Analýza řízení otáček elektrických pohonů firmy Siemens ovládaného pomocí USS protokolu

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

FAKULTA MECHATRONIKY

A MEZIOBOROVÝCH INŽENÝRSKÝCH STUDIÍ

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Analýza řízení otáček elektrických pohonů firmy Siemens ovládaného pomocí USS protokolu

2003 Pavel Pirkl

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

FAKULTA MECHATRONIKY

A MEZIOBOROVÝCH INŽENÝRSKÝCH STUDIÍ Studijní program: 2612M Elektrotechnika a informatika

Studijní obor: 2612T Automatické řízení a inženýrská informatika

Analýza řízení otáček elektrických pohonů firmy Siemens ovládaného pomocí USS protokolu

Analysis of Siemens electric drives turn control operated by the USS protocol Pavel Pirkl

Vedoucí práce: Doc. Ing. Aleš Richter, Csc.

Technická univerzita Liberec Konzultant: Ing. Petr Přívratský

Technická univerzita Liberec Rozsah práce a příloh:

Počet stran textu: 78 Počet obrázků: 56 Počet tabulek: 16 Počet vzorců: 35 Počet příloh: 2 Počet CD – ROM: 1

Tady bude zadání DP

Anotace

Diplomová práce se zabývá analýzou řízení otáček elektrických pohonů firmy Siemens ovládaného pomocí USS protokolu.

Cílem práce je provést časovou analýzu generování otáček PLC automatem v závislosti na komunikačních parametrech. Získané poznatky dále aplikovat na zlepšení kvality generovaného průběhu otáček ( sinusový, lichoběžníkový ). Dosažené výsledky ověřit na lince pro výrobu netkaných textilií měřením otáček pracovního válce agregátu ROTIS.

Abstract

The diploma focuses on an analysis of Siemens electric drives turn control operated by the USS protocol.

The aim is to make a time analysis of generating turns by PLC in relation to communication parameters. Obtained knowledge is applied to quality improvement of the generated turns waveform ( sine, trapezoidal ). Attained results are proved on a line for unwoven production by measuring turns of a working cylinder of the aggregate ROTIS.

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).

Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé diplomové práce a prohlašuji, že souhlasím s případným užitím mé diplomové práce.

Jsem si vědom toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.

V Liberci 23. 5. 2003 ………..

Pavel Pirkl

Místopřísežné prohlášení

„Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.“

Poděkování

Za pomoc při řešení diplomové práce bych rád poděkoval vedoucímu práce Doc. Ing. Aleši Richterovi, Csc. a konzultantovi Ing. Petru Přívratskému, že mi ochotně umožnili získat cenné odborné informace formou konzultací a technické dokumentace.

OBSAH

SEZNAM POUŽITÝCH TERMÍNŮ, ZKRATEK A SYMBOLŮ... 9

1 ÚVOD ... 11

2 TEORETICKÝ ROZBOR USS PROTOKOLU... 12

2.1 OBECNÝ POPIS KOMUNIKACE... 12

2.2 POPIS USS INSTRUKCÍ... 12

2.3 VÝVOJOVÉ DIAGRAMY USS ^PROTOKOLU... 13

2.3.1 Inicializace USS protokolu ... 16

2.3.2 Vytvoření kruhového seznamu ... 18

2.3.3 Příprava telegramu pro adresovaný měnič ... 19

2.3.4 Vysílání, příjem a zpracování telegramů... 20

3 SESTAVENÍ UNIVERZÁLNÍHO PŘÍPRAVKU ... 24

3.1 POŽADAVKY NA UNIVERZÁLNÍ PŘÍPRAVEK... 24

3.2 NÁVRH PŘÍPRAVKU A JEHO OMEZENÍ... 24

3.3 SEZNAM POTŘEBNÝCH SOUČÁSTEK... 25

3.4 ZAPOJENÍ VSTUPŮ PLC AUTOMATU... 25

3.5 ZAPOJENÍ VÝSTUPŮ PLC ... 28

3.6 VÝROBNÍ VÝKRES... 29

3.7 CELKOVÉ ELEKTRICKÉ SCHÉMA PŘÍPRAVKU... 30

4 ANALÝZA GENEROVÁNÍ OTÁČEK PLC AUTOMATEM... 32

4.1 PROGRAMOVÉ MĚŘENÍ ČASU MEZI TELEGRAMY... 32

4.1.1 Vývojový diagram měření doby obsluhy... 32

4.1.2 Tabulka hodnot doby obsluhy měničů ... 36

4.2 MĚŘENÍ ČASU MEZI TELEGRAMY NESOUCÍ HODNOTU OTÁČEK NA SKUTEČNÉM POHONU... 37

4.2.1 Volba průběhu otáček ... 37

4.2.2 Blokové zapojení pracoviště ... 38

4.2.3 Volba frekvence vzorkování a úprava naměřeného průběhu ... 38

4.2.4 Měření statické charakteristiky motoru... 39

4.2.5 Změřené průběhy otáček generované PLC automatem... 41

4.3 ZHODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ... 44

4.4 N^EDOSTATKY USS ^PROTOKOLU... 45

5 ZLEPŠENÍ KVALITY GENEROVANÉHO PRŮBĚHU OTÁČEK ... 46

5.1 STANOVENÍ PÁSMA IDEÁLNÍCH PROVOZNÍCH PODMÍNEK PRO GENEROVANÝ PRŮBĚH OTÁČEK... 46

5.2 VYUŽITÍ DOBY NÁBĚHU A DOBĚHU ELEKTRICKÝCH POHONŮ PRO GENEROVANÝ PRŮBĚH OTÁČEK... 47

5.2.1 Ukázka použití parametrů doby náběhu a doběhu na generovaném průběhu otáček... 47

5.3 MATEMATICKÉ ODVOZENÍ IDEÁLNÍ DOBY NÁBĚHU A DOBĚHU PRO SINUSOVÝ PRŮBĚH OTÁČEK... 50

5.3.1 Ověření vzorce pro výpočet ideální doby náběhu a doběhu na skutečném pohonu... 51

5.4 VYTVOŘENÍ PROGRAMU SIMULUJÍCÍ GENEROVANÝ PRŮBĚH OTÁČEK... 53

5.4.1 Porovnání naměřeného průběhu otáček s modelem... 53

5.5 URČENÍ KVALITY GENEROVANÉHO PRŮBĚHU OTÁČEK... 55

5.5.1 Obecné určení kvality generovaného průběhu otáček při ideální době náběhu a doběhu... 57

5.5.2 Obecné určení kvality generovaného průběhu otáček při nulové době náběhu a doběhu... 59

5.5.3 Obecné určení kvality generovaného průběhu otáček v závislosti na době náběhu a doběhu ... 59

5.5.4 Ověření obecného vztahu pro určení kvality na generovaném průběhu otáček ... 61

5.6 MATEMATICKÉ ODVOZENÍ IDEÁLNÍ DOBY NÁBĚHU A DOBĚHU PRO LICHOBĚŽNÍKOVÝ PRŮBĚH OTÁČEK... 62

5.6.1 Ověření vztahu pro nastavení ideální doby náběhu a doběhu na lichoběžníkovém průběhu otáček... 63

5.7 OBDÉLNÍKOVÝ PRŮBĚH OTÁČEK POHONU... 65

6 MĚŘENÍ OTÁČEK PRACOVNÍHO VÁLCE NA AGREGÁTU ROTIS... 66

6.1 POPIS AGREGÁTU ROTIS ... 66

6.2 NAMĚŘENÉ PRŮBĚHY OTÁČEK PRACOVNÍHO VÁLCE... 67

7 HODNOCENÍ ANALYZOVANÉHO USS PROTOKOLU... 72

8 ZÁVĚR... 74

SEZNAM PŘÍLOH ... 75

SEZNAM INFORMAČNÍCH PRAMENŮ... 76

L^ITERATURA... 76

SEZNAM OBRÁZKŮ... 77

SEZNAM TABULEK ... 78

Seznam použitých termínů, zkratek a symbolů USS Universelles Serielles

Schnittstellen – Protocol

Univerzální sériový protokol určení ke komunikaci s pohony

PPI Point-to-point Master/slave protokol – master adresuje slavy a oni odpovídají

FM frekvenční měnič Elektronické zařízení sloužící k napájení asynchronních a synchronních elektromotorů PLC Programmable Logic Controller Programovatelný logický automat

MicroMaster Označení pro frekvenční měniče firmy Siemens, při komunikaci se chovají jako podřízená stanice

