Практическая работа №4

«Изучение технических характеристик и основ программирования регулятора температуры OMRON E5CN»

Цель работы:Изучение технических характеристик и основ программирования микропроцессорной системы управления на примеререгулятора температуры OMRON E5CN

Теоретическая часть

На рис. 1 показан внешний вид регулятора температурыOMRON E5CN. Пояснения к позиционным обозначениям рис. 1 даны в табл. 1.

Рис.1. Микропроцессорный регулятор температуры OMRON E5CN

Таблица1

№ п/п	Объект				Описание
1	Единицаизмерениятемпературы				Если для этого параметра выбрана единица "°С", тоВыводится "С"; при выборе "°F" выводится" F ".
2	Индикаторы	AL1		Тревога1. Загорается, если включён выход тревоги1.
		AL2		Тревога2. Загорается, если включён выход тревоги2.
		HВ		Вывод сигнала тревоги при сгорании нагревателя. Загорается при обнаружении сгорания нагревателя
		ОТ1		управляющий выход1		Загорается, если включёнуправляющий выход1 и/илиуправляющий выход2.
		ОТ2		управляющий выход2
		STP		СТОП. Загорается, если остановлено управлениеE5CN. Во время управления этот индикатор загорается послеостанова события или функции запуска/останова. Востальных случаях этот индикатор не горит.
		CMW		Управление записью при обмене данными. Загорается, если запись разрешена, и гаснет, если— запрещена.
5	Дисплей PV				Выводит значение измеряемой величины или типпараметра.
6	Дисплей SV				Выводит рабочую точку, рабочую переменную илизаданное значение(установку) параметра.
3,4,7,8	Кнопкиуправления			Клавиша выбора уровня.
				Клавиша выбора режима.
				Клавиша«вниз». При каждом нажатии этой клавишиосуществляется уменьшение значений, выводимых надисплейSV.
				Клавиша«вверх». При каждом нажатии этой клавишиосуществляется увеличение значений, выводимых надисплейSV.

В табл.2 представлены общие характеристики регулятора температурыOMRON E5CN

Таблица2

Параметр		Характеристика
Напряжение питания		От100 до240 VАС, 50/60 Гц	24 VАС, 50/60 Гц/24 VDC
Потребляемая мощность		7 ВА	4 ВА/ 3 Вт
Вход датчика		Термопара: K, J, T, E, L, U, N, R, S, B Платиновый термометр сопротивления: Pt100, JPt100 Бесконтактный термодатчик: От К10 до70 0С,от К60 до1200С, от К115 до1650С, от К160 до 2600С Вход напряжения: От 0 до 50 мВ.
Управляющий выход		Выход реле: SPST-NO, 250 B AC, 3 A (активная нагрузка)
Выход тревоги		SPST-NO, 250 B AC, 1 A (активная нагрузка).
Режимы работыконтроллера	ON/OFF	переменное включение/выключение выхода
	2-ПИД	режим ПИД-регулятора

На рис. 2 дана схема подключения входных и выходных сигналов, а такжепитания к контроллеру OMRON E5CN.

Рис. 2. Схема подключения входных и выходных сигналов контроллера

Источник питания подключается к клеммам9 и10. Клеммы 1 и2 предназначены для подключения управляющего выхода. Выход сигнала тревоги1 (ALM1) расположен на клеммах7 и8, а выход сигнала тревоги2 (ALM2) — на клеммах6 и 8. При использовании регулирования нагреванием и охлаждением выход сигнала тревоги2 может быть использован как выходом охлаждения. Чтобы отключить выход сигнала тревоги1 и обеспечить выход только сигнала тревоги выгорания нагревателя на клеммах7 и8, необходимо установить режим выхода сигнала тревоги1 в положение0.

Общая характеристика входа температурного регулятора представлена втабл. 3, схема подключения изображена на рис. 2.

Общая характеристика выхода температурного регулятора представлена втабл. 4, схема подключения изображена на рис. 2.

