طراحی و اعمال روش‏ های مدلسازی و کنترلی پیشرفته چند ورودی چند خروجی روی کنترل ‏کننده قابل برنامه‏ریزی (PLC)....

 

چکیده

طراحی و اعمال روش های مدلسازی وکنترلی پیشرفته چند ورودی چند خروجی روی PLC

امروزه در اکثر صنایع از کنترل‏کننده‏های قابل برنامه‏ریزی (PLC) به علت مزایای زیاد آن‏ها استفاده می‏شود. PLC های اولیه برای یک کنترل ساده منطقی طراحی گردیده و معمولا اجرای کنترل پیوسته ساده نیز با PLC های قدیمی امکان‏پذیر نیست و حتی در نوع پیشرفته‏ی آن‏ها نیاز به کارت‏ها و ماژول‏های اضافه می‏باشد. از طرفی تقاضا برای کنترل و مدلسازی پیشرفته برای بهبود محصولات در صنایع افزایش پیدا کرده است. بنابراین ارتقاء و بهینه‏سازی شیوه‏های کنترلی PLC ها، یکی از موضوعات قابل بحث از نظر پیاده­سازی و صرف هزینه در صنایع خواهد بود. در این پایان نامه یکی از روش­های کنترلی جدید و مناسب نسبت به کنترل‏کننده‏های سنتی به نام کنترل مدل پیش‏بین، به منظور ارتقا قابلیت کنترلی PLC موجود طراحی و پیاده‏سازی شده است. در این پایان‏نامه دو موضوع جدید دنبال شده است. در گام اول، یک فرآیند به صورت دو ورودی-دو خروجی(MIMO) با تکمیل تجهیزات طراحی گردیده و برای این فرآیند دو متغیره نیمه صنعتی کنترل دما و سطح متصل به PLC-S7-300، پیاده‏سازی صورت گرفته است. از آنجا که PLC موجود از لحاظ قدرت پردازشی و حجم حافظه موجود در دسته PLC های متوسط قرار دارد و از طرف دیگر فرآیند مورد بررسی یک فرآیند چند متغیره می‏باشد، پیاده‏سازی روش کنترل مدل پیش‏بین روی این PLC، با ساده‏سازی‏های ابتکاری و مهندسی امکان پذیر شده است. لازم به ذکر است که پیچیدگی محاسباتی روش کنترل مدل پیش‏بین برای حالت چند متغیره بسیار بیشتر از حالت تک متغیره می‏باشد. در گام دوم تنظیم پارامترهای MPC به صورت تحلیلی بررسی می‏شود و سپس روی فرآیند واقعی اعمال خواهد شد. لازم به یادآوری است که در تحقیقات قابل دسترس جهانی تاکنون گزارشی از کار مشابه این پایان نامه یافت نشده است. نتایج پیاده‏سازی‏ها، موفقیت و کارآمدی روش‏های پیشنهادی را به خوبی نشان می‏دهد.