Baud Jednotka míry pro modulační rychlost

( frekvenci ) signálu, popisuje množství informace přenesené za vteřinu, pro binární signály je roven rychlosti datového přenosu a platí 1 baud = 1 bit/s

Master Nadřazené zařízení při sériové komunikaci ( PLC automat )

Slave Podřízené zařízení při sériové komunikaci ( frekvenční měnič )

Scan cykl Jedná se o cyklus, který je prováděn při každém průchodu programem, při kterém se zjistí hodnota vstupů, provede se zadaný program a na jeho základě se nastaví výstupy

Freeport Jedná se o komunikaci definovanou

uživatelem, například USS protokol

čas klidu na sběrnici TK [s]

čas vysílání PLC automatem TV [s]

čas určený pro příjem telegramu TPT [s]

přenosová rychlost PR [Baud]

počet bitů jednoho znaku NBIT [bit/B]

celkový počet přenášených bitů NC [bit]

počet přenášených znaků NZ [B]

počet měničů v síti PM [-]

otáčky n [ot./min.]

střední otáčky generovaného průběhu OSTŘ [ot./min.]

amplituda generovaného průběhu otáček A [ot./min.]

perioda otáček T [s]

čas t [s]

časová základna osciloskopu CZ [s]

počet dílků osciloskopu PD [-]

počet vzorků na osciloskopu PV [-]

frekvence vzor. měřeného průběhu fMP [Hz]

napětí na tachodynamu UT [V]

otáčky odečtené na displeji měniče nD [ot./min.]

otáčky získané ze stroboskopu nS [ot./min.]

čas mezi jednotlivými pakety TPX [s]

maximální změna otáček nMZ [ot./min.]

maximální otáčky pohonu nMAX [ot./min.]

ideální doba náběhu TN_IDE [s]

ideální doba doběhu TD_IDE [s]

kvalita generovaného průběhu otáček Kvalita [%]

plocha mezi ide. a nasi. průběhem otáček S1 [ot./60]

plocha mezi ide. a střední hodnotou otáček S2 [ot./60]

počet vzorků na 1s fVZ [Hz]

počet vzorků na periodu T N [-]

nasimulovaný průběh otáček pohonu nSIM [ot./min.]

čas pro určení komunikační rychlosti TBAUD [s]

doba náběhu TN [s]

doba doběhu TD [s]

časy definu. lichoběžní. průběh otáček T1, T2, T3, T4 [s]

spodní otáčky lichoběžníkového průběhu OD [ot./min.]

horní otáčky lichoběžníkového průběhu OH [ot./min.]

1 ÚVOD

Technická univerzita v Liberci ve spolupráci s Výzkumným ústavem textilních strojů Liberec, a.s. se v posledních několika letech zabývá řízením linky na výrobu netkaných textilií označovaná pod názvem ROTIS. Do tohoto stroje vstupuje dvourozměrná textilie z mykacího stroje, která je následně přeměněna na trojrozměrnou strukturu. Pro řízení otáček asynchronních motorů této linky byl zvolen PLC automat S7-200 firmy Siemens, který umožňuje pomocí USS protokolu, vyvinutého touto firmou, ovládat otáčky pohonů dle specifického průběhu. Takto navržený systém umožňuje měnit tvar výstupní textilie, který přináší úsporu materiálu a řadu jiných výhod.

Jedná se relativně o pomalé spojení mezi měniči a PLC automatem, které přináší řadu nevýhod při řízení otáček pohonů. Především se jedná o kvalitu generovaného průběhu, která ve srovnání s požadovaným průběhem může být při překročení možností daného systému velmi odlišná. Tyto problémy vedly k zadání této diplomové práce, která se snaží je částečně kompenzovat nebo zcela eliminovat. Celá diplomová práce byla řešena obecně tak, aby mohla být aplikována na jinou výrobní linku, která by využívala podobného způsobu řízení pohonů.

Dále by tato práce měla odpovědět na otázku, zda je tento systém vhodný a postačující pro řízení libovolné výrobní linky.

V první části diplomové práce bylo sestaveno vývojové pracoviště obsahující daný PLC automat, frekvenční měnič s pohonem a programovatelný terminál. Nejprve byla provedena analýza volně přístupného protokolu dodávaného k frekvenčním měničům, pomocí něhož lze ovládat otáčky pohonů, dále nastavovat a číst parametry měniče. Pro tutu práci bylo rozhodující provést časovou analýzu generování otáček PLC automatem pro daný pohon na základě komunikačních parametrů. Nejprve byl proveden teoretický rozbor časové analýzy, který byl ověřen prakticky pomocí dvou metod. Dosažené výsledky byly aplikovány na zlepšení kvality generovaného průběhu otáček. K řešení dané problematiky byl vytvořen vhodný program, který umožňoval vyhodnocovat naměřené průběhy otáček a následně je simulovat dle zadaných parametrů.

V druhé části diplomové práce byly získané výsledky na laboratorním pracovišti ověřeny měřením na agregátu ROTIS.

2 TEORETICKÝ ROZBOR USS PROTOKOLU

Použitá literatura [1], [2], Program USS protokolu je umístěn na přiloženém CD-ROMu.

USS protokol verze 4 byl vyvinut firmou Siemens k řízení frekvenčních měničů typu MicroMaster pomocí PLC automatu S7–200. Jedná se o levné a relativně pomalé spojení mezi měničem a PLC automatem. Maximální přenosová rychlost, kterou mohu komunikovat, je pro měniče řady MicroMaster3 19200 Baud. Pro měniče řady MicroMaster4 je to 115200 Baud, avšak s touto maximální rychlostí mohu komunikovat pouze s PLC automatem S7-200 verze 1.2 a výše. Pro svoji diplomovou práci jsem dostal PLC automat řady 1.02, který umí komunikovat s měniči řady MicroMaster4 rychlostí 38400 Baud. Z těchto důvodů plynou jistá omezení použití USS protokolu pro praxi, která se snažím ve své diplomové práci řešit a částečně kompenzovat. V následujících kapitolách budu detailněji popisovat a rozebírat USS protokol, který jsem musel provést, abych tento princip komunikace pochopil a mohl sním dále pracovat ve své diplomové práci.

2.1 Obecný popis komunikace

USS protokol používáme pro sériovou komunikaci mezi PLC automatem a frekvenčními měniči. Komunikace je typu „master – slave“, kde master je nadřízený systém PLC automat a slave je podřízený systém frekvenční měnič. Sběrnice může obsahovat pouze jeden PLC automat a maximálně 31 měničů. PLC adresuje připojené měniče za sebou s daným úkolovým telegramem. Měniče po přijetí telegramu musí poslat telegram s odpovědí dříve, než PLC může adresovat další měnič. Připojené měniče nemohou komunikovat navzájem mezi sebou, ale pouze s nadřazeným systémem.Adresovaný měnič může poslat telegram s odpovědí pouze tehdy, je-li adresován PLC automatem s úkolovým telegramem tzn., že spojení je v „half-duplex“ módu.

2.2 Popis USS instrukcí

USS protokol verze 4 je napsán v programovém prostředí Step 7 MicroWIN SP1 a je volně přístupný uživateli. Obsahuje 14 podprogramů a 3 přerušovací procedury, které zabírají 2955B programové paměti. Proměnné USS protokolu vyžadují 396B datové paměti a některé z USS instrukcí potřebují 16B datovou paměť. Podprogramy USS protokolu obsahují 8 instrukcí, pomocí niž nastavujeme a řídíme komunikaci mezi PLC automatem a měniči.

Instrukcí USS4_INIT aktivujeme nebo deaktivujeme USS protokol na portu0 S7-200, nastavujeme přenosovou rychlost komunikace a adresy měničů zapojených do sítě.

Stejné adresy a komunikační rychlosti musíme nastavit i u frekvenčních měničů. Po úspěšné inicializaci může být zahájena komunikace mezi připojenými zařízeními. Instrukcí USS4_DRV_CTRL uvádíme motor do chodu na uvedené otáčky, nebo jej můžeme zastavit s pozvolným ( použije se doběhová rampa ) či rychlým doběhem ( nepoužije se doběhová rampa ). Pro každé připojené zařízení používáme jednu instrukci USS4_DRV_CTRL. USS protokol dále obsahuje 3 instrukce pro čtení parametrů měniče. Chceme-li číst parametry typu word použijeme instrukci USS4_RPM_W, pro parametry typu doubleword použijeme USS4_RPM_D a pro real USS4_RPM_R. Pro zápis parametrů do měniče používáme taktéž 3 instrukce USS4_WPM_W, USS4_WPM_D, USS4_WPM_R.

