1

03 KG, 04 KG, 06 CCG, 07 AM, 09 KG, 10KRS

TTK4175 Instrumenteringssystemer

Laboratorieoppgave

Prosesstyring med ABB AC 800M og

Control Builder

Oppgavetekst

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET

INSTITUTT FOR TEKNISK KYBERNETIKK

THE NORWEGIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

DIVISION OF ENGINEERING CYBERNETICS

TRONDHEIM

Versjon 5

2

Generelt Lokalisering: D252

Laboratorieoppgaven er inndelt i fem deler og utføres på rom D251 hvor alt nødvendig utstyr skal

finnes. Del 1 og 2 er en veiledning med eksempler (tutorial) som tar dere gjennom mange av de

viktigste funksjonalitetene i ControlIT og Control Builder Professional 4. Det er stilt spørsmål

underveis som dere må besvare. Etter å ha gjennomført del 1 vil dere være i stand til å løse

oppgavene i del 3 og 4 uten at for mye tid går med til å lete i dokumentasjonen.

Innlevering

Dere skal levere en rapport på PDF-format, via It‟s Learning. Rapporten kan ha hvilken som

helst struktur. Den skal dokumentere at dere har forstått hensikten med oppgaven og klart å løse

den på en tilfredsstillende måte. Den skal inneholde svar på eventuelle spørsmål og skjermbilder

som dokumenterer deres løsning. Gi gjerne også tilbakemeldinger på oppgaven dersom dere har

dette.

Pålogging på PC

Bruker: 800xAService, passord: itklab, logg inn på: KYBPC1486

IndustrialIT oppbygning

IndustrialIT er et konsept hvor alle prosesser i en bedrift er integrert i et og samme system. ABB

prøver med dette å få til en økt standardisering av sine produktet ved å integrere dem på en og

samme plattform. Les mer om IndustrialIT på www.abb.com.

Kontrollflyt og logisk oppbygning i ControlIT

ControlIT er konfigurasjonsplattformen i IndustrialIT konseptet. Ved hjelp av verktøyet Control

Builder kan funksjonaliteten til ABB sine IndustrialIT- enablede kontrollere konfigureres.

Figur 1: Kommunikasjonshierarki i IndustrialIT-konseptet

3

I dag støtter Control Builder Professional 4 konfigurering av AC250, AC800C og AC800M.

Dette er alle distribuerte prosesskontrollere som kan kobles opp mot et stort spekter av analoge og

digitale enheter, feltbusskontrollere, andre kontrollere osv. AC800M er i dag den kontrolleren

ABB satser på å videreutvikle for fremtiden. Figur 1 viser hvilke enheter som kommuniserer

sammen i IndustrialIT konseptet. På laben har vi dette installert på en og samme operatør- og

konfigurasjons-PC.

ControlIT og Control Builder er omfattende og det tar tid å sette seg inn i alle begreper og

programfunksjonalitet. Den beste (og mest tidkrevende) måten å lære seg dette er å sette seg ned

og lese hele online hjelp fra start til slutt. Målet denne laben er i midlertid ikke dype og

tidkrevende studier av dokumentasjonen, men å anvende systemet til å løse en praktisk

problemstilling. Derfor gir vi her en oppsummering av hvordan de enkelte deler i ControlIT og

Control Builder henger sammen.

ControlIT er hierarkisk oppbygd av biblioteker, applikasjoner og hardware. Dette hierarkiet kan

man orientere seg i ved hjelp av Project Explorer (hovedvinduet i Control Builder, se Figur 3).

Libraries: Under libraries er alle kontrollmodultyper (maler) lokalisert (standard og

egendefinerte). Kontrollmoduler som skal benyttes flere ganger lages her som typer og

instansieres under noden Applications. Bibliotekene kan inneholde egendefinerte

datatyper, kontrollmodultyper, funksjonsblokktyper.

