Sistem S.c.a.d.a. de Monitorizare Si Control al Unui Arzator Pentru Producerea Mixturilor Asfaltice

Cuprins

1. Introducere

2. Mixturile asfaltice

2.1. Generalități

2.2. Producerea de mixturi asfaltice

2.3 Tipuri de mixturi asfaltice

3. Elemente de teorie

3.1. Senzori și traductoare

3.2. Automate programabile

3.3 SCADA

3.4. Comunicații

3.5 Procese de ordin I

4. Descrierea instalației pentru producerea de mixturi asfaltice

4.1. Descriere generală

4.2. Etapele de funcționare

4.3 Arzătorul

5. Implementarea miniaturală a arzătorului

5.1. Echipamente utilizate

5.2. Descrierea programului

5.3 Comunicația cu dispozitivul Tecal 425F

5.4. Rezultate experimentale

6. Perspective de viitor și concluzii

7. Bibliografie

8. Anexe

1. Introducere

Producerea drumurilor reprezintă o dezvoltare esențială pentru o țară, întrucât ajută oamenii să iasă dintr-un mediu izolat, astfel reușind să cunoască o multitudine de culturi din diferite părți ale țării și întărind unitatea națională. În același timp, producerea de drumuri a ajutat la distribuția eficientă a produselor agricole și resurselor naturale în toată țara, precum și oportunitatea de creare de locuri de muncă și aducerea mult mai rapidă de echipamente medicale în zonele rurale pentru oameni.

Construcția drumurilor necesită crearea unei rute continue, care să depășească anumite obstacole naturale și să aibă un grad de înclinare care să permită traversarea acesteia cu ajutorul vehicolelor sau a pasului uman.

Obiectivul acestei lucrări este de implementare miniaturală a unei componente dintr-o întreagă stație de producere a mixturii asfaltice, anume a arzătorului dintr-o incintă de uscare și încălzire, împreună cu comanda sa manuală dar și automată de către un operator uman. Implementarea miniaturală a făcut posibilă alegerea anumitor elemente de măsurare a temperaturii, cu determinarea caracteristicelor acestor elemente și alegerea lor în funcție de caracteristici și cost.

2. Mixturile asfaltice

Mixturile asfaltice sunt materiale de construcții realizate din amestecuri obținute pe baza unor dozaje judicios stabilite, din agregate naturale sau artificiale și filer, aglomerate cu bitum printr-o tehnologie adecvată[1]. Acestea au multiple întrebuințări, fiind folosite mai ales la realizarea îmbrăcăminților rutiere bituminoase.[1]

2.1 Generalități

Dealungul istoriei, oamenii credeau că urmele lăsate de animale nu reprezentau o anumită cărare ușor de acceptat întrucât în majoritatea cazurilor acestea nu urmăreau un drum drept. Unul dintre aceste cărări îl reprezintă „Drumul Icknield” din sudul Angliei care face legătura intre Norfolk si Wiltshire.

Figura 2.1 Drumul Icknield [4]

Cel mai vechi drum pavat a fost în Egipt în perioada 2600 – 2200 î.Hr.[5]

Străzile pavate cu piatră din orașul Ur datează înainte de anul 4000 î.Hr. [5]

În anul 500 î.Hr., Darius I cel Mare a început un sistem de drum extins pentru Persia [5]

Transportul pe râu era considerat mai rapid și mai ieftin în comparație cu transportul pe drum, fiind considerat costisitor crearea unui drum dar era luat în vedere și capacitatea de transport a barjelor in comparație cu capacitatea de transport a căruțelor. Abia în anul 1740 a fost adoptat un transport hibrid in care calul era nevoit să urmărească o cale fixă dealungul malului unui râu. [5]

Din 312 î. Hr., Imperiul Roman a început să construiască drumuri rezistente, cu piatră, în Europa și Africa de Nord, pentru a-și ajuta campaniile militare.[5] Imperiul Roman era conectat de 29 de drumuri importante care plecau din Roma si se întindeau pe 78000km de drumuri pavate. [5]

În funcție de sectorul în care sunt construite drumurile, mixturile asfaltice trebuie să îndeplinească anumite reglementări guvernamentale, dar să ofere anumite performanțe, o varietatea extinsă este produsă, capabile să reziste la: uzură, condițiile meteorologice si hidrologice, presiunea exercitată de autovehiculele rutiere.

Înfrastructura drumului are următoarea structură rutieră:

Figura 2.2 Structura rutieră a drumului [3]

substratul rutier (subgrade)

stratul de fundație (unbound sub-base)

stratul de bază (unbound road-base)

stratul de uzură (asphalt layers)

Stratul rutier cel mai important care preia direct solicitările traficului și asupra căruia acționează factorii hidrologici si climaterici este cel de uzură.[1]

Agregatele folosite în producerea mixturilor asfaltice sunt:

criblura, care este o piatră dură, spartă mărunt

nisipul natural

balastul și pietrișul concasat

agregate artificiale (zgura de furnal înalt sortată, zgura de haldă concasată etc.)

Pe lângă agregatele menționate, mai sunt adăugate în compoziția mixturilor asfaltice și filerul, care oferă o consistență, adezivitate și stabilitatea ridicată drumurilor, și bitumul care în funcție de mixtura asfaltică pe care o dorim să o preparăm, oferă anumite caracteristici fizico-mecanice.