Je-li port0 propojen s měniči, nelze ho použít ke komunikaci s programem Step 7, k tomuto účelu slouží port1. USS instrukce používají pro své výpočty akumulátory AC0 – AC3 tzn., že výsledky různých operací ¹ musíme ukládat výhradně do datové paměti.

USS instrukce nelze použít v přerušovacím systému. Jenom jedna z instrukcí USS_RPM_x nebo USS_WPM_x může být aktivní současně.

2.3 Vývojové diagramy USS protokolu

USS protokol se skládá ze 14 podprogramů a 3 přerušovacích procedur.

Ve vývojových diagramech uvádím pouze 1 podprogram ( hlavním důvodem je přehlednost ) a 3 přerušovací procedury, které zachycují princip fungování USS protokolu. V hlavním programu je umístěná instrukce USS4_INIT ², kterou se aktivuje USS protokol. Dále zde mohou být umístěny instrukce USS4_DRV_CTRL, USS4_RPM_x nebo USS4_WPM_x pomocí kterých plníme telegramy pro jednotlivé měniče. V podprogramu „inicializace USS protokolu“ se provádí inicializace na portu0, vytváří kruhový seznam, připravuje telegram pro adresovaný měnič, nastavuje čas klidu na sběrnici před vysláním každého telegramu a povoluje přerušení od příjmu1. Po vypršení času klidu na sběrnici je spuštěn podprogram

„přerušení od příjmu1”, který vyšle připravený telegram měniči a povolí přerušení od vysílání. Po vyslání posledního znaku je spuštěn podprogram „přerušení od vysílání“, kde PLC automat začne přijímat odpověď od měniče a povoluje přerušení od příjmu2.

Po vypršení času určené pro příjem znaků je spuštěn podprogram „přerušení od příjmu2“, kde je zpracována příchozí zpráva.

Start

Uživatelský program

Má se inicializovat USS protokol?

NE

ANO

Uložení hodnot vstupů instrukcí USS4_CTRL, USS4_RPM_x,USS4_W

PM_x do paměťových buněk telegramů

Podprogram

„inicializace USS”

1

Obr. 2.3.1 Hlavní program 1. Scan cykl

Uživatelský program

Podprogram

„inicializace USS protokolu“

Inicializace USS protokolu na portu0, počet opakování=0

Vytvoření kruhového seznamu

Povol přerušení od příjmu1 Příprava telegramu pro adresovaný měnič

Nastav čas klidu na sběrnici podle přenosové

rychlosti = čas před vysláním telegramu 2

1

Obr.2.3.2 Podprogram inicializace USS protokolu

Začni přijímat znaky

Podprogram přerušení od příjmu1

Vyslání telegramu Povolení přerušení od vysílání

Obr. 2.3.3 Podprogram

Počet opakování při neúspěšném adresování pohonu probíhá jednou pokud ovládáme otáčky Podprogram přerušení

od příjmu2

Zpracuj příchozí zprávu

Nastala chyba příchozí zprávy?

NE Adresuj další

měnič ANO

2 Adresuj stejný

měnič

Počet opakování = 1?

ANO

Adresuj další 2 měnič, poč. opak.=0

Poč. opak.= poč. opak + 1 NE

Příchozí telegram ulož na výstup USS instrukcí,

poč. opak.=0 2

Obr. 2.3.5 Podprogram přerušení od příjmu2 Obr. 2.3.4 Podprogram

přerušení od vysílání Podprogram přerušení

od vysílání

Začni přijímat znaky od měniče Povolení přerušení od příjmu2

Nastav čas určený pro příjem zprávy

2.3.1 Inicializace USS protokolu

USS protokol aktivujeme na portu0 přivedeme-li na vstup „MODE“ instrukce USS4_INIT hodnotu 0. Vstupy „Baud“, „Active“ instrukce USS4_INIT nastavujeme na požadovanou rychlost komunikace a počet připojených měničů do sítě. Pro změnu parametrů instrukce USS4_INIT musíme protokol na portu0 nejprve deaktivovat a to tak, že přivedeme hodnotu 1 na vstup „MODE“. Po deaktivaci protokolu provedeme změnu komunikačních parametrů a USS protokol můžeme znovu aktivovat. S7-200 obsahuje dva komunikační porty. Port0 je určen pro USS protokol, ale to neznamená, že bych tento protokol nemohli provozovat i na portu1. Muse-li bychom však USS instrukce přizpůsobit portu1. Port0 je nastaven do tzv. „Freeport modu“. Jedná se o komunikaci definovanou uživatelem a základní komunikační parametry tohoto módu nastavujeme v registru SMB30 ( port0 ) nebo SMB130 ( port1 ).

Nastavení SMB30 nebo SMB130 ( Freeport control register ) Jedná se o 8 bitové registry s následujícím významem.

MSB LSB

7 0

p p d b b b m m

Obr. 2.3.1.1 Nastavení registrů SMB30 nebo SMB130

mm: nastavení protokolu 01= freeport mode ( aktivace USS protokolu ) 00=PPI/slave mode ( deaktivace USS protokolu ) bbb: přenosová rychlost komunikace 000=38 400 Baud

001=19 200 Baud 010= 9 600 Baud 011= 4 800 Baud 100= 2 400 Baud 101= 1 200 Baud 110= 115.200 Baud 111= 57.600 Baud ⁴ d: počet datových bitů na znak 0= 8 bitů na znak pp: nastavení parity 01= sudá parita

Dále v inicializační části nastavujeme počáteční a koncové podmínky instrukce pro příjem vysílaných znaků ( Receive instruction - RCV ) z frekvenčního měniče. Nastavuje se pomocí registrů SMB87 ( port0 ) nebo SMB187 ( port 1 ) a to následovně.

4 přenosové rychlosti 115 200 a 57 600 Baud lze použit u PLC automatů S7-200 řady 1.2 a výše

Nastavení SMB87 nebo SMB187 ( Receive Message control byte )

MSB LSB

7 0

en sc ec il c/m tmr bk 0

Obr. 2.3.1.2 Nastavení registrů SMB87 nebo SMB187

en: 1 = povolení přijímání znaků vyslaných z měniče

sc: 0 = ignoruje byte SMB88 nebo SMB188 ( detekce začátku zprávy pomocí def. znaku ) ec: 0 = ignoruje byte SMB89 nebo SMB189 ( detekce konce zprávy pomocí def. znaku) il: 1 = použije se hodnot uložených v SMW90 ( port0 ) nebo SMW190 ( port1 ) k definování počáteční podmínky přijímané zprávy, jedná se o tzv. idle time ( čas nečinnosti ). Po vykonání instrukce pro příjem vysílaných znaků ( RCV ) začíná idle time. Jestliže po tuto definovanou dobu přijde libovolný znak od vysílače je idle time obnoven. Po uplynutí této doby následuje funkce pro příjem zpráv tzn., že každý příchozí znak je uložen do zásobníku. Ukládání znaků probíhá až do vypršení koncové podmínky viz.

dále. Idle time ( čas nečinnosti ) není totožný s časem klidu na sběrnici před vysíláním, který uvádím ve vývojovém diagramu.V USS protokolu je idle time nastaven na 0 tzn., že příjem znaků začíná ihned. Jedná se pouze o shodná označení.

Obr. 2.3.1.3 Znázornění počáteční podmínky přijímaných zpráv Instrukce pro

příjem je vyřízena začíná idle time

Znak 1

Obnovení idle time Idle time vypršel začíná funkce pro

příjem zpráv

První znak je umístěn do

zásobníku

Znak 2 Znak 3 Znak 4

c/m: 1 = časovač je message timer ( časovač zprávy )

tmr: 1 = používá se hodnot uložených v registrech SMW92 nebo SMW192 k definování koncové podmínky pro příjem vysílaných znaků mluvíme o tzv. čase zprávy. Po inicializaci funkce pro příjem zprávy je spuštěn message timer a příchozí znaky jsou ukládány do zásobníku. Po uplynutí doby dané registry SMW92 nebo SMW192 je příjem znaků ukončen a je-li povoleno přerušení od příjímače je automaticky generováno.