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول1

1- مقدمه2

1-1- کنترل‏کننده‏های قابل برنامه‏ریزی (PLC)2

1-2- ارتقاء و اعمال روش‏های کنترلی پیشرفته روی PLC ها3

1-3- هدف تحقیق4

1-4- ساختار پایان‏نامه5

فصل دوم6

2- کنترل‏کننده‏ی قابل برنامه‏ریزی (PLC)7

2-1- تاریخچه PLC7

2-2- سخت افزار PLC10

2-3- انواع PLC ها14

2-4- مزایای استفاده از PLC ها15

2-4-1- انعطاف‏پذیری15

2-4-2- تغییر در منطق برنامه و عیب‏یابی ساده15

2-4-3- در اختیار گذاشتن تعداد بسیار زیاد کنتاکتها16

2-4-4- هزینه کمتر16

2-4-5- قابلیت اجرای آزمایشی برنامه ایجاد شده قبل از اعمال به سیستم16

2-4-6- نظارت عینی16

2-4-7- سرعت عمل17

2-4-8- روش برنامه‏نویسی نردبانی17

2-4-9- قابلیت اطمینان و نگهداری17

2-4-10- مستند سازی18

2-4-11- امنیت18

2-5- استاندارد IEC 1131-318

2-6- روش‏های ارتقاء قابلیت کنترلی PLC ها20

فصل سوم23

3- مروری بر فعالیت‏های پیشین24

3-1- مقدمه24

3-2- پیاده‏سازی روش کنترل مدل پیش بین روی PLC24

فصل چهارم29

4- روش کنترل مدل پیش‏بین (MPC)30

4-1- مقدمه30

4-2- توصیف روش کنترل مدل پیش‏بین32

4-2-1- مدل پیش‏بینی شده32

4-2-2- تابع هدف33

4-2-3- به دست آوردن قانون کنترل33

4-3- مزایا و معایب روش کنترل مدل پیش‏بین34

4-4- روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته برای فرآیندهای تک متغیره36

4-4-1- مقدمه36

4-4-2- فرمول بندی کنترل پیش‏بین تعمیم یافته37

4-5- کنترل پیش بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیندهای تک متغیره41

4-5-1 مدل فرآیند41

4-5-2 محاسبه پارامترهای کنترلی45

4-6- روش کنترل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیندهای دارای خاصیت انتگرال‏گیر47

4-6-1- محاسبه قانون کنترل48

4-6-2- پارامترهای کنترل49

4-7- معرفی روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته برای فرآیند چند‏متغیره51

4-7-1- GPC چندمتغیره52

4-7-2- فرمول‏بندی کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته53

فصل پنجم57

5- روش کنترل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیندهای چندمتغیره56

5-1- مقدمه56

5-2- فرمول‏بندی کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی چندمتغیره57

5-3- روش پیشنهادی برای محاسبه پارامترهای کنترل‏کننده64

5-3-1- معرفی شبکه‏های عصبی مصنوعی (ANN)65

5-3-1-1- اجزای اصلی یک شبکه عصبی مصنوعی65

5-3-1-2-1- مدل پرسپترون67

5-3-2- استفاده از شبکه عصبی مصنوعی برای محاسبه پارامترهای کنترل‏کنندهIGPC70

فصل ششم75

6- طراحی فرآیند دو متغیره و سخت‏افزار فرآیند مورد مطالعه84

6-1- مقدمه84

6-2- اینورتر و کاربردهای آن85

6-3- مزایا و کاربرد اینورترها86

6-4- اینورتر مدل C2000 برای پمپ رفت آب88

6-5- اینورتر مدل VFD-B برای کنترل سرعت پمپ آب برگشت89

6-6- سخت‏افزار سیستم91

6-6-1- کنترل‏کننده قابل برنامه‏ریزی و ماژول‏های آن93

6-6-1-1- پردازنده PLC93

6-6-1-2- ماژول ‏ورودی آنالوگ95

6-6-1-2-1- عملکرد ماژول‏های آنالوگ ورودی96

6-6-1-3- ماژول آنالوگ خروجی97

6-6-1-4- کارت شبکه97

6-7- سایر اجزای سخت‏افزاری فرآیند مورد مطالعه98

6-7-1- شیر برقی98

6-7-2- سنسور دما از نوع RTD98

6-7-3- سنسور فشار100

6-8- نرم‏افزار سیستم و زبان برنامه‏نویسی101

6-9- طراحی موج PWM برای اعمال به هیتر102

فصل هفتم104

7- پیاده‏سازی روش‏های کنترل مدل پیش‏بین روی PLC97

7-1- مقدمه97

7-2- پیاده‏سازی روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته برای فرآیندهای دما و سطح..........................................................................................................................98

7-2-1- استخراج ماتریس‏های کنترلی روش GPC برای افق کنترل و پیش‏بین 698

7-2-2- پیاده‏سازی روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته برای فرآیند حرارتی101

7-2-3- پیاده‏سازی روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته برای فرآیند سطح107

7-3- پیاده‏سازی کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی112

7-3-1- پیاده‏سازی کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیند حرارتی112

7-3-2- پیاده‏سازی کنترل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیند سطح114

7-4- طراحی و تنظیم پارامترهای کنترل‏کننده سنتی PID117

7-4-1- ترم تناسبی کنترل‏کننده PID117

7-4-2- ترم انتگرال‏گیر کنترل‏کننده PID119

7-4-3- ترم مشتق‏گیر کنترل‏کننده PID120

7-4-3-1- مشتق‏گیر با فیلتر121

7-5- پیاده‏سازی کنترل‏کننده PID122

7-5-1 پیاده‏سازی کنترل‏کننده PID برای فرآیند حرارتی122

7-5-2- پیاده‏سازی کنترل‏کننده PID برای فرآیند سطح125

7-6- پیاده‏سازی کنترل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیند دومتغیره126

7-7- طراحی کنترل‏کننده PID همراه با جبرانساز برای فرآیند دو متغیره دما و سطح........................................................................................................................136

7-8- استفاده از مدل چندگانه در روش کنترل مدل پیش‏بین برای فرآیند چندمتغیره140

فصل هشتم145

8- جمع‏بندی و پیشنهادات146

8-1- جمع‏بندی146

8-2- پیشنهادات148

منابع149

پیوست‏ها154

پیوست (الف)154

پیوست (ب)158

فهرست جدول‏ها

عنوان صفحه

جدول 5-1. خلاصه‏ای از توابع شبکه.66

جدول 5-2. توابع فعالسازی و مشتق آن‏ها.66

جدول 5-3. الگوریتم‏های بهینه‏سازی غیرخطی تکرارپذیر برای محاسبه ماتریس وزنی شبکه MLP.70

جدول 5-4. مشخصات شبکه عصبی.72

جدول 7-1. مقایسه روش GPC استاندارد و صنعتی با کنترل‏کننده PI برای فرآیند دما.125

جدول7-2. مقایسه روش GPC استاندارد و صنعتی با کنترل‏کننده PI برای فرآیند سطح126

فهرست شکل‏ها و تصاویر

عنوان صفحه

شکل 2-1. ساختار داخلی یک کنترل کننده قابل برنامه‏ریزی10

شکل 2-2. اجزای یک PLC ماژولار11

شکل4-1. ساختار کلی کنترل‏کننده MPC34

شکل 4-2. قانون کنترل GPC40

شکل 4-3. ساختار کنترل‏کننده GPC صنعتی44

شکل 4-4. پارامترهای کنترلی45

شکل 5-1. رایج‏ترین مدل نرون بر اساس کار MsCulloch و Pitt65

شکل 5-2. مدل شبکه عصبی پرسپترون.67

شکل 5-3. نمونه‏ای از شبکه پرسپترون سه لایه69

شکل 5-4. تعداد ورودی و خروجیهای شبکه عصبی طراحی شده.71

شکل 5-5. رگرسیون داده‏های تست و داده‏های واقعی برای پارامتر .72

شکل 5-6. رگرسیون داده‏های تست و داده‏های واقعی برای پارامتر .72

شکل 5-7. رگرسیون داده‏های تست و داده‏های واقعی برای پارامتر .73

شکل 5-8. رگرسیون داده‏های تست و داده‏های واقعی برای پارامتر .73

شکل 5-9. ساختار کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیندهای MIMO.74