În funcție de tehnologia folosită pentru preparea mixturii, dar și utilajele folosite în operațiunea de asfaltare, mixturile asfaltice se împart în două mari categorii:

mixturi asfaltice „la cald”, preparate și executate la temperaturi ridicate ( peste 150°C), utilizând ca liant bitumul adus la consistența necesară prin încălzire;[1]

mixturi asfaltice „la rece”, preparate și executate la temperatura mediului ambiant ) peste 5°C), utilizând ca liant emulsia bituminoasă sau bitumul tăiat.[1]

2.2 Producerea de mixturi asfaltice

O stație de mixturi asfaltice este o instalație folosită la producerea de asfalt, macadam și de piatră de drumuri. Aceasta combină un număr de agregate, nisip și filer, în anumite procentaje prestabilite, aglomerate cu bitum sau smoală. Temperatura produsul finit trebuie să permită așternerea acestuia după transportul său la destinație. O temperatură considerată normală de așternere se află cuprinsă între 100°C și 200°C.[17]

O instalație de producere a mixturii asfaltice este în general compusă din următoarele elemente ce pot fi regăsite și în figura 2.3:[17]

sistemul de depozitare al agregatelor (1)

sistemul de uscare (2)

uscătorul, care folosește cărbune pe bază de combustibil (3)

depozit de cărbune (4)

unitatea de colectare a prafului (5)

unitatea de desprăfuit (6)

elevator fierbinte pentru agregate (7)

ciur vibrator (8)

sistem de furnizare filer (9)

sistem de cântărire și malaxare (10)

depozit de asfalt (11)

sistem de furnizare bitum (12)

Figura 2.3 Elementele componente ale unei stații de procere a mixturii asfaltice

Stațiile de mixturi asfaltice sunt împărțite pe două categorii: „batch plants” și „drum plants”.[18]

Batch plants produc mixtura în loturi. Agregatele sunt puse într-un uscător rotativ care înlătură umiditatea, după care sunt transportate la un ciur vibrator ce le sortează după dimensiunea corespunzătoare și depozitate în incinte încălzite. După ce sunt cântărite de un calculator aflat în centrul de comandă, acestea sunt răsturnate într-un malaxor și amestecate pentru o anumită perioadă de timp. Apoi este adăugat bitumul în malaxor și amestecate încă un timp. La finalul ciclului, trapa malaxorului se deschide iar mixtura este răsturnată în vehiculele de transport.[18]

Drum plants produc continuu mixturi asfaltice pentru drumuri. Două treimi din agregate sunt trecute prin procesul de uscare, în timp ce restul de o treime este dusă la malaxor fără a mai avea umiditatea îndepărtată. Mixtura preparată este transportată în silozuri de depozitare, după care este descarcată în mașinile de transport. Producția este de obice de la 8 tone pe oră până la 800 de ton pe oră.[18]

Figura 2.4 „Batch plant” în stânga și „Drum plant” în dreapta

Un control precis este necesar în producerea mixturilor asfaltice. Întrucât este un proces în timp real, sunt îmbinate calculatoarele cu controllere logice programabile pentru a obține cel mai bun randament.[17]

2.3 Tipuri de mixturi asfaltice

Din punct de vedere al compoziției, mixturile asfaltice sunt grupate astfel:[1]

betoane asfaltice (B.A.) alcătuite din cribluri, nisip, filer și aglomerate cu bitum folosind tehnologie adecvată. Cele mai importante betoane asfaltice sunt: beton asfaltic bogat în criblură, beton asfaltic realizat cu nisip bituminos, beton asfaltic cilindrat pentru calea pe pod

asfaltul turnat (A.T.)

mortarul asfaltic (M.A.) ce reprezintă un amestec din nisip, filer și bitum. Aria de aplicabilitate a acestui timp de mixtură este restrânsă întrucât conține un procent ridicat de bitum

anrobatele bituminoase (A.B.) sunt amestecuri de agregate naturale (balast, nisip, pietriș) și filer, aglomerate cu bitum prin tehnologie specifică, utilizate la executarea îmbrăcăminților ușoare sau a straturilor de bază

3. Elemente de teorie

3.1 Senzori si traductoare

Prin senzor se înțelege un dispozitiv sensibil care permite determinarea unui câmp de valori pentru o mărime fizică, într-o manieră similară cu organele de simț umane.[8]

Figura 3.1 Efectul de apăsare al unui disc piezo și producerea de tensiune

Un senzor „ideal” urmărește următoarele reguli: senzitivitatea pentru proprietatea măsurată, nu este sensibil la alte proprietăți în funcție de mediul în care se află și nu influențează proprietatea măsurată.[7]

Întrucât senzori „ideali” nu există, anumite tipuri de deviații pot fi vizibile :

senzitivitatea, care uneori diferă în comparație cu valoarea specificată de producător, numită și eroare de senzitivitate

intervalul semnalului de ieșire este limitat, astfel că în totdeauna vor fi atinse valorile de minim și maxim din interval

senzitivitatea nu este constantă, denumit senzor non-liniar

„drift” care se referă la faptul că pe măsură ce trece timpul, senzorul „îmbătrânește” și se degradează, incapabil să ofere un semnal rapid și exact

Prin rezoluția unui senzor se înțelege cea mai mică schimbare în proprietatea măsurată, care poate fi detectată de acesta. Pe un ecran digital de obicei se observă ultima cifră că oscilează între anumite valori, indicând schimbările ce au loc. Rezoluția este legată de precizia cu care a fost construit senzorul de măsură.[7]

Tipuri de senzori pe care îi întâlnim:

temperatură (termocuplu, termorezistență)

presiune (piezodiscul, manometrul)

ultrasonici

umiditatea

chimici (oxigen, ozon, carbon, fum)

accelerație

mișcare

Prin traductor se înțelege un dispozitiv capabil să convertească un semnal de o anumită natură fizică într-un semnal corespunzător având o natură fizică diferită. În practică însă, traductoarele sunt acele dispozitive care oferă o ieșire electrică.[8]

Figura 3.2 Modul de funcționare a traductorului

Prezența celor două blocuri, prelucrare și ieșire, indică cerințele care pot fi impuse semnalului de ieșire: proporționalitate semnalului de ieșire cu semnalul de intrare, evidențiind astfel caracteristica liniară a traductorului și normalizarea semnalului electric de ieșire, prin impunerea unor limite minime si maxime de variație, indiferent de tipul și gama de variație a mărimilor de intrare. Rolul traductorului în cadrul automatizării proceselor este ca ieșirea acestuia să fie restrânsă la semnalele electrice compatibile elementelor din instalația de automatizare la care este cuplat.[8]

Termocuplul este un senzor folosit pentru a determina temperatura dintr-un proces termic. Acesta este alcătuit din două metale diferite, care sunt lipite la un capăt (joncțiune) și în funcție de modificările de temperatură ce au loc, se modifică și tensiunea generată de termocuplu. În funcție de materialul din care este proiectat termocuplul, întâlnim diferite caracteristici: intervalul de temperatură ce poate fi măsurat, durabilitatea, rezistența la șocuri, rezistența chimică, etc.