Obr. 2.3.1.4 Znázornění koncové podmínky přijímaných zpráv

bk: 0 = ignoruj break podmínku

2.3.2 Vytvoření kruhového seznamu

Před vlastní komunikací si PLC automat vytvoří seznam adresovaných měničů, které jsou zapojeny v síti. Podle pořadí v seznamu jsou pak adresovány jednotlivé měniče. Pokud PLC dorazí na konec seznamu, automaticky přechází na začaték seznamu a adresování pokračuje dále. Mluvíme potom o tzv. „kruhovém seznamu”. Na dalším obrázku ukáži zapojení takové sítě s příkladem vytvoření kruhového seznamu.

Obr. 2.3.2.1 Zapojení sítě s PLC a měniči Master

„PLC“

Slave 5

“Měnič”

Slave 8

“Měnič”

Slave 22

“Měnič” Slave 31

“Měnič”

Znak 1

Začátek funkce pro příjem zpráv, začátek message timeru

Nastavený čas vypršel, konec zprávy, generuje se přerušení od příjmu

Znak 2 Znak 3 Znak 4

Slave s adresou 5 Slave s adresou 8 Slave s adresou 22 Slave s adresou 31

Obr. 2.3.2.2 Kruhový seznam

2.3.3 Příprava telegramu pro adresovaný měnič

Po vytvoření kruhového seznamu může PLC automat začít adresovat jednotlivé měniče. Nejprve si musí připravit task telegram ( úkolový telegram ), který obsahuje určitý úkol pro daný měnič.

STX LGE ADR PKE IND PWE STW HSW BCC

Obr. 2.3.3.1 Struktura task telegramu

STX (1B)… začátek telegramu, má vždy hodnotu 2

LGE(1B) … délka přenášených dat, nastavena na hodnotu 12 ADR(1B)… adresa měniče, kdo má přijmout telegram

PKE(2B)… číslo parametru frekvenčního měniče, který je čten nebo zapisován IND(2B)… číslo indexu daného parametru frekvenčního měniče

PWE(4B)… hodnota přečteného parametru nebo hodnota parametru, kterou chci uložit do frekvenčního měniče

STW(2B)… stavové slovo jedna frekvenčního měniče HSW(2B)… hodnota otáček frekvenčního měniče BCC(1B)… kontrolní součet předchozích buněk

Hodnoty paměťových buněk označené STX, LGE jsou pevně dány a nemění se.

Buňka ADR se musí aktualizovat podle kruhového seznamu. Pokud chci číst parametry frekvenčního měniče, použiji instrukci USS4_RPM_x. Hodnoty vstupů této instrukce DRIVE, PARM, INDEX ( adresované zařízení, parametr měniče, index parametru ) jsou uloženy do paměťových buněk ADR, PKE, IND úkolového telegramu a vyslány adresovanému měniči. Přečtená hodnota parametru je následně po příjmu odpovědi z měniče uložena do buňky PWE. Pro instrukci zápisu parametrů do měniče platí obdobný význam buněk jako u předchozí instrukce. Hodnota vstupu instrukce pro zápis označována jako VALUE ( hodnota parametru ) je vložena do paměťové buňky PWE.

Význam jednotlivých bitů stavového slova jedna ( STW ) je následující.

Bit STW Logická hodnota “1” Logická hodnota “0”

0 Uveď pohon do chodu Vypni pohon, rampový doběh

1 - Vypni pohon, volný doběh

2 - Vypni pohon, rampový doběh

3 Výstupní tranzistory odblokovány Výstupní tranzistory zablokovány 4 Rampový generátor odblokován Rampový generátor zablokován

5 - Rampový generátor zastaven

6 Žádaná hodnota odblokována Žádaná hodnota zablokována

7 Nulování poruchy -

8 Krokování vpravo -

9 Krokování vlevo -

10 Požadavek řízení z řídícího systému -

11 Záporná žádaná hodnota Kladná žádaná hodnota

12 - -

13 Motor potenciometr zvýšit -

14 Motor potenciometr snížit -

15 Dálkové ovládání sada dat v/v (CDS) Bit 0

Místní ovládání Tab. 2.3.3.1 Význam bitů stavového slova jedna

Hodnoty stavového slova jedna nastavujeme instrukcí USS4_CTRL, jejíž hodnoty vstupů jsou programově předány do paměťové buňky STW. Vstupy instrukce USS4_CTRL jsou následující RUN, OFF2 ,OFF3, F_ACK, DIR, DRIVE a SPEED. RUN vstup je nastaven chci-li daný pohon uvést do běhu. OFF2 je nastaven chci-li daný pohon zastavit pozvolna pokud RUN bit je nastaven na hodnotu 0. Do paměťové buňky STW je uložena opačná hodnota stavu OFF2 tzn., je-li OFF2=1, pak je v STW vložena hodnota 0. OFF3 je nastaven, chci-li daný pohon zastavit rychle. Do STW je uložena opět opačná hodnota. Vstupem F_ACK nulujeme poruchu na zařízení. Vstup DIR určuje směr otáčení pohonu. Drive je adresované zařízení. Hodnota 10b STW je nastavena vždy na logické hodnotě jedna. Zbylé bity stavového slova 1 nelze ovládat instrukcí USS4_CTRL. Do buňky HSW je vložena hodnota vstupu SPEED, která určuje rychlost otáčení daného pohonu. Pro každý měnič použiji novou instrukci USS4_CTRL. Do BCC vkládám kontrolní součet telegramu, který je vypočten pomocí logické funkce XOR.

2.3.4 Vysílání, příjem a zpracování telegramů

Velikost vysílaného telegramu je převážně 14B. Pokud zapisuji nebo čtu parametry typu doubleword nebo real frekvenčního měniče použije se telegram o velikosti 16B. Jeden byte je vysílán jako posloupnost 11 bitů ( 1 start bit, 8 datových bitů, 1 paritní bit, 1 stop bit ).

Před vysláním task telegramu danému měniči vyčká PLC automat kratičký okamžik

„čas klidu na sběrnici” odpovídající době vyslání třech znaků danou přenosovou rychlostí.

Tento čas je vytvořen pomocí funkce pro příjem znaků. Po vykonání instrukce pro příjem znaků ( RCV ) začne PLC automat číst znaky na sběrnici. Dá se předpokládat, že bude přijímat prázdné znaky, neboť na sběrnici nikdo nevysílá. Funkce přijímání zpráv bere ohled na nastavení počátečních a koncových podmínek PLC automatu. Čas idle time je nastaven na

nulu tzn., že příjem „prázdných“ znaků začíná ihned. Takto je nastavena počáteční podmínka přijímací funkce. Koncová podmínka je nastavena na čas klidu na sběrnici.

[ ]

N N PR

T_K = N^C = ^BIT ⋅ ^Z (2.3.4.1)

TK… čas klidu na sběrnici

NBIT… počet bitů jednoho znaku ( 11bitů ) NC… celkový počet přenášených bitů NZ… počet přenášených znaků PR… přenosová rychlost NZ=3 B, NC =33 bitů

PR [Baud] TK [ms]

1200 28

2400 14

4800 7

9600 4

19200 4

38400 4

Tab. 2.3.4.1 Čas klidu na sběrnici dle komunikační rychlosti

Hodnoty z tab. 2.3.4.1 jsou počítány dle vztahu 2.3.4.1 pro větší přenosové rychlosti je volen čas Tk=4 [ms]. Tyto hodnoty jsou používány v USS protokolu.

Po vypršení této doby PLC automat vyvolá podprogram přerušení od příjmu1 a začne vysílat telegram měniči po dobu danou přenosovou rychlostí komunikace a délkou vysílané zprávy. Čas vysílání PLC lze odvodit podle následujícího vztahu.

PR N N PR

T_V N^{C BIT} ⋅ ^Z

=

= (2.3.4.2)

TV… čas vysílání PLC automatem

PR [Baud] TV [ms]

NZ=14 B, NC =154 bitů TV [ms]

NZ=16 B, NC =176 bitů

1200 128,33 146,67

2400 64,17 73,33

4800 32,08 36,67

9600 16,04 18,33

19200 8,02 9,17

38400 4,01 4,58

Tab. 2.3.4.2 Čas vysílání PLC automatu

Po vyslání posledního znaku je volán podprogram „přerušení od vysílání“. PLC automat začne přijímat znaky z měniče. Funkce přijímání vysílaných zpráv bere ohled na nastavení počátečních a koncových podmínek PLC automatu. Čas idle time je nastaven na nulu tzn., že příjem znaků začíná ihned, co PLC automat vyslal poslední znak. Takto je nastavena počáteční podmínka přijímací funkce. Čas určený pro příjem zprávy je nastaven na hodnotu, která pokrývá součet doby zpracování zprávy měničem a doby potřebné pro vyslání telegramu s odpovědí. Tento čas je odvozen z přenosové rychlosti komunikace.