Таблица3

Тип входа	Значение
вход температуры
термопара	К, J, T, E, L, U, N, R, S или В
платиновый резистивныйдатчик	Pt 100, JPt 100
инфракрасный датчик	10 – 70 ºC, 60 – 120 ºC, 115 – 165 ºC, 160 – 260 ºC
вход по напряжению	0 – 50 мВ
аналоговый вход
по току	4 – 20 мА, 0 – 20 мА
по напряжению	1 – 5 В, 0 – 5 В, 0 – 10 В

Таблица4

Параметр	Значение
Количество и тип выходов	замыкающий релейный контакт
Допустимая нагрузка	Максимальная: 3 А при250 В постоянного тока. Минимальная: 10 мА при5 В постоянного тока.
Прочность реле	механическая– минимум10.000.000 операций электрическая– минимум100.000 операций

Регулятор температуры OMRON E5CN поддерживает два методарегулирования: 2-ПИД-регулирование и регулирование включением/выключением.

Метод регулирования выбирается с помощью параметра «PID / ON/OFF» на «уровне начальной настройки». При выборе значения этого параметра устанавливается 2-ПИД-регулирование, а при выборе значения — регулирование включением/выключением(по умолчанию):

- Регулирование включением/выключением (ON/OFF). При использованииРегулирования ON/OFF управляющий выход включается (ON), если текущее значение измеряемой величины ниже заданной точки. Управляющий выход выключается(OFF), если текущее значение измеряемой величины выше заданной точки;

- 2-ПИД-регулирование. Настройка производится с помощью АТ(автоматической настройки), ST (самонастройки) и ручной настройки. Для настройки ПИД-регулирования необходимо задать константы ПИД в параметрах «пропорциональная часть (Р)», «время интегрирования (I)» и «время дифференцирования(D)».

Режим ON/OFF. Двухпозиционное регулирование.При двухпозиционном регулировании (ON/OFF) управляющий выход отключается, если измеряемая в данный момент температура достигает предварительно установленной заданной точки (уставки). После того, как манипулируемаяпеременная отключается, температура начинает понижаться и регулирование снова включается. Эта операция повторяется в определённой точке (рис. 6). На этот раз значение, до которого температура должна понизиться, чтобы регулирование снова включилось, определяется параметром «гистерезис(нагрев)».

Кроме того, объём настройки манипулируемой переменной в соответствии с увеличением или уменьшением измеряемой величины определяется параметром «прямое/обратное регулирование».

При работе в режиме ON/OFF переходный процесс протекает подобно тому, который представлен на рис. 6. Текущее значение температуры поднимается выше уставки (перерегулирование)и далее качается около температуры уставки (качание).

Рис. 3. Принцип работы выхода температурного контроллера в режимеON/OFF

Переключение между регулированием2-ПИД и двухпозиционнымрегулированием (ON/OFF) выполняется с помощью параметра «PID / ON/OFF» (уровень начальной настройки). Если этот параметр установлен на «PiD» — значит выбрано регулирование2-ПИД, а при установке этого параметра на «onof» — выбирается двухпозиционное регулирование(ON/OFF). Значение по умолчанию: «onof».

Гистерезис. При двухпозиционном регулировании (ON/OFF) гистерезисиспользуется в качестве разности для переключения выхода в положение ON, когда температура отклоняется от требуемой заданной точки, а также для обеспечения стабильности вокруг заданной точки. Функции управляющего выхода «нагрев» и управляющего выхода «охлаждение» настраиваются в функциях гистерезиса «нагрев» и гистерезиса «охлаждение» соответственно.

В стандартном регулировании с помощью нагрева или охлаждения гистерезис можно настраивать только со стороны, приближающейся к заданной точке.

Рис. 4. Гистерезис температурного контроллера в режимеON/OFF

Трехпозиционное регулирование.При регулировании нагревом и охлаждением «мёртвую зону» (область, в которой оба управляющих выхода выключены) можно настраивать либо в сторону нагрева, либо в сторону охлаждения. Таким образом, становится возможным трёхпозиционное регулирование.

Рис. 5. Гистерезис при трехпозиционном регулировании

В табл. 5 представлены параметры режимаON/OFF.

Таблица5

Символ	Наименование параметра:уровень	Описание
	Стандарт/нагрев и охлаждение: Уровень начальной настройки	Задание метода регулирования
	PID / ON/OFF: Уровень начальной настройки	Задание метода регулирования
	Прямое/обратное регулирование: Уровень начальной настройки	Задание метода регулирования
	«Мёртвая зона»: Уровень настройки	Регулирование нагревоми охлаждением
	Коэффициент охлаждения: Уровень настройки	Регулирование нагревоми охлаждением
	Гистерезис(нагрев): Уровень настройки	Регулирование Вкл./Выкл.
	Гистерезис(охлаждение): Уровень настройки	Регулирование Вкл./Выкл.

*Для выполнения двухпозиционного регулирования ON/OFF задайте параметры «заданная точка», «PID / ON/OFF» и «гистерезис».

Режим2-ПИД-регулятора.Данный режим работы управляющего выходатемпературного контроллера объединяет качества П-, ПИ- и ПД-регуляторов(рис. 6)

Рис. 6. ПИД-регулирование

В режиме ПИД-регулирования температура устанавливается и поддерживается постоянной без качания(П-регулятор), смещение, возникающее при П-регулировании, компенсируется за счетинтегральной составляющей(ПИ-регулятор), а также происходит более быстрая отработка внешнего возмущающего воздействия(ПД-регулятор).

В этом режиме работы выхода ТК необходимо настроить относительный диапазон Р, интегральное время ТИ и дифференциальное время регулятора ТД.

При работе управляющего выхода контроллера в режиме ПИД-регулятора есть возможность автонастройки параметров регулятора. Но при этом могут возникнуть различные варианты переходных процессов изменения температуры. На рис.8 представлены возможные варианты протекания переходного процесса изменения температуры при автонастройке параметров ПИД-регулятора.

Автоматическая настройка. При выполнении автоматической настройки оптимальные константы ПИД для заданной точки во время выполнения программы автоматически устанавливаются путём принудительного изменения манипулируемой переменной для вычисления характеристик цели управления(что носит название «метод ограничения цикла» ).

Для выполнения АТ(автоматической настройки) задайте «on»: «выполнитьАТ», а для отмены АТ(автоматической настройки) задайте «off»: «отменить АТ».

АТ(автоматическую настройку) нельзя выполнять во время двухпозиционного регулирования(ON/OFF). Результат АТ(автоматической настройки) отражается в параметрах «пропорциональная часть(Р)», «время интегрирования(I)» и «время дифференцирования(D)» на «уровне настройки».

SТ(самонастройка). Функция ST (самонастройка) производит настройку от начала выполнения программы с целью вычисления констант ПИД и приведение их в соответствие с объектом регулирования. После вычисления констант ПИДST (самонастройка) не выполняется при последующих включениях, если заданная точка остается неизменной.

ST (самонастройка) выполняется, если параметр «ST» установлен в положение ON на «уровне начальной настройки». При работе функции ST следует обязательно подать питание на нагрузку, подключённую к управляющему выходу ON, одновременно с включением или до включенияE5CN.

Начальные условия SТ. Самонастройка с реакцией на скачок(SRT) запускается после начала выполнения программы и изменения заданной точки при соблюдении следующих условий( табл. 6)

Таблица6

В начале выполнения программы

При изменении заданной точки

1. Заданная точка отличается отзаданной точки, используемой привыполнении предыдущейSRT. 2. Температура в начале выполненияпрограммы меньше заданной точки во время возвратной операции и больше заданной точки во время прямой операции. 3. Отсутствие сброса при ошибкевхода. Выражение«заданной точкииспользуемой, при выполнениипредыдущейSRT» относится кзаданной точке, используемой длявычисления констант ПИДпредыдущей операциейSRT.

1. Новая заданная точка отличается от заданной точки, используемой при выполнении предыдущей SRT. 2. Во время обратной операциивеличина, полученная путём вычитания заданной точки перед изменением из новой заданной точки, превышает устойчивый диапазон ST. Во время прямой операции величина, полученнаяпутём вычитания новой заданной точки из заданной точки перед изменением, превышает устойчивый диапазон ST. 3. Ширина изменения заданной точки превышает «текущую областьпропорциональности х1,2+4».

Константы ПИД не задаются для текущей, предварительно заданной самонастройкой(ST), точки в следующих случаях:

(1) Если константы ПИД изменялись вручную.

(2) После выполнения автоматической настройки(АТ).