Applications: Under applications implementeres kontrollprogrammets funksjonalitet (det

som skal lastes ned i kontrolleren). Funksjonaliteten bygges opp ved hjelp av

kontrollmoduler (objektorientert programmering) og programmer (tradisjonell

programmering ved hjelp av funksjoner og funksjonsblokker).

Controllers: Under controllers definerer man hardware topologien (kontrollere, IO-

moduler, etc.).

Kommunikasjon mellom kontrollmoduler

Det er viktig å få med seg hvordan kontrollmodulene kommuniserer. Kontrollmoduler

kommuniserer ved hjelp av parametere. En kontrollmodul kan ha definert parametere, variabler

(ikke tilgjengelig for andre kontrollmoduler) og eksterne variabler (gir tilgang til globale

variabler). Kommunikasjonen mellom Control Module 1 og Control Module 2 i utføres ved hjelp

av to parametere i hver kontrollmodul. Ved å definere globale variabler under Applications (f.eks.

i Application_1) vil alle kontrollmoduler og programmer ha tilgang til disse.

Figur 2: Kommunikasjon mellom kontrollmoduler

Funksjonsblokker kommuniserer også ved hjelp av parametere. Forskjellen er at

funksjonsblokker ikke har et grafisk grensesnitt.

4

Oppgaver

Kun de viktigste begrepene er beskrevet og mange av de valgene som er tatt vil ikke bli

begrunnet. Dere må derfor benytte programmets online hjelp funksjonalitet (Help → Help Topics

når dere lurer på noe. Bruk også manualene som følger med programvaren (Help→Manuals)

aktivt.

Følgende momenter vil bli gjennomgått i denne laboppgaven:

Del 1 Bli kjent med Control Builder

Opprette et nytt prosjekt

Opprette følgende objekter: Nytt ”Library”, ”Control Module

Type”, ”Control Module”, ”Graphical Object”, ”Interaction

Object”, ”Connection” og ”Data Type”

Oppretting av parametere og variabler til kontrollmodul typer (Control Module Type)

Programmere kontrollmodul typer ved hjelp av programmeringsspråket ”Structured Text”

(ST)

Sette opp dynamiske egenskaper til grafiske objekter

Lage interaksjonsvinduer for endring av kontrollmoduler (som er en instans av en

kontrollmodul type) og parameter online (simulert).

Del 2, 3 og 4: Online (hardware)

Gjøre dere kjent med implementert motorstyring, generator for varmekolbe og målinger

av trykk og temperatur.

Implementere brukergrensesnitt for visning av turtall, varmekolbe, temperatur og trykk,

trending av turtall, varmekolbe, temperatur og trykk og kontroll for manuell setting av

settpunkt for turtall og motortilstand.

Implementere en temperaturregulator.

Del 1 implementeres uten å benytte hardware (simulering). Del 3 og 4 anvender en hardware

Nærmere forklaring av hardware er gitt i del 2.

Lagring og import av prosjekter

Systemet inneholder ikke noe filhierarki, men lagrer prosjektene i en database. Av den grunn er

labkjøring noe kronglete på dette systemet. Det er laget en labmal som må importeres av hver

nye gruppe som skal begynne en lab. Hvis en gruppe vil ta vare på sitt prosjekt må dette

prosjektet eksporteres til en ny fil med endelsen afw. Når en fil importeres vil den overskrive det

tidligere prosjektet med samme navn. Det går ikke ann å kopiere inneholdet i et prosjekt over i et

annet, det er derfor viktig at den malen som har alle koblinger mot hardware blir tatt vare på. I

Control Builder har dette prosjektet navnet ‟lab‟ og finnes som eksportfilen labmal.afw på fagets

hjemmekatalog.