S rostoucí přenosovou rychlostí klesá.

PR [Baud] TPT [ms]

1200 225

2400 120

4800 70

9600 45

19200 35

38400 30

Tab. 2.3.4.3 Čas určený pro příjem zprávy dle komunikační rychlosti TPT… čas určený pro příjem telegramu

Hodnoty z tab. 2.3.4.3 jsou používány v USS protokolu.

Po vypršení doby určené pro příjem zprávy, PLC automat ukončí příjem vysílaných znaků a zpracuje přijatou zprávu. Pokud PLC automat zjistí, že při přenosu zprávy došlo k chybě, zopakuje vysílání. Počet opakování je nastaven na jedničku pokud ovládáme otáčky motoru. Pro čtení či změnu parametrů frekvenčního měniče je počet opakování nastaven na 5.

Pokud se ani při dalších opakováních nepodaří získat telegram s odpovědí, je nahlášena chyba odpovídajícího zařízení a PLC automat adresuje další měnič uvedený v kruhovém telegramu.

Obr. 2.3.4.1 Vysílání telegramů mezi PLC a měničem STX LGE ADR 1. N. BCC

STX LGE ADR 1. N. BCC BCC

STX

Master vysílá Slave vysílá

Čas klidu na sběrnici

Čas klidu na sběrnici Pauza před vysláním

odpovědi

PLC odvysílalo poslední znak, začíná příjem znaků od měniče po dobu danou message

timerem ( SMW92 )

Čas určený pro příjem zprávy

V následující tabulce uvádím celkový čas mezi jednotlivými pakety nesoucí hodnotu otáček od PLC automatu k měniči. Jedná se o součty časů: čas klidu na sběrnici před vysíláním, čas vysílání telegramu PLC automatem a čas určený pro příjem telegramu.

Jedná se pouze o teoretický čas, který se budu snažit v další části diplomové práce ověřit.

Dá se předpokládat, že výsledný čas bude větší, jelikož jsem do výsledku nezahrnul čas potřebný pro zpracování některých instrukcí mezi jednotlivými přerušeními. Pokud budu číst nebo zapisovat parametry typu word bude tabulka časů mezi pakety stejná.

NZ=14 B, NC =154 bitů

PR [Baud] TK [ms] TV [ms] TPT [ms] Celkový čas [ms]

1200 28 128,33 225 381,33

2400 14 64,17 120 198,17

4800 7 32,08 70 109,08

9600 4 16,04 45 65,04

19200 4 8,02 35 47,02

38400 4 4,01 30 38,01

Tab. 2.3.4.4 Čas mezi jednotlivými pakety nesoucí hodnotu otáček

Pokud budu zapisovat nebo číst parametry frekvenčního měniče typu real, doubleword pak čas mezi jednotlivými pakety je dán dle následující tabulky.

NZ=16 B, NC =176 bitů

PR [Baud] TK [ms] TV [ms] TPT [ms] Celkový čas [ms]

1200 28 146,67 225 399,67

2400 14 73,33 120 207,33

4800 7 36,67 70 113,67

9600 4 18,33 45 67,33

19200 4 9,17 35 48,17

38400 4 4,58 30 38,58

Tab. 2.3.4.5 Čas mezi jednotlivými pakety nesoucí parametry frekvenčního měniče typu real, doubleword

Čas určený pro příjem zprávy je nastaven tak, aby PLC automat dokázal v tomto časovém intervalu přijmout telegram o velikosti 14B nebo 16B. V diplomové práci se budu zabývat pouze řízením otáček pohonů tzn., že velikost vysílaného a přijímaného telegramu bude 14B. Čas určený pro příjem zprávy by se dal zmenšit a tím by se zkrátil celkový čas mezi jednotlivými telegramy nesoucí hodnoty otáček. V diplomové práci jsem se tímto zkracováním času nezabýval.

3 SESTAVENÍ UNIVERZÁLNÍHO PŘÍPRAVKU

Po obdržení příslušných komponent na katedře elektrotechniky a elektromechanických systémů jsem provedl návrh přípravku. Nakreslil jsem celkové elektrické schéma a výrobní výkres zahrnující rozmístění všech potřebných součástek. Na základě uvedených výkresů jsem objednal potřebné součástky a vlastnoručně zkonstruoval univerzální přípravek, který bude sloužit pro potřeby mé diplomové práce a dále bude využíván pro výuku.

Univerzální přípravek bude obsahovat následující komponenty.

1. PLC automat – výrobcem je firma Siemens, typ automatu S7-200 řady 1.02, typ procesoru CPU-226 DC/DC/DC

2. Zdroj stejnosměrného napětí – výrobcem je firma Siemens, typ zdroje SITOP 24; 3.5 3. Programovatelný terminál – výrobcem je firma APT, typ terminálu APT Premium

3.1 Požadavky na univerzální přípravek

Všechny vstupy a výstupy z PLC automatu vyvést na přípravek s možností připojení externích čidel a zátěží. Zdroj stejnosměrného napětí rovněž zpřístupnit na desku pro napájení externích zařízení. Provést signalizaci vstupů i výstupů vhodným indikačním zařízením.

Vstupy PLC automatu bude možno ovládat pomocí páčkových přepínačů. Součástí přípravku bude programovatelný terminál.

3.2 Návrh přípravku a jeho omezení

Přípravek jsem navrhl dle předchozích požadavků s jistými omezeními. Vstupy a výstupy z PLC automatu jsem vyvedl na zdířky a svorkovnice. Ke zdířkám jsem přivedl pouze 16 vstupů z PLC automatu s ohledem na celkovou velikost desky. Signalizaci vstupů a výstupů zajišťuji LED diodami. Vstupy PLC automatu lze ovládat jak pomocí páčkových přepínačů, tak i pomocí externích čidel. K výstupům lze připojit omezenou externí zátěž.

K PLC automatu je připojen programovatelný terminál pomocí něhož lze číst nebo zapisovat do proměnných PLC automatu. Na tomto univerzálním přípravku jsem schopen simulovat libovolnou logiku technologického procesu. Na základě uvedených specifikací jsem objednal potřebné součástky, navrhl celkové elektrické schéma a výrobní výkres s rozmístěním součástek.

3.3 Seznam potřebných součástek

Součástky uvedené v tabulce jsou vybírány z GM katalogu.

Typ Poznámka Skladové číslo Počet kusů Cena 1kusu Celkem SBZ BLACK Zdířky pro

banánek 811-005 32 5,- 160,-

SBZ BLUE Zdířky pro

banánek 811-006 32 5,- 160,-

SBZ RED Zdířky pro banánek

811-008 16 5,- 80,-

K201(BLACK) Pro klemu 808-003 32 17,- 544,-

P-KNX1 Páčkový

přepínač,1 pól, 2 polohy

631-003 16 11,- 176,-

RR 2K2 Metalizovaný odpor-0,6W

110-081 32 0.8,- 25.6,-

Objímka na LED diodu průměr

5mm

- - 32 2,- 64,-

L-HLMP-3502 Zelená LED dioda průměr 5 mm, 10mA

511-028 32 5,- 160,-

ARKZ950/5 Násuvná svorkovnice

821-037 12 63,- 756,-

Cena celkem: 2125.6,- Tab. 3.3.1 Seznam součástek

3.4 Zapojení vstupů PLC automatu

PLC obsahuje 24 binárních vstupů, které jsou opticky odděleny od procesoru. Logická

„1“ nastává při vstupním napětí 15 VDC ( odběr proudu 2,5 mA ) až 24 VDC ( 4 mA ), maximálně lze připojit 35 VDC po dobu 0,5 s . Logická hodnota „0“ nastává při vstupním napětí 0 – 5 VDC ( 1mA ). Zem stejnosměrného zdroje napětí připojíme ke svorkovnicím PLC označených M, 1M, 2M. Napětí +24V přivádíme k jednotlivým vstupům PLC ,označených Ix.x, buď pomocí přepínačů nebo externích čidel. Čidla připojujeme ke svorkovnici nebo ke zdířkám umístěným na přípravku. Po přepnutí příslušného přepínače, nebo aktivaci čidla ( na vstup Ix.x je přiveden signál +24V ) se rozsvítí LED dioda a vstup PLC se bude nacházet v logické „1“. Pokud používáme přepínačů, umístěných na přípravku, k aktivaci logické „1“, musíme propojit klemy daného vstupu a zároveň nesmíme používat svorkovnic a zdířek k připojení externího čidla. Pokud bychom používali současně páčkový přepínač a externí čidlo, mohlo by dojít ke zkratování zdroje!