Ниже представлены возможные представлены варианты переходных процессов нагрева(рис. 7), возможные при различных вариантах автонастройки ПИД-регулятора:

Рис. 7. Примеры переходных процессов при автонастройке ПИД-регулятора

а) данный переходный процесс возможен при слишком большом Р. В этом случае перерегулирование подавляется, но для этого необходимо сравнительно большое время достижения уставки;

б) переходный процесс при заниженном Р. Текущее значение температуры достигнет уставки за сравнительно малое время, но при этом возможно перерегулирование и качание прежде, чем температура установится;

в) переходный процесс, возможный при завышенном ТИ. В данном случае уменьшается перерегулирование, недорегулирование и качание, но для этого необходимо сравнительно большое время;

г) переходный процесс, возникающий при слишком низком ТИ. Текущее значение температуры достигнет уставки за короткое время, но при этом возможно перерегулирование, недорегулирование и качание;

д) переходный процесс, возникающий при слишком высоком ТД. Текущее значение температуры достигнет уставки за короткое время, но при этом возможно небольшое перерегулирование и пульсации из-за изменения текущего значения температуры;

е) переходный процесс, возможный при завышенном ТД. В этом случае необходимо большое время для установления заданной температуры. Процесс протекает с большим перерегулированием и провалами. Дополнительно к управляющему выходу в температурном контроллере установлен сигнальный выход, который в соответствии с выбранным режимом работы сигнализирует о выходе температуры за установленную границу или, наоборот, о нахождении текущего значения температуры в заданных пределах.

В табл. 7 приведены возможные режимы работы и диаграммы, поясняющие принцип работы сигнального выхода в каждом режиме.

Таблица7

Заданное значение	Тип тревоги	Функционирование выхода тревоги
		Когда значение Хтревогиположительно	Когда значение Хтревогиотрицательно
0	Функция тревогиотключена(OFF)	Выход отключен(OFF)
*1 1	Вне установленных пределов отклонения(отклонение)		2*
2	Выше установленного (отклонение)
3	Ниже установленного (отклонение)
*14	В установленных пределах отклонения		2*
*15	Вне установленных пределов отклонения с ожиданием следствия		2*
6	Выше установленного предела отклонения с ожиданием следствия
7 8	Ниже установленного предела отклонения с ожиданием следствия Выше установленного предела отклонения от 0
9	Ниже установленного предела отклонения от 0
10	Выше установленного предела отклонения от 0 с ожиданием следствия
11	Ниже установленного предела отклонения от 0 с ожиданием следствия

*1: Для заданных значений тревоги1, 4 и5 значения превышения нижнего и верхнего установленного предела отклонения может устанавливаться независимо для каждой точки тревоги (выражены «L» и «H»). Значение по умолчанию: «2».

*2: Если оба или одно из заданных значений «L» и «H» являются отрицательными, то функция выхода тревоги может быть настроена следующим образом:

Рис. 8. Функция выхода сигнала тревоги

Программирование контроллера OMRON E5CN и управление им ведётся только с кнопочной панели. На рис. 9 представлена общая схема программирования и работы температурного контроллера. Некоторые параметры недоступны и не отображаются при определенных параметрах защиты и условиях эксплуатации. При переключении с уровня эксплуатации на уровень начальной установки регулирование останавливается.

Рис. 9. Общая схема программирования температурного контроллераE5CN

На рис. 10 – представлены схемы программирования температурного контроллера E5CN на различных уровнях. В табл. 8 –14 представлено описание программных уровней с указанием кода параметра на индикаторе контроллера, его названия и диапазона регулирования. Стоит отметить, что в таблицах представлены только те параметры, которые необходимы при программировании данной конфигурации температурного контроллера.

