadzenie oprogramowania wersji rozszerzonej do na tyle
zoptymalizowanej formy, aby mieściło się w 128K EPROM, (2) opracowanie logiki
ekspertowej zapewniającej wymaganą odporność adaptacji w warunkach przemysłowych,
przy dopuszczeniu szerokich zmian dynamiki obiektu.
Prace wdrożeniowo-inwestycyjne objęły zakup urządzeń i materiałów do produkcji,
wytworzenie serii informacyjnych w wersjach podstawowej i rozszerzonej, wdrożenie
produkcyjne oraz wdrożenia obiektowe. Wdrożenie produkcyjne obejmowało opracowanie
dokumentacji, harmonogramu produkcji i montażu, stanowiska testująco-diagnostycznego,
normatywów zapasów magazynowych i inne. Zdolność produkcyjna ZPDA-ZAP wynosi
obecnie ok. 300 sztuk rocznie. Na wdrożenia obiektowe składało się opracowanie projektów,
wykonanie szaf i pulpitów sterowniczych, wykonanie instalacji pomiarowej i zasilania,
montaż urządzeń automatyki, uruchomienie systemów oraz szkolenia.
Egzemplarze informacyjne regulatora RF-537, łącznie 23, zostały skierowane do
następujących przedsiębiorstw i firm specjalistycznych: Poznań - Zakłady Gazownicze,
AUPOMA, PIECOBIOGAZ; Katowice - Zakłady Remontowe Energetyki,
ENERGOAPARATURA; Ostrów Wlkp. - Zakłady Automatyki Przemysłowej, Gorzów -
Elektrociepłownia, Częstochowa - Zakłady STRADOM, Działoszyn - Kombinat WARTA,
Odolanów - Zakład KRIO. Na razie były to regulatory w wersji podstawowej. Jednak ze
względu na taką samą liczbę sygnałów obiektowych w obydwu wersjach, przejście z
oprogramowania podstawowego na rozszerzone wymaga tylko wymiany pamięci i
krosowania.
RF-537 a regulatory zachodnie
W poniższym zestawieniu podano, do którego spośród regulatorów znanych firm można
porównać RF-537 pod względem określonych cech funkcjonalnych:
 IV
" struktury regulacyjne, wielkości zadane, wejścia/wyjścia SIPART DR20/22 Siemens [1]
" samonastrajanie, programowa zmiana nastaw ECA400 SattControl [3, 10]
" adaptacja 763 Series Foxboro [2, 11]
" bloki funkcyjne, technika konfiguracji SIPART DR24 Siemens [1],
Digitric P Hartmann-Braun
[9] (zob. [7]).
Ogólnie biorąc RF-537 jest uniwersalnym adaptacyjnym regulatorem PID, który dzięki
dodatkowym blokom funkcyjnym może również prowadzić sterowanie logiczne i przetwarzać
pomiary. Regulator zawiera programator 20-etapowy i zegar RTC.
Pod względem sprzętowym regulator RF-537 odpowiada obecnemu poziomowi techniki
mikroprocesorowej. Tym niemniej w ZPDA-ZAP i Politechnice Rzeszowskiej powstaje
stopniowo odpowiednia baza w celu przejścia za ok. 3 lat na procesor 16-bitowy (80C166) i
dostosowanie RF-537 do standardów EU IEC.
Dalsza część sprawozdania jest w rzeczywistości instrukcją obsługi regulatora RF-537.
Literatura
1. (a) Kompaktregler. Katalog MP 31, 1993; (b) Der Kompaktregler SIPART DR22. E684,
1989; (c) SIPART DR24 Multi-Function Unit. 6DR 2400, 1991. Siemens AG, Karlsruhe
2. Kraus T.W., Myron T.J.: Self-tuning PID controller using pattern recognition approach.
Control Engineering, v. 31, 106-111, 1984
3. Hägglund T., 9
ström K.J.: Industrial adaptive controllers based on frequency response
techniques. Automatica, v. 27, 599-610, 1991
4. Świder Z., Trybus L.: Samonastrajanie i adaptacja w regulatorze przemysłowym RF-537.
AUTOMATION 97, Warszawa, 221-232, 1997
5. Åšwider Z., Trybus L.: Adaptive control algorithm of the RF-537 controller. 3rd IFAC
Symp. SICICA 97, Annecy, 205-210, 1997
6. 9
ström K.J., Hägglund T., Hang C.C., Ho W.K.: Automatic tuning and adaptation for
PID controllers - a survey. Control Engineering Practice, v. 1, 699-714, 1993
7. Trybus L.: Regulatory wielofunkcyjne. WNT, Warszawa, 1992
8. Modicon MODBUS Protocol. Modicon, Jan., 1991
9. Compact controller Digitric P derial interface. Hartmann-Braun AG, 42/61-26-2 EN,
Frankfurt
10. Controller ECA400. User Guide. SattControl Instruments AB, Solna, 1991
11. 763 Series Single Station Micro Plus Controller. Foxboro, 1993