STUDIUL UNUI SISTEM DE MANAGEMENT AL CLĂDIRII [308360]

[anonimizat]: Studiul unui sistem de management al clădirii

CONȚINUTUL proiectului de diplomă

Introducere

Documentatie

Piese scrise

Piese desenate

Diagrame

Anexe Programare Arduino și Labview

Concluzii

LOCUL DOCUMENTĂRII:

[anonimizat]:

Conf.dr.ing Romul Copîndean

Data emiterii temei: 16.10.2016

Termen de predare: 13.09.2017

[anonimizat]: [anonimizat].dr.ing. Romul Copîndean Păcuraru Alexandru Mădălin

(semnătura) (semnătura)

Declarație-angajament: Deoarece acest proiect de diplomă nu ar fi putut fi finalizat fără ajutorul membrilor departamentului de Electronică de Putere și Acționări Electrice, a [anonimizat] a [anonimizat].

Data: ………… Semnătura

Declarație: [anonimizat], sub îndrumarea conducătorului științific și pe baza bibliografiei indicate de acesta.

Data: ………… Semnătura

CUPRINS

1. Introducere…………………………………………………………………………………………………………….07

1.1. Sistemele automate ……………………………………………………………………………………………….07

1.2. Clădirea inteligentă……………………………………… ……………………………………………………….07

2. Automatizarea sistemelor de termoficare și ventilație………………………………………………09

2.1. Senzori……………………………………………………………………………………….09

2.2. Motoare electrice…………………………………………………………………………………………………..12

2.3. Convertoare statice de frecventă………………………………………………………………………………14

3. Iluminat………………………………………………………………………………………………………16

3.1. Tipuri de lampi……………………………………………………………………………………………16

3.2. Aparate de iluminat………………………………………………………………………………………21

3.3. Comanda circuitelor de iluminat………………………………………………………………………23

4. Alimentarea cu energie electrică…………………………………………………………………..24

4.1. Separarea consumatorilor in neprioritari și prioritari……………………………………………..24

4.2. Grup electrogen…………………………………………………………………………………………..26

5. Simularea unui BMS folosind Arduino……………………………………………………………..27

5.1. Arduino……………………………………………………………………………………….27

5.2. Senzori……………………………………………………………………………………………………..29

5.2.1. [anonimizat]………………………………29

5.2.2. Senzor de temperatură, LM35………………………………………………………………..32

5.2.3 Senzor de masură curent, ACS712…………………………………………………………..34

5.2.4. Senzor de masură tensiune, VCC<25………………………………………………………..37

5.2.5. Debitmetrul……………………………………………………………………………………….38

5.3. Comanda circuitelor de forță……………………………………………………………………………41

5.3.1. Comanda folosind relee electromecanice……………………………………………………42

5.3.2. Comanda folosind tranzistoare………………………………………………………………..43

5.4. Alimentarea cu energie electrică……………………………………………………………………….44

5.4.1. Simulare sursă neîntreruptibilă. …………………………………………………………44

5.4.2. Stabilizatoare de tensiune……………………………………………………………………….45

5.4.3. Schema monofilară………………………………………………………………………………46

5.5. Sistemul de climatizare…………………………………………………………………………………..47

5.5.1. Schimbătoarele de căldură……………………………………………………………………..48

5.5.2. Încălzitor…………………………………………………………………………………………..49

5.5.3. Răcitor……………………………………………………………………………………………..50

5.5.4. Pompă de recirculare……………………………………………………………………………51

5.5.5. Electrovane……………………………………………………………………………………….51

5.5.6. Ventilație………………………………………………………………………………………….52

5.6. Sistemul de iluminat……………………………………………………………………………………..53

6. SCADA….……………………………………………………………………………..……..54

6.1 SCADA folosind Labview si Arduino…………………………………………………………………55

6.2 Programare Arduino pentru standalone………………………………………………………………..62

7. Concluzii……………………………………………………………………………………………………..73

Bibliografie……………………………………………………………………………………………………

Datasheets……………………………………………………………………………………………………….

1.Introducere

1.1.Sistemele automate.

Automatizarea este o ramură a tehnicii, al cărei scop este ca masinile si instalațiile să lucreze automat, menținând anumiți parametrii.

Sistemele automate sunt sisteme de reglare in buclă închisă, care supraveghează, comanda și controleaza procesele tehnice fară intervenția părții umane.

1.2. Clădirea inteligentă

Un sistem de management al clădirii, BMS (Building Management System), este un sistem de control care monitorizează și controlează sisteme electrice și electomecanice ale unei clădiri. Serviciile pot fi de: incălzire, ventilație, aer condiționat, stații pompare, iluminat, control acces si sisteme de securitate.

Un sistem BMS are la baza un server cu o bază de date, un software interfață grafică pentru monitorizare și control, senzori conectați intr-o rețea printr-un protocol de comunicație, care fac partea de achiziție de date și motoare electrice, actuatuare și bobine, care asigură partea de execuție și o parte, centrala de comandă.

Beneficiile unui sistem de management al clădirii ar fi:

-un control optim.

-costuri de intreținere mai scazute.

-diagnoza rapidă.

-monitorizarea temperaturilor și consumurilor de energie electrică si termică.

. Fig.1 Building Management System[1]

2.Automatizarea sistemelor de termoficare și ventilație.

2.1.Senzori (Traductoare)

Senzorul este un dispozitiv tehnic care reacționează calitativ sau cantitativ prin proprii mărimi măsurabile, la anumite proprietăți fizice sau chimice ale mediului din preajma lui. Ca parte componentă a unui aparat sau sistem tehnic detector poate măsura/înregistra de exemplu presiunea, umiditatea, câmpul magnetic, accelerația, forța, intensitatea sonoră, radiații .

Senzorul este un dispozitiv care măsoară o mărime fizică (masă, presiune, temperatură, umiditate etc.) și o transformă într-un semnal care poate fi citit de către un observator printr-un instrument sau poate fi prelucrat.

Exista mai multe clasