Comanda Unei Actionari Electrice de la Distanta Prin Intermediul Internetului – Partea de Comanda

Comanda unei acționări electrice

de la distanță prin intermediul Internetului – partea de comandă

Cuprins

Capitolul I NOȚIUNI INTRODUCTIVE

1.1 MOTOR ELECTRIC ASINCRON TRIFAZAT

1.2 CONVERTIZOR DE FRECVENȚĂ

1.3 CONTROLLER LOGIC PROGRAMABIL

Capitolul II AUTOMATUL PROGRAMABIL XC200

2.1 SISTEMUL XC200

2.1.1 Descriere XC201

2.1.2 Părti componente XC201

2.1.3 Panoul de conexiuni locale

2.1.4 Indicator Led

Capitolul III MEDIUL DE PROGRAMARE

3.1 DESCRIERE EASY SOFT CODESYS

3.2 PRIMII PAȘI ÎN EASY SOFT CODESYS

3.3 DESCRIERE PROGRAM PRINCIPAL

Capitolul IV DESCRIERE ECHIPAMENTE ELECTRICE

4.1 CONVERTIZOR DE FRECVENȚĂ

4.2 MAȘINA ELECTRICĂ ASINCRON TRIFAZATĂ

4.3 ÎNTRERUPTOR AUTOMAT

4.4 ÎNTRERUPTOR AUTOMAT DIFERENȚIAL

4.5 CONTACTOR ELECTROMAGNETIC

4.6 RELEU ELECTROMAGNETIC

4.7 ECHIPAMENTE DE COMANDĂ ȘI SEMNALIZARE

Capitolul V MACHETA EDUCAȚIONALĂ

5.1 REALIZAREA MACHETEI EDUCAȚIONALE

5.1.1 Primii pași în realizarea machetei

5.1.2 Scheme

5.1.3 Realizarea proceselor tehnologice

5.1.4 Trasarea cablurilor electrice

5.1.5 Verificarea legăturilor electrice

5.1.6 Etichetarea echipamentelor electrice

5.1.7 Punerea sub tensiune

5.1.8 Verificare finală

5.2 DESCRIERE FUNCȚIONARE

Capitolul VI CONCLUZII

6.1 DOMENII DE UTILIZARE

6.2 VIITOARE APLICAȚII

Anexa I SESIUNEA DE COMUNICĂRI ȘTIINȚIFICE MAI 2010

Anexa II CONȚINUT CD

BIBLIOGRAFIE

CAPITOLUL I

NOȚIUNI INTRODUCTIVE

1.1. MOTOR ELECTRIC ASINCRON TRIFAZAT

În decursul dezvoltării istorice acționarea electrică a apărut prin înlocuirea motorului hidraulic, cu abur sau cu combustie internă, printr-o mașină electrică, obținându-se acționarea pe grupe, la care mai multe mașini de lucru sunt acționate de la aceeași mașină electrică. Folosirea mașinilor electrice a permis însă trecerea la acționarea individuală, în care fiecare mașină de lucru are motorul său de acționare, obținându-se avantajul dispuneriii utilajelor în flux tehnologic și înlocuirea vechilor transmisii prin curele la distanțe mari șii voluminoase prin transmisii compacte de angrenaje individuale.

Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv ce transformă energia electrică în energia mecanică. Transformarea inversă, a energiei mecanice în energie electrică este realizată de un generator electric. Nu există diferențe de principiu semnificative între cele două tipuri de mașini electrice, același dispozitiv putând îndeplinii ambele roluri în situații diferite.

Majoritatea motoarelor electrice funcționează pe baza forțelor electromagnetice ce acționează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic

Motorul electric este construit din două părți componente: stator și rotor. Statorul este partea fixă a motorului, în general exterioară, ce include carcasa, bornele de alimentare, armătura feromagnetică statorică și înfășurarea statorică. Rotorul este partea mobilă a motorului, plasată de obicei în interior. Este format dintr-un ax și o armătură rotorică ce susține înfășurarea rotorică. Între stator și rotor există o porțiune de aer numită întrefier ce permite mișcarea rotorului față de stator. Grosimea întrefierului este un indicator important al performanțelor motorului.

Motoarele de curent alternativ funcționează pe baza principiului câmpului magnetic învârtitor. Acest principiu a fost identificat de Nikola Tesla în 1882. În anul următor a proiectat un motor de inducție bifazat, punând bazele mașinilor electrice ce funcționează pe baza câmpului magnetic învârtitor.

Primul motor asincron de tip industrial apare în 1889, construit de Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky, care a fructificat lucrările anterioare ale lui G. Ferraris și N. Tesla.

Folosirea pe scară largă a motoarelor asincrone se poate explica prin robustețea și simplitatea sa, preț redus, siguranța în exploatare. Acționările electrice cu motoare asincrone se folosesc în toate sectoarele consumatoare de energie electrică: industrie, agricultură, transporturi, terțiar, casnic, etc [1] .

Motorul de inducție trifazat (sau motorul asincron trifazat) este cel mai folosit motor electric în acționările electrice de puteri medii și mari. Statorul motorului de inducție este format din armătura feromagnetică statorică pe care este plasată înfășurarea trifazată statorică necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Rotorul este format din armătura feromagnetică rotorică în care este plasată înfășurarea rotorică.

După tipul înfășurării rotorice, rotoarele pot fi de tipul:

– rotor în colivie de veveriță ( în scurtcircuit) – înfășurarea rotorică este

realizată din bare de aluminiu sau mai rar cupru scurtcircuitate la capete de două inele transversale.

– rotor bobinat – capetele înfășurării trifazate plasate în rotor sunt conectate

prin interiorul axului la 3 inele. Accesul la inele dinspre cutia cu borne se face prin intermediul a 3 perii.

Motorul de inducție cu rotorul în colivie este mai ieftin și mai fiabil decât motorul de inducție cu rotorul bobinat pentru că periile acestuia se uzează și necesită întreținere. De asemenea, motorul de inducție cu rotorul în colivie nu are colector și toate dezavantajele care vin cu acesta: zgomot, scântei, poluare electromagnetică, fiabilitate redusă și implicit întreținere costisitoare.

Domenii de utilizare a mașinii asincrone.

Mașina asincronă se construiește pentru puteri nominale începând cu ordinul wați-lor(W) până la puteri de ordinul zecilor de megawați(MW), într-o gamă largă de turații, cu tensiunea joasă (până la 500V) sau cu tensiunea medie (până la 10kV) (Fig. 1).

Fig. 1. Domenii de aplicare a mașinii asincrone[2].

1.2. CONVERTIZOR DE FRECVENȚĂ

Un convertizor de frecvență, numit și convertizor de turație, este un aparat care generează o tensiune electrică alternativă de frecvență variabilă, folosit pentru acționarea motoarelor electrice în aplicații unde este necesară varierea turației lor. Folosirea lor poate conduce la importante economii de energie electrică, ele eliminând deasemenea șocul de curent care apare la pornirea directă a motoarelor.

Fig. 2. Schema generală a unui convertizor de frecvență[3].

Convertizoarele de frecvență sunt compuse din 3 părți principale: un redresor, un filtru capacitiv (sau capacitiv-inductiv) și un invertor. Comanda tranzistoarelor invertorului este dată de un microprocesor și are la bază principiul modulării în lățime a impulsurilor (PWM – Pulse Width Modulation). Tranzistoarele sunt de obicei de tip IGBT (Insulated Gate Bipolar Tranzistor), și ele comută la frecvențe de ordinul 10-20 kHz. Mărimea acestei frecvențe produce un curent mai „sinusoidal” prin motor, însă proporțional cresc și pierderile de comutație; alt dezavantaj este reducerea lungimii maxime permise a cablului electric dintre convertizor și motor.

În același timp cu frecvența se modifică și valoarea tensiunii pentru a păstra un cuplu dezvoltat de motor constant. De exemplu, dacă motorul operează în regim nominal la 400V și 50Hz, când reducem viteza lui la jumătate, deci frecvența la 25Hz, tensiunea de alimentare va fi scăzută de convertizor, în mod automat, la 200V. De reținut că tensiunea este formată de fapt din pulsuri, reducerea tensiunii însemnând de fapt reducerea lățimii pulsurilor.

Funcționarea la viteze (frecvențe) peste cea nominală este posibilă. În acest caz tensiunea va rămâne constantă, ceea ce va conduce la o scădere a cuplului dezvoltat de motor[3].

Convertizoarele de frecvență pot funcționa în buclă deschisă sau buclă închisă. La funcționarea în buclă deschisă viteza reală a motorului acționat nu intervine ca parametru în algoritmul de reglare al vitezei. În acest caz se folosește o modelare matematică a motorului în memoria microprocesorului astfel încât în funcție de curentul absorbit de acesta se poate face o estimare a vitezei sale. Această metodă funcționează bine peste frecvențe de 10Hz.

Pentru o bună funcționare în tot domeniul de turație se folosesc encodere montate pe motor care trimit microprocesorului poziția rotorului în timp real (funcționare în buclă închisă).

Convertizoarele folosite în joasă tensiune se găsesc în modele variind de la 0,2 kW până la 750 kW. În medie tensiune ele generează tensiuni tipice de 2400V, 3300V sau 4160V. Pentru motoare de tensiuni mai mari se folosesc transformatoare electrice ridicătoare montate la ieșirea din convertizor.

1.3. CONTROLLER LOGIC PROGRAMABIL

În trecut, oamenii erau principala metodă pentru a controla un sistem. Acum, în vremurile noastre când ingineria controlată a evoluat cu pași mari, electricitatea este folosită pentru control, iar acest control este bazat pe relee. Acestea din urmă permit închiderea sau deschiderea unui circuit electric fără a mai nevoia de a folosii vreun întrerupător mecanic. După înlocuirea lămpilor(tuburile electronice) cu tranzistori( în anii 1960) mult mai eficienți, mai mici, mai ieftini, mai fiabili are loc o miniaturizare și o ieftinire a computerelor, această înlocuire a dus la revoluționara apariție a PLC-urilor(Programmable Logic Controller – Controler Logic Programabil).

Principalul motiv pentru care un astfel de dispozitiv a fost creat a fost eliminarea costurilor mari pe care le implică înlocuirea sistemelor de control al mașinilor bazate pe relee. Firma Bedford Associates (Bedford, MA) a propus un aparat numit Modular Digital Controller (MODICON) unei mari companii producatoare de autoturisme. MODICON 084, inventat de Dick Morley în 1969, a fost primul PLC din lume în producția comercială[4].

Fig. 3. MODICON 084(Controler Programabil) – MODICON[5].

Conform NEMA (National Electrical Manufactures Association), Controller Programabil Logic (PLC), deseori denumit în literatura de specialitate și Automat Programabil este un dispozitiv, operat digital care folosește o memorie programabilă pentru stocarea internă de instrucțiuni în scopul de a implementa funcții specifice, cum ar fi: logice, secvențiale, de cromometrare, de numărare și aritmetice, pentru a controla prin intermediul intrărilor/ieșirilor digitale sau analogice diferite tipuri de mașini sau procese.

Marea majoritate a acestor dispozitive se pot cupla cu un calculator (PC). Această conectare oferă avantajele unei programări, modificări de programe de aplicație, simulări mult mai facile. Acest dispozitiv a fost creat special pentru a înlocui în primă fază schemele de comandă secvențială cu relee. Vechile tipuri de automatizări presupuneau folosirea a zeci, poate chiar sute de relee care acum pot fi înlocuite cu succes de un singur controler logic programabil. Astfel s-a redus dramatic schema de comandă și s-au obținut avantaje importante în ceea ce privește fiabilitatea și întreținerea acestora.

Dintre avantajele lucrului cu automate programabile putem menționa:

Flexibilitate – Un PLC poate conduce multe operații diferite iar modificările se realizează la nivel software și sunt mai ușor de implementat decât modificările la nivel hardware.

Siguranța – Dispozitivele electronice sunt mai sigure și mai ușor de întreținut decât temporizatoarele și releele mecanice

Cost – Sistemele numerice pot realiza mai multe funcții complexe la un cost mult mai scăzut decât echipamentele clasice.

Simularea – Echipamentul de programare a PLC-urilor poate furniza o listare imediată a circuitului de control curent astfel încât eventualele erori de programare pot fi sesizate mult mai ușor.

Dintre dezavantajele lucrului cu automate programabile putem menționa:

aplicații ‚fixe’: unele aplicații nu au nevoie de automat programabil

datorita gradului foarte mic de complexitate neexistand astfel necesitatea achiziționării unui automat programabil relativ sofisticat;

probleme de mediu: în unele medii există temperaturi ridicate sau alte

condiții care pot duce la deteriorarea automatelor programabile astfel că acestea sunt greu sau chiar imposibil de utilizat;

functionare ‚fixă’: daca nu apar schimbări în cadrul procesului de multe

ori folosirea automatului poate fi mai costisitoare;

Principalele componente de bază ale unui PLC sunt următoarele:

Unitatea centrală de procesare (CPU)

Aceasta este creierul unui automat programabil și de obicei este un microcontroller. Mai demult microcontrollerele erau pe 8 biți, iar acum sunt pe 16 și 32 biți. Ca o regulă nescrisă este faptul că în automatele programabile făcute de japonezi se vor găsi microcontrollere Hitachi și Fujitsu, Siemens în cele făcute de europeni și Motorola în microcontrollerele făcute de americani. Unitatea centrală se ocupă de asemenea de comunicare, interconectarea părților automatului, executarea programului, operații cu memoria, monitorizarea intrărilor și comanda ieșirilor. Automatele programabile au rutine speciale și complexe pentru verificarea memoriei pentru a se asigura că aceasta nu este afectată. În general, microprocesorul face un număr mare de verificări ale controllerului pentru a descoperi eventuale erori din timp. Aceste erori sunt semnalizate prin ledurile de eroare ale automatului.

Memoria

Memoria sistemului este folosită de automatul programabil pentru controlul unui proces. În afară de sistemul de operare, memoria mai conține și programul convertit în formă binară. Conținutul memoriilor de tip FLASH poate fi schimbat dacă programul este schimbat. Înaintea apariției memoriilor FLASH se folosea memoria EPROM care putea fi ștearsă cu ajutorul unei lămpi cu ultraviolete și reprogramată. Odată cu folosirea tehnologiei FLASH, s-a redus din timpul acestui proces. Programarea se realizează în general cu ajutorul unui cablu serial.

Alimentarea

Majoritatea PLC-urilor funcționează fie în 24V cc, fie în 230V ca. Unele automate au sursa de alimentare separată de unitatea de bază. Acestea sunt de obicei controllere mai mari, în timp ce automatele de clasa medie și mică conț în integrată sursa de alimentare.

Intrările unui PLC

Inteligența unui sistem automat programabil constă în mare măsură de capabilitatea acestuia de a interpreta semnale de la diferite tipuri de senzori. Taste, butoane și comutatoare sunt baza interacțiunii dintre om și mașină. Pe de altă parte, pentru a detecta o piesă aflată în funcționare, a vedea un mecanism în mișcare, a verifica presiunea unui fluid este nevoie de o serie de dispozitive speciale precum: senzori de proximitate, limitatoare de cursă, optocuploare, senzori de nivel, etc. astfel încât intrările pot fi analogice sau digitale. De obicei automatele mai mici au numai intrări digitale pe când automatele mai mari folosesc și intrări analogice cu ajutorul unor module care se atașează separat. Unul dintre cele mai folosite semnale analogice sunt semnalele 4..20mA și 0..10V generate de diferiți senzori. Senzorii sunt folosiți pentru a detecta prezența anumitor părți componente ale unui sistem, a măsura temperatura, presiunea sau oricare marime măsurabilă.

Ieșirile unui PLC

Unele dintre cele mai întâlnite dispozitive conectate la ieșirile unui plc sunt motoare, bobine, relee, indicatori luminoși sau acustici, etc. prin pornirea unui motor sau a unui releu, automatul programabil poate controla sisteme simple cum ar fi sortarea de produse, până la sisteme complexe cum ar fi poziționarea capului unei mașini de sudat. Ieșirile pot fi analogice sau digitale. Ieșirile digitale funcționează ca un comutator: conectează sau întrerupe o linie. Ieșirile analogice sunt folosite să genereze semnale analogice (de exemplu: acționarea unui motor a cărui viteză se poate modifica cu ajutorul modificării tensiunii).

CAPITOLUL II

AUTOMATUL PROGRAMABIL XC200

SISTEMUL XC200

2.1.1. Descriere XC201

Automatul programabil modular XC201 oferă o capacitate de calcul mare și posibilități de comunicare excelente. Pe lângă interfața RS232 și o interfață magistrala CANopen, el oferă și o interfață integrata Ethernet. Un avantaj tehnologic deosebit este dat de faptul că toate aparatele XC201..-XV dispun de Server Web integrat[5].

Acest tip de automat programabil modular se poate spune că este în conexiune directă cu lumea IT. Se recomandă în special atunci când este necesar un ciclu scurt și o capacitate de comunicare ridicată, cum ar fi monitorizarea și controlul de la distanță.

Fig. 4. PLC XC-CPU201, [5].

Tabel 1. Caracteristici XC200, [5].

2.1.2. Părți componente XC201

Programabilul XC201 este un echipament compact cu o structură modulară, care suportă expansiuni locale sau descentralizate. În figura 5 este prezentat ansamblul XC201 cu principalele componente, acesta oferă posibilitatea de atașare a extensiilor care pot fi de tip I/O digital sau analogic.

Sistemul este alcătuit din:

Rack mobil (sistem de prindere);

Unitate de procesare(CPU);

XIOC(module de semnal);

Afișare leduri;

Baterie memorie;

Interfețe de comunicații.

Fig. 5. Ansamblul XC201 – MOELLER, [5].

Fig. 6. Diagrama bloc a automatului programabil XC-201, [5].

În figura 6 este prezentată diagrama bloc a automatului programabil XC201. Au fost utilizate următoarele notații:

1 – Indicatori de stare RUN, STOP, SF

2 – Selector mod operare

3 – Card de memorie

4 – Interfață USB

5 – Porturi programare RS232 / Ethernet

6 – Interfață CANopen

7 – Monitorizarea tensiunii sistemului

8 – Interfață I/O

9 – XIOC I/O Bus

2.1.3. Panoul de conexiuni locale

Panoul de conexiuni conține conectori pentru alimentarea automatului programabil cât și pentru conectarea intrărilor și ieșirilor.

Funcțiile terminalelor:

I0.0 – I0.7 – Intrări digitale

Q0.0 – Q0.5 – Ieșiri digitale

0VQ / 24VQ – Aliemtnare I/O

0V / 24V – Alimentare CPU

Fig. 7. Așezarea și modul de conectare al terminalelor locale, [5]

Cele 8 intrări digitale și 6 ieșiri digitale sunt proiectate pentru a funcționa cu semnale de 24Vcc și au o alimentare comună care este izolată de alimentarea principală. Ieșirile Q0.0 până la Q0.5 pot fi încărcate cu un curent de maxim 500mA.

Exista două alimentări de tensiune separate:

Conexiunea de alimentare 0VQ / 24VQ este numai pentru alimentarea cu tensiunea intrărilor și ieșirilor integrate locale și este electric izolată pentru protecție.

Conexiunea de alimentare 0V/ 24V alimentează unitatea de procesare, tensiunea fiind ulterior transformată în 5V și 3,3V.

Fig. 8. Diagrama sistemului de alimentare, [5]

În cazul unei întreruperi sau a unei căderi de tensiune sau o cădere a alimentării de 24V (mai exact când ajunge sub 10V) atunci un comutator sesizează căderea de tensiune și trimite către CPU o întrerupere PFI (Power Fail Interrupt).

2.1.4. Indicator Led

Indicatorii led arată starea intrărilor sau a ieșirilor, mai exact ledul aprins reprezintă un semnal 1 la terminalul corespunzător. Cele două rânduri de sus ai indicatorilor led arată starea de semnal pentru cele 8 intrări digitale (I0.0 – I0.7), iar cele două rânduri de jos arată starea de semnal pentru cele 6 ieșiri digitale (Q0.0 – Q0.5), acest lucru se poate observa în figura 9.

Fig. 9. LED-uri indicatoare pentru I/E, [5]

Starea CPU este afișată cu ajutorul ledurilor „RUN/STOP” și „SF” având semnificațiile de mai sus.

Cele 8 intrări digitale și 6 ieșiri digitale sunt proiectate pentru a funcționa cu semnale de 24Vcc și au o alimentare comună care este izolată de alimentarea principală.

Fig. 10. Module de extensie digitale – analogice, [5]

CAPITOLUL III

MEDIUL DE PROGRAMARE

3.1. DESCRIERE EASY SOFT CODESYS

Programul Easy Soft CoDeSys este o continuare a programului XSOFT – Professional. Programul Easy Soft CoDeSys este un sistem de programare bazat pe CoDeSys 3S pentru automatizările industriale realizat în conformitate cu standardului internațional IEC 61131-3.

Fig. 11. Fereastră prezentare, [6]

Caracteristicile tehnice perfecționate, manevrare simplă și o răspândire largă a acestui program printre componentele de automatizare utilizate de diferiți producători sunt garanții ale succesului său.

O diversitate de facilități simplifică realizarea aplicației, cu scopul precis de a reduce costurile și timpul de proiectare. Se pot alege facilități de căutare globală și utilizare de biblioteci, asistență sensibilă la context, editarea unei liste de referințe încrucișate, testarea variabilelor neutilizate.

Caracteristici de proiectare:

AutoDeclarare: declarare automată a variabilelor

Auto Format / Syntax Coloring: Formatare automată și Evidențiere cromatică a codurilor și textelor cu declarații

Simulare Offline (deconectat)

Diagnoză și Asistență la rulare Online (conectat)

Limbaje de programare:

IL – listă de instrucțiuni

ST – Text structurat

FBD – Schemă bloc funcțională

CFC – Schemă funcțională complet grafică

LD – Schemă de contacte

SFC – Schemă funcțională secvențială

Depanare și punere în funcțiune

Easy Soft CoDeSys pune la dispoziție o diversitate de funcții importante pentru a depana, testa și pune în funcțiune rapid și eficient aplicațiile de comandă. Toate aceste caracteristici sunt disponibile în modul on-line (conectat la PLC).

Multitasking

Structurarea utilizării a mai multe programe simultan (Multitasking) optimizează resursele sistemului și simplifică satisfacerea cerințelor critice de timp. Se poate acorda prioritate proceselor rapide, iar celor lente numai un timp de calcul minim necesar. Pot fi realizate până la 16 aplicații comandate de timp și/sau evenimente.

Vizualizare

Easy Soft CoDeSys prezintă un suport integrat pentru diagnoză și asistență la punerea în funcțiune. Acesta poate fi utilizat conectat la PLC-ul sau în timpul simulării.

Configuratorul magistralei integrat

Configuratorul Easy Soft CoDeSys – hardware prezintă pe un singur nivel toate dispozitivele I/E locale și perifericele descentralizate (Profibus sau CANopen). Intrările și ieșirile pot fi configurate direct, parametrizate și li se pot aloca nume simbolice. Astfel sunt excluse erorile de alocare între periferice și programul tip IEC. Suplimentar se pot testa variabilele în modul Online

Comunicare

Comunicarea dintre PLC și PC se poate realiza prin portul serial RS232 sau prin interfața de rețea Ethernet.

Alte facilități

Pentru PLC-urile compatibile se pot realiza pagini Web

Proiectele pot fi protejate cu parolă

Programul este disponibil în mai multe limbi: Engleză, Germană, Franceză[7]

PRIMII PAȘI ÎN EASY SOFT CODESYS

Pentru a putea invăța lucrul cu mediul de programare Easy Soft CodeSys, se realizează un program cu 2 intrări conectate între ele cu funcția logică „ȘI” care odată îndeplinită se activează 1 ieșire. Exemplu de aplicație :pentru ca un motor trifazat să pornească trebuie asigurate 2 condiții (1 circuit de protecție este activat, 2 comanda de la contactor activată ( anclanșează) și în momentul acela ieșirea este anclanșată). Un alt exemplu mai simplu 2 butoane și 1 lampă, lampa se aprinde numai când cele 2 butoane sunt acționate, etc.

în acest subcapitol s-a propus să se prezinte etapă cu etapă, de la deschiderea programului, până la finalizarea exemplului anterior.

Fig. 12. Selectare program Easy Soft CoDeSys

După ce am apasat click pe Easy Soft Codesys V2.3.5, se va deschide fereastra principală, din fig. 13.

Fig. 13. Fereastra principală, Easy Soft CoDeSys

Fig. 14. Realizarea unui nou fișier, Easy Soft CoDeSys

După cum se poate observa și în figura de mai de sus, pentru a creea un nou fișier se va alege din meniul principal File, optiunea New și va apărea următoarea imagine(Fig.15)

Fig. 15. Alegerea automatului programabil, Easy Soft CoDeSys

Urmărind pașii indicați se va alege automatul programabil cu care se lucrează. În cazul de fată, s-a ales automatul programabil XC-CPU201-EC256K-8DI-6DO, după care se apasa OK.

Fig. 16. Alegerea limbajului de programare, Easy Soft CoDeSys

Acționând dupa pașii descriși în imaginea mai de sus se alege Program, în limbajul de programare Function Block Diagram (FBD) și se apasa OK.

Fig. 17. Fereastra principală de lucru, Easy Soft CoDeSys

În figura 17 se observă fereastra principală de lucru care este concepută din două secțiuni. În secțiunea de sus(1) a ferestrei sunt afișate și editate variabilele, iar în secțiunea de jos(2) a ferestrei este afișat și editat programul principal. Se va da click în (3) dupa care se alege funcția dorită(4).

Fig. 18. Declararea unei variabile și alegerea funcției logice „AND”, Easy Soft CoDeSys

În figura 18 s-a ales functia „AND” (1)dupa care s-a scris „Intrare_1”(2) – Variabilă, în loc de primele „???” și în acel moment apare chenarul de declarare variabile(3). Atunci când o variabilă se adresează unei intrări ale PLC-ului este foarte important să se menționeze acest lucru. Adresarea se face prin introducerea „ %IX0.0 ” în secțiunea Address(4). În acel moment lui I0 de la PLC i s-a adresat variabila „Intrare_1”(5). La fel se procedează cu Intrare_2(6), numai că în loc de „ %IX0.0 ” se va scrie „ %IX0.1 ”. Acesta este modul de adresare a unei intrări ale PLC-ului, o variabilă.

În figura 19, figura de mai jos, se prezintă modul cum sunt adăugate automat variabilele în sectiunea de sus a ferestrei odată ce ele au fost declarate(1). Anterior s-a precizat că pentru variabila „Intrare_2” se urmează aceeași pași ca la variabila „Intrare_1”, pe figură se poate observa că s-a facut acest lucru(2). Pasul urmator este de atribuire a funcției „AND” o ieșire, apăsând click inițial pe locul indicat de(3) după care în bara de meniu alegănd „ în –R”, pasul(4).