ABB support har anbefalt denne måten å ta vare på prosjekter:

5

Åpne programmene ‟Import Export‟ og ‟My ePlant‟ (på skrivebordsbakgrunnen). I My ePlant,

velg Control Structure i venstre vindu. Utvid Control Network, Control Network. Der finner du

det prosjektet du ønsker å eksportere. Dra dette prosjektet over i venstre vindu i Import/Export

vinduet. Trykk ‟finish‟ og så vil overføringen starte. Når overføringen er ferdig må du trykke

‟save as‟ og velge passende navn til eksportfilen.. Når lagringen er overstått kan du lukke

Import/Eksport og du har nå eksportert prosjektet.

For å importere det eksporterte prosjektet åpner du den eksporterte filen i Import/Eksport. Velg

Actions og Import All. Det vil automatisk komme opp rett sted for å lagre filen. Trykk finish og

YES på alle vinduer som dukker opp(mange). Lukk Import/Eksport og åpne Control Builder, og

åpne prosjektet med det navnet det hadde da det ble eksportert.

Del 1: Rectangle tutorial

Utfør Rectangle tutorial som finnes på fagets hjemmeside.

Dynamisk grafikk (endring av farge, form, tilstand, synlighet) vil i denne delen bli benyttet til å

synliggjøre hvordan kontrollmodul parameter og variabler kobles sammen internt mot grafikk,

programlogikk og mot andre kontrollmoduler. ControlIT følger programmeringsstandarden IEC

61131. Vi har valgt å benytte programmeringsspråket ST (Structured Text) i denne laboppgaven.

1) Hva er forskjellen ”Control Module”, ”Control Module Type” og

”Singel Control Module”?

Del 2: Test av hardware på laben

I denne delen skal ABBs kontroller AC 800M brukes til å styre en prosess. Denne prosessen

består av en likestrømsmotor som driver en generator. Generatoren er koblet til en varmekolbe

som varmer opp passerende vann. Motoren reguleres fra en styringsenhet (DCS 400). Figur 3

viser kontrollsystemets komponenter og hvordan disse er koblet sammen internt og til motor.

6

Figur 3: Instrumenteringsskjema for AC400M og motorstyring

Varmekolben står ved siden av vasken, og rett over dataskjermen står fordelingsskapet S3 som

signalene til og fra prosessen går gjennom. Over vasken skrus vanntilførselen for varmekolben

på. Motor og generator er plassert i en stor hvit lyddempingskasse. Til høyre for skap S3 står S4

med motorstyringsmodulen DCS400, og lengst mot vinduet står kontrolleren PM860 med I/O-

moduler.

Kommunikasjon mellom AC 800M og fordelingsskapet skjer via krysskoblingstavla på veggen til

venstre for inngangsdøra. Kommunikasjon mellom kontrolleren, motorstyring og digital I/O går

over et Profibus-nettverk.

Fordelingsskapet S3 aktiviseres ved å trykke START på fronten av skapet. De fire lys-signalene

har følgende betydning:

Pressostat: Trykket i vannrøret er over en minimumsgrense

Temperatur: Temperaturen i varmekolben er under 70°C

Data: Lasten er satt på fra AC 800M

Last: Lasten er på

Lasten er laget som en OG-funksjon, dvs. de tre første signalene over må

være høye for at lasten skal kunne slå seg på.

Selve prosessen har følgende signaler/målinger:

7

DP Trykkmåler. Analogt signal, 4-20mA

DP Pressostat. Digitalt signal, lavt når trykket er for lavt

PT100 Temperatur. Digitalt signal, lavt når temperaturen i varmekolben overstiger 70°C

M4 Temperaturmåler (pt100). Analogt signal, 4-20mA (tilsv. 0-100°C)

M8 Last (varmekolbe) av/på. Analogt signal, 4-20mA

Forarbeide Dobbeltklikk på filen labmal.afw som ligger på desktoppen. Trykk ”close” hvis ”Loading file

labmal.afw”-vinduet kommer opp og loading er utført. I venstre vindu må du velge ”control

structure” hvis det ikke er der fra før av. Velg <Actions> →Import All>→<ABB lab> og

<Finish>. Lukk Import/Export-vinduet og åpne Control Builder. Trykk file →open project, velg

<lab>→<open>. Ved evt. spørsmål om du vil overskrive eldre data, svar ja i alle tilfeller.

