Sistem de sortare obiecte [306531]

Sistem de sortare obiecte

PROIECT DE DIPLOMĂ

Autor: Ianos TOTH

Conducător științific: SL.dr.ing. Ruben Crișan

Autor: Ianos TOTH

Sistem de sortare obiecte

Enunțul temei: O scurtă descriere a temei proiectului de diplomă

Conținutul proiectului: (enumerarea părților componente) [anonimizat], [anonimizat], Titlul capitolului 1, Titlul capitolului 2,… Titlul capitolului n, Bibliografie, Anexe.

Locul documentației: [anonimizat], [anonimizat]: SL.dr.ing. Ruben Crișan

Data emiterii temei: 2 Noiembrie 2018

Data predării:

Semnătura autorului

Semnătura conducătorului științific

Declarație pe proprie răspundere privind

autenticitatea proiectului de diplomă

Subsemnatul(a) [anonimizat](ă) cu CI/BI seria nr. , CNP [anonimizat] ,

autorul lucrării:

Sistem de sortare Obiecte

elaborată în vederea susținerii examenului de finalizare a [anonimizat] , [anonimizat], sesiunea Iulie 2019 a anului universitar 2018-2019, [anonimizat], [anonimizat], și în bibliografie.

Declar, [anonimizat] a convențiilor internaționale privind drepturile de autor.

Declar, [anonimizat] a mai fost prezentată în fața unei alte comisii de examen de licență.

In cazul constatării ulterioare a [anonimizat], respectiv, anularea examenului de licență.

Data Ianos TOTH

(semnătura)

SINTEZA

proiectului de diplomă cu titlul: Sistem de sortare obiecte

Sistem de sortare obiecte

Autor: Ianos TOTH

Conducător științific: SL.dr.ing. Ruben Crișan

1. Cerințele temei: Sortarea bilelor pe bază de culoare

2. Soluții alese: [anonimizat]-400.

3. Rezultate obținute: Se realizează sortarea automată a bilelor de către PLC pe baza senzorului de prezență și senzorului de culoare comandând un motor pas cu pas. Procesul poate fi controlat de către om prin intermediul ecranului HMI.

4. Testări și verificări: S-a verificat funcționarea machetei și a dulapului.

5. Contribuții personale: [anonimizat]-ului, [anonimizat], [anonimizat].

6. Surse de documentare: Articole și internet.

Semnătura autorului

Semnătura conducătorului științific

Listă de tabele

Tabelul 2.4-1 Semnificția notaților [7] 10

Tabelul 3.1-1 Variația curentului de ieșire [9] 13

Tabelul 3.2-1 Codul culorilor cablurilor din dulap 22

Tabelul 3.2-2 Tabelul stărilor sistemului 25

Tabelul 3.2-3 Tabelul tranziților executate pentru trecerea dintr-o stare în alta 25

Tabelul 3.2-4 Ecuația stărilor 26

Listă de figuri

Figura 2.2-1Schema electrică a [anonimizat] [4] 7

Figura 2.4-1 Configurația PLC utilizată [7] 10

Figura 2.5-1 Ecranul HMI utilizat [8] 11

Figura 3.1-1 Senzorul fotoelectric 12

Figura 3.1-2 Motorul pas cu pas 13

Figura 3.1-3 Schema unui circuit TEA 3718 sdp [9] 14

Figura 3.1-4 Schema clasică a circuitului de comandă [9] 14

Figura 3.1-5 Regulatorul L7805CV [10] 15

Figura 3.1-6 Circuitul de comandă a motorului 15

Figura 3.1-7 Macheta cu componentle legate împreună 16

Figura 3.2-1 Sursa de alimentare utilizată 17

Figura 3.2-2 PLC Siemens utilizat 17

Figura 3.2-3 Intefața HMI utilizată 18

Figura 3.2-4 Dulapul în care s-au introdus componentele 18

Figura 3.2-5 Placa de metal pentru montarea și susținerea componentelor 19

Figura 3.2-6 Componentele de susținere și ghidare 19

Figura 3.2-7 Clemele utilizate pentru legarea cablurilor dulapului cu cele din exterior înpreună cu o clemă de susținere 20

Figura 3.2-8 Cele 2 siguranțe, PLC Siemens și sursa de alimentare 21

Figura 3.2-9 Touch Panel HMI Siemens 21

Figura 3.2-10 Dulapul după terminarea legări cablurilor 22

Figura 3.2-11 Ușa dulapului 23

Figura 3.2-12 Exemplu de implementare a secvențelor și tranziților 27

Figura 3.2-13 Un exemplu de activare, respectiv de dezactivare, a unor tranziți 27

Figura 3.2-14 Variația semnalelor de comandă pentru motorul pas cu pas cu 2 bobine depalasare în sens orar 28

Figura 3.2-15 Variația semnalelor de comandă pentru motorul pas cu pas cu 2 bobine depalasare în sens trigonometric [11] 28

Figura 3.2-16 Crearea semnalului de comandă 29

Figura 3.2-17 Implementarea în soft a întârzieri necesare pentru comandă 29

Figura 3.2-18 Numărarea activărilor secvențelor 30

Figura 3.2-19 Două din contoarele care numără bilele 30

Figura 3.2-20 Blocul de date 31

Figura 3.2-21 Setarea protocoalelor de comunicare dintre HMI și PLC 31

Figura 3.2-22 Programarea ecranului HMI 32

Figura 3.2-23 HMI Tags 33

Figura 3.2-24 HMI alarms 33

Figura 3.2-25 Ecranul HMI funcțional 34

Figura 3.3-1 Switch utilizat pentru comunicare Profinet 35

Figura 3.3-2 Programarea portului Ethernet de la PLC 35

Figura 3.3-3 Programarea portului Ethernet de la interfața HMI 36

Figura 3.3-4 Setarea portului Ethernet de la laptop 36

Figura 3.3-5 Procesul de sortare planificat 37

Figura 3.3-6 Interfața HMI în funcțiune 37

Figura 3.3-7 Monitorizarea PLC 38

Introducere

Context general

Dealungul istoriei tehnologia a progresat împreună cu omul. La începutul erei industriale oamenii, care efectuau munci simple, au început să fie înlocuiți cu mașini care efectuau munca mult mai eficient, doar că acestea necesitau mentenanță, astfel nu s-a eliminat factorul uman din societate, doar munca acestuia s-a modificat. În zilele de astăzi tehnologia se dezvoltă atât de repede încât atunci când copiii vor crește vor avea profesii care încă nu s-au născut în zilele de astăzi .