Рис. 10. Программирование температурного контроллера на уровнях эксплуатации, настройки, защиты и настройки связи

Рис. 11. Программирование температурного контроллера на уровнях начальной настройки и расширенной конфигурации

Таблица 8

Код на дисплее	Название параметра	Диапазон настройки
	Диапазон отображения входа датчика
	От нижнего предела заданной точки(SP) до её верхнего предела
	Мульти-SP	От 0 до 3
	Заданная точка при линейном Изменении SP	От нижнего до верхнего пределазаданной точки (SV)
	Монитор значения тока нагревателя	От 0.0 до 55.0
	Запуск/останов регулирования	Запуск/останов
	Значение тревоги1	От–1999 до 9999
	Верхний предел тревоги1	От–1999 до9999
	Нижний предел тревоги1	От–1999 до9999
	Значение тревоги2	От–1999 до9999
	Верхний предел тревоги2	От–1999 до9999
	Нижний предел тревоги2	От–1999 до9999
	MV монитор(нагревание)	От–5.0 до105.0 (стандартный)
		От 0.0 до105.0 (нагрев и охлаждение)
	MV монитор(охлаждение)	От 90.0 до105.0

Таблица 9

Код на дисплее		Название параметра		Диапазон настройки
		Выполнить/отменить АТ		ON/OFF
		Запись обмена данными		ON/OFF
		Монитор значения тока нагревателя		От0.0 до55.0
		Обнаружение выгорания нагревателя		От0.0 до55.0
		Заданная точка 0		От нижнего до верхнего пределазаданной точки(SP)
		Заданная точка 1		От нижнего до верхнего пределазаданной точки(SP)
		Заданная точка 2		От нижнего до верхнего пределазаданной точки(SP)
		Заданная точка 3		От нижнего до верхнего пределазаданной точки(SP)
	Смещение термовхода		От–199.9 до999.9
	Верхний предел смещения		От–199.9 до999.9
	Нижний предел смещения Пропорциональное звено		От–199.9 до999.9 От0.1 до999.9
	Время интегрирования		От0 до3999
	Время дифференцирования		От0 до3999
	Коэффициент охлаждения		От0.01 до99.99
	«Мёртвая зона»		От–199.9 до999.9
	Значение ручного сброса		От0.0 до100.0
	Гистерезис(нагревание)		От0.1 до999.9
	Гистерезис(охлаждение)		От0.1 до999.9

Таблица 10

Код на дисплее	Название параметра	Диапазон настройки
	Тип входа*	Платиновый термометр сопротивления	0: Pt100, 1: Pt100, 2: Pt100, 3:JPt100, 4: JPt100
		Термопара	0: K, 1: K, 2: J, 3: J, 4:T, 5: E, 6: L, 7: U, 8: N, 9: R, 10: S, 11: B
		Бесконтактный термодатчик	12:от К10 до700С 13:от К60 до1200С 14:от К115 до650С 15:от К160до260 0С
		Аналоговый вход	16: от0 до50 мА
	Верхний предел масштабирования	От нижнего предела масштабирования+ 1 до9999
	Нижний предел масштабирования	От–1999 до верхнего предела масштабирования- 1
	Десятичная точка	0.1
	Единица измерения температуры	0С,0F
	Верхний предел заданной точки	От нижнего пределаSP+1 до нижнего значения диапазона входа (температура)
		От нижнего пределаSP+1 до верхнего предела масштабирования (аналог)

Окончание таблицы10

	Нижний предел заданной точки	От нижнего предела диапазонавхода до верхнего пределаSP-1(температура)
		От нижнего предела масштабирования до верхнего пределаSP-1 (аналог)
	PID / ON/OFF	2 PID, ON/OFF
	Стандартный/нагрев и охлаждение	Стандартный, нагрев и охлаждение
	ST	ON/OFF
	Период управления(нагрев)	От1 до99
	Период управления(охлаждение)	От1 до99
	Прямое/обратное управление	Прямое/обратное управление
	Тип тревоги1	0:Функция тревоги выключена(OFF) 1:Тревога верхнего и нижнего пределов 2:Тревога верхнего предела 3:Тревога нижнего предела 4:Диапазон верхнего и нижнего пределов 5:Тревога верхнего и нижнего пределов с ожиданием следствия 6:Тревога верхнего предела с ожиданием следствия 7:Тревога нижнего предела с ожиданием следствия 8:Тревога верхнего предела абсолютного значения 9:Тревога нижнего предела абсолютного значения 10:Тревога верхнего предела абсолютного значения с ожиданием следствия 11:Тревога нижнего предела абсолютного значения с ожиданием следствия
	Тип тревоги2	То же, что и тип тревоги1
	Переход на уровень настройки расширенной функции	От–1999 до9999