Fig. 19. Atribuirea funcției „AND” o ieșire, Easy Soft CoDeSys

Fig. 20. Adresarea unei ieșiri a PLC-ului o variabilă, Easy Soft CoDeSys

În figura 20, se urmăresc pașii de Declarare Variabile, pas arătat anterior, numai că modul de adresare al unei ieșiri ale PLC-ului se face introducând în secțiunea „Address” următorul cod „ %QX0.0 ”. În acest moment valoarea booleană dată de funcția „ AND ” la ieșire s-a adresat ieșirii Q0 a PLC-ului.

Fig. 21. Simularea programului conceput, Easy Soft CoDeSys

În figura 21 se observă cum se alege modul de simulare al programului în mod Offline (neconectat la PLC), urmând pasul (1)-“Simulation Mode” se activează acest mod, după care se conectează, pas (2), iar după acest pas modul de „Run” din meniul „Online” este activ. Odată activat „Run” se poate observa starea intrărilor și ieșirilor, iar acest lucru este prezentat mai în ansamblu în figura urmatoare, figura 22.

Fig. 22. Simulare activă în mod offline, Easy Soft CoDeSys

În figura 22, se observă starea intrărilor, inițial având starea „0” – stare „Falsă”, apăsând dublu click pe „FALSE” în acel moment programul „citește” – starea inițială și o neagă, se observă că în dreapta lui „FALSE” apare „TRUE” aceasta fiind o stare temporară deoarece programul nu se va schimba decât atunci când se „scrie” această valoare. Pentru a face această scriere există 2 metode. Prima metodă este prin apăsarea împreună a butoanelor „CTRL” și „F7” iar cea de-a doua metodă este prin selectarea acestui lucru din meniul „Online” a opțiunii „Write Values”. În momentul acela se schimbă starea intrărilor, condiția este îndeplinită, iar ieșirea este activă, acest lucru se poate observa în figura de pe următoarea pagină, figura 23.

Fig. 23. Funcționarea programului în mod Offline și selectarea Vizualizării, Easy Soft CoDeSys

După cum spuneam mai sus în figura 23 se poate observa că ieșirea este activă, acest lucru fiind indicat și de pasul (1) , după care se va selecta meniul Online așa cum se indică în pasul (2) și se va ieși din modul „Run” prin apăsarea modului „Stop” și după această etapă, deconectarea din program prin apăsarea „Logout” prin pasul (3) se va trece la o nouă etapă, etapa de Vizualizare. Mediul de programare Easy Soft CoDeSys, este conceput cu o etapă de vizualizare, etapă care seamănă cu SCADA și care oferă „Interfața cu Utilizatorul”. Interfața cu utilizatorul este construită în special pentru ca un om, care nu cunoaște limbajul de programare scris, sa poată să înteleagă funcționarea acestuia.

În figura 24, imaginea de pe următoarea pagină, se descrie modalitatea de adăugare a interfeței cu utilizatorul. Primul pas după ce am ales „Visualization” se dă click dreapta în locul indicat de (1), se alege din meniul afișat „Add Object…” și va apărea fereastra indicată de pasul(3) unde se va scrie numele dorit al vizualizării. De exemplu „Vizualizare1” și se va apăsa OK.

Fig. 24. Modalitatea de adaugare a interfertei cu utilizatorul, Easy Soft CoDeSys

Fig. 25. Modalitatea de adresare a unei variabile(intrare) unui buton, Easy Soft CoDeSys

În figura 25 se observă că apare fereastra numită Vizualizare1 indicată de pasul (1), după care se va selecta un dreptunghi(buton) indicat de pas(3), apăsând dublu click pe acesta se va deschide fereastra din pasul (4) care indică modalitatea de atașare a unui text acestui buton. În pasul (5) este descris modul de adresare a variabilei „Intrare_1” din program acestui buton. După cum se poate observa în pasul (5) s-a ales un buton de tip „cu reținere”.

Fig. 26. Modalitatea de adresare a unei variabile(iesire) unui buton, Easy Soft CoDeSys

În figura 26 este descris modul de adresare a unei ieșiri unui buton. După cum se poate observa pentru ieșire s-a ales un buton de tip „cerc”(2) și apăsând dublu click apare fereastra din pasul (3) după care se va selecta „Variables” iar la opțiunea „Change” se va adresa variabila “Iesire_1”din program. În fereastra din pasul (4) se arată modul de selectare a unei culori diferite atunci când ieșirea este activă.

În figura de pe următoarea pagină, figura 27, se indică modalitatea cum se setează parametrii de comunicare dintre soft și PLC. Pasul (1) este deselectarea modului „Simulation Mode”, pasul (2) selectarea opțiunii „Comunication Parameters” și va apărea fereastra indicată, se selectează opțiunea „Gateway” , pas (3). Pasul (4) și (5) se selectează opțiunea „Local” din fereastra „Gateway” după care se selectează „New”, și apare fereastra „Comunication Parameters: New Channel” de unde se va selecta Serial (RS232), pași (6) și (7). În final se va urma pasul (8) și pasul (9) – „OK” iar în acest moment s-au setat parametrii.

Fig. 27. Modalitatea de comunicare dintre soft și PLC, Easy Soft CoDeSys

Fig. 28. Modalitatea de comunicare dintre soft și PLC, Easy Soft CoDeSys

În figura 28, se va selecta din meniul „Online” – „Comunication Parameters” și se va seta rata de transfer, „Baudrate” la valoarea de 9600, valoare la care PLC-ul comunică cu programul fără a întâmpina erori. După care se urmează pașii (4) de conectare a softului cu PLC-ul, după care se va activa opțiunea (5), „Download” prin care se va putea descărca programul în PLC. Se va selecta din nou opțiunea „Run” și în acel moment programul este activat pe PLC și monitorizat în soft.

DESCRIERE PROGRAM PRINCIPAL

REALIZAT în EASY SOFT CODESYS

În pasul anterior s-a prezentat modul de a lucra cu mediul de programare Easy Soft CoDeSys, pas care a fost ajutător în realizarea programului principal destinat machetei educaționale.

În acest pas se prezintă succint fiecare etapă a programului principal, în care se cere controlul vitezei unui motor asincron alimentat de la un invertor cât și al sensului acestuia, și monitorizarea gamei de frecvență prin LED-uri.

Se declară variabilele necesare programului :

Fig. 29. Variabilele globale din programul principal , Easy Soft CoDeSys

După cum se poate observa în figura 29 sunt declarate variabilele globale din programul principal :

-Intrările PLC-ului, I7( a 8-a intrare a PLC-ului este liberă)

-Ieșirile PLC-ului, Q4( a 5-a iesire a PLC-ului este liberă)

-„Demo”- are rolul de pornire al celui de-al doilea program, programul de test, dar despre care se va vorbi un pic mai tarziu.

-„Analogic”- reprezintă o variabilă cu rolul de coordonare a intrărilor respectiv ieșirii modului de extensie al automatului programabil.

Fig. 30. Variabilele analogice din programul principal , Easy Soft CoDeSys

-Analog_IN1 – reprezintă intrarea analogică 1, a modului de extensie

-Analog_IN2 – reprezintă intrarea analogică 2, a modului de extensie

-Analog_OUT – reprezintă ieșirea analogică, a modului de extensie

Intrarea analogică 1 reprezintă curentul consumat

Ieșirea analogică reprezintă controlul frecvenței

Fig. 31. Secvența de coduri din programul principal , Easy Soft CoDeSys

Linia 0001 – reprezintă un comentariu în cazul de față „Alimentare” însemnând pornirea aplicației, respectiv a programului.

Linia 0003 – reprezintă prima comandă a acestui program și înseamnă activarea ieșirii Q5 a automatului programului, mai exact aprinderea lămpii „ActivarePLC” care simbolizează că programul principal este în mod „RUN” – mod funcționare.

Linia 0005 – comentariul „Memorie Insuficientă” face referire la secvența de cod care o urmează.

Linia 0006 – Linia 0009 – secvența de cod se referă la variabila „Analogic” care odată ce atinge valoarea 101 înseamnă că „memoria este insuficientă” deoarece programul principal are nevoie ca această variabilă sa ia valori de la 0 la 100, de aceea când se întamplă acest lucru, în mod automat variabila Analogic are valoarea 0.

Linia 0011 – „Buton Start-Stop” comentariul precizat, în mod evident face referire la primul buton destinat acestui program, buton care poate fi denumit și buton „Master” deoarece fără trecerea lui pe stare Activ nu se poate continua programul principal, cu precizarea că programul Test este independent de acest buton.

Linia 0012 – „SS_TRIG(CLK:=I0);” este o funcție de tip TRIG, mai exact se face referire la functia R_TRIG, dupa cum se spune și în literatura de specialitate rolul acestei funcții este „de detectare a frontului crescător”, mai exact, atunci când apăsăm butonul destinat intrării „I0”, când aceasta își schimbă starea din „normal deschis” în „normal inchis”, indiferent de timpul apăsat, funcția a detectat automat această schimbare de contacte și ieșirea ei primește comandă de a fi activă.

Linia 0013 – reprezintă o funcție normală „Dacă …..atunci” obișnuită în toate mediile de programare, în care se precizează condiția ca butonul Start/Stop să fie ACTIV pentru ca programul să continue.

Linia 0014 – linie prin care se neagă valoarea inițială a ieșirii lui SS.

Linia 0015 – linie cu care se închide prima secvență de coduri.