Chiar de la începutul omenirii a existat procesul de sortare și depozitare a diferitelor obiecte, animale sau chiar oameni pe baza anumitor criterii, precum formă, mărime, înălțime, limbă, religie, culoare, etc.

În lucrarea de față se prezintă un proces de sortare a unor bile pe baza culorilor acestora. Peste tot în industrie se sortează produse pe baza unor anumite criterii tot timpul, unul din criteriile posibile find culoarea acestora. De exemplu se verifică culoarea produselor vopsite, sau dacă un proces chimic a avut efectul dorit pe bază culori produsului, etc.

Majoritatea invenților revoluționare au apărut deoarece a existat în momentul respectiv o anumită nevoie pe care acestea le îndeplineau, precum PLC-ul a cărui istorie se prezintă în continuare.

Dick Morley (Decembrie 1, 1932 – Octombrie 17, 2017) este considerat ca fiind unul din “tații” PLC-ului. Dick era un simplu angajat care era puțin cam retras, nu prea vorbea cu nimeni dar făcea tot ce i s-a cerut să facă. Într-o zi un prieten de a lui l-a invitat la schi, iar după aia Dick s-a îndrăgostit de schiat, doar că la sfârșit de săptămânâ pârtile erau pline cu oameni așa că Morley a încercat să vorbească cu șeful său ca în loc de vineri să lucreze sâmbătă ca vinerea să poată să meargă la schi, doar că șeful a refuzat așa că Morley și-a dat demisia și și-a înfințat propria companie .

La noua sa firmă Dick Morley a observant că fiecare proiect pe care l-au făcut erau foarte similare între ele și fiecare funcționau cu minicompiutere, așa că el s-a gândit să proiecteze un aparat care putea fi utilizat pentru fiecare muncă. Morley în ianuarie 1968 s-a gândit să proiecteze un aparat care avea următoarele caracteristici:

Fără întreruperi pentru procesare;

Cartografie directă în memorie;

Nicio manipulare software pentru sarcini repetitive;

Încet (o greșeală pe care a corectato mai târziu);

Un design robust;

Limbaj (Limbajul Ladder Logic a apărut abia mai târziu);

Nu avea niciun computer.

Dick Morley refuză să se considere creatorul PLC-ului zicând că a lucrat impreună cu o echipă de 50 de oameni. Ceea ce Morley și echipa nu știau era faptul că firma General Motors Hydramatic a mers la conferința din Westinghouse din 1968 un a zis că au nevoie de un controler care să înlocuiască releele utilizate. În noiembrie 1969 General Motors a cumpărat PLC-uri cât pentru 1000000$. Dick Morley a spus că PLC-ul s-a inventat singur deoarece a fost nevoie de un asemenea aparat.

PLC-urile mai sunt utilizate și-n ziua de astăzi în industrie, sunt foarte răspândite deoarece utilizează “Ladder Logic” care este un limbaj destul de răspândit, datorită faptului că este ușor de înțeles și utilizat, findcă logica adevărat sau fals este ușor de implementat. Limbajul “Ladder Logic” a fost dezvoltat pentru electricieni deoarece înainte de PLC se utilizau relee. Avantajul oferit de PLC este faptul că se poate modifica extreme de ușor în soft, în timp ce la relee ca să modici ceva mic trebuia recablat dulapul și refăcută schema electrică. Datorită faptului că PLC-ul este foarte utilizat și faptul că limbajul “Ladder Logic” este ușor de utilizat și implementat PLC-urile vor continua să rămână-n industrie pentru o vreme îndelungată.

Pentru a se putea realiza automatizarea unei mașini prima dată trebuie înțeleasă funcționarea aceteia, după care trebuie proiectată un sistem de comandă și control în funcție de cerințe, după care trebuie pus sitemul de control în practică pentru a se putea realiza ajustările necesare pentru ca întreg sistemul să poată îndeplini sarcinile propuse.

Obiective

Lucrarea de licență are următoarele obiective:

Studierea documentației tehnice;

Proiectarea sistemului de control;

Implementarea și punerea în funcțiune.

Prima sarcină care s-a realizat era studierea machetei și a documentaților acesteia și a componentelor ei, pentru a se putea înțelege funcționarea acestora, independente sau în echipă, pentru a se putea realiza ajustările necesare și pentru a se putea alege o sursă de alimentare și un PLC pentru a comanda procesul. Se va studia macheta pentru a se putea înțelege parametri de funcționare a componentelor acesteia (tensiune de alimentare, semnale de intrare/ieșire, etc.).

Ceea de a doua sarcină presupune proiectarea sistemului de control, adică se va proiecta un sistem de comandă și control în funcție de componente și de sarcinile care trebuiesc îndeplinite. Pentru a îndeplini această sarcină trebuie ales un PLC care trebuie legat la machetă, precum și o interfața HMI pentru a se putea realiza o comunicare între utilizator și PLC, la care mai trebuie proiectat și un soft pentru control și comunicare, și va trebui aleasă o sursă de alimentare pentru PLC, ecran HMI și pentru machetă. Toate acestea vor fi puse în interiorul unui dulap de metal. După ce s-au studiat componentele, s-a ales un PLC Siemens S7-1200 1212C DC/DC/RLY cu releu, un ecran HMI KTP 400 Basic Color PN și o sursă de alimentare care transformă tensiunea alternativă de 230 V din priză în +24 V continuu pentru a alimenta macheta, interfața și PLC-ul.

Iar sarcina finală de “Implementare și punerea în funcțiune a acesteia” presupune punerea în practică a automatizării proiectate pentru îndeplinirea sarcinii. Sarcina principlală care se dorește a fi îndeplinită este aceea de sortare a unor bile pe baza culorilor acestora în așa fel încât utilizatorul să poată să pornească sau să oprească procesul, iar procesul să afișeze câte bile de un anumit tip s-au numărat și să avertizeze operatorul dacă a apărut o eroare.

Principale întrebări care se pun sunt următoarele:

Cum funcționează un motor pas cu pas?

Cum se pot utiliza senzori fotoelectrici?

Cum se poate înpărți o sarcină în mai multe etape utilizând grafcet?

Cum se poate programa un PLC?

Cum se poate utiliza o interfață HMI?

Cum se conectează PLC cu interfața?

Specificații

În această lucrare se urmărește automatizarea unui proces, a unei mașini care sortează diferite bile pe baza culorilor acestora. Se dorește obținerea unei automatizări a unei mașini care sortează automat bilele roși și albe pe bază de culoare. Pe lângă sortarea acestora se mai dorește și crearea unei interfețe de comunicare între utilizator și sistem în așa fel încât operatorul să poată controla sistemul și ca sistemul să fie în stare ca să-l avertizeze pe operator dacă apare o eroare.

Una din limitările sistemului este faptul că nu se poate verifica deplasarea motorului decât prin detectarea numărului de pași executați de acesta, dacă se execută un pas în plus sau în minus(deși nu este probabil) sau dacă cineva sau ceva mișcă masa atunci această mișcare sau deplasare nu vor fi detectate de către PLC. O altă limitare pe care o are sistemul este faptul că senzorul de culoare nu detectează decât culoarea albă, restul bilelor cu culori diferite find considerate doar ca diferit de alb, fără a se știi culoarea exactă.

Studiu bibliografic

Sisteme de automatizare

Muncitori au trăit cu frica că mașinile de automatizare urmau să îi înlocuiască. Acest lucru nu este neapărat adevărat, deaorece pe când aparatele i-au locul muncitorilor tradiționali, de exemplu în industria textilă, aceste aparate necesită mentenanță și întreținere, rezultând faptul că munca omului nu dispare, doar se modifică (evoluează) înlocuind munca tradițională și simplă, cu una mai complexă care necesită cunoștințe superioare .

Deși aparatele au fost inventate pentru a înlocui munca omului acestea nu vor putea să-l înlocuiască complet niciodată. Acest lucru se datorează faptului că un aparat execută doar sarcina sau sarcinile pentru care au fost create, doar că crearea, întreținerea, repararea și modificarea acestora sunt realizate de către om, pentru că omul are capacitatea de a se adapta la o situație dacă apar schimbări în mediul de lucru sau în cerințele care trebuiec executate.

În lumea de astăzi productivitatea depinde mereu de către cerere, deoarece degeaba se fabrică dacă nu se vinde. Atât muncitori cât și funcționarea mașinilor depind de cerere.

În concluzie automatizarea nu înlocuiește munca omului, această realizează doar muncile simple mult mai eficient, doar că mașinile necesită întreținere și mentenanță, prin urmare automatizarea înlocuiește doar munca simplă a omului, dar crează o muncă nouă care necesită mai multă pregătire și educație.

Motorul pas cu pas

Figura 2.2-1Schema electrică a motorului pas cu pas, precum și semnalele de comandă

Motorul pas cu pas a apărut la începutul anilor 1960. Datorită faptului că motoarele pas cu pas pot fi controlate simplu cu semnale digitale și faptului că își mențin poziția ceea ce permite un control precis chiar și în buclă deschisă, aceste lucruri au condus la o popularitate imensă.

Deși acestea pot fi controlate cu semnale digitale motoarele pas cu pas nu sunt motoare digitale, acestea nu pot fi controlate pur și simplu doar cu 1/0, acestea au o structură mult mai complexă, este nevoie de o variație a semnalelor digitale pentru crearea câmpului electro-magnetic necesar pentru rotire, un exemplu de variație se poate observa în Figura 2.2-1.

Senzori fotoelectrici

Senzori fotoelectrici funcționează prin transformarea curentului electric de la alimentare în fascicole de lumină care sunt utilizate pentru a detecta un anumit criteriu sau la producția în masă dacă careva din produse are vreun defect. Posibilitățile de utilizare sunt multe, utilizarea senzorilor depinzând doar de sarcinile care trebuiesc îndeplinite.

Senzorul utilizat în această lucrare este unul senzor "PEPPERL + FUCHS PART no.190554 GLV 8-8-400-S/115/120" a cărui paremetri de funcționare sunt următoarele:

Alimentare 10-30 V curent continu;

50-400 mm rază detecție;

Switching type light/dark on.

Are conectare cu 4 fire :

Maro – Alimentare + 24V cc;

Albastru – Alimentare 0V;

Negru – semnal;

Alb – semnal negat.

În cazul de față se utilizează semnalul digital oferit de sensor care este tranzmis la intrarea PLC-ului. Semnalele digitale transmise în acest caz afirmă dacă este sau nu prezentă o bilă sau dacă este sau nu de culoare albă.

Programmable Logic Controller

PLC-ul a fost inventat pentru a înlocui relee utilizate până atunci. PLC utilizează limbajul “Ladder Logic” care seamănă izbitor de mult cu logica releelor (1/0).

La început controlul unui proces era realizat însuși de către om. Odată cu dezvoltarea tehnologiei, mai ales a celei electrice, această sarcină a fost preluată de către relee care erau utilizate pentru comenzi logice (1/0, tranzmite sau nu curent). Odată cu dezvoltarea calculatoarelor ieftine s-a născut însuși PLC-ul. Acesta este destul de răspândit și pare să aibă un vitor strălucit .

Principalul avantaj pe care-l oferă este faptul că realizează munca a mai multor relee, modificarea sistemului fiind realizată repede și simplu în soft, pe când la relee era nevoie de schimbarea fizică pentru a modifica logica, ceea ce conducea modificarea întregului sistem, un proces care dura în jur de un an la marile compani. PLC-ul mai oferă și posibilitatea de monitorizare a sistemului, pe când la relee atunci când se strica ceva trebuie căutat acel defect în tot dulapul.

Prima dată PLC-urile funcționau doar cu intrări/ieșiri digitale, care aveau numai 2 valori care corespundeau ca fiind adevărat/fals, pornit/oprit, similar ca și releele sau butoanele. Mai târziu s-au adăugat și intrări/ieșiri analogice, care în loc de 2 valori utilizau o gamă mult mai largă. Semnalele analogice pot fi tensiuni între 0-10 V sau 4-20 mA .

PLC-ul utilizează limbajul “Ladder Logic” ca și limbaj de programare. Motivul este faptul că limbajul utilizează logica releelor ceea ce permite înlocuirea simplă și rapidă a rețelelor de relee utilizate anterior. Releele mai sunt utilizate și-n ziua de astăzi, doar că nu ca și control logic .

Există mai multe tipuri de PLC fiecare având alimentări diferite (curent alternativ sau continu), configurați cu număr diferit de intrări sau ieșiri. Configurația PLC-ului utilizat în acest caz se poate observa în figura de pe următoarea pagină:

Figura 2.4-1 Configurația PLC utilizată

Notațile din figura Figura 2.4-1 au următoarea semnificație:

Tabelul 2.4-1 Semnificția notaților

Human-Machine-Inteface

Interfața om-mașină reprezintă o modalitate de comunicare între utilizator și sistem. Majoritatea aparatelor din ziua de astăzi utilizează interfețe pentru controlul și monitorizarea proceselor. Interfața care se folosește în acest caz este o interfață HMI KTP 400 Basic Color PN. Conectarea interfeței se prezintă în următoarea figură:

Figura 2.5-1 Ecranul HMI utilizat

Notațile din figura anterioară au următoarea semnificație:

1- găuri pentru clemele de montare și susținere;

2 – conector pentru alimentare;

3 – Interfață PROFINET;

4 – Display Touch Screen;

5 – Butoane (Function Keys);

6 – Ghid pentru o bandă de etichetare;

7 – Plăcuța de evaluare;

8 – Garnitură de montare;

9 – Numele interfeței;

10 – Înpământare.

Analiză, proiectare, implementare

Analiza standului

Primul pas care trebuie efectuat în această lucrare este studierea machetei. Macheta este un stand care conține 2 senzori fotoelectrici "PEPPERL + FUCHS PART no.190554 GLV 18-8-400-S/115/120" a căror sensibilitate este reglabilă, un motor pas cu pas "SI91I/3" cu care care se realizează mișcarea de rotire a unei mese rotunde în care se află o gaură în care intră câte o bilă pe rând, 2 circuite "TEA 3718 SDP" care împreună cu 6 rezistențe și 3 condensatoare realizează circuitul de comăndă și alimentare a motorului, circuitul TEA necesită 2 tensiuni diferite de alimentare, motiv pentru care se evită utilizarea a 2 surse diferite de alimentare prin utilizarea unui regulator "L7805CV" care modifică valoarea tensiunii din 24 V în 5 V.

Senzorul din următoarea figură este un senzor "PEPPERL + FUCHS PART no.190554 GLV 18-8-400-S/115/120" a cărui sensibilitate poate fi reglată în așa fel încât poate să detecteze prezența unei bile indifferent de culoarea acestuia, sau să detecteze doar bilele de culoare albă. Senzorul are 4 fire: unul maro de alimentare (+24V curent continu), unul albastru de 0 V, unul negru care este ieșirea semnalului acestuia și unul alb care este ieșirea negată a semnalului acestuia.

Figura 3.1-1 Senzorul fotoelectric

Figura 3.1-2 Motorul pas cu pas

Motorul pas cu pas "SI91I/3" din figura 3.1.2 are rolul de a învârti discul rotativ din Plexiglas care transportă bila în funcție de comandă într-unul din cele 2 conpartimente. Avantajul acestui tip de motor este faptul că motorul își menține poziția atâta timp cât nu primește semnal de comandă. Motorul are 2 bobine a căror alimentare cu electricitate crează un câmp electro-magnetic care învârte motorul.

Circuitul de comandă a motorului este alcătuit din 2 circuite "TEA 3718 SDP", circuitul A și circuitul B, fiecare conectată la câte o bobină a motorului. Direcția de rotire depinde de semnalele de comandă trimise de PLC pe pinul 8(Phase) ai fiecărui circuit, iar turația motorului este determinată în funcție de semnalele de pe pini 7(IN1) și pinul 9(IN0). Pinul 7 este lăsat liber ceea ce corespunde ca fiind "1" logic, în timp ce pinul 9 este legat la pământ, iar conform tabelului reiese faptul că intensitatea curentului din motor va fi de 0,1 A.

Tabelul 3.1-1 Variația curentului de ieșire

Figura 3.1-3 Schema unui circuit TEA 3718 sdp

Cele 2 circuitele sunt implementate într-un circuit de comandă împreună cu rezistențe și condensatoare pentru a se putea realiza comanda motorului pas cu pas în funcție de comenzile primite pe pini 8. Schema circuitului clasic de comandă se poate observa în următoarea figură:

Figura 3.1-4 Schema clasică a circuitului de comandă

Circuitul TEA 3718 necesită 2 tensiuni diferite de alimentare:

4,75 V – 5,25 V pentru pini 6;

10 V -45 V pe pini 3 și 14.

Sursa utilizată produce o tensiune de 24 V curent continuu ideală pentru pini 3 și 14, iar pentru a se evita utilizarea unei noi surse de alimentare s-a utilizat un regulator L7805CV pentru a modifica tensiunea de 24 V în 5 V pentru pini 6.

Figura 3.1-5 Regulatorul L7805CV

Pe lângă componentele menționate anterior s-au mai utilizat și câte o rezistență pe firele de pe pini 8 ai celor 2 circuite. Forma finală a circuitului de comandă utilizat se prezintă în Figura 3.1-6:

Figura 3.1-6 Circuitul de comandă a motorului

După ce s-a studiat fiecare component separat în parte s-a studiat funcționarea acestora înpreună. Prima data s-a studiat poziția fiecăruia.