شکل 6-1. اینورتر مدل C2000.89

شکل 6-2. پمپ و اینورتر مسیر رفت.89

شکل 6-3. اینورتر مدل VFD-B.90

شکل 6-4. پایه‏های ورودی و خروجی اینورتر مدل VFD-B90

شکل 6-5. پایه‏های آنالوگ اینورتر90

شکل 6-6. نمایی از فرآیند دما و فشار در آزمایشگاه دانشگاه شیراز.92

شکل 6-7. PLC S7-300 به انضمام ماژول های آنالوگ در آزمایشگاه93

شکل 6-8. نحوه قرارگیری PLC روی Rack94

شکل 6-9. PLC S7-300 CPU312C94

شکل 6-10. مبدل MPI.95

شکل 6-11. شیر یرقی Valve 2pv250E.98

شکل 6-12. سنسور PT100.99

شکل 6-13. نحوه اتصال PT100 به کارت آنالوگ100

شکل 6-14. سنسور BCT110 و نحوه اتصال آن به کارت آنالوگ100

شکل 6-15. روند طراحی توابع مورد نیاز برای پیاده‏سازی روی PLC102

شکل 6-16. چگونگی طراحی موج PWM در نرم‏افزار simatic manager.103

شکل 7-1. دمای مخزن اول (خروجی)101

شکل 7-2. ولتاژ اعمالی به هیتر (درصد)101

شکل 7-3. نتیجه اعمال کنترل‏کننده GPC برای افق کنترل و پیش‏بین 6 برای مقادیر مختلف 103

شکل 7-4. سیگنال کنترل اعمال شده(درصد).104

شکل 7-5. مجموعه توابع ساخته شده برای پیاده‏سازی الگوریتم GPC برای افق کنترل و پیش‏بین 6.105

شکل 7-6. مقدار کمینه و بیشینه زمان اسکن برنامه.105

شکل 7-7. نتیجه اعمال کنترل‏کننده GPC با وقفه زمانی برای افق کنترل و پیش‏بین 6 برای مقادیر مختلف .106

شکل 7-8 سیگنال کنترل اعمال شده (درصد).106

شکل 7-9. تابع ساخته شده برای پیاده‏سازی الگوریتم GPC با افق کنترل و پیش‏بین 6 به همراه تاخیر.107

شکل 7-10. سطح مایع تانک اول (خروجی).108

شکل 7-11. فرکانس اعمال شده به اینورتر (درصد)108

شکل 7-12. نتیجه اعمال روش کنترل مدل پیش‏بین با افق کنترل و پیش‏بین 6 برای فرآیند سطح110

شکل 7-13. سیگنال کنترل اعمال شده (درصد)110

شکل 7-14. تابع ساخته شده در نرم‏افزار siamtic manager برای اعمال الگوریتم به فرآیند111

شکل 7-15. زمان اسکن برنامه111

شکل 7-16. نتیجه اعمال روش کنترل مدل پیش‏بین با افق کنترل و پیش‏بین 6 با مدل درجه 1 برای فرآیند سطح112

شکل 7-17. سیگنال کنترل اعمال شده (درصد)112

شکل 7-19. پیاده‏سازی IGPC برای .113

شکل 7-20. پیاده‏سازی IGPC برای .114

شکل 8-21. توابع ساخته شده برای محاسبه پارامترهای کنترل و سیگنال کنترل.115

شکل 7-22. نتیجه اعمال روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی با مقادیر مختلف برای فرآیند سطح.116

شکل 7-23. سیگنال کنترل اعمال شده (درصد)116

شکل 7-24. دياگرامبلوکيکنترلفرآيندباحلقهفيدبک117

شکل 7-25. دياگرامبلوکيکنترلفرآيندباحلقهفيدبکوحضورنويزواغتشاش118

شکل 7-26. تاثيرترمانتگرال‏گيردرکاهشخطايماندگارکنترل‏کننده PI119

شکل 7-27. تعبيرترممشتق‏گیر.120

شکل 7-28. نتیجه اعمال کنترل‏کننده PI در مقایسه با کنترل‏کننده P.123

شکل 7-29. سیگنال کنترل اعمال شده (درصد).123

شکل 7-30. پیاده‏سازی کنترل‏کننده PI برای فرآیند دما و مقایسه آن با روش IGPC124

شکل 7-31. پیاده سازی کنترل‏کننده PI برای فرآیند سطح125

شکل 7-32. داده‏های شناسایی و مدل تقریب زده شده متناظر برای فرآیند دو ورودی دو خروجی موجود در آزمایشگاه128