Zapojení vstupu s použitím páčkového přepínače, bez použití externího čidla

Následující obrázek znázorňuje propojení PLC automatu s přípravkem. K aktivaci jednotlivých vstupů používáme páčkových přepínačů. Klemy daného vstupu jsou propojeny.

Při tomto propojení PLC automatu a přípravku nesmíme připojit externí čidlo k danému vstupu desky.

Obr. 3.4.1 Zapojení vstupu PLC automatu s použitím páčkového přepínače Poznámka:

Na zdířky přípravku je vyvedeno pouze 16 vstupů PLC automatu. Na svorkovnice je vyvedeno všech 24 vstupů.

Výpočet odporu R u LED diody

[ ]

=

=

= 2200

01 . 0

22

LED R

I

R U (3.4.1)

+24V Přepínač

Klema Klema

0V Ix.x

+24V 0V

1M

5k5Ω

PLC S7-200 2k2

LED ZDÍŘKY

PŘÍPRAVEK

0V 0V

+24V Ix.x SVORKOVNICE

Výpočet proudu tekoucí jedním vstupem při sepnutém přepínači ] [ 5500 14

22 2200

22

1 I I mA

I = _LED + _PLC = + = (3.4.2)

Pokud budou všechny přepínače sepnuty bude odběr proudu ]

[ 224 16

1*

_ I mA

I_{CEL IN} = = (3.4.3)

Zapojení vstupu s externím čidlem , bez použití páčkového přepínače

Následující obrázek ukazuje propojení externího čidla s přípravkem a PLC automatem. Při tomto zapojení nelze použít páčkových přepínačů umístěných na přípravku pro konkrétní vstup. Musíme přerušit propojení klem daného vstupu vyndáním měděného plíšku. K napájení externího čidla použijeme svorkovnic nebo zdířek umístěných na přípravku. Signál externího čidla přivedeme buď na svorkovnici Ix.x nebo zdířku Ix.x.

+24V Přepínač

Klema Klema

0V Ix.x

+24V 0V

1M

5k5Ω

PLC S7-200 2k2

LED ZDÍŘKY

PŘÍPRAVEK

0V 0V

+24V Ix.x SVORKOVNICE

EXTERNÍ ČIDLO NAPÁJENÍ ČIDLA

0V +24V

SIGNÁL

3.5 Zapojení výstupů PLC

PLC obsahuje 16 binárních výstupů. Po přivedení logické „1“ se na příslušném výstupu objeví proti zemi +24V. Jeden výstup lze zatížit maximálně 0,75 A. Celková zátěž výstupů by neměla přesáhnou 6A ( mám k dispozici pouze zdroj s maximálním odběrem 3.5 A ) . Ke každému výstupu je připojen paralelně odpor s LED diodou, která se rozsvítí po přivedení logické „1“ na konkrétní výstup. Zátěže k jednotlivým výstupům lze připojit přes svorkovnice nebo zdířky, které jsou vyvedeny na přípravku.

Obr. 3.5.1 Zapojení výstupu PLC s použitím externí zátěže Výpočet odporu Rz.

] [ 2200 10

22 mA

I_LED = = Iz_MAX =0,75−0,01=0,74[A] (3.5.1)

] [ 43 , 74 32 , 0

24 = Ω

=

=

MAX N

Iz

Rz U (3.5.2)

PLC S7-200

1M 1L+

0V +24V 0V

Ox.x 0V Ox.x

0V 2k2

PŘÍPRAVEK ZDÍŘKY SVORKOVNICE

ZÁTĚŽ 0V

+24V

Rz

Odběr proudu při rozsvícených LED diodách ( bez připojené externí zátěže ) na výstupu PLC.

[ ]

I

I_{CEL_OUT} = _LED ⋅16=160 (3.5.3)

Celkový odběr proudu při všech aktivních vstupech ( bez připojených externích čidel ), všech aktivních výstupech ( bez připojených externích zátěží ) a odběru PLC je roven.

[ ]

I I

I

I_CEL = _{CEL_IN} + _{CEL_OUT} + _PLC =224+160+500=884 (3.5.4)

Při zapojování externích čidel a zátěží musím brát ohled na zdroj stejnosměrného napětí, který mohu zatížit maximálním proudem 3.5 [A].

3.6 Výrobní výkres

Výrobní výkres univerzálního přípravku byl vytvořen v programu AutoCAD 2000.

Byl konstruován s ohledem na celkovou velikost desky, logické členění jednotlivých komponent a velikosti jednotlivých součástek.

3.7 Celkové elektrické schéma přípravku

Celkové elektrické schéma zachycuje propojení vstupů a výstupů PLC automatu se svorkovnicemi a zdířkami umístěných na desce.

Obr. 3.7.1 Celkové elektrické schéma přípravku

Obr. 3.7.2 Pohled na univerzální přípravek

4 ANALÝZA GENEROVÁNÍ OTÁČEK PLC AUTOMATEM

Cílem tohoto měření je určit čas mezi jednotlivými telegramy nesoucí novou hodnotu otáček pro konkrétní pohon v závislosti na počtu připojených měničů a různých komunikačních rychlostech. Tento čas potřebuji znát při dalším pokračování na své diplomové práci. Teoreticky jsem tento čas odvodil v kapitole 2.3.4 , kde jsou uvedeny pouze hodnoty pro jeden měnič a různé komunikační rychlosti. Provedl jsem měření času mezi telegramy přímo v programu USS protokolu a ověřil měřením na skutečném pohonu.

4.1 Programové měření času mezi telegramy

Doba obsluhy připojených měničů v síti je závislá na přenosové rychlosti komunikace a počtu připojených měničů. Jedná se o čas potřebný k předání všech telegramů mezi měniči uvedenými v kruhovém seznamu a PLC automatem během jednoho průchodu tímto seznamem. K tomu abych změřil tento čas, nepotřebuji fyzickou přítomnost měničů. PLC automat bude adresovat postupně měniče uvedené v cyklickém seznamu s daným úkolovým telegramem. Odpověď od jednotlivých měničů nedostanu, protože nejsou fyzicky přítomny.

Bude přijímat prázdné telegramy s odpověďmi od měničů v přesně definovaném časovém rozmezí dané komunikačními parametry. Jelikož PLC automat dostane prázdný telegram s odpovědí, pokusí se znova adresovat stejný měnič. Po neúspěšném opakování adresace stejného měniče bude vysílat úkolový telegram dalšímu měniči uvedeném v kruhovém seznamu. Výsledný čas obsluhy jednotlivých měničů by byl pak dvojnásobný. Musím proto upravit USS protokol, kde nastavím počet opakování při neúspěšném adresování z jedničky na nulu. Tím dostanu skutečný čas potřebný k obsluze připojených měničů. Doba obsluhy, připojených měničů zároveň určuje rychlost generování otáček na jednom měniči.

4.1.1 Vývojový diagram měření doby obsluhy

V hlavním programu je testována podmínka, jestli je povolen chod programu. Dále zde testuji podmínku, zda USS protokol není aktivní nebo došlo-li ke změně přenosové rychlosti komunikace a počtu připojených měničů. Pokud je podmínka splněna je USS protokol na port0 nejprve deaktivován pomocí podprogramu „deaktivace USS protokolu“ a následně aktivován podprogramem „aktivace USS protokolu“ s novými komunikačními parametry. Jestliže chceme změnit komunikační parametry, musíme USS protokol nejprve deaktivovat, protože je aktivní se starými parametry komunikace. Pokud bychom nedodrželi tento postup dojde k nahlášení chyby. Po úspěšné aktivaci bude PLC automat adresovat měniče uvedené v kruhovém seznamu. Předpokládám, že první měnič v kruhovém seznamu bude mít adresu 0. Pokud PLC dojde v seznamu na měnič s adresou 0, je předchozí hodnota času uložena do proměnné, časovač je následně nulován a spuštěn. Tento postup se neustále opakuje a doba obsloužení připojených měničů je obnovována v proměnné paměti.

Podprogram „přerušení od příjmu1“ a podprogram „přerušení od vysílání“ jsou stejné jako v kapitole 2.3. V podprogramu „přerušení od příjmu2“ je testován příchozí telegram, který je vždy prázdný, jelikož měniče nejsou fyzicky přítomny. V tomto případě následuje adresace dalšího měniče, jelikož počet opakování při neúspěšné adresaci je nastaven na nulu.