Таблица 11

Код на дисплее	Название параметра	Диапазон настройки
	Инициализация параметров	ON/OFF
	Кол-во используемых мульти-SP	От0 до2
	Назначение функционального входа 1	Нет, запуск/останов
	Назначение функционального входа2	Нет, запуск/останов
	Использование мульти-SP	ON/OFF
	Линейное изменение заданной точки	OFF, от1 до9999
	Метод сброса ожидания следствия	Условие А, условие В
	Тревога1: разомкнут при тревоге	Разомкнут при тревоге/замкнут при тревоге
	Гистерезис тревоги1	От0.1 до999.9
	Тревога2: разомкнут при тревоге	Разомкнут при тревоге/замкнут при тревоге
	Гистерезис тревоги2	От0.1 до999.9
	Использование НВА	Вкл. (ON), Выкл. (OFF)
	Фиксация выгорания нагревателя	Вкл. (ON), Выкл. (OFF)
	Гистерезис выгорания нагревателя	От0.1 до50.0
	Устойчивый диапазон ST	От0.1 до999.9
	α	От0.00 до1.00
	Верхний предел MV	От нижнего пределаMV+0,1 до 105,0 (стандартный)
		От0,0 до105,0 (нагрев. И охлаждение)
	Нижний предел MV	От-5,0 до верхнего предела MV–0,1 (стандартный)
		От-105,0 до0,0 (нагрев. Иохлаждение)
	Входной цифровой фильтр	От0.1 до999.9
	Дополнительное отображение PV	ON/OFF
	Отображение манипулируемойпеременной	ON/OFF
	Автоматический переход в режимотображения	OFF, от1 до9999
	Переход к уровню градуировки	От–1999 до9999

На рис. 9 – 11 представлены различные программные уровни. Для перехода суровня эксплуатации на уровень настройки(рис. 10) необходимо нажать и удерживать не более1с клавишу. Для перехода с уровня эксплуатации на уровень начальной настройки(рис. 11) необходимо нажать и удерживать клавишуне менее3 с. Для перехода с уровня начальной настройки на уровеньрасширенной конфигурации(рис. 11) необходимо нажать и удерживать клавишуне менее1 с. Для перехода с уровня эксплуатации на уровень защиты(рис. 10) необходимо нажать и удерживать клавишиине менее1 с. Для возврата в предыдущее меню необходимо нажать и удерживать не более1 с клавишу.

Для перехода от одного параметра к другому в пределах одного программного уровня необходимо кратковременно нажимать кнопкудо появления требуемого параметра.

Для редактирования значения какого-либо параметра необходимо выполнитьследующую последовательность действий:

а) с помощью клавиши выбрать редактируемый параметр;

б) кнопкамиивыставить требуемое значение редактируемогопараметра;

в) для перехода к следующему редактируемому параметру нажать , приэтом после перехода на следующий параметр отредактированное значение параметра сохраняется;

Для установки режима автонастройки параметров ПИД-регуляторанеобходимо перейти уровень настройки, выбрать параметр «At». Кнопкой выбрать значение «ON». В течение некоторого времени контроллер автоматически будет настраивать параметры ПИД-регулятора.

Задание

Провести экспериментальные исследования заданныхвариантов режимов работы контроллера из ниже перечисленных:

- режимON/OFF;

- режим2-ПИД регулятора.

Варианты заданий

В табл. 12 представлены варианты выполнения задания для бригад студентов.

Таблица 12

Контрольные вопросы

1. Какие отличия имеет изучаемый температурный контроллер по сравнениюс контроллером максимальной конфигурации?

2. Какой выход контроллера называется сигнальным и как задать режим егоработы?

3. Зачем вводится гистерезис в режиме работыON/OFF контроллера?

4. Что означает термин«относительный диапазон Р» у П-регулятора?

5. Как влияет увеличение Т_Ина характер переходного процесса?

6. Что обеспечивает дифференциальная составляющая?

7. Каковы особенности работы контроллера в режиме«Автонастройка»?

8. Как экспериментально снимаются переходные характеристикиконтроллера?

9. Как обеспечивается охлаждение нагревательной камеры перед очереднымэкспериментом?