Designing control system architecture for pressurization system

Abstract

Pressurization and controlling pressure are one of the basic applications in hydraulic systems. In hydraulic systems significant amount of energy can be lost, so as energy efficiency is becoming more important, attention should be paid to reducing unnecessary losses. The purpose of this thesis is to design and implement control system architecture for pressurization system, which is used to study improving energy efficiency in this application. Control system is implemented as distributed system with regular programmable logic controllers, actuators and sensors, which are connected with CAN bus. Some of the code for control system is generated from Simulink model.

First step in the project was to get familiar with operation of the system to be controlled and the theory behind proposed control system solution. Operation or operation principle of the system to be controlled will not be discussed in this thesis. Designing control system architecture and upper-level controller for system in Simulink was possible after getting familiar with system and systems special requirements. System model was tested and improved in Simulink, until it was considered to meet requirements that were set for it. After this PLC code could be generated and the rest of the control system could be implemented. In the last step it was verified with HiL-simulations, that the control system and CAN bus meet their performance requirements for this application.

Measurements verified that performance of the control system is good enough for this application. CAN messages might need some optimizing if the number of actuators in system is increased. Extrapolating system performance from measurements must be considered as rough estimate, because the number of datapoints was low.

This project contains confidential information, so some parts of the system, it's operation or purpose are not discussed in this thesis.

Paineistaminen ja paineensäätö on yksi perussovelluksista hydrauliikassa. Hydraulijärjestelmissä huomattava osa energiasta voi mennä hukkaan varsinaisen työn sijasta, joten energiatehokkuuden merkityksen kasvaessa hukan vähentämiseen tulee kiinnittää aiempaa enemmän huomiota. Tämän työn tarkoituksena on suunnitella ja toteuttaa ohjausjärjestelmän arkkitehtuuri erääseen paineistusjärjestelmään, jolla tutkitaan energiatehokkuuden parantamista kyseisessä sovelluksessa. Ohjausjärjestelmä toteutetaan hajautetusti tavanomaisilla ohjelmoitavilla logiikoilla ja erinäisillä toimilaitteilla ja antureilla, jotka on kytketty toisiinsa CAN-väylällä. Osa ohjausjärjestelmän ohjelmakoodista on tuotettu hyödyntämällä mallipohjaista suunnittelua ja PLC-koodin generoimista Simulink-mallista.

Työn aluksi tutustuttiin ohjattavan järjestelmän toimintaan ja valitun ohjausjärjestelmäratkaisun taustalla olevaan teoriaan. Ohjattavan järjestelmän toimintaa tai toimintaperiaatetta ei käsitellä tässä työssä. Ohjausjärjestelmän arkkitehtuurin ja ylemmän tason logiikan suunnitteleminen ja toteuttaminen Simulinkissä oli mahdollista ohjattavaan järjestelmään ja sen erikoisvaatimuksiin tutustumisen jälkeen. Järjestelmän mallia testattiin ja parannettiin, kunnes sen katsottiin täyttävän sille asetetut tavoitteet. Tämän jälkeen PLC-koodin generoiminen ja ohjausjärjestelmän toteuttaminen ohjelmoitavilla logiikoilla oli mahdollista. Lopuksi HiL-simuloinnin avulla varmistettiin, että toteutetun ohjausjärjestelmän ja CAN-väylän suorituskyky on riittävä tälle sovellukselle.

Mittaustuloksien avulla varmistui, että ohjausjärjestelmän suorituskyky on riittävä tälle sovellukselle. Järjestelmän viestiliikennettä voidaan joutua optimoimaan, jos toimilaitteiden määrää kasvatetaan. Järjestelmän suorituskyvyn ekstrapolointi toimilaitteiden määrän kasvaessa on hyvin suuntaa antava, koska siihen käytettävien datapisteiden määrä oli pieni.

Tässä työssä käsitellään ohjelmoitavien logiikoiden toimintaperiaatetta, CAN-väylän toimintaa, mallipohjaista suunnittelua, ohjausjärjestelmän arkkitehtuurin suunnittelemista, käytettävää testijärjestelmää ja mittaustuloksia.

Tämä projekti sisältää luottamuksellista tietoa, joten joitain osia järjestelmästä, sen toiminnasta tai tarkoituksesta ei käsitellä tässä työssä.