شکل 7-33. خروجی سطح در روش IGPC130

شکل7-34. خروجی دمای روش IGPC130

شکل 7-35. سیگنال کنترل اعمال شده متناظر با دما (درصد)130

شکل 7-36. سیگنال کنترل اعمال شده متناظر با سطح (درصد)131

شکل 7-37. نتیجه اعمال روش IGPC برای خروجی دما (سانتیگراد) و سیگنال کنترل متناظر آن (درصد).131

شکل 7-38. نتیجه اعمال روش IGPC برای خروجی سطح (سانتیمتر) و سیگنال کنترل متناظر آن (درصد).132

شکل 7-39. نتیجه اعمال روش IGPC برای خروجی دما و سیگنال کنترل متناظر (درصد).134

شکل 7-40. نتیجه اعمال روش IGPC برای خروجی سطح و سیگنال کنترل متناظر (درصد)134

شکل 7-41. مقایسه روش IGPC برای افق پیش‏بین 15 و 4135

شکل 7-42. یک سیستم دو متغیره با اثر متقابل136

شکل 7-43. بلوک دیاگرام کلی سیستم چند متغیره با جبران‏کننده137

شکل 7-44. سیستم کنترل جبرانساز138

شکل 7-45. نتایج اعمال کنترل‏کننده PI همراه با جبرانساز در مقایسه با روش IGPC.138

شکل 7-46. سیگنال کنترل اعمال شده در روش PI همراه با جبرانساز در مقایسه با روش IGPC برای خروجی دما.139

شکل 7-47. نتیجه اعمال روش PI همراه با جبرانساز در مقایسه با روش IGPC برای خروجی سطح.139

شکل 7-48. شکل هندسی نواحی کار مختلف سیستم141

شکل 7-49. نواحی کار در نظر گرفته شده برای فرآیند دو متغیره موجود درآزمایشگاه.141

شکل 7-50 . جدول Look Up142

شکل 7-51. خروجی سطح روش IGPC و سیگنال کنترل متناظر (درصد)143

شکل 7-52. اثر سیستم جبرانساز.143

شکل 7-53. خروجی دما روش IGPC و سیگنال کنترل متناظر در نقطه کار اول (درصد).143

شکل 7-54. خروجی دما روش IGPC و سیگنال کنترل متناظر در نقطه کار دوم (درصد).144

فصل اول

1- مقدمه

1-1-کنترل‏کننده‏های قابل برنامه‏ریزی (PLC[1])

نیاز به کنترل­کننده­هایی با هزینه کمتر، کاربرد متنوع­تر و سهولت استفاده بیشتر، منجر به توسعه
کنترل­کننده­های قابل برنامه­ریزی بر مبنای CPU[2]و حافظه شد و از آن­ها به صورت گسترده­ای در کنترل فرآیندها و ماشین­آلات استفاده گردید. کنترل­کننده­های قابل برنامه­ریزی در آغاز به عنوان جانشینی برای سیستم­های منطقی رله­ای و تایمری غیر قابل تغییر توسط اپراتور طراحی شدند تا به جای تابلوهای کنترل متداول قدیمی استفاده شوند. این کنترل­کننده­ها می­توانند برنامه­ریزی شوند و توسط کاربری که مهارت کار کردن با رایانه­ها را ندارد، مورد استفاده قرار گیرند. این کار به وسیله­ی اجرای دستورالعمل­های منطقی ساده که اغلب به شکل دیاگرام نردبانی هستند صورت می­گیرد و در واقع اجزای یک دیاگرام نردبانی یا یک برنامه نویسی ساده می­تواند جایگزین تعداد زیادی از سیم‏کشی‏های خارجی مورد نیاز برای کنترل یک فرآیند شود. PLC ها دارای یک سری توابع درونی از قبیل تایمرها، شمارنده­ها و شیفت رجیسترها می­باشند که امکان کنترل مناسب را حتی با استفاده از کوچکترین PLC نیز فراهم می­آورند.