Program měření doby obsluhy bude uveden v příloze 2. Terminál používám k zadávání přenosové rychlosti komunikace a počtu připojených měničů. Z terminálu čtu hodnotu obsloužení připojených měničů.

Start programu

Deaktivace USS protokolu na portu0 Je povolen chod

programu?

ANO

Není USS protokol aktivován, ANO

nebo došlo ke změně přenosové rychlosti, počtu měničů?

Aktivace USS protokolu na portu0 NE

NE

Obr.4.1.1.1 Hlavní program

Podprogram „deaktivace USS protokolu“

Deaktivuj USS protokolu na portu0, povol PPI mód

Obr.4.1.1.2 Podprogram deaktivace USS protokolu

Vývojové diagramy podprogramu „přerušení od příjmu1“ a podprogramu „přerušení od vysílání“ jsou shodné jako v kapitole 2.3.

Obr.4.1.1.3 Podprogram inicializace USS protokolu

Podprogram

„inicializace USS protokolu“

Inicializace USS protokolu na portu0

Vytvoření kruhového seznamu 2

Je adresa

měniče = 0? Ulož čas do proměnné Nuluj časovač Spusť časovač NE

ANO

Povol přerušení od příjmu1 Příprava telegramu pro adresovaný měnič

Nastav čas klidu na sběrnici podle přenosové

rychlosti = čas před vysláním telegramu

Začni přijímat znaky Počet opakování=0

Podprogram přerušení od příjmu2

Zpracuj příchozí zprávu

Nastala chyba příchozí zprávy

NE

ANO

Počet opakování = 0?

ANO

Adresuj další 2 měnič NE

Obr. 4.1.1.4 Podprogram přerušení od přijmu2

Tento případ nemůže nastat, jelikož měniče nejsou fyzicky přítomny

Tento případ nemůže nastat, jelikož měniče nejsou fyzicky přítomny

4.1.2 Tabulka hodnot doby obsluhy měničů

Následující tabulka hodnot udává obsloužení připojených měničů v závislosti na komunikační rychlosti, nebo-li čas mezi jednotlivými pakety nesoucí hodnotu otáček pro konkrétní pohon. Časy jsou odečteny z terminálu a v tabulce jsou uvedeny v milisekundách.

PR[ Baud ] PM[-]

1200 2400 4800 9600 19200 38400

1 386 203 113 69 51 42

2 771 404 226 137 101 83

3 1156 606 338 206 151 124

4 1542 808 450 274 201 165

5 1927 1010 563 342 251 206

6 2313 1212 675 410 302 247

7 2698 1414 787 478 352 288

8 3083 1615 900 547 402 329

9 3469 1817 1012 615 452 370

10 3854 2019 1125 683 502 412

11 4238 2221 1237 751 552 453

12 4625 2422 1350 819 602 494

13 5010 2624 1462 887 653 535

14 5395 2826 1574 956 703 576

15 5780 3028 1687 1024 753 617

16 6166 3230 1799 1092 803 658

17 6552 3431 1911 1160 853 699

18 6937 3633 2024 1229 903 740

19 7322 3835 2136 1297 953 781

20 7707 4037 2248 1365 1004 822

21 8093 4239 2361 1433 1054 863

22 8477 4441 2473 1501 1104 904

23 8862 4642 2586 1570 1154 946

24 9249 4844 2698 1638 1204 987

25 9633 5046 2810 1706 1254 1028

26 10020 5248 2923 1774 1305 1069

27 10404 5450 3036 1842 1355 1110

28 10789 5651 3147 1911 1405 1151

29 11176 5853 3260 1980 1455 1192

30 11560 6055 3373 2047 1505 1233

31 11946 6257 3485 2115 1555 1274

Tab. 4.1.2.1 Doba obsluhy měničů v závislosti na komunikační rychlosti PM… počet měničů

4.2 Měření času mezi telegramy nesoucí hodnotu otáček na skutečném pohonu V předchozí kapitole jsem se zabýval SW měřením doby obsluhy frekvenčních měničů, které nebyly fyzicky připojeny. Pro ověření naměřených hodnot provedu nová měření, na skutečném asynchronním motoru napájeném frekvenčním měničem. PLC automatem budu řídit otáčky pouze jednoho měniče, na kterém jsem schopen simulovat průběh otáček libovolného počtu měničů zapojených k PLC automatu. Provedu stejnou změnu USS protokolu jako v předchozí kapitole, kde jsem změnil počet opakování po neúspěšném adresování nepřipojeného měniče a to na nulu. Tím zajistím, že USS protokol se bude chovat stejně jako v případě, že v síti jsou fyzicky přítomny všechny adresované měniče.

Průběh otáček pohonu musím zvolit tak, abych zjistil, kdy dochází ke změnám jednotlivých otáček. Pokud bych pohon řídil pouze konstantními otáčkami nebylo patrné, kdy dochází k potřebné změně otáček. Z tohoto důvodu budu volit průběh otáček, který se v čase mění.

Mohu použít například sinusový nebo trojúhelníkový průběh otáček. Program pro PLC automat a terminál bude uveden v příloze 2.

4.2.1 Volba průběhu otáček

Daný pohon budu ovládat podle sinusového průběhu otáček, jelikož se budu v dalších kapitolách zabývat zlepšováním kvality generovaného průběhu a v závěrečné kapitole budu dosažené výsledky ověřovat na lince pro výrobu netkaných textilií, kde jsou některé pohony řízeny dle tohoto průběhu.

Matematický popis sinusového průběhu otáček

[

]

2 )

sin( t ot A T

O

n= _STŘ + ⋅ ⋅π ⋅

( 4.2.1.1 ) n… otáčky sinusového průběhu

OSTŘ… střední otáčky sinusového průběhu A… amplituda sinusového průběhu otáček T… perioda otáček

t… čas

t[s]

n[ot/min]

OSTŘ

0 T

A

4.2.2 Blokové zapojení pracoviště

Součástí pracoviště je PLC automat, který ovládá otáčky asynchronního motoru. Na hřídeli motoru je připevněno tachodynamo nebo stroboskop pro snímání otáček motoru.

Napětí z tachodynama přivádím do digitálního osciloskopu a následně přes disketu do počítače, kde naměřená data dále zpracovávám. Pomocí přepínačů umístěných na přípravku uvádím motor do chodu. Terminál používám k zadávání přenosové rychlosti komunikace, počtu připojených měničů , parametrů sinusového průběhu otáček, jmenovitých otáček pohonu. Na terminálu zobrazuji aktuální otáčky pohonu.

FM… frekvenční měnič typu MicroMaster3 4.2.3 Volba frekvence vzorkování a úprava naměřeného průběhu

Frekvence vzorkování měřeného průběhu na osciloskopu je dána podle následujícího vztahu

[ ]

PV PV

PD T CZ

f_MP

= ⋅

= ⋅

= 1 1

( 4.2.3.1 )

CZ… časová základna osciloskopu PD… počet dílků osciloskopu

PV… počet vzorků vykresleného průběhu na osciloskopu

Maximální počet vzorků lze nastavit na 2000. Počet dílků je 10 a nedá se měnit.

Výsledný vztah nám ovlivňuje pouze časová základna a platí, že čím je časová základna menší, tím je frekvence vzorkování větší. Například pro časovou základnu 1s dokáži zobrazit průběh do 10s se vzorkovací frekvencí 200Hz. Při měření průběhu otáček se snažím, aby frekvence vzorkování byla co největší. Tím docílím co největší přesnosti měřeného průběhu.

Nejsou fyzicky připojeny

PLC FM1 Asynchronní

motor 1 Tachodynamo

Terminál Přepínače

Osciloskop

PC-Matlab FM2 Asynchronní

motor 2 FM31 Asynchronní

motor 31

Stroboskop

Obr.4.2.2.1 Blokové zapojení pracoviště

Naměřený průběh ukládám na disketu přímo z osciloskopu v podobě dat. Data obsahují dva sloupce s informací o čase a napětí, která lze po drobných úpravách načíst v programu Matlab. Průběh otáček získaný z tachodynama převádím na otáčky za minutu podle převodního vztahu uvedeného na štítku tachodynama.