Fig. 32. Secvența de coduri din programul principal , Easy Soft CoDeSys

În figura 32 se face precizare la 3 secvențe de coduri asemănătoare între ele, deoarece se execută aceleași funcții cunoscute anterior, mai exact funcția „R_TRIG”, „IF_THEN..ENDIF” și negarea valorii inițiale a unui buton, intrări a automatului programabil.

Se observă că explicațiile secvenței de cod de la Linia 0018 la Linia 0021 este aceeași cu explicațiile secvenței de cod de la Linia 0012 la Linia 0015, cu diferența că în secvența de cod de mai sus se face precizarea la un alt buton și o altă lampă, respectiv o altă intrare, respectiv ieșire.

În figura 33, se poate observa toată secvența de cod destinată „Buton Creștere Frecventă” sau „Creștere Viteză” și care incepe cu comentariul referitor la acest lucru.

Linia 0036 – Funcția R_TRIG aplicabilă butonului „UP” – „Crestere Viteza” adică aplicabilă intrării 3 – „I2” a automatului programabil. Functia R_TRIG are rolul de detecție a frontului crescător.

Linia 0037 – Dacă condiția mai de sus este îndeplinită și ieșirea funcției R_TRIG este activă atunci programul poate continua cu liniile urmatoare de cod datorită condiției „IF..THEN”

Fig. 33. Secvența de cod din programul principal , Easy Soft CoDeSys

Linia 0038 și Linia 0039 – ne asigură că starea inițială a celor 2 indicatoare de nivel a frecvenței sunt în acest moment pe poziția „FALSE” adică inactive.

Linia 0040 și Linia 0042 – se observă o secvență de cod IF..THEN în care se precizează că atâta timp cât valoarea variabilei „Analogic” nu atinge limita de 100, crește cu 5 unități la fiecare apăsare de buton.

Linia 0043 și Linia 0051 – această secvență începe cu condiția cât timp valoarea lui Analogic rămâne mai mică sau egală cu valoarea 38 ( f= 20 Hz) indicatorii de frecvență sunt activi în ordinea urmatoare : 1. Activ; 2. Inactiv, odată trecut pragul de 38 mai exact odată atins pragul de 39 până în limita a 79(f = 40 Hz) indicatorii de frecvență își schimbă starea în ordinea urmatoare:1.Inactiv; 2.Activ. Odată atins și acest prag se schimbă din nou starea indicatorilor de frecvență, fiind atât 1 cât și 2: Activ.

Linia 0055 și Linia 0056 – se observă că odată atins pragul de 95 de unități din cele maxim 100 posibile ale valorii „Analogic” în momentul acela „Analogic” ia valoarea 100.

Linia 0060 – înaintea liniei 60 au loc închiderile condițiilor anterioare, prezentate mai sus. În linia 60 se introduce valoarea variabilei „Analogic” într-o ecuație care va avea ca rezultat ieșirea modului de extensie analogic, adică ceea ce ne interesează cel mai mult, „Controlul frecvenței” sau al turației motorului. Dupa cum se poate observa valoarea variabilei „Analogic” este inmultită cu 4095/100 se scrie așa deoarece valoarea ieșirii modului de extensie analogic se scrie pe 12 biți adică între 0 – 4095, ceea ce reprezintă 0 valoarea nulă și 4095 valoarea maximă afișată.

Fig. 34. Secvența de cod din programul principal , Easy Soft CoDeSys

În figura 34, după cum se poate observa se prezintă funcția de „Scadere a Frecvenței” sau „Scădere Viteză” și este evident că funcția este aproape identică cu cea prezentată anterior, funcția de „Creștere Viteză”, numai că se face precizarea că în loc de adăugare cu 5 unități asupra valorii variabilei „Analogic” la fiecare apăsare de buton, în această funcție se scad câte 5 unități din variabila „Analogic” până când aceasta ajunge la nul, adică 0 iar motorul electric asincron trifazat s-a oprit.

Fig. 35. Secvența de cod din programul principal , Easy Soft CoDeSys

În figura 35, se poate observa că primele 3 linii sunt asemănătoare cu altele prezentate anterior, pentru că ele fac referire la comentariu, funcția R_trig, respectiv conditia IF ..THEN, și daca conditia este indeplinita atunci programul poate continua cu următoarele instrucțiuni de atribuire:

Valoarea variabilei „Analogic” devine 0;

Starea butonului Start/Stop devine automat activă, indiferent de starea sa anterioară ;

Starea butoanelor Înainte/Inapoi respectiv celor 2 indicatoare de nivel a frecvenței devin inactive.

Odată aplicate aceste stări, valoarea butonului „Demo” este negată și se închide condiția inițială mergând la următoarea etapă de apelare a programului TEST, mai exact dacă starea inițială a butonului „Demo” a fost inactivă, automat aceasta devine activă ce inseamnă că va putea îndeplinii condiția de apelare a programului TEST.

Programul TEST cuprinde un set de instrucțiuni de forma celor prezentate anterior R_TRIG, IF…THEN, de atribuiri, dar și de funcții precum F_TRIG, TON și TOF.

Funcția F_trig are rolul de detecție, de evaluare, a frontului descrescător.

Funcția TON, reprezintă funcția de temporizare la anclanșare, principiu de funcționare al acestei funcții este explicat în Figura 36.

Funcția TOF, reprezintă funcția de temporizare la declanșare sau revenire principiu de funcționare al acestei funcții este explicat în Figura 37.

Fig. 36. Funcția de temporizare la anclanșare

Fig. 37. Funcția de temporizare la declanșare sau revenire

Programul TEST este destinat în totalitate verificărilor de funcționare ale părții de comandă, mai exact butoane și lămpi pe perioade predefinite de 5 secunde/etapă.

Programul este activ prin apăsarea butonului „Demo” iar etapa lui de funcționare este următoarea :

pornește de la valoarea 0 a variabilei „Analogic” și ajunge în mod crescător cu pasul de 3 unităti întrun timp de circa 2 secunde, la valoarea 40, în acest moment se aprinde bec 1, care este același cu indicatorul de frecvență până în 20 de Hz, și funcționează în acest regim pentru circa 5 secunde.

după care într-o secundă ajunge la valoarea maximă a variabilei „Analogic”, valoarea 100, în momentul acela se aprind ambele becuri, similare cu indicatoarele de frecvență, și funcționează în acest regim pentru circa 5 secunde.

tot într-o secundă coboară la valoarea de 60 de unități, în acest regim rămâne aprins doar bec 2 și funcționează pe același interval de timp circa 5 secunde

ultima etapă a acestui program este revenirea la valoarea 0, cât și trecerea în stare inactivă a celor 2 becuri, după care ultima funcție este oprirea întregului program declanșând butonul Start/Stop.

Programul permite realizarea unei interfețe grafice pentru a putea urmării mai ușor funcționarea acestuia. Această interfață poate fi utilizată pentru monitorizare și control.

Fig. 38. Interfața grafică cu utilizatorul, Easy Soft CoDeSys

CAPITOLUL IV

DESCRIERE ECHIPAMENTE ELECTRICE

3.1. CONVERTIZOR DE FRECVENȚĂ

În realizarea machetei educaționale s-a folosit un convertizor de frecvență, de tip DF51-322-037, producător Moeller. Convertizorul de frecvență este compus din 3 părți principale: un redresor, un filtru capacitiv (sau capacitiv inductiv) și un invertor. Comanda tranzistoarelor invertorului este dată de un microprocesor și are la bază principiul modulării în lățime a impulsurilor (PWM- Pulse Width Modulation). Tranzistoarele folosite în astfel de aplicații sunt de tip IGBT (Insulated Gate Bipolar Tranzistor), frecvența de comutație fiind de ordinul 10-20kHz.

În această aplicație este folosit un invertor de tip U/f constant Moeller DF51-322-037, alimentat monofazat 230V, și poate alimenta un motor trifazat cu tensiunea de 230V și o putere maximă de 0.37kW. Rolul invertorului în acest sistem de acționare este acela de a modifica frecvența și tensiunea (păstrând constant raportul U/f) de alimentare a motorului. În același timp cu frecvența se modifică și valoarea tensiunii pentru a păstra un cuplu dezvoltat de motor constant.

Fig. 39. Poză de ansamblu convertizor de frecvență DF51-322-037, Producător Moeller, [8]

În figura 39, se poate observa poza de ansamblu a convertizorului de frecvență

DF51-322-037. În următorul tabel este prezentată legenda figurii 39:

Tabel 2. Legenda la figura 39, [8]

În figura 40, figura de mai jos, este prezentată schema bloc a convertizorului de frecvență folosit în realizarea machetei experimentale

Fig. 40. Schema bloc a convertizorului de frecvență DF51-322-037, Producător Moeller, [8]

În tabelul 3 este prezentată legenda schemei bloc a convertizorului de frecvență.