Figura 3.3 Principiul de funcționare a unui termocuplu

Pe baza materialelor folosite la producerea de termocuplu, există termocuplu „Base Metal”, adică tipurile J, K, T și E, folosite în orice domeniu și termocuplu „Noble Metal”, tipurile R, S și B, care își păstrează acuratețea intactă, folosite la aplicații cu temperaturi ridicate. Termocuplul este în general selectat după prețul acestuia, limita maximă de temperatură pe care o poate citi și durabilitatea naturală.[9]

Tipuri de termocupluri[9]:

Tipul K (Nichel-Crom/Nichel-Alumel): domeniul [-270;1260]°C, acuratețe +/- 2.2°C

Tipul J (Fier/Constantan): domeniul [-210;760]°C, acuratețe +/- 2.2°C

Tipul T (Cupru/Constantan): domeniul [-270;370]°C, acuratețe +/- 1.0°C

Tipul E (Nichel-Crom/Constantan): domeniul [-270;870]°C, acuratețe +/- 1.7°C

Tipul N (Nicrosil/Nisil): domeniul [-270;392]°C, acuratețe +/- 1.1°C

Tipul S (Platină Rodiu – 10%/Platină): domeniul [-50;1480]°C, acuratețe +/- 1.5°C

Tipul B (Platină Rodiu – 30%/Platină Rodiu – 6%): domeniul [0;1700]°C, acuratețe +/- 0.5°C

Termorezistența este elementul care transformă variația de temperatură a mediului controlat în variația rezistenței elementului sensibil și se bazează pe proprietatea materialelor de a-și modifica rezistența electrică în funcție de variația temperaturii.[11]

Figura 3.4 Principiul de funcționare a termorezistenței[12]

Elementele folosite la proiectarea termorezistențelor sunt nichel, cupru sau platina. Cuprul este folosit în cazul în care se dorește o precizie mai slabă iar platina pentru o precizie înaltă datorită caracteristicii liniare. Execuția standard pentru termorezistențe constă dintr-o conexiune cu 2 conductori, dar pentru a îmbunătăți acuratețea măsurării se pot realiza termorezistențe și cu 3 sau chiar 4 conductori. Denumirea de Pt100, Pt1000 se referă la metalul folosit în proiectarea termorezistenței, adică platina iar numărul după element reprezintă valoarea rezistenței la temperatura de 0°C, adică 100 și respectiv 1000 Ω. [11]

Figura 3.5 Termorezistențe cu 2, 3 sau 4 conectori

3.2 Automate programabile

Prin automat programabil sau controller logic programabil (PLC – Programmable Logic Controller) se înțelege un calculator de dimensiuni reduse, cu sistem de operare propriu, folosit in automatizarea proceselor, capabil să se ocupe de evenimente ce se produc în timp real, la momentul întâmplării fenomenului. Automatele programabile au apărut din nevoia de a înlocui releele și schemele secvențiale necesare pentru controlul sistemelor automate.[13]

Principiul de bază al unui PLC este: verificarea stării intrărilor și activarea sau dezactivarea ieșirilor în funcție de acestea. Utilizatorul concepe programul de automatizare, iar rolul PLC-ului este de a obține rezultatele dorite. [13]

Un PLC este alcătuit în principal din:[13]

unitatea centrală: unitatea de calcul aritmetic și diferite tipuri de memorie

module de intrarea/ieșire: unul sau mai multe circuite ce sunt conectate de la lumea exterioară și recepționeză semnale de la comutatoare, senzori, etc

regiștrii de intrare/ieșire: valorile semnalelor de intrare/ieșire sunt convertite în formă binară și memorate în acești regiștri

memorie de date: simpli regiștri care memorează datele, folosiți pentru a memora datele în cazul în care PLC-ului i se întrerupe alimentare

regiștri interni: conțin relee simulate prin biții din regiștri, scopul lor fiind de a elimina releele interne fizice

circuite de temporizare: circuite simulate care contorizează perioadele de timp, cu pas de incrementare de la 1ms la 1s

circuite de numărare: folosite la contorizarea impulsurilor

Automatele programabile funcționează executând continuu un program. Ciclul programului este reprezentat din 3 pași: testarea intrărilor și copierea în formă binară în regiștri, executarea programului instrucțiune cu instrucțiune în funcție de starea intrărilor și de logica programului, actualizarea stării ieșirilor rezultate din pasul anterior. După care se revine la starea de citire a intrărilor.[13]

Figura 3.6 Ciclu de funcționare a unui automat programabil[13]

Principalele diferențe dintre PLC și calculatoare este în primul rând rezistența la diferite condiții de lucru (praf, caldură, umezeală, frig), capacitatea de extindere a modulelor de intrare-ieșire, simularea programelor pentru înțelegerea comportării în funcție de evenimentele ce pot apărea.

Figura 3.7 PLC-uri de la firmele Siemens, Phoenix Contact, Allen Bradley

Conform standardului IEC 61131-3, PLC-urile pot fi programate în anumite limbaje standard. Înainte, programarea acestora se făcea de la un terminal special, care deținea funcții dedicate, reprezentând anumite elemente logice din program. Acum, sunt cinci tipuri de limbaje de programare pentru sistemele de control: function block diagram (FBD), ladder diagram (LD), structured text (ST; similar cu limbajul de programare Pascal), instruction list (IL, similar cu limbajul de asamblare) și sequential function chart (SFC).[14]

Un rol important în componența unui PLC îl joacă modulele de intrare-ieșire [13]. Acestea pot fi: module analogice de intrare-ieșire, cu tensiune continuă în intervalele [0;10]V, [-10;+10]V, [-5;+5]V sau curent continuu [0;20]mA, [4;20]mA, [-20;+20]mA și modulele digital de intrare-ieșire care funcționează la 5, 12, 24 sau 48V.