Figura 3.1-7 Macheta cu componentle legate împreună

Din figura de mai sus se poate observa ansamblul componentelor enumerate anterior. Cele 2 alimentări cu +24 V curent continuu sunt legate înpreună prin cablul albastru, iar cele de 0 V sunt conectate prin cablul alb, aceste conexiuni au fost efectuate pentru a se putea alimenta întreaga machetă prin două fire de la dulap (+24 V și 0 V).

Senzorul de culoare albă (S2) și cel de poziție (S1) sunt așezați în așa fel încât să sesizeze bilele care intră prin pâlnie în gaura din discul rotativ.

Conexiunea cu dulapul se face printr-un cablu de 6 fire, acestea având următoarele roluri:

Un fir pentru alimentarea cu +24 V curent continuu a componentelor;

Un fir pentru alimentarea cu 0 V curent continuu a componentelor;

Un fir pentru transmiterea semnalului senzorului de prezență (S1);

Un fir pentru tranzmiterea semnalului senzorului de culoare albă (S2);

Un fir pentru tranzmiterea semnalului de comandă Phase A;

Un fir pentru tranzmiterea semnalului de comandă Phase B.

Proiectarea sistemului de control

Pentru funcționarea machetei este esențială alimentarea acesteia motiv pentru care s-a utilizat un MDR-40-24 pentru a transforma curentul alternativ de 230 de V din priză în current continuu de +24 V utilizat pentu alimenatrea machetei, ecranului și a PLC-ului din dulap.

Figura 3.2-1 Sursa de alimentare utilizată

Pentru comanda și controlul machetei s-a utilizat un PLC cu releu Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/RLY. La PLC ca semnal de intrare s-au legat ieșirile celor 2 senzori, iar ca semanl de ieșire s-a conectat pini 8 de pe cele 2 circuite TEA 3718 (Phase) care controlează motorul machetei. Când pe pinul 8 s-a primit comandă circuitul permite circularea curentului prin bobina respectivă.

Figura 3.2-2 PLC Siemens utilizat

S-a mai făcut comandă și la un ecran HMI, o interfață cu care se realizează o comunicare între utilizator și procesul automat. HMI este un Siemens KTP400 Basic Color PN este o interfață coloră care mai este dotată și cu alarme.

Figura 3.2-3 Intefața HMI utilizată

S-a mai făcut comandă și pentru un dulap în care s-au montat toate componentele sistemului de comandă și alimentare pentru stocare și protecție.

Figura 3.2-4 Dulapul în care s-au introdus componentele

Dulapul conține o placă de metal pe care s-au montat șinele de metal pentru susținerea componentelor și jgeaburi de plastic pentru cablaje. Prima dată s-a determinat cum trebuie montate componentele pentru a încăpea toate pe contrapanou.

Figura 3.2-5 Placa de metal pentru montarea și susținerea componentelor

După ce s-a determinat pozițile componentelor s-au montat plăci de susținere a componentelor și de ghidare a cablurilor de conexiune.

Figura 3.2-6 Componentele de susținere și ghidare

După montarea componentelor de suștinere s-au montat componentele de control, comunicare și alimentare, enumerate în următoarea listă:

PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/RLY;

Ecran HMI KTP400 Basic Color PN;

11 cleme, o clemă pentru înpământare, 2 pentru curent alternativ și 8 pentru curent continuu;

Sursă de alimentare MDR-40-24 care convertește curentul alternativ de 230 V din priză în 24 V curent continuu;

Un întrerupător general pentru alimentarea dulapului;

2 siguranțe, unul pentru curent alternativ de la priză (230V) și unul pentru curent continuu;

5 cleme pentru stabilitate și susținere.

Figura 3.2-7 Clemele utilizate pentru legarea cablurilor dulapului cu cele din exterior înpreună cu o clemă de susținere

Clemele de mai sus sunt utilizate pentru realizarea conexiuni dintre cablurile din interiorul dulapului cu cablurile din exterior, cablul de alimentare de la priză (care este deja conectat) și cablul de la macehetă. Motivul pentru care s-a utilizat doar o singură clemă pentru susținere este faptul că clema de înpământare are și ea o prindere puternică.

Figura 3.2-8 Cele 2 siguranțe, PLC Siemens și sursa de alimentare

Figura 3.2-9 Touch Panel HMI Siemens

După montarea componentelor a urmat cablarea sistemului. Pentru comunicarea dintre PLC și interfață HMI s-a utilizat un cablu Ethernet, iar în rest s-au utilizat cabluri de cupru în așa fel ca fiecare culoare să reprezinte un anumit tip de semnal sau alimentare, așa cum se poate observa din următorul tabel:

Tabelul 3.2-1 Codul culorilor cablurilor din dulap

Figura 3.2-10 Dulapul după terminarea legări cablurilor

Figura 3.2-11 Ușa dulapului

Schema electrică a dulapului a fost desenat în eplan și se poate vizualia la anexe. Schema de legare se bazează pe datele oferite de către producători PLC (ca în Figura 2.4-1), HMI (ca în Figura 3.2-3), a senzorilor și a circuitelor de comandă.

După ce s-a asamblat dulapul s-a realizat un soft pentru comandă, control și comunicare utilizând programul “TIA Portal V14”. Sarcinile și execuția acestora au fost înpărție în secvețe și tranziți utilizând Grafcet. Diagrama respectivă se poate observa pe pagina următoare:

Tabelul 3.2-2 Tabelul stărilor sistemului

Tabelul 3.2-3 Tabelul tranziților executate pentru trecerea dintr-o stare în alta

Motivul pentru care s-au înpărțit sarcinile în secvențe cu evenimente este faptul că planificarea pe evenimente are avantajul că nu se execute nici-unul dintre ele decât atunci când evenimentul care-l precede nu se află în execuție, și până când condiția de trecere din starea respectivă în următoarea (tranziție) nu se execută. Acest lucru permite un control puternic și o stabilitate imensă procesului. Secvențele sunt utilizate pentru pornirea unor anumite funcții, în timp ce tranzițile sunt utilizate pentru trecerea dintr-o secvență în următoare.