.]

min / . [ 500 ot U

n = _T ⋅ ( 4.2.3.2 )

UT… napětí na tachodynamu n… otáčky motoru

4.2.4 Měření statické charakteristiky motoru

Cílem tohoto měření je zjistit převodní vztah mezi akčním zásahem vyslaným PLC automatem ( údaj otáček na displeji měniče ) a otáčkami, které naměřím na motoru pomocí tachodynama či stroboskopu. Na připojený pohon budu postupně posílat akční zásahy z PLC automatu, které mně určují rychlost otáčení pohonu. Akční zásah vyjadřuje otáčky pohonu v procentech z jmenovitých otáček. Pro můj pohon jsou jmenovité otáčky rovny 910 [ot./min]. Například akční zásah 20% odpovídá 182 [ot./min.]. Tento údaj by se měl objevit na displeji měniče. Akční zásah vyjadřuji v procentech, jelikož instrukce USS_CTRL potřebuje toto vyjádření otáček právě v procentech. Po rozběhu motoru změřím otáčky pohonu na displeji měniče ( akční zásah ), odečtením napětí na osciloskopu získaného z tachodynama a pomocí stroboskopu.

akční zásah [%] nD[ot./min.] nT[ot./min.] nS[ot./min.]

10 91 90 98

20 182 207 198

30 273 302 298

40 364 402 398

50 485 496 495

60 546 600 597

70 637 706 696

80 728 811 797

90 819 907 897

100 910 1018 996

110 1001 1111 1094

120 1092 1217 1193

130 1183 1318 1292

140 1274 1410 1390

150 1365 1504 1488

160 1456 1601 1588

170 1547 1702 1685

180 1638 1793 1784

Tab. 4.2.4.1 Tabulka hodnot pro statickou charakteristiku motoru nD… otáčky odečtené na displeji měniče

n … otáčky získané ze stroboskopu

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Akční zásah[%]

n[ot./min.]

Otáčky na displeji měniče Otáčky získané z tachodynama

Otáčky odečtené ze stroboskopu

Obr.4.2.4.1 Statická charakteristika nezatíženého motoru

Z uvedené tabulky a grafu vyplývá, že otáčky generované PLC automatem se shodují s otáčkami zobrazenými na displeji měniče.

platí, že

[ ]

[ ]

[

]

09 , 1

min / . 1

, 1

min / . 01

, 1

ot n n

ot n n

ot n n

D S

D T

S T

⋅

=

⋅

=

⋅

=

(4.2.4.1)

Závěrem lze říci, že otáčky změřené tachodynamem jsou o 10% větší, než otáčky odečtené na displeji měniče. Chci-li porovnávat otáčky změřené tachodynamem s otáčkami vysílanými z PLC automatu musím otáčky změřené na tachodynamu zmenšit o 10%. Tyto rozdíly jsou způsobeny tím, že motor je nezatížen a tím pádem jsou otáčky na hřídeli motoru zhruba o 10% větší než otáčky na displeji měniče. Měření otáček pomocí stroboskopu jsem prováděl, abych ověřil správnost měření tachodynama.

4.2.5 Změřené průběhy otáček generované PLC automatem

Důvody tohoto měření viz. kapitola 4.2 . Na fyzicky přítomný měnič budu vysílat sinusový průběh otáček. Provedu měření pro různý počet měničů s různou rychlostí komunikace. Statickou charakteristiku motoru jsem proměřoval proto, abych mohl porovnat průběhy získané měřením na tachodynamu se sinusovým průběhem otáček, který generuji PLC automatem . Průběh získaný z osciloskopu musím zmenšit o 10%. Doba náběhu, doběhu frekvenčního měniče je nastavena na nulu.

První měření je znázorněno na obr. 4.2.5.1, komunikační parametry a parametry sinusového průběhu jsou uvedeny pod grafem.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 200 400 600 800

1000 Ideální a skutečný průběh otáček pohonu

t[s]

n[ot./min.]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

200 300 400 500

600 Zvětšený pohled na vybranou změnu otáček pohonu

t[s]

n[ot./min.]

0.45

0.065

385ms

Obr. 4.2.5.1 Ideální a skutečný průběh otáček pohonu Komunikační parametry PR=1200 [Baud], PM=1

Parametry sinusového průběhu OSTŘ=500 [ot./min.], A=300 [ot./min.], T=5 [s]

Při komunikační rychlosti 1200 Baud a jednom měniči zapojeném v síti je doba mezi telegramy nesoucí hodnoty otáček rovna 385 [ms]. SW měřením jsem získal hodnotu 386 ms.

Druhé měření je znázorněno na obr. 4.2.5.2, komunikační parametry a parametry sinusového průběhu jsou uvedeny pod grafem.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0 200 400 600 800 1000

t[s]

n[ot./min.] Ideální a skutečný průběh otáček pohonu

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

400 500 600 700 800 900

t[s]

n[ot./min.] Zvětšený pohled na vybranou změnu otáček pohonu 0.273

0.07

203 ms

Obr. 4.2.5.2 Ideální a skutečný průběh otáček pohonu Komunikační parametry PR=2400 [Baud], PM=1

Parametry sinusového průběhu OSTŘ=500 [ot./min.], A=300 [ot./min.], T=2 [s]

Při komunikační rychlosti 2400 Baud a jednom měniči zapojeném v síti je doba mezi telegramy nesoucí hodnoty otáček rovna 203 ms. SW měřením jsem získal hodnotu 203 ms.

Třetí měření je znázorněno na obr. 4.2.5.3, komunikační parametry a parametry sinusového průběhu jsou uvedeny pod grafem.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0 200 400 600 800 1000

t[s]

n[ot./min.] Ideální a skutečný průběh otáček pohonu

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 400

500 600 700 800 900

t[s]

n[ot./min.] Zvětšený pohled na vybranou změnu otáček pohonu

0.095

0.319

224ms

Obr. 4.2.5.3 Ideální a skutečný průběh otáček pohonu Komunikační parametry PR= 4800 [Baud], PM=2

Při komunikační rychlosti 4800 Baud a dvou měničích zapojených v síti je doba mezi telegramy nesoucí hodnoty otáček rovna 224 ms. SW měřením jsem získal hodnotu 226 ms.

Čtvrté měření je znázorněno na obr. 4.2.5.4, komunikační parametry a parametry sinusového průběhu jsou uvedeny pod grafem.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0 200 400 600 800

t[s]

n[ot./min.]

Ideální a skutečný průběh otáček pohonu

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 100

200 300 400 500 600

t[s]

n[ot./min.] Zvětšený pohled na vybranou změnu otáček

0.09 0.36

270ms

Obr. 4.2.5.4 Ideální a skutečný průběh otáček pohonu Komunikační parametry PR=9600 [Baud], PM= 4

Parametry sinusového průběhu OSTŘ=400 [ot./min.], A=200 [ot./min.], T=2 [s]

Při komunikační rychlosti 9600 Baud a čtyřech měničích zapojených v síti je doba mezi telegramy nesoucí hodnoty otáček rovna 270 ms. SW měřením jsem získal hodnotu 274 ms.

Páté měření je znázorněno na obr. 4.2.5.5, komunikační parametry a parametry sinusového průběhu jsou uvedeny pod grafem.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0 200 400 600 800 1000

t[s]

n[ot./min.] Ideální a skutečný průběh otáček pohonu

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 400

500 600 700 800 900

t[s]

n[ot./min.] Zvětšený pohled na vybranou změnu otáček pohonu

0.36

0.157

203ms

Obr. 4.2.5.5 Ideální a skutečný průběh otáček pohonu Komunikační parametry PR=19200 [Baud], PM=4

Parametry sinusového průběhu OSTŘ=500 [ot./min.], A=300 [ot./min.], T=2 [s]

Při komunikační rychlosti 19200 Baud a čtyřech měničích zapojených v síti je doba mezi telegramy nesoucí hodnoty otáček rovna 203 ms. SW měřením jsem získal hodnotu 201 ms.

Měření při přenosové rychlosti 38400 Baud jsem nemohl provést, protože maximální komunikační rychlost měniče ( MicroMaster3 ) je 19200 Baud.

4.3 Zhodnocení dosažených výsledků

Provedl jsem měření času mezi jednotlivými pakety nesoucí hodnoty otáček přímo v programu USS protokolu a následně ověřil měřením na skutečném pohonu. Pro přehlednost uvádím tabulku dosažených výsledků u obou měření.

PR [Baud] PM[-] Čas mezi telegramy

( SW měření ) [ms] Čas mezi telegramy ( HW měření ) [ms]

1200 1 386 385

2400 1 203 203

4800 2 226 224

9600 4 274 270

19200 4 201 203

38400 - - -