3.3 SCADA

SCADA reprezintă prescuratea pentru Monitorizare, Control si Achiziții de Date (Supervisory Control and Data Acquisition), acesta referindu-se la un sistem amplu de măsură și control a unuia sau mai multor procese fizice, chimice sau de transport.[6]

Cea mai mare parte a operațiunilor dintr-un proces se execută automat de către RTU – Unități Terminale Comandate la Distanță (Remote Terminal Unit) sau de către Unitățile Logice de Control Programabile – PLC.[6]

Unitățile Terminale Comandate la Distanță (RTU) realizează conexiunea cu echipamentele supravegheate, citesc mărimile măsurate (presiune, debit, curent) sau starea acestora (valvă închisă/deschisă) și pot trimite semnale digitale (închiderea unui releu) sau analogice (semnal analogic pentru turația unui motor).[6]

Un sistem SCADA este reprezentat de următoarele componente: interfața om-mașină (HMI), automatele programabile (PLC), dispozitivele de intrare-ieșire, rețele, software și alte echipamente.

Figura 3.8 Exemplu de interfață grafică pentru sistem SCADA

Dispozitivele de intrare-ieșire diferă în funcție de procesul asupra căruia sunt executate operațiile. În funcție de natura procesului, putem avea o multitudine de dispozitive de intrare (temperatură, forță, concentrație, debit, frecvență, intensitate, tensiune) dar și dispozitive de ieșire (relee, pompe, servo-motoare, leduri, avertizări sonore).

Interfața om-mașină (HMI) reprezintă un terminal prietenos oferit operatorul uman pentru a facilita interacțiunea între operator și mașină. HMI-ul are rolul de a aduna, combina și structura informațiile provenite de la PLC, întrucât acestea sunt reprezentate în principal într-o formă brută de date, operator fiind incapabil să citească foarte rapid valorile și să facă conversia manual în unitățile de măsură necesare. Principalele tipuri de interfețe sunt:

interfață grafică cu utilizatorul (touch screen sau PC)

interfață vocală cu utilizatorul

interfață cu linie de comandă

Modbus este un protocol de comunicație, cel mai apropiat de utilizator, fiind bazat pe o arhitectură „master/slave” sau „client/server”. A fost inițial conceput de Modicon pentru PLC-urile proprii, dar a devenit un standard de comunicație în industrie și cel mai folosit în conectarea tuturor dispozitivelor industriale. Motivele pentru utilizarea acestuia sunt:[6]

Protocol dechis cu documentație disponibilă

Poate fi implementat într-un timp foarte scurt (zile nu luni)

Lucrează cu biți sau octeți și în acest fel nu impune cerințe deosebite producătorilor

Modbus permite administrarea unei rețele de dispozitive, în principal fiind folosit la conectarea unui computer de supervizare cu un PLC dintr-un sistem de monitorizare și achiziții de date SCADA. Există versiuni ale protocolul Modbus atât pe port serial cât și Ethernet.[6]

Versiunea pentru Ethernet, Modbus TCP/IP, reprezintă datele sub formă binară și reprezentate într-o formă compactă. Când informația trimisă folosește acest protocol, datele sunt pasate către TCP, unde informații adiționale sunt atașate și oferite către IP. IP după aceea plasează datele într-un pachet si le trimite. TCP trebuie să stabilească o conexiune înainte să transfere datele, din moment ce este o conexiune bazată pe protocol. Dispozitivul „Master” stabilește conexiunea cu dispozitivul „Slave” sau „Server”. „Server-ul” așteaptă conexiunea ce trebuie să vină de la client. Odată ce conexiunea s-a realizat, „Server-ul” răspunde la fiecare înterogare trimisă de „Client” până când acesta închide conexiunea.[6]

3.4 Comunicații

Prin comunicație înțelegem schimbul de date (biți) între două sau mai multe dispozitive. Există multe protocoale de comunicație, dar toate sunt bazate pe comunicația serială sau pe comunicația paralelă.[15]

Figura 3.9 Comunicație serială și Comunicație paralelă

Diferențele care pot fi observate între comunicația serială și cea paralelă sunt: un singur bit de date este transmis și recepționat la un moment dat la comunicația serială în timp ce la comunicația paralelă se pot trimite și recepționa mai mulți biți de date la un moment dat, comunicația serială este lenta în timp ce comunicația paralelă este rapidă, număr redus de cabluri pentru a transmite datele la cea serială pe când la cea paralelă este nevoie de un număr ridicat de cabluri pentru transmiterea datelor.[15]

Datele seriale pot fi transmise prin două moduri:

asincron: biții de date nu sunt sincronizați cu ajutorul unui semnal de ceas. Protocolul este: primul bit de START (totdeauna „0”), biții de date care sunt 8 ca număr, bitul de STOP (totdeauna „1”).

sincron: este nevoie de prezența unui semnal de ceas. Astfel se obțin date cu mai puține erori.

Cuvinte cheie asociate comunicației seriale[15]:

MSB/LSB: atunci când datele transmise bit-cu-bit pleacă de la transmițător și ajung la receptor, este important de știut care bit va fi primul primit: cel mai semnificativ(MSB) sau cel mai puțin semnificativ(LSB)

Comunicația simplex: datele se deplasează într-un singur sens, de la transmițător la receptor și nu vice-versa

Comunicația half duplex: transferul de date are loc într-un anumit sens la un moment dat, ori de la „master” la „slave” ori de la „slave” la „master”

Comunicația full duplex: dispozitivele „master” și „slave” comunică în același moment de timp

RS232 reprezintă un standard de comunicație serială, care face conexiunea între Data Terminal Equipment (DTE) și Data Communication Equipment (DCE) unde au loc interschimbări binare de date. Nivelul de „0” este reprezentat de intervalul [+3;+12]V și „1” este reprezentat de intervalul [-3;-12]V. Lungimea maximă a firelor de conexiune ce folosesc standardul RS232 nu poate fi mai mare de 15metri.