Utilizând diagrama Grafecet de pe pagina 24 s-au calculat ecuațile de stări pentru activarea, respectiv menținerea stărilor, ecuați prezentate-n următorul tabel:

Tabelul 3.2-4 Ecuația stărilor

FirstScan reprezintă un parametru care se activează doar la pornirea programului, acesta fiind utilizat pentru inițializarea secvenței inițiale, S0 în cazul de față. Ecuațile din tabelul anterior au fost introduse-n soft pentru a se realiza procesul de control și comandă planificat, un exemplu de ecuație de stare se poate observa în figurile de pe pagina următoare:

Figura 3.2-12 Exemplu de implementare a secvențelor și tranziților

Figura 3.2-13 Un exemplu de activare, respectiv de dezactivare, a unor tranziți

Pentru comanda motorului se utilizează 2 semnale de comandă a căror variație și defazaj produce mișcarea de rotație a motorului, variația semnalelor de comandă pentru rotire în sens orar se prezintă în Figura 3.2-14:

Figura 3.2-14 Variația semnalelor de comandă pentru motorul pas cu pas cu 2 bobine depalasare în sens orar

Pentru a se putea învârti în sens trigonometric (invers față de cel orar) semnalele de comandă vor fi aplicate în felul următor:

Figura 3.2-15 Variația semnalelor de comandă pentru motorul pas cu pas cu 2 bobine depalasare în sens trigonometric

Din figura de mai se poate vedea vriația semnalului de comandă “Phase A” necesare atât pentru deplasare în sens orar a motorului, cât și în sens tigonometric. Se observă că ambele semnale au o variație binară (pornit/oprit), variație care se întâmplă la un interval de timp T. În TIA Portal această variație s-a implementat așa cum se poate observa în Figura 3.2-16:

Figura 3.2-16 Crearea semnalului de comandă

Parametrul “NEGARE1” este utilizat pentru negarea semnalului de commandă în așa fel încât să se respecte intervalul de timp T. Se mai observă din Figura 3.2-14 că între semnale A și B există un defajaz care echivalent cu jumătatea perioadei T, pentru acest defazaj se utilizează parametrul “SETARE2”, a cărui funcționare se poate observa în figura de pe pagina următoare:

Figura 3.2-17 Implementarea în soft a întârzieri necesare pentru comandă

Semnalul de comandă “Phase B” se implementează utilizând structure similar cu cele utilizate pentru crearea lui “Phase A”.

Utilizând semnalele menționate adineauri se realizează rotirea motorului în sens orar. Deplasarea către poziția dorită se realizează numărând de câte ori se activează semnalul “Phase A”, respectiv “Phase B” (în funcție de direcție și secvență). În Figura 3.2-18Figura 3.2-16 se prezintă numărarea lui “Phase A”:

Figura 3.2-18 Numărarea activărilor secvențelor

Numărarea bilelor se realizează cu ajutorul stărilor “S5” pentru bilele albe, “S6” pentru bilele roși, și ambele pentru numărul total de bile. Se numără de câte ori au fost activate fiecare, așa cum se poate vedea în figura următoare:

Figura 3.2-19 Două din contoarele care numără bilele

Unele date variabile, precum timpii temporizatoarelor sau numărul de bile au fost salvate într-o bază de date de unde au fost apelate utilizând numele acestora, baza de date se poate observa în următoarea figură:

Figura 3.2-20 Blocul de date

Pentru a se realiza comunicarea dintre PLC și ecran HMI prima data s-a realizat o conexiune virtuală legând în soft porturile Ethernet a celor 2 aparate, așa cum se poate observa în următoarea figură:

Figura 3.2-21 Setarea protocoalelor de comunicare dintre HMI și PLC

Pe lângă programul PLC-ului propriu-zis, s-a mai realizat și un soft pentru ecranul HMI pentru a se putea realiza o comunicare între utilizator și sistem. Principalele sarcini care urmează a fi îndeplinite de către interfață sunt:

Afișarea numărului de bile roși numărate;

Afișarea numărului de bile albe numărate;

Afișarea numărului total de bile numărate;

Posibilitatea porniri sistemului de sortare;

Posibilitatea opriri sistemului de sortare;

Posibilitatea resetări numărului de bile;

Declanșarea unei alarme care avertizează utilizatorul de lipsa bilelor;

Posibilitatea de a reseta alarma apărută.

Figura 3.2-22 Programarea ecranului HMI

Ecranul HMI conține:

3 “Text Field” pentru texte;

3 “I/O Field” pentru afișarea numerelor;

O fereastră pentru alarmă în care se va afișa mesaje de alarmă cauzate de lipsa îndelungată a bilelor;

Un buton pentru pornirea procesului de sortare;

Un buton pentru oprirea procesului de sortare, dacă a început deja sortarea unei bile atunci sistemul va termina sortarea bilei respective după care va aștepta comandă pentru începerea respectiv continuarea sortării;

Un buton pentru resetarea tuturor celor 3 numere de bile;

Un buton pentru resetarea alarmei apărute, la apăsarea butonului se schimbă mesajul de alarmă semnalând faptul că alarma a fost înștințată.

Elementelor enumerate mai sus le sunt atribuite variabilele conectate cu echivalentul fiecăruia din variabilele PLC, așa cum se poate observa din următoarea figură:

Figura 3.2-23 HMI Tags

Mai avem încă un tabel în care se realizează separat crearea parametrului de alarmă și conectarea acestuia la echivalentu său din PLC Tag.

Figura 3.2-24 HMI alarms

Conexiunile dintre “PLC Tags” și “HMI Tags” sunt importante deoarece PLC-ul este cel care realizează munca de numărare și pornire, respectiv oprire a alarmelor, în timp ce HMI le afișează și tranzmite comenzi de la utilizator. În Figura 3.2-25 se poate observa un ecran funcțional:

Figura 3.2-25 Ecranul HMI funcțional

În figură se poate observa funcționarea interfeței HMI, se poate observa numărul total de bile, numărul de bile albe, numărul de bile roșii, cele 4 butoane și o alarmă apărută care afișează data, oră, “PM”, “I” care semnifică faptul că alarma nu a fost înștințată de către utilizator (Butonul “RESET ALARMA” nu a fost apăsat), și mesajul. Dacă alarma a fost înștințată atunci în loc de “I” se va afișa “IO”. Ștergerea mesajului se realizează apăsând semnul exclamări din fereastra de alarmă.