Motorstyringen og kontroller-racket skal være skrudd på. Kontroller at dette er gjort med Main-

Switch knappen på skap S4.

Under Libraries ligger programbibliotekene som er lenket til prosjektet.

Under Applications ligger applikasjonen man arbeider med, dvs. kontrollmoduler, programmer

osv.

Under Controllers ligger hardware og programvare som er lastet ned på kontrolleren. Du finner

igjen de samme enhetene på racket på veggen til høyre. Det kan komme opp noen warnings under

Controller. Dette er fordi Main-Switch-knappen har vært skrudd av over lengre tid og systemet

har brukt mye av reservebatteriene. Hvis Main-Switch-knappen alltid er skrudd på vil disse

advarslene ikke ha noe å si for labben. Det samme gjelder hvis displayet på S4 sier Alarm9 eller

lignende, det kommer av at main-switchen har vært avslått og at det er brukt av reservebatteriene

(husk at systemet er lagt for å fungere i en vanlig fabrikk). Trykk på reset for å få displayet til å

vise hva det egentlig skal, altså motorhastigheten, spenning og strømstyrke..

Variablene som er koblet til de analoge og digitale I/O-modulene er allerede definert som globale

variable i Application_1, slik at dere ikke trenger tenke på dette.

8

Figur 4: Prosesskjema for varmekolben, motor og generator

For motorstyringen er det definert følgende variabler:

Funksjon Variabel Datatype

Avlest referanse,

motorhastighet

Speed_reference dintIO

Settpunkt, motorhastighet Speed_Setvalue dintIO

Main Status Word Main_status_word dintIO

Main Control Word Main_control_word dintIO

Tabell 1: Variabler for motor kontroll og overvåking

Main Status Word angir motorens status, mens Main Control Word styrer motortilstand. Begge

er på 16 bit (se DCS 400 manual, side 163). Motoren kan startes ved å sette de 4 laveste bitene i

Main Control Word:

Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

RUN EME_STOP COAST ON

EME_STOP og COAST (bit 1 og 2) skal alltid være 1. Dette gir tre tilstander:

Tilstand Binær Desimal

OFF 0 1 1 0 6

READY 0 1 1 1 7

RUN 1 1 1 1 15 Tabell 2: Main Control Word tilstander

9

Slå på vannet til venstre for vasken (blått rør, rød hendel)

På skap S3 må Start være aktivert og vri-bryter for Last være i posisjon Inne

På skap S4 må dere skru på On-Off og Run-knappene.

Last så ned konfigurasjonen og gå online:

1. <Project Explorer>→<Tools>→ <Download project and go online>

Eller trykk på knappen med samme navn i Control Builder M (knappen ved siden av

spørsmålstregnet). Det kan være lurt å bruke ”Cold Restart All” hver gang man laster opp

endringer til AC800 for å unngå at eldre data blokkerer for deres nyeste endringer.

Det kan være at det under kompileringen (download) kommer opp ett eller flere varsler. Velg da

Continue. Dette varselet kommer opp fordi de globale variablene forløpig ikke er koblet til noe.

Hvis det kommer opp et vindu som heter ”Difference Report Before Download”, Trykker dere på

grønn ”check-knapp” øverst i venstre hjørne. Nedlasting fullføres.

Det kommer opp en error på AO810 modulen under PM860. Denne enheten er ikke fysisk

tilstede på racket.

a) Kjør motoren ved hjelp av Main Control Word (15), settpunkt. (parameter

”value”) og Speed_Setvalue (parameter ”value”). (Tips: HK, online parameters)

b) Skru av og på lasten. Dere hører et lite dunk i det lasten aktiveres. Hvordan

påvirker dette motorstyringa? (sjekk display på S4). (Tips: Load_on_off).

c) Hva er sammenhengen mellom avlest referanse for motorhastighet og faktisk

hastighet (faktisk hastighet kan avleses i RPM på skap S4). Dere finner

dokumentasjon for DCS 400 på fagets hjemmeside. Alternativt kan dere finne

svaret eksperimentelt (vi anbefaler sistnevnte).