Figura 3.10 Portul serial RS232 cu mufă DB25 și DB9

Tabelul 3.1 Identificarea pinilor pe portul DB25 și B9

TxD – pinul de trimitere a datelor pe linie. Semnalul este comprimat printr-o secvență lungă de pulsuri generate în portul serial

RxD – pinul de primire a datelor pe linie. Terminalele de date primesc pe această linie semnalul de date de la setul de date.

DTR – terminalul de date poate face parte din comunicație, așa ca primește o tensiune pozitivă pe linie

DSR – când setul de date este pregătit să primească datele, este trimis un semnal de tensiune pozitivă pe linia de primire a datelor

RTS – când terminalul de date este capabil să primească datele transmise, acesta trimite semnal pozitiv pe acestă linie. Permite terminalului de date să aibă un control asupra fluxul de date

CTS – prezența pinului reprezintă că dispozitivul este dispus ca să primească semnal. Absența lui într-o comunicație serială previne terminalul de date să trimită datele

CD – modemurile de la ambele capete sunt conectate pe o linie telefonică și pot face schimb de date

RI – folosit atunci cand dispozitivele trebuie să comunice între ele înainte de a fi vreun flux informațional. Folosit la a stabili conexiuni cu modemurile, iar absența lui nu va preveni fluxul de date seriale

GND – toate semnalele trimise prin portul serial au nevoie de o rută de întoarcere. Aceasta este asigurată de pinul de masă, iar lipsa ei împiedică total comunicația serială

Mesajul când este trimis prin RS232, reprezentat prin caractere ASCII ( American Standard Code for Information Interchange), este rupt în caractere individuale. Astfel mesajul conține următoarea structură: bit de start, biții de date, bitul de paritate și bitul de stop. Bitul de paritate este pus la finalul biților de date pentru a verifica daca au existat anumite erori la transmiterea datelor. Rata de transfer este măsurată în biți per secundă (bps).

Figura 3.11 Verificarea datelor trimise prin bitul de paritate

La comunicația RS232, atât echipamentul de tip „master” cât și echipamentul de tip „slave” vin cu un ceas intern ce trebuie sincronizat între ele pentru a obține o comunicație bună și fără pierderi de date. Pentru o astfel de sincronizare, se folosește conexiunea „ground” sau „common” pentru a sincroniza semnalul de ceas la fiecare început de caracter. În cazul în care este nevoie de un control al fluxului de date, vor fi folosiți și pinii pentru Request To Send (RTS) și Clear To Send (CTS).

Figura 3.12 Conexiune pe 3 fire RS232

3.5 Procesele de ordin I

Modelul este o reprezentare abstractă a unei entități reale sub formă matematică, de tipul ecuație algebrică sau ecuație diferențială dintr-un set de relații între variabilele fizice specifice, în scopul unei caracterizări a funcționării procesului cât mai apropiată de realitate.[16]

Identificarea procesului presupune delimitarea intrărilor măsurabile și a perturbațiilor ce acționeză asupra procesului, asigurându-se astfel cunoașterea acestuia.[16]

Un sistem de ordinul I este descris de următoarea funcție de transfer[16]:

(3.1)

K – reprezintă coeficientul de amplificare ( de obicei este 1 la procesele de ordin I)

T – reprezintă constanta de timp a procesului

Răspunsul sistemului de ordin I la o intrare de tip treaptă unitară se numește răspuns indicial și are forma din următoarea figură:

Figura 3.12 Răspunsul indicial al unui sistem de ordin I

Timpul mort reprezintă timpul pentru care ieșirea procesului nu variază după aplicarea unei trepte de comandă. Acesta este reprezentat de formula[16]:

(3.2)

unde τ – reprezintă timpul mort

Caracteristica statică reprezintă dependența în regim staționar a ieșirii în funcție de intrare: y(u) sau y=f(u).[16]

Constanta de timp T este determinată din timpul tranzitoriu[16]. Aceasta are formula:

(3.3)

4. Descrierea instalației pentru producerea de mixturi asfaltice

4.1 Descriere generală

Stația de mixtură asfaltică va produce diferite tipuri de mixturi asfaltice la temperaturi de 160°C și are ca părți componente următoarele :

Unitatea de predozare agregate

Benzi transportoare

Unitatea de uscat și încălzit

Instalație de desprăfuit

Unitatea de sortare și malaxare

Unitatea de adaos aditivi, fibre sau ceară

Silozuri de filer

Rezervoare de bitum încălzite electric și izolate cu vată minerală

Cabină de comandă cu modul de operare automatizat și posibilitatea de reglare manuală

Materialele care intră în compoziția mixturilor asfaltce sunt: agregatele (nisip și criblură), filerul și bitumul, iar pentru îmbunătățirea calității mixturii se adaugă aditivi, fibre și ceară.

4.2 Etapele de funcționare

Agregatele sunt preluate pe sorturi din padocuri (depozite de stocare agregate), cu ajutorul unui încărcător frontal și vor alimenta unitatea de predozare agregate (5 buncăre). Din cele 5 buncăre, fiecare echipată cu banda de trangere cu viteză variabilă, se alimentează banda colectoare și benzile transportoare înclinate ce transportă agregatele la uscătorul rotativ, unde sunt încălzite și uscate. Agregatele sunt încălzite la temperatura selectată conform rețetelor alese de operatorul uman, pentru a fi utilizate împreună cu bitumul și filerul la producerea mixturii. Unitatea de uscat și încălzit are peretele tamburului din mantă de aluminiu, senzor de turație prin impulsuri, iar gazul metal este distribuit în arzător printr-un inel injector. Dulapul de comandă se montează în zona cabinei de comandă și conține toate unitățile de control și dirijare pentru aprinderea automată, supravegherea flăcării, blocarea electrică în cazul defectării turbinei precum tastele și indicatoarele necesării reglării randamentului de ardere.

Agregatele fierbinți, având temperatura de 170-190°C, sunt ridicate la malaxor, cu ajutorul unei cupe calde, unde ciurul vibrator separă pe 5 mărimi deagregate și respinge materialul necorespunzător. Filerul este transportat din silozuri printr-un șnec la cântarul de filer și apoi în malaxor.