Implementarea și punerea în funcțiune

Implementare și punerea în funcțiune presupune implementarea în practică a sistemului de control proiectat, adică legarea dulapului la machetă și încărcarea softului în PLC și interfața HMI.

Prima dată s-a verificat cu multimetrul cablajul machetei pentru a se verifica conexiunile dintre componente și cablurile ce vor duce la dulap de pe aceasta. S-a verificat conexiunea dintre alimentările fiecărei componente cu cablul de alimentare de la dulap, după care s-a verificat conexiunea dintre cablurile de date ale senzorilor, iar în final s-a verificat cablurile care vor tranzmite semnalul de comandă.

După verificare s-a conectat la clemele din dulap cablul care conține 6 fire: 2 fire pentru alimentarea (unul de +24V curent continuu, și unul de 0V), unul care este semnalul de ieșire de la senzorul de prezență (S1) și unul care este ieșirea senzorului de culoare albă (S2), un fir care reprezintă semnalul de comandă (Phase A) pentru unul din circuitele TEA și încă unul care este semnalul de comandă pentru celălalt circuit TEA (Phase B).

După ce s-au realizat conexiunile hardware și după ce s-au verificat aceste conexiuni următorul pas a fost așezarea dulapului sub tensiune de la întrerupătorul general de pe partea stângă a dulapului pentru a se putea realiza încărcarea softului PLC realizat mai devreme în PLC-ul Siemens SIMANTIC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/RLY, precum și încărcarea softului HMI în interfața HMI KTP 400 Basic color PN.

Pentru a se putea realiza o comunicare cu PLC și interfața HMI în același timp s-a utlizat un Switch Ethernet “MERCUSYS 8-Port 10/100Mbps Desktop Switch Model MS108” prezentat în Figura 3.3-1:

Figura 3.3-1 Switch utilizat pentru comunicare Profinet

Pentru încărcarea softului prima dată s-au schimbat adresele IP ale portulurilor Ethernet ale PLC și ecranul HMI, așa cum se pot obseva din următoarele figuri:

Figura 3.3-2 Programarea portului Ethernet de la PLC

Figura 3.3-3 Programarea portului Ethernet de la interfața HMI

Din figurile anterioare se poate observa cum s-a programat adresele IP de la PLC și interfață din softul TIA Portal v14. Notațile au următoarea semnificație:

1 – Portul Ethernet selectat pentru a permite configurarea;

2 – Conexiunea în soft dintre PLC și HMI;

3 – Adresele IP configurate.

Pe lângă porturile Ethernet de la PLC și HMI s-a mai modificat și adresa portului de Ethernet al laptopului pentru a permite comunicarea cu echipamentele, așa cum se poate observa din următoarea figură:

Figura 3.3-4 Setarea portului Ethernet de la laptop

Procesul care trebuie executat este unul de sortare a câtorva bile pe baza culorilor acestora, așa cum se prezintă în următoarea figură:

Figura 3.3-5 Procesul de sortare planificat

Figura 3.3-6 Interfața HMI în funcțiune

Figura 3.3-7 Monitorizarea PLC

În figura anterioară se poate observa cum se monitorizează funcționarea PLC-ului Siemens din programul TIA Portal, ce este colorat cu culoarea verde înseamnă că este activ (1 logic), iar ce este colorat cu albastru este inactiv (0 logic). Butoanele marcate cu notați din Figura 3.3-7 au următoarea funcționare:

1 – Compilare;

2 – Încărcare program de pe laptop în PLC;

3 – Conectează Laptopul cu PLC;

4 – Deconectează laptopul și PLC-ul;

5 – Activează monitorizarea funcționări PLC-ului.

După încărcarea programului s-au executat teste pentru verificarea funcționări sistemului automat și s-au mai realizat ajustările necesare. În final s-a realizat sarcina de sortare automată a bilelor pe baza culorilor acestora, în așa fel încât procesul poate fi pornit, sau oprit cu ajutorul butoanelor de pe interfață, precum și afișarea numerelor de bile respective, precum și posibilitatea resetări numerelor acestora. Mai este instalată și funcția de alarmă care se activează dacă trece prea mult timp fără bile fără să fie apăsat butonul STOP, o alarmă ce poate fi resetată de pe interfață.

La începutul lucrări s-au propus un set de obiective prezentate ca și câteva întrebări, acestea sunt prezentate în continuare înpreună cu răspunsurile:

Cum funcționează un motor pas cu pas?

Funcționarea motorului pas cu pas depinde de semnalul de comandă pe care la primit. În acest caz s-au utilizat semnale digitale care variează conform figurilor 3.2-15, 3.2-19 și 2.2-1. Iar crearea acestor semnale este prezentată-n lucrare la subcapitolul 3.2.

Cum se pot utiliza senzori fotoelectrici?

Senzori fotoelectrici se pot utiliza în multe feluri, atâta timp cât raza de lumină emisă de către această sesizează obiectul pe care trebuie să-l scaneze. În cazul de față snzori sunt montați în așa fel încât să sesizeze bilele care intră prin pâlnie în gaura din masa rotitoare. Dacă este necesară se mai poate modifica sensibilitatea senzorilor.

Cum se poate înpărți o sarcină în mai multe etape utilizând grafcet?

Pentru a înpărți o sarcină în mai multe etape aceasta trebuie să fie foarte detaliată pentru a se putea înpărți în pași, pași care vor fi și ele înpărțiți la rândul lor, acest proces continuându-se până când nu va mai fi posibilă înpărțirea. Mai trebuie stabilită și faptul când trebuie să se treacă de la un pas la următorul.

În diagrama grafcet pașii reprezintă secvențele, iar trecerea dintr-o stare în următoarea reprezintă tranzițile. O asemenea diagramă se poate observa în figura 3.2.12. Diagrama Grafcet mai permite și o urmărire mai ușoară a execuției programului.

Cum se poate programa un PLC?