10

Del 3: Skjermbilde for visning og kontroll av prosessen

Dere skal her lage et skjermbilde (CMD) som illustrerer prosessen. Skjermbildet skal lages for

Application_1. Lag knapper som lar deg styre motoren og lasten, og søyler/trendgrafer for å vise

temperatur, last osv. Legg vekt på at prosessbildet skal være oversiktlig og gi en god oversikt

over prosessen (Ta gjerne utgangspunkt i fysisk oppsett).

Følgende informasjon skal presenteres:

Motortilstand (‟Off‟, ‟Ready‟, ‟Running‟, ‟Undefined‟)

Referansehastighet (i RPM).

Trykk og temperatur (verdi med enhet og tilstand)

‟Off‟ = Motoren er ikke klar til å starte (OFF)

‟Ready‟ = Motoren er klar til å starte (READY)

‟Running‟ = Motoren kjører (RUN)

‟Undefined‟ = Representere alle statusverdier som vi ikke har definert.

Alle tilstander kan leses ut i fra Main Status Word. (Ta utgangspunkt i DCS 400 manual, side

163). - Finnes under hjemmesiden → Lab → ABB → Dokumentasjon.

Følgende parameter skal kunne endres fra operatørstasjonen:

Motortilstand (READY, RUN, OFF)

Setpunkt for motorhastighet (i RPM).

Start/Stopp av motoren.

Figur 5 viser et forslag til oppdeling av grafikk i logiske enheter. Linjene mellom

kontrollmodulene er laget med ”Line” verktøyet.

11

Figur 5: Forslag til oppdeling av systemet i logiske enheter

Figurene for motor, generator og varmeveksler finner dere ferdig laget i biblioteket LabIcon.

Tips: Opprett først et nytt bibliotek som dere kaller ”MotorXX”, der XX står for

gruppenummeret deres. I dette biblioteket lager dere modulene dere trenger i resten av

oppgaven.

Det mest hensiktsmessige vil være å lage en kontrollmodul for varmepumpen, en for

motorstyringen og en for generatoren (se Figur 5 og Figur 6). Disse finner dere i

biblioteket ”Labicon 1.0-0”. HK <connected libraries> og legg til dette biblioteket.

Lag ett interaksjonsvindu til hver av disse kontrollmodulene som står for kontroll av

kontrollmodulen og informasjon om kontrollmodulen.

Generator bør har parametrene Load (real) og Load_onoff (bool).

Varmeveksler bør ha parametrene pressure (real ), pressurestate (bool), tempstate

(bool), og temperature (real).

Motor bør ha parametrene controlWord (dint), statusWord (dint), reference (dint) og

setValue (dint).

Bruk Main Status Word til å vise motorstyringens tilstand. Dere finner beskrivelse av

Main Status Word i DCS 400 Manual (side 163) som dere finner på fagets hjemmeside.

12

Det er ikke mulig å tilordne tekst til en variabel av type string i kode. F.eks vil “myText

:= „Dette er en test‟;” gi kompileringsfeil. Dette omgås ved å definere en variabel

(datatype string) med initialverdi lik tekststrengen som man ønsker å tilordne variabelen.

Linjen “myText := min_variabel;” der “min_variabel = „Dette er en test‟” vil ikke gi

kompileringsfeil. Denne problemstillingen vil dere komme komme over når dere vil

sende en tekststreng som angir motorstatus til interaksjonsvinduet.