Bitmul este depozitat în rezervoare speciale, dotate cu încălzitor electric, pompă de dozare bitum și conducte de alimentare pentru a încărca cântarul de bitu din malaxor, la temperaturile rețetei. Măsurarea temperaturii din conductele de bitum are loc printr-un senzor de temperatură, oferind semnal de 4-20mA și este integrat în sistemul de comandă.

Procesul de producție a mixturii asfaltice este controlat de computerul stației și monitorizat încontinuu. Toate elementele de operare și funcțiile sunt prezentate pe grafica computerului. Fiecare acționare se face atât automat cât și manual.

Mixtura asfaltică realizată în stație se transportă cu autocamioane speciale, prevăzute cu prelate pentru a menține temperatura necesară la așternere (140-150°C), la punctele de lucru, în funcție de tipul rețetei selectate.

Figura 4.1 Transportul agregatelor de la buncăre, prin unitatea de uscare și până la malaxor

4.3 Arzătorul

Rolul arzătorului este de a încălzi încinta unității de uscare. Acesta funcționează pe bază de gaz metan (atunci când există un distribuitor în apropiere), motorină sau praf de cărbune (cazul în care stația trebuie mutată în locații ce nu pot asigura combustibilul necesar de funcționare).

Din punct de vedere al consumului și al puterii, la motorină consumul este de 70l/h iar cărbune 2800kg/h. Sarcina căldurii nominale a acestuia este 16600 kW.

Figura 4.2 Arzătorul văzut din exterior

5. Implementarea miniaturală a arzătorului

Obiectivul acestei lucrări este de a implementa un sistem de monitorizare și control al arzătorului. Întreaga stație de producere a mixturilor asfaltice cuprinde mai multe componente de control care sunt necesare pentru a avea un randament ridicat în obținerea mixturilor. Astfel mă voi ocupa de implementarea miniaturală a arzătorului, împreună cu valorile temperaturii furnizate de acesta și posibilitatea controlului atât automat cât și manual.

Schema de principiu este reprezentată în figura următoare, iar elementele acesteia vor fi detaliate în următoarea secțiune.

Figura 5.1 Reprezentarea structurii de comandă, comunicație și vizualizare

5.1 Echipamente utilizate

Controlul întregului proces este făcut de automatul programabil ILC 150 GSM/GPRS din gama produselor Phoenix Contact. Acesta operează la 24V curent continuu, oferă 16 intrări digitale și 4 ieșiri digitale pentru o multitudine de operații. Intrările și ieșirile au logica de „0” – 0V și „1” – 24V.

Figura 5.2 Automatul programabil ILC 150 GSM/GPRS

La achiziția de date din proces se utilizează 2 module analogice de intrare, din care unul este configurat pe ambele intrări să citească variația de curent 4-20mA iar al doilea modul este configurat cu o singură intrare să citească variația de tensiune 0-5V.

Figura 5.3 Modulul analogic IB IL 2/SF-ME cu 2 canale de intrare: tensiune sau curent

Partea de comunicație este asigurată de modulul RS232 care este conectat la baia termostatală Tecal prin intermediul a trei fire care asigură transmiterea datelor (Tx) și primirea datelor (Rx). Sincronizarea ceasurilor interne se face prin cablul GROUND sau COMMON. Pinii RTS și CTS sunt conectati unul la celălalt, întrucât nu este necesar controlul unui flux de date.

Figura 5.4 Modulul IB IL RS 232-PRO-PAC și modul de conectare a acestuia

Traductorul folosit pentru a face conversia de la tensiunea oferită de termocuplu sau termorezistență este SITRANS TH300, conectat la o alimentare externă de 24V, care convertește semnalul de la mV la standardul 4-20mA.

Figura 5.5 Traductorul SITRANS TH300

Senzorii de temperatură sunt un termocuplu de tip K și o termorezistență tip Pt100. Termocuplul are legătura făcută prin intermediul a două fire în timp ce termorezistența are legătura făcută prin 3 fire.

Figura 5.6 Termocuplu K (stânga) și Termorezistența Pt100 (dreapta)

Pentru a reuși să măsor umiditatea din recipientul cu nisipi, am folosit un senzor de umiditate pentru sol, cu rezistența variabilă în funcție de cantitatea apei, alimentat la o tensiune stabilă de 5V și oferă un semnal cuprins în intervalul 0-5V.

Figura 5.7 Senzor umiditate

Componenta care va simula arzătorul este baia termostatală de calibrat senzori termici Tecal 425F, capabilă să ajungă de la temperatura ambientală la temperatura de 425°C. Acuratețea senzorului intern de temperatură este ±0.3°C iar diferența dintre temperatura de referință și temperatura la care poate să ajungă dispozitivul este de ±0.2°C.

Figura 5.8 Baia de calibrat Tecal 425F

Când este pornită, pentru un interval de o secundă versiunea software pe care o conține, după care va indica termperatura interioră pe display-ul cu care vine echipată. În partea stângă a display-ului se găsesesc 3 led-uri indicatoare pentru:

putere: echipametul este conectat la o tensiune de alimentare (primul led care este verde)

putere către bloc: când baia trebuie să crească până la o anumită temperatură, acest led va sta mereu aprins, cu excepția cazului în care se apropie de temperatura de referință și va fi intermitent (al doilea led care este portocaliu)

defect de senzor: în cazul în care senzorul intern de temperatură se defectează, acest led se va aprinde iar termperatura băii va ajunge la temperatura mediului ambiant. De asemenea mesajul HEL.P va fi afișat pe display (al treilea led care este roșu)

Figura 5.9 Versiunea software a băii când este afișată

Pentru a seta manual temperatura de referință, sunt folosite butoanele de SET cu UP ARROW și DOWN ARROW. Astfel dacă se dorește creșterea sau descreșterea temperaturii, vor fi folosite combinațiile SET + UP sau SET + DOWN, astfel temperatura de referință modificându-se cu 0.1°C la fiecare apăsare de buton. În cazul în care temperatura de referință este mai mică în comparație cu temperatura actuală a băii, va porni un ventilator aflat la baza dispozitivului pentru a începe procesul de răcire.