Tabel 3. Legenda schemei bloc a convertizorului de frecvență, [8]

În tabelul 4 sunt prezentate datele generale ale convertizorului de frecvență utilizat

Tabel 4. Convertizor de frecvență DF51-322-037, Producător Moeller, [8]

Fig. 40. Diagrama bloc a convertizorului de frecvență DF51-322-037, Producător Moeller, [8]

Semnificație notații

Partea de forță

L,N Alimentare monofazată

L1, L2, L3 Alimentare trifazată

U, V, W Ieșiri convertizor de frecvență catre motor

L+, DC+ Ieșire DC catre filtru extern

DC+, DC- Legatură DC internă

Partea de comandă

P24 +24V teniune de comandă

1, 2, 3, 4, 5 Intrări digitale

L Potential referință 0V pentru comenzi

H Sursa interna de referință +10V

O Intrare analogică 0 +10V

OI Intrare analogică 4 20mA

AM Ieșire analogică 0 10V

K11, K12, K14 Releu de semnalizare

CM2 Potențial de referință pentru tranzistoare

11, 12 Ieșire tranzistoare maxim 27V

RJ 45 Interfata de conunicare

3.2. MAȘINA ELECTRICĂ ASINCRON TRIFAZATĂ

În realizarea machetei educaționale, s-a folosit o mașină electrică asincron trifazată, producător SMEM prezentată în figura urmatoare

Fig. 41. Mașina Electrică Asincron Trifazată, Producător SMEM[9]

În tabelul 5 sunt prezentate datele generale ale mașinii electrice asincron trifazate

Tabel 5. Mașina electrică asincron trifazată, Producător SMEM

3.2. ÎNTRERUPTOR AUTOMAT

Întreruptorul automat este un aparat de comutație capabil să suporte, să închidă și să deschidă curenți nominali, dar și de suprasarcină și scurtcircuit în condiții prestabilite.

Acest dispozitiv electric este des întâlnit în instalațiile electrice, având rolul de protecție a echipamentelor în aval de el.

În realizarea machetei educaționale s-a folosit întreruptorul automat, PKZM01-2.5 de la Moeller prezentat în figura alaturată.

Fig. 42. Întreruptor Automat Tabel 5. Întreruptor Automat – “Alimentare Generală”,

PKZM01-2.5, Producător Moeller PKZM01-2.5, producător Moeller[10]

3.3. ÎNTRERUPTOR AUTOMAT DIFERENȚIAL

În mod obisnuit, un întreruptor automat realizează trei funcții importante:

protecție la suprasarcină, la scurtcircuit și realizarea/separarea circuitului pe care il protejează. Același întreruptor automat sau disjunctor poate să realizeze și o protecție suplimentară împotriva atingerilor accidentale sau a punerilor la pământ, dacă i se atașează un modul special, denumit deobicei protecție diferențială. Constructiv, principial, e un tor străbătut de conductoarele care se leagă la disjunctor pe care se bobinează o bobină care se leagă la un releu. Indiferent dacă se discută de circuite monofazate, trifazate sau tetrafazate, principiul este același (figura 43) : suma vectorială a curenților care străbat torul magnetic trebuie sa fie zero. Dacă undeva apare o scurgere de curenți (atingere accidentală, punere la masă, etc.) această sumă nu mai e zero și în bobină se induce un curent care provoacă închiderea releului. Releul acționează apoi disjunctorul (direct sau indirect) deschizându-l.

Fig. 42. Tor străbătut de conductoarele care se leagă la disjunctor, [11]

Modelul folosit în macheta experimentală este FL7-10/1N/B/03, produs de Moeller. Semnificația simbolului poate fi explicată asfel:

FL7 reprezintă tipul constuctiv al disjunctorului

reprezintă curentul nominal al disjunctorului

1N blocul de protecție se găsește pe fază

B curba de declanșare la suprasarcină și scurtcircuit

03 curentul de defect 0.3A

Tabel 6. Întreruptor automat diferential –

“Protectie Invertor”, FL7-10/1N/B/03 similar cu

PKNM-10/1N/B/03, Producător Moeller,[10].

Fig. 43. Întreruptor automat

diferential,Producător Moeller

3.3. CONTACTOR ELECTROMAGNETIC

Contactorul electromagnetic este definit ca un aparat de comutație mecanică, acționat altfel decât manual (electromagnetic), cu o singură poziție de repaus, capabil să stabilească, să suporte și să întrerupă curenți nominali și curenți mai mari decat curenții nominali, dar care apar în mod normal, cum sunt curenții de pornire ai motoarelor electrice. Contactorul este destinat a efectua un număr mare de comutații în sarcină (spre exemplu 105…106) și un număr încă mai mare de comutații fără sarcină (spre exemplu 107). După felul rețelei în care functionează, contactorul poartă denumirea de contactor de curent alternativ sau de curent continuu. Contactorul poate fi construit cu contactele principale normal deschise sau normal închise. În acest ultim caz aparatul se mai numeste și ruptor.

Contactul normal deschis este contactul care se află deschis cand aparatul este în poziție de repaus ( în absența excitației, adică în lipsa curentului în bobina de excitație a contactorului). Acest contact se va stabili, adică va devenii închis, la apariția excitației.

Contactul normal închis este contactul care se află închis cand aparatul este în poziție de repaus (absența excitației). Acest contact se va deschide la apariția excitației,[12].

Construcția electromagnetică din punct de vedere constructiv, contactorul este alcătuit din următoarele elemente:

organul motor, constituit dintrun electromagnet;

polii principali, reprezentați prin căile de curent în bobine, contacte și camera de stingere;

poli auxiliari, care cuprind borne și contacte normal închise și deschise necesare automenținerii, semnalizării și interblocajului;

carcasa aparatului ca suport material pentru elementele active de la punctele a), b), c).

În cadrul machetei experimentale am folosit un contactor electromagnetic model

DIL EM-10, produs de Moeller prezentat în figura 44, de pe următoarea pagină.

Tabel 7 Contactor Electromagnetic –

“Alimentare Motor”, DILEM-10, Producător Moeller

Fig. 44. Contactor Electromagnetic

,Producător Moeller[10]

3.3. RELEU ELECTROMAGNETIC

În realizarea machetei, în componența circuitului de comandă s-a folosit un releu de comandă cu 4 perechi de contacte normal deschis, normal inchis model 114A4 produs de Kuhnke.

Bobina circuitului de comandă este alimentată la 24Vcc și absoarbe o putere de 1W. Curentul nominal prin circuitul de forță poate fi de 10A în regim permanent, dar este recomandat să nu se depașească valoarea de 20A pentru a nu se deteriora.

Contactele sunt realizate din AgNi și pot executa până la 20 milioane de cicluri mecanice. Releul este dotat cu lampă de semnalizare încorporată pentru a permite utilizatorului să observe starea acestuia (anclanșat sau declanșat).

Fig. 45. Descriere părți componente releu de comandă, [13]

Fig. 46. Semnificație contacte electrice, [13]

Pentru a se putea utiliza un astfel de releu este nevoie și de o priză (soclu) în care să fie montat. Acest soclu suportă un curent nominal de 10A la o tensiune de 250V, poate fi montat pe o șină de montaj de 35mm sau cu șuruburi M3. Conexiunile electrice se pot face cu conductor masiv 2×1,5mm2 sau cu conductor flexibil 2x1mm2 .

Fig. 47. Soclu pentru releu model 114A4, [13]

Releul intermediar 114A4 este folosit pentru selectarea modului de comandă al invertorului (manual sau automat), făcând parte din schema de comandă.

În cadrul schemei de forță intervine un releu intermediar de tip UF3 230VAC care este compus din 3 perechi de contacte (normal închis, normal deschis) produs de Kuhnke. Bobina circuitului de comandă este alimentată la 230Vca și absoarbe o putere de 1.2 W. Curentul nominal prin circuitul de forță poate fi de 10A în regim permanent, dar este recomandat să nu se depașească valoarea de 20A pentru a nu se deteriora. Contactele sunt realizate din AgNi și pot executa până la 20 milioane de cicluri mecanice.

Fig. 48. Descriere părți componente releu de comandă, [13]

Fig. 49. Semnificație contacte electrice, [13]

Pentru a se putea utiliza un astfel de releu este nevoie și de o priză (soclu) în care să fie montat. Acest soclu suportă un curent nominal de 10A la o tensiune de 250V, poate fi montat pe o șină de montaj de 35mm sau cu șuruburi M3. Conexiunile electrice se pot face cu conductor masiv 2×2,5mm2 sau cu conductor flexibil 2×1,5mm2 .

Fig. 50. Soclu pentru releu model UF3, [13]

3.3. ECHIPAMENTE DE COMANDĂ ȘI SEMNALIZARE

În realizarea machetei s-au folosit butoane, indicatoare luminoase, selectoare de la Moeller. Aparatura de comandă și semnalizare de la Moeller combină designul modern cu o funcționalitate optimală. Indicatoarele luminoase și coloanele de semnalizare afișate cu LED-uri sunt afișoare sigure ale stărilor mașinilor și instalațiilor.

Fig. 51. Echipamente de protecție și comandă, [14]

Fig. 52. Echipamente de protecție și comandă, [14]

CAPITOLUL V

MACHETA EDUCAȚIONALĂ

REALIZAREA MACHETEI EDUCAȚIONALE

5.1.1. Primii pași în realizarea machetei

Primii pași în realizarea machetei au fost de familiarizarea corectă cu componentele necesare machetei educaționale. Cunoașterea hardware cât și software, cel puțin la un nivel de începător a reprezentat un prim pas, în primul rând pentru a se stabili anumite reguli care trebuiesc respectate de a nu ne pune viața în pericol, cât și de a nu strica componentele principale.