În această lucrare PLC-ul s-a programat utilizând TIA Portal V14 în care se lucrează cu “Ladder Logic” sau logică releu, cerințele au fost înpărțite în stări și tranziți utilizând diagram Gafcet. Programul a fost creat ca să prelucreze semanalele de intrare în așa fel încât PLC-ul să se transmită semnale de ieșire în așa fel încât să îndeplinească cerințele propuse. După ce s-a conectat calculatorul cu PLC-ul s-a transferat softul creat.

Cum se poate utiliza o interfață HMI?

Principala funcție a interfețelor este aceea de a permite o comunicare între utilizator și procesul automat. Interfața de comunicare în sine a fost programată în soft în funcție de cerințe, după care a fost descărcat în interfața HMI utilizată. Interfața mai este dotată pe lângă imagine coloră și cu alarme, care au fost programate conform cerințelor.

Cum se conectează PLC cu interfața?

Conectarea hardware a celor două se realizează utilizând un cablu Ethernet. Iar conectarea în soft presupune programarea adreselor IP a celor două în așa fel încât să fie în același clasă. După care s-a realizat o conectare virtuală între cele două aparate și o legătură între parametri afectați atât de PLC cât și de HMI.

Concluzii

Rezultate obținute

S-a propus realizarea unui sistem de sortare automată controlat de către PLC pe bază de culoare, un sistem care poate fi influențat de către utilizator printr-o interfață HMI în așa fel încât interfața transmite date precum număr de bile sau alarme către utilizator, utilizatorul la rândul său poate să trasmită comenzi precum pornire, oprire, resetare număr bile sau resetare alarmă.

S-a mai evidențiat și faptul că o sarcină se poate înpărți pe mai mulți pași în așa fel încât întreg sistemul devine o secvență de pași simpli care sunt mai ușor de programat, urmărit sau depanat greșelile de programare. Prin faptul că sistemul a fost înpărțit în secvențe și tranziți, care ne arată când trebuie trecut dintr-o secvență în următoarea, întreg sistemul Grafcet s-a putut implementa în logică binară (1/0, adevărat/fals).

Sistemul sortează bilele conform cerințelor propuse. S-a mai observat și faptul că un sistemul poate fi controlat printr-o interfață HMI, pe lângă funcțile implementate se mai pot adăuga alte funcții noi, de exemplu un buton pentru sortare următoarelor n bile, a direcției de rotire a mesei, etc. Aceste funcții depinzând doar de cerințele care trebuiesc îndeplinite.

Un avantaj major oferit de ecranele HMI este faptul că pe acestea se pot adăuga butoane pur și simplu prin soft în timp ce butoanele fizice necesită mai multe resurse, de exemplu butoane fizice, legarea acestora, utilizarea unei intrări digitale PLC, etc.

S-a mai putut observa și faptul că dintr-un singur PLC se pot produce diferite semnale care nu doar că variează (1/0) în funcție de o periodă constantă, dar pot să fie defazate una față de cealaltă cu o perioadă constantă, semnale care în acest caz sunt utilizate pentru comanda unui motor pas cu pas.

S-a mai putut observa faptul că senzori au o sensibilitate reglabile, acest lucru oferă avantajul că atunci când se schimbă cerințele sistemului acest lucru nu înseamnă neapărat că senzorii trebuie schimbați, fiind suficient recalibrarea sensibilității senzorilor.

Contribuși personale

Construirea dulapului realizând următorii pași:

S-au ales componentele principale de control și comunicare, PLC, HMI și sursa de alimentare;

S-au ales mai ales componente suplimentare, precum siguranțe, cleme, întrerupător;

S-a luat contrapanoul și s-a planificat cum trebuie montate componentele pentru a încăpea toate pe el înpreună cu jgeaburile pentru ghidarea cablurilor.

Cablarea dulapului.

Crearea softului s-a realizat prin executarea următorilor pași:

S-au luat datele machetei pentru a se stabili care sunt semnalele de intrare pentru PLC și ce semnale de ieșire trebuie create de către PLC;

Utilizând datele de intrare, cele de ieșire și cerințele care trebuie executate s-a realizat diagrama Grafcet a evenimentelor cu sisteme și tranziți;

S-a implementat diagrama în TIA portal pentru PLC;

S-a creat o interfață pentru ecranul HMI cu care s-a realizat comunicarea dintre utilizator și PLC;

S-a realizat o conexiune dintre PLC și HMI pentru a se realiza comunicarea dintre cele 2;

S-a conectat macheta la dulap și s-a verificat funcționarea sistemului, și s-au mai realizat ajustările finale.

Direcții de dezvoltare

Macheta utilizează senzori de culoare și prezență pentru a realiza sortarea pe bază de culoare, doar că sortarea se poate realiza și pe alte criteri, de exemplu senzorul de culoare poate fi schimbat cu unul pentru măsurarea greutăți ca să se sorteze bile după greutate, sau se pot monta senzori magnetici pentru a separa niște obiecte din fier de altele, etc. Sortarea se poate realiza pe alte criterii, precum formă, mărime, etc. Prin utilizarea a mai multor tipuri de senzori în același timp mai este posibilă și sortarea pe mai multe criterii deodată, precum culoare și greutate, culoare și formă, etc.

Pe lângă schimbarea componentelor machetei mai este posibilă și adăugarea de componente la aceasta. De exemplu macheta funcționează prin numărarea pașilor executați, nu există verificare automată dacă masa rotitoare a ajuns sau nu unde trebuia să ajungă, dacă masa rotitoare face cumva pași extra (deși nu este probabil) atunci PLC nu va sesiza acest lucru, este necesară intervenția utilizatorului. Această problemă se poate rezolva prin adăugarea unor fotosenzori la găurile de ieșire care verifică dacă bia respectivă a ajuns sau nu acolo unde trebuia, se mai poate adăuga și încă un senzor pentru a verifica dacă masa s-a întors în punctul originar de unde a plecat.

Macheta poate fi modificată și dezvolată în mai multe feluri, acestea depind doar de cerința care trebuie îndeplinită.

ANEXE

Schema electrică a dulapului realizat în eplan

Softul PLC realizat în TIA Portal

Softul HMI realizat în TIA Portal

Abrevierile utilizate

PLC = Programmable Logic Controller;

HMI = Human–Machine Interface.