Timpul de încălzire al dispozitivul este de 12 minute de la 20°C până la 400°C.

Timpul de răcire al dispozitivului este de 21 minute de la 400°C până la 100°C.

Figura 5.10 Combinația SET + UP sau SET+DOWN

Unitatea termostatală vine echipată cu un port serial RS232, alături de aplicația CalSoft dezvoltată de Techne, pentru a fi comandată prin intermediul unui calculator.

Figura 5.11 Aplicația CalSoft

Programul Calsoft permite programarea a diferite trepte de creștere a temperaturii: de la 0.1°C/secundă până la 10°C/secundă a băii, precum și stocarea datelor sau vizualizarea pe grafic a evoluției temperaturii.

Toate datele achiziționate și interacțiunea operatorului uman cu ansamblul de dispozitive este asigurat de panoul operator Touch Panel TP3105. Toate variabilele declarate în automat sub forma de OPC pot fi vizualizate aici și tot de aici pot fi trimise comenzile către PLC.

Figura 5.12 Touch Panel TP3105

Automatul find din categoria de produse Phoenix Contact, acesta poate fi programat cu ajutorul software-ului distribuit tot de Phoenix Contact, PC Worx, care cuprinde limbajele din standardul IEC 61131-3: FBD – Function Block Diagram, LD- Ladder Logic, SFC – Sequential Flow Chart, ST – Structured Text, IL – Instruction List. Mediul PC Worx este unul de tipul user-friendly și oferă utilizatorului pe lângă configurarea și adresarea prin Profinet, Interbus, posibilitatea de diagnosticare și monitorizare a procesului.

Figura 5.13 Mediul de programare PC Worx

Programarea panoul TP3105 este asigurată de software-ul special cu care vine, Visu+, unde pot fi vizualizate valorile variabilelor din proces, pot fi înregistrate automat datele și pot fi puse anumite alarme de avertizare.

Figura 5.14 Mediul Visu+

Traductoarele au fost configurate cu ajutorul programului PACTware și a unui modem HART, pentru a stabili tipul de senzor folosit (termocuplu sau termorezistență pe 2-3-4 fire) și a stabili intervalul de ieșire în funcție de intervalul de temperatură citit de senzor (exemplu: 4-20mA pentru 30-210°C).

5.2 Descrierea programului

Toate echipamentele menționate mai sus au fost configurate corespunzător și conectate între ele, astfel obținându-se montajul din figura următoare.

Figura 5.15 Montajul obținut

Ecranul principal din touch panel îi oferă utilizatorului datele legate de temperatura actuală citită cu ajutorul termocuplului ce se află în interiorul băii termostatale, împreună cu temperatura exteioară și umiditatea nisipului. Toate datele sunt afișate în partea dreaptă a ecranului principal. În partea stângă, se află butoanele care permit navigarea către programul de lucru dorit de utilizator.

Figura 5.16 Diagrama programului de utilizare

Automatul este configurat să ofere utilizatorului 3 programe: programul 1 pentru a stabili temperatura de referință în funcție de umiditate, programul 2 pentru a seta manual temperatura de referință și programul 3 pentru a stabili temperatura de referință în funcție de umiditate și temperatura exterioară.

Figura 5.17 Ecranul principal al aplicației

Programul 1 de lucru oferă utilizatorului temperaturi de lucru în funcție de umiditatea citită din recipientul cu nisip. Programul 1 este selectat bifând căsuța din stânga corespounzătoare „PROGRAM 1”. Temperaturile bazate pe umiditate sunt:

165°C pentru intervalul [0;30]% umiditate

170°C pentru [31;60]% umiditate

175°C pentru [61;80]% umiditate

180°C pentru [81;100]% umiditate

Figura 5.18 Captură ecran Program 1

Pentru a putea comunica cu baia termostatală Tecal, este necesară bifarea casuței corespunzătoare „Activare modul RS232”. Odata bifat, automatul programabil poate comunica cu baia prin intermediul modulului RS 232-PRO-PAC.

Butoanele de „Comandă” și „Interogare” oferă utilizatorului două semnale diferite de trimitere către baia termostatală:

Comandă

Setarea temperaturii de referință. Mesajul este trimis prin portul RS232 de la automat la baia termostatală sub formă de caractere ASCII. De asemenea este aprins un led verde în dreptul butonului de „Comandă” care indică tipul semnalului selectat.

Mesajul este de forma: o+xxxx.xx<CR><LF>.

Exemplu: o+0120.00<CR><LF> va seta temperatura de referință la 120°C pentru baie.

Interogare

Mesajul trimis către baie este de forma: T<CR><LF>

Mesajul recepționat de la baie este de forma: TB+xxxx.xx<CR><LF>

Exemplu: TB+0048.50 unde temperatura băii este 48,5°C

La fel ca în cazul comenzii, apare un led verde care indică modul selectat, pe „Interogare”. Așa utilizatorul poate observa temperatura internă, trimisă direct de dispozitiv în afară de conversia analog-numerică și afișarea ei prin intermediul termocuplului. Afișarea temperaturii interne este făcută în căsuța de text „Temperatură baie (Interogare)”, aceasta modificându-se doar la apăsarea butonului „Primire răspuns”.

Căsuța de „Comandă automată” este pusă la dispoziție pentru cazul în care utilizatorul nu dorește de fiecare dată să apese butonul de „Trimitere comandă” la posibilele modificări ce pot apărea (schimbarea umidității nisipului sau în cazul în care este selectat programul 3 de lucru, schimbarea temperaturii exteioare). În acest caz, PLC-ul va trimite la un interval de două secunde temperatura de referință pentru dispozitivul Tecal.

Butonul de „STOP” deselectează programul 1 de lucru, trimite o referință de 30°C la baia termostatală, oferind astfel utilizatorului posibilitatea alegerii altui program de lucru.

Butonul „Înapoi” face posibilă întoarcerea la ecranul principal.