De aceea, unul din primele lucruri practice care s-au făcut a fost de a alimenta o sursă de 24V DC prin care s-a alimentat automatul programabil atat a CPU cat și a I/O.

S-au realizat progrămele scurte pentru a ne familiariza cu softul dedicat automatului programabil, cât și pentru a înțelege softul aferent necesar machetei educaționale. După care am atașat și celelalte 2 componente principale, și anume, convertizorul de frecvență și mașina electrică asincron trifazată. Aceste lucruri se pot observa în figura 53 de mai jos, care reprezintă una din primele poze, în momentul în care s-a trecut la partea practică.

Fig. 53. Primii pași în realizarea machetei, poza 1

În decursul a mai multor zile, s-a ințeles o parte din modalitatea de funcționare cât și faptul de a scrie tot ceea ce se face, tot ce se realizează. De aceea, odată stabilită prima listă cu necesarul de echipamente electrice, s-au făcut primele scheme electrice, scheme bloc ale machetei. În figura urmatoare se poate observa una dintre primele poziționări ale echipamentelor electrice pe machetă.

Fig. 54. Primii pași în realizarea machetei, poza 2-Așezare de ansamblu

Odată stabilită lista definitivă a echipamentelor necesare în vederea realizării machetei educaționale s-a trecut la pasul următor, stabilirea schemelor electrice cât mai exacte, dar cum mai de fiecare dată pot apărea îmbunătățiri sau modificări, nici această machetă nu a dus lipsă de asa ceva. De aceea, în urmatoarul subcapitol se prezintă schemele electrice finale ale machetei educaționale.

5.1.2. Scheme

Fig. 55. Schema electrică, pagina 1/5

Fig. 56. Schema electrică, pagina 2/5

Fig. 57. Schema electrică, pagina 3/5

Fig. 58. Schema electrică, pagina 4/5

Fig. 59. Schema electrică, pagina 5/5

5.1.3. Realizarea proceselor tehnologice

Pentru realizarea machetei educaționale din punct de vedere fizic au fost necesare anumite procese tehnologice cum ar fi :

găurirea;

frezarea;

vopsirea, etc.

Înainte de a se incepe aceste procese tehnologice s-a definitivat așezarea echipamentelor electrice pe machetă și s-au făcut calculele necesare a câte găuri ar mai fi necesare.

Primele 2 procese tehnologice au fost de frezare a găurilor deja existente și de realizare găuri noi, precum s-a stabilit.

În următoarele imagini sunt prezentați pașii inițiali ai proceselor tehnologice.

Fig. 60. Frezarea –poza 1

Metoda de frezare a fost una dintre cele mai interesante, deoarece s-a avut în vedere faptul de a nu se strica macheta, lemnul pe care s-a construit, s-a dorit ca aspectul fizic să fie unul plăcut atât pe partea din față a machetei cât și pe partea din spate a acesteia. În astfel de momente s-a observat că atâta timp cât nu forța predomină, ci răbdarea se pot face lucruri frumoase. Metoda de frezare a fost una simplă, dar eficientă și anume inițial gaura era largită printr-o etapă de rotație, pentru ca aspectul să fie plăcut și pentru că lemnul nu se compară cu beton.

Fig. 61. Frezarea –poza 2

După o anumită perioada de timp, odată finalizate găurile astfel încât inelele de prindere ale butoanelor cât și adaptorele de fixare ale acestora, se pot fixa fără a întâmpina probleme, se poate trece la etapa urmatoare și anume, vopsirea găurilor după care s-au trasat liniile pe care vor lua loc jgheaburile și după care s-a inceput așezarea echipamentelor de comandă și semnalizare, mai exact butoane, indicatoare luminoase, selectoare, potențiometre. Odată ajuns la acest moment se imortalizează, iar macheta este prezentată în figura 62, de pe următoarea pagină.

Fig. 62. Așezarea echipamentelor de comandă și semnalizare

Pentru protecția automatului programabil, în realizarea practică s-au folosit relee electronice. Acestea au rolul de a realiza izolarea galvanică între PLC și circuitul de comandă al invertorului, dar și în cazul semnalizării locale. Relee electronice sunt realizate dintrun electromagnet alimentat la o tensiune de 24V curent continuu și un bloc de contacte normal închis, normal deschis. Curentul suportat de acesta pe circuitul de forță este de maxim 5A. În realizarea montajului s-a ținut cont de existența supratensiunilor datorate deconectării și în sensul diminuării efectului produs de acesta s-a montat în paralel cu releul o diodă semiconductoare de tip 1N4148 polarizată invers. În realizarea practică pe fiecare releu s-a montat un LED în serie cu o rezistență de 3.3KΩ

Fig. 63. Placa cu relee electronice

Fig. 64. Macheta educațională înainte de trasare conductor electric.

5.1.4. Trasarea cablurilor electrice

În realizarea machetei educaționale, trasarea cablurilor electrice poate reprezenta cel mai important aspect, deoarece așa cum ne-am obișnuit în viață, uneori, este necesar ca un singur fir să fie legat gresit și are loc scurtcircuitul. De aceea, întotdeauna trebuie să se aibă mare grijă la această etapă a realizării, pentru că altfel se pot strica, arde componente care, nu strică doar instalația electrică realizată, dar ne pot pune viața în pericol.

Această etapă cuprinde 2 părti:

partea de forță;

partea de comandă.

Întotdeuna prima etapă a unei instalații electrice, tablou electric, etc., este de a lega

partea de forță. În macheta educațională aceste legături sunt realizate cu conductor(cablu) electric MYF 1.5 albastru.

Fig. 65. Macheta educațională – trasare cablu.

Fig. 66. Placa cu relee electronice cablată.

Fig. 67. Macheta educațională – trasare cablu.

5.1.5. Verificarea legăturilor electrice

Este evident că acest subcapitol este la fel de important ca cel precedent, și de aceea mai jos este prezentat instrumentul de masură cu care s-au făcut măsuratori și verificări astfel încât să se determine dacă legăturile electrice sunt făcute corespunzător schemei sau daca există vreo conexiune realizată gresit. De exemplu firul de nul legat pe fază, sau invers.

Mutimetrul utilizat pentru determinarea fazelor, tensiunilor, curenților și rezistențelor: AC/DC CLAMP MULTIMETER APPA 30/30R.

Fig. 68. Multimetrul APPA 30/30R.[15]

Caracteristici tehnice :

Afișaj : 3 ¾ Digital Liquid Crystal Display (LCD) care poate să afișeze maxim 3999.

Polaritatea : este indicată în mod automat.

Depășirea gamei de măsurare : este indicată prin apariția simbolului ’’OL” pe afișaj.

Indicarea consumului bateriei : este indicată prin apariția unui simbol pe display atunci când tensiunea furnizată de baterie scade sub valoarea de regim ( de exploatare).

Rata măsurării : de două ori/ secundă.

Eroarea de poziționare : +/- 1% din valoarea citită.

Tipul de senzor folosit : cu efect Hall pentru curent alternativ și continuu.

Tipul bateriei și durata de viață : Alkaline AAA dimensiune 1.5V x 2 60 ore.

Acuratețea: ± (% din valoarea citită + numărul de digiti) la 23°C ± 5°C la o umiditate relativă mai mică decât 80% RH.

Masuri de precautie :

Bateriile nu se inlocuiesc în condițiile în care aparatul este pornit ( butonul power apăsat).

Dacă aparatul nu este folosit pentru o perioadă mai lungă de timp bateriile trebuie să fie scoase.

După ce se utilizează este indicată oprirea aparatului.

Dacă nu este acționată oprirea aparatului după aproximativ 30 min. de la pornirea sa el se va inchide automat.

Acetst instrument nu trebuie folosit pentru conductoare neizolate pentru o tensiune mai mare decât 600 V ac/dc.

Exemplu de efectuare a unei măsurători:

Măsurarea curentului alternativ (AC) și continuu (DC) cu cleștele APPA:

se setează cu ajutorul butonului glisant poziția indicată de simbolul ’’A’’;

se deschide cleștele de măsură prin apăsarea și menținerea în această poziție a butonului plasat în partea stângă a aparatului;

cleștele se poziționează în jurul firului sau a conductorului și se eliberează ușor butonul lateral. Acesta nu este indicat a se elibera brusc și trebuie să se asigure că închiderea cleștelui este etanșă. Pentru o măsurare precisă conductorul este indicat a se

plasa în mijlocul spațiului format de clește. Totodată, acesta se poziționează numai în jurul a unui singur conductor al unui circuit. Nu se pot măsura doi curenți deodată;

5.1.6. Etichetarea echipamentelor electrice

Etichetarea echipamentelor electrice, reprezintă un proces important, nu numai că ajută foarte mult în explicarea schemei electrice, în diferențierea dintre 2 produse identice, dar și ca aspect îi îmbunătățeste calitatea unui produs.

Pentru realizarea machetei educaționale, s-au realizat etichete cu denumirea fiecărui aparat sau echipament, în parte. Componentele principale ale machetei educaționale dispun de câte o etichetă fiecare, pe care sunt scrise datele generale. Ex: a se vedea invertorul, automatul programabil, motorul.