Alle parametre og variable lages først i et bibliotek før de kobles opp mot hardware ved å

gå på Application_1→ CMD Editor → create → Control Module, og så hente inn de

kontrollmodulene du trenger. For å kunne hente inn en kontrollmodul må det biblioteket

den ligger i, være tilknyttet applikasjonen. Et eksempel på hvordan dette gjøres finner

dere på siste side av Rectangle Tutorial. Det vil da dukke opp et Connections-vindu hvor

dere kobler til deres parametre med faktiske I/O-porter mot hardware (Høyreklikk i

parameterfeltet og velg insert parameter from tree, velg riktig parameter og value).

Hvis Connections-vinduet ikke dukker opp kan dere finne dette ved å høyreklikke på

modulen.

(glemmer dere å benytte dere av insert parameter from tree vil dere få feil, da hver

variabel har flere parametere. Eksempelvis .value)

13

Figur 6: Forslag til kontrollmoduler og bibliotek

14

Del 4: Temperaturregulator Dere skal med utgangspunkt i Del 3 lage en regulator som styrer temperatur ved hjelp av påtrykt

last. Siden lasten reguleres med turtallet til motoren må dere lage en turtallsregulator som tar

temperatur som setpunkt. Benytt en PidCC kontroll modul (legg til biblioteket

ControlStandardLib 1.2-2). Fordi dynamikken i temperaturprosessen er svært treg (en til to

minutter fra pådrag til reaksjon i temperatur) er det ikke særlig lurt å ha D-virkning i regulatoren.

Samtidig ønsker vi best mulig nøyaktighet. Dette oppnår vi ved å ha I-virkning i regulatoren. Det

faller derfor naturlig og benytt PidCC modulen som en PI regulator.

Start ut med å bruk følgende PidCC parameter:

P = 3

I = 240 (sekunder)

dead zone = 0.01 (fjerner støy, temperaturen varierer med ca ±

0.05 grader celsius)

direction = REVERSE (under ”More >>”)

Disse verdiene er kun startverdier, dere må selv finne bedre verdier. Her er det lov å leke . Det

vil ta minst 10 min før steadystate er nådd. Dere må gjerne prøve andre innstillinger for å få ned

transienttiden. Det skal være mulig å angi settpunkt for temperatur fra operatørstasjonen (helst fra

et interaksjonsvindu).

Figur 7: Regulator med konverteringsblokker

15

Test av regulator

Når dere skal teste regulatoren lar dere setpunktet for temperaturen være 25 grader celsius.

Regulatorparametre (P, I etc.) settes i ONLINE modus. Disse er ikke tilgjengelige annet enn når

applikasjonen kjører. Husk å sette regulatoren i Auto (regulator bestemmer output verdi).

Tips:

Ta utgangspunkt i Del 3 og legg til turtallregulatoren (se Figur 7).

I Figur 7 er det benyttet en grafisk kobling mellom regualtoren og MotorControl som

kobler sammen output fra regulator (turtall) og eksternt setpunkt for MotorControl. Dette

er strengt tatt ikke nødvendig. Dere kan koble sammen ved hjelp av parametre direkte.

Temperaturregulator-modulen bør ha parametrene temp (RealIO) og speed (dint)

PidCC tar kun setpunkt (SP) og prosessverdi (PV) som er av datatypen

ControlConnection. Dere må derfor konvertere målt temperatur (RealIO) og setpunkt for

temperatur (real) til datatypen ControlConnection ved å legge til blokker som ligger i

biblioteket ControlStandardLib1.2-2.

PidCC returnerer en utverdi (OUT) mellom 0 og 100 av datatype ControlConnection.

Dere må konvertere denne til dint.

Regulatoren legges til Application_1 på samme måte som de andre modulene.

Parametrene P, I , dead zone og direction settes i regulatorens interaction window.

Se Figur 8 for forslag til oppsett av kontrollmoduler og biblioteker.

16

Figur 8: Forslag til kontrollmoduler og bibliotek med regulator