În cazul în care temperatura exterioară se află sub 10°C, PLC-ul va anunța utilizatorul că nu sunt condiții favorabile de lucru pentru stație printr-un led rosu și cu apariția textului „Incapacitate de lucru” în dreptul acestuia, precum și deselectarea automată a programului curent dar și dezactivarea modulului RS232. Doar dacă temperatura exterioară depășește cele 10°C impuse, utilizatorul poate bifa din nou căsuța de activare a modulului RS232.

Figura 5.19 Cazul de „Incapacitate de lucru”

Programul 2 de lucru oferă utilizatorului comandă manuală asupra băii Tecal. Poate să introducă orice temperatură dorește acesta în chenarul corespunzător „Temperatură de comandă”. A fost eliminată opțiunea de „Comandă automată”, întrucât este necesară trimiterea de temperatură treaptă o singură dată. Modul de funcționare este identic ca la programul 1 și are același led de avertisment pentru temperatura exterioară dacă scade sub 10°C.

Figura 5.20 Captură ecran Program 2

Programul 3 de lucru este identic ca interfață cu programul 1, singurul lucru cu care diferă de acesta este modificarea temperaturii de referință în funcție de umiditate și temperatura exterioară.

Figura 5.21 Captură ecran „Detalii” din Programul 3

5.3 Comunicația cu dispozitivul Tecal 425F

Comunicația serială între PLC-ul ILC150 și baia termostatală Tecal a fost realizată cu ajutorul modulului RS232-PRO-PAC.

Comunicația folosește pentru transfer 8 biți de date, fără bit de paritate și un bit de stop. Transferul simbolurilor pe secundă este de 9600baud, fără semnal DTR sau CTS de la PLC.

Trimiterea datelor este realizată printr-un vector de 11 elemente de la PLC la dispozitivul Tecal, iar primirea datelor este realizată cu un vector de 12 elemente, de tipul octet (byte). Pentru a putea fi înțelese caractere de utilizator, a fost necesară conversia lor din tipul byte în tipul integer și după utilizarea unei simple formule de transformare din numărul corespunzător ASCII în numărul corespunzător afișat pe display-ul băii Tecal.

numar = cod_ascii – 48

(5.1)

Toate valorile corespunzătoare codului ASCII folosite pot fi regăsite în anexe.

Caracterul CR (carriage return) reprezintă un caracter de control folosit pentru întoarcerea la început de linie.

Caracterul LF (line feed) reprezintă un alt caracter de control folosit pentru a trece la următoarea linie.

5.4 Rezultate experimentale

În urma efectuării mai multor măsurători cu senzorii de temperatură puși la dispoziție, au fost obținute anumite valori experimentale.

Termocuplu K

Timpul tranzitoriu este de 2 minute și 10 secunde pentru o treaptă de 150°C. Timpul mort este de ordinul microsecundelor încât poate fi neglijat.

Pe baza timpului de creștere, obținem constanta de timp T:

(5.2)

Fiind un proces de ordin I, avem coeficientul de amplificare K = 1 și funcția de transfer a termocuplului:

(5.3)

Figura 5.22 Răspunsul indicial al termocuplului

Termorezistența Pt100

Timpul tranzitoriu este de 3 minute șî 40 secunde pentru o treaptă de 150°C. Asemeni termocuplului, timpul mort este de ordinul microsecundelor și poate fi neglijat.

Constanta de timp T obținută:

(5.4)

Având coeficientul de amplificare K = 1, obținem următoarea funcție de transfer pentru termorezistență:

(5.5)

Figura 5.23 Răspunsul indicial al termorezistenței

În următoare figură este reprezentată evolutia termocuplului și a termorezistenței pe baza valorilor analogice citite cu ajutorul automatului programabil.

Figura 5.24 Stânga reprezintă evoluția termocuplului iar dreapta evoluția termorezistenței pe baza valorilor analogice

Pe baza valorilor obținute prin experimentele făcute, în cazul în care se dorește ca răspunsul elementului de măsură să fie mai rapid, va fi folosit un termocuplu iar în cazul în care se dorește ca răspunsul elementului de măsură să fie cât mai liniar, se va folosi o termorezistență.

6. Perspective de viitor și concluzii

Bibliografie

[1] Gheorghe Lucaci, Imbracaminti rutiere bituminoase, http://www.ct.upt.ro/users/GheorgheLucaci/Imbr_rutiere_bitum.pdf

[2] Normativ and 605, http://mdrt.ro/userfiles/constr_ap_and605_2014.pdf

[3] What is Asphalt, http://www.eapa.org/asphalt.php?c=78

[4] Icknield Way, https://en.wikipedia.org/wiki/Icknield_Way

[5] Road, https://en.wikipedia.org/wiki/Road

[6] Ce este SCADA, http://www.automatizari-scada.ro/html/ce_este_scada__ce_este_modbus_.php

[7] Sensor, https://en.wikipedia.org/wiki/Sensor

[8] Valentin Sgarciu, Note de curs – Traductoare și Sisteme de Măsură, 2013

[9] Thermocouple Info, http://www.thermocoupleinfo.com

[10] Thermocouple Image, http://www.maximintegrated.com/en/images/appnotes/4699/4699Fig06.gif

[11] Termorezistente, Eletromatic-Systems, http://www.electromatic.ro/produse/instrumentaie-i-echipamente-de-automatizri/traductoare/item/60-termorezistente

[12] Resistance thermometer, https://en.wikipedia.org/wiki/Resistance_thermometer

[13] Theodor Borangiu, Andrei Nick Ivanescu, Sorin Brotac, Automate Programabile

[14] Programmable Logic Controller, https://en.wikipedia.org/wiki/Programmable_logic_controller

[15] Serial Communication, http://maxembedded.com/2013/09/serial-communication-introduction/

[16] Monica Patrascu, Monica Voinescu, Ingineria Reglarii Automate – Indrumar de laborator, 2011

[17] Asphalt Plant, https://en.wikipedia.org/wiki/Asphalt_plant

[18] How to make the right choices when buying an asphalt plant, http://www.hotplantconsulting.com/articletwo.html