Deși denumirea subcapitolului este de „Etichetarea echipamentelor electrice” nu este chiar în totalitate corect, deoarece au fost adăugate etichete și cablurilor electrice. Mai exact la ambele capete a unui cablu electric s-au adăugat cifre, care reprezintă numere, pe care le putem găsii pe schema electrică.

În imaginile următoare se pot observa etichetele echipamentelor electrice, etichetarea machetei educaționale.

Fig. 69. Automat Programabil X201, cu etichete.

Fig. 70. Convertizor de frecvență DF51, cu etichete.

Fig. 71. Macheta educațională, cu etichete.

5.1.7. Punerea sub tensiune

Prin punerea sub tensiune se înțelege alimentarea cu 230V a machetei educaționale și scoaterea ei de pe regimul, oprire de urgență. Când alimentezi pentru prima dată un tablou electric, o instalație electrică, întotdeauna ai emotii, deoarece dacă până în acel moment s-a avut grijă să nu se gresească firele între ele, s-au făcut verificări ca toate legaturile electrice să fie corecte, din momentul punerii sub tensiune este ca un examen, efortul depus este răsplătit sau nu. Din fericire macheta educațională, în momentul în care a fost pusă sub tensiune a funcționat corespunzător cu schema electrică, de aceea s-a imortalizat acest moment, care poate fi observabil în figura urmatoare, după care s-a trecut la „verificarea finală” . Dacă în figura 71, se poate observa că este pe regim de avarie sau oprire de urgență, în figura 72 se poate observa că macheta este în regim de funcționare.

Fig. 72. Macheta educațională, regim de funcționare.

5.1.8. Verificarea finală

După efectuarea mai multor teste, s-a observat prima declanșare nedorită a întreruptorului automat de pe „cap” – alimentare generală, de aceea datorită faptului că această declanșare nedorită a avut loc pe procesul de „Automat” s-a inceput realizarea progrămelelor scurte, dar la obiect, care au avut drept scop, testarea a câte 2 intrări, respectiv 1 ieșire, pentru determinarea momentului în care a avut loc acel scurtcircuit.

După realizarea mai multor teste s-a găsit problema, mai exact papucii de intrare ai unui potențiometru se atingeau, adică între „0” și „+” spatiul nu era suficient, de aceea întreruptorul automat a declanșat.

Odată finalizate verificările finale s-au prins capacele jgheaburilor și s-a incheiat procesul practic.

După mai mult timp decât s-a propus inițial, s-a ajuns la realizarea în formă finală a machetei educaționale.

Fig. 73. Vedere de ansamblu din față a machetei educaționale, varianta finală.

Fig. 74. Vedere de ansamblu din spate a machetei educaționale, varianta finală.

DESCRIERE FUNCTIONARE

Modul de funcționare al machetei educaționale este conceput astfel încât să poată lucra atât pe regim automat, cât și pentru regim manual

În lucrarea de față se solicită să se pună accentul pe regimul automat al funcționării machetei educaționale, de aceea în acest subcapitol este prezentată numai această parte.

În primul rând se alimentează macheta la 230V în amontele întreruptorului automat denumit „Alimentare Generală”, după care se verifică dacă este anclanșat sau nu butonul „Oprire de Urgență” acest lucru fiind observabil și în momentul în care sunt aprinse cele 2 lămpi roșii de dedesubtul sursei de 24Vcc.

Declanșarea butonului „Oprire de Urgență” și automat trecerea în mod pasiv, se face prin „retragere”, mai exact dacă o persoană dorește să realizeze acest procedeu se trage de buton pe direcția orizontală.

Următorul pas este de anclanșare a butoanelor „Alimentare PLC” și „Comandă Invertor Manual/Automat”, odată ce sunt anclanșate butoanele, regimul automat de funcționare a machetei este activ.

În următoarea imagine sunt afișate starea butoanelor corespunzătoare activării regimului automat.

Fig. 75. Starea butoanelor de activare regim automat

În momentul activării „Alimentare PLC”, inițial primește alimentare Sursa de 24VDC, după care aceasta alimentează PLC-ul, atât partea de CPU cât și I/O, după care PLC-ul pornește programul și asa cum am descris în capitolul IV „Mediul de programare” subcapitolul „Descriere program principal”, programul este conceput astfel încât atunci când se află în modul „RUN” acest lucru se poate observa atât pe bara de leduri a PLC-ului, cât și pe macheta educațională, deoarece acestei iesiri i s-a rezervat un indicator luminos denumit „Program PLC ACTIVAT”. Acest lucru este observabil în imaginea imediat urmatoare, figura 76.

Fig. 76. Program PLC Activat

În acest moment se poate activa butonul „Start/Stop”, care reprezintă I0 și Q0 a PLC-ului, programul poate continua și se poate crește sau scădea viteza prin butoanele „Crestere Viteză” și „Scadere Viteză”, în dreapta acestora sunt așezate 2 butoane, dar acestea conțin și 2 lămpi care sunt în stransă legatură cu butoanele anterioare și au rolul de semnalizare a treptelor de frecvență.

Fig. 77. Semnalizare treaptă frecvență, f<sau=20Hz

Fig. 78. Semnalizare treaptă frecvență, f>20Hz și f<sau=40Hz

CAPITOLUL VI

CONCLUZII

6.1. DOMENII DE UTILIZARE

În următoarele imagini se prezintă câteva domenii de utilizare în care poate fi implementat sistemul de monitorizare și control atât local, cât și de la distanță prin intermediul Internetului.

Fig. 79. Moară de grâu

În figura 79, se observă o moară cu valturi, care are ca principal scop, realizarea micsorarii granulatiei prin procesul de zdrobire, respectiv de macinare.

Aceste utilaje cu valțuri sunt utilizate în multe ramuri industriale, ca: fabricarea nutrețurilor, industria uleiurilor vegetale, industria cărbunilor, industria chimică, industria sticlei, industria carierelor.  Prin zdrobire se obțin granulații mai mari iar prin măcinare se obțin granulații mai mici.

Fig. 80. Stații de epurare

În figura 80, se observă stații de epurare, care au ca principal scop epurarea apelor reziduale provenite din industrie și a apelor uzate menajere.

Fig. 81. Benzi transportoare

În figura 81, se pot observa benzi transportoare, care reprezintă un element important din fluxul tehnologic al unei fabrici și au ca principal scop transportarea produselor fabricate de la un terminal la altul.

6.2. VIITOARE APLICAȚII

Sistemul poate fi implementat la majoritatea aplicațiilor unde este nevoie de monitorizare și control atât local cât și de la distanță prin intermediul Internetului.

O viitoare aplicație care se poate dezvolta este de a avea access asupra sistemului, prin Ethernet, deoarece pentru unele aplicații este necesar. Accesul la Ethernet este necesar în special pentru o comunicare eficientă a automatelor între ele, dar mai ales pentru transferul de date prin metode de comunicare, spre sistemele de conducere superioare.

De aceea pe viitor s-a propus legarea sistemului la un server OPC și monitorizarea acestuia de la distanță.

Alte viitoare aplicatii ar fi dezvoltarea programelor, pentru efectuarea mai multor functii si implicit mai multe aplicații.

Anexa I

SESIUNEA DE COMUNICĂRI ȘTIINȚIFICE MAI 2010

Anexa II

CONȚINUT CD

Moeller Easy Soft CodeSys 2.3.5

Program principal ( Easy Soft CodeSys 2.3.5)

Documentatie OPC, XC200, XIOC

Imagini din timpul elaborării lucrării de licență

BIBLIOGRAFIE

http://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric ( ultima accesare : 08.06.2010).

http://www.ucmr.ro/steaasincrone.gif (domenii de utilizare M.As – 08.06.2010).

http://ro.wikipedia.org/wiki/Variator_de_frecvență(ultima accesare: 10.06.2010).

„Relee Inteligente”, Autor: Valentin NĂVRĂPESCU, Ed. Electra, Bucuresti, 2006.

XC201 manual – “Modular PLC, XC-CPU-201…-(XV)” – “Hardware, Engineering and Functional Description” – Autor: Peter ROERSCH.

Easy Soft CodeSys manual – „ User manual for programming with CoDeSys 2.3, revizuit 2007, 3S – Company, Smart Software Solutions.

www.moeller.net (informații EasySoft CodeSys) (ultima accesare: 15.06.2010)

Invertor DF51 manual – „Frequency Inverter” – Autor: Jorg RANDERMANN, editia 2005.

www.smem.it (informații motor) (ultima accesare: 15.06.2010)

Catalog General Moeller – Aparatură Modulară

www.electrician.3xforum.ro (informații întreruptor automat diferențial) (ultima accesare: 21.06.2010)

„Aparate Electrice de Comutatie-Vol. II Aplicații” – G. HORTOPAN, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1996

Catalog general Kuhnke – Relee electromagnetice

Catalog General Moeller – Echipamente de comandă și semnalizare

www.ieq.co.kr/board/data/item/1166160419_m (poza multimetru)

(ultima accesare:04.07.2010)

Notă Bibliografie: Denumirile scrise îngroșat reprezintă cărți, respectiv manuale, iar celelalte reprezintă resurse Internet.