یک PLC با خواندن سیگنال­های ورودی کار خود را شروع کرده و سپس دستورالعمل­های منطقی را که از قبل برنامه ریزی شده و در حافظه آن قرار دارد، بر روی این سیگنال­های ورودی اعم از دیجیتال و آنالوگ اعمال می­کند و در نهایت سیگنال خروجی مورد نظر را برای راه­اندازی تجهیزات فرآیند تولید می­نماید. تجهیزات استانداردی در درون PLC تعبیه شده که به آنها اجازه می­دهد مستقیما و بدون نیاز به واسطه­های مداری یا رله­ای، به المان­های خروجی یا محرک و مبدل­های ورودی متصل شوند، بنابراین تغییر در سیستم کنترل بدون نیاز به تغییر محل اتصالات سیم­ها ممکن شده و برای هر گونه تغییر کافی است که برنامه کنترلی که بر روی حافظه ی PLC ذخیره شده تغییر یابد [1].

1-2-ارتقاء و اعمال روش های کنترلی پیشرفته روی PLC ها

PLC یک رایانه کنترل فرآیند است که به علت مزایای فراوان ازجمله سرعت عملکرد مناسب، پردازش نسبتا سریع، عیب‏یابی ساده، مدت زمان کاری طولانی، داشتن استانداردهای صنعتی شناخته شده، قابلیت اعتماد بالا در برابر نویز و شرایط نامناسب محیطی و ... کاربرد گسترده­ای در صنعت دارد، با این وجود قابلیت اعمال روش‏های کنترلی پیشرفته و یا حتی کنترل­کننده­های پیوسته­ی ساده با بسیاری از PLC ها چندان میسر نمی­باشد [2]. امروزه روش­های مدلسازی و کنترلی پیشرفته جدیدی مطرح شده‏اند که به علت کمبود حافظه و قدرت پردازشی پایین اغلب PLC ها، پیاده­سازی این روش­های کنترلی پیشرفته روی PLC ها با محدودیت­هایی روبه‏رو شده است. بنابراین ایجاد روش­هایی که بتواند قابلیت­های PLC را جهت دستیابی به کنترل دقیق­تر بهبود بخشد، مورد توجه قرار گرفته‏اند.

روش­های مختلفی برای ارتقاء قابلیت PLC ها وجود دارد. یک روش ساده و در عین حال پرهزینه برای ارتقاء قابلیت PLC های قدیمی جایگزین کردن آن­ها با PLC های جدیدتر با قدرت پردازشی بالاتر است و یا اگر PLC ماژولار باشد با افزودن ماژول­ها و کارت­های پیشرفته می‎‏توان قابلیت آن را افزایش داد. روش دیگری که می‏تواند قابلیت PLC ها را بالا ببرد ارتباط آن با کامپیوتر جانبی همرا با نرم‏افزارهای قدرتمند و پیشرفته­ای همچون Labview و Matlab می­باشد. این نرم‏افزار­ها از آنجا که در محیط­های آکادمیک مورد استفاده قرار می­گیرند برنامه­نویسی­های پیشرفته­ی مختلفی با استفاده از آن­ها قابل اجرا است. البته یک بستر ارتباطی برای ارتباط بین PLC و این نرم افزارها لازم است. این ارتباط ازطریق OPC [3، 4] امکان­پذیر است.

از طرف دیگر در سال­های اخیر روش­های کنترلی پیشرفته­ای مطرح شدند. کنترل مدل پیش بین (که در آن از مدل سیستم برای کمینه کردن یک تابع هزینه به منظور محاسبه سیگنال کنترل بهینه استفاده می­شود) یکی از روش­های قدرتمند کنترل پیشرفته است که به عنوان یک کنترل­کننده­ی قابل اطمینان در صنایع نیز مورد توجه بسیار قرار گرفته است، بنابراین پیاده­سازی این الگوریتم و سایر الگوریتم­های کنترلی پیشرفته به روش­های مختلف روی PLC ها و جایگزینی این روش­ها با روش­های کنترل سنتی مرسوم همچون PID[3]، به موضوعی جالب و قابل توجه تبدیل شده است.

[1]Programmable Logic Controller

[2]Central Processing Unit

[3]Proportional Integral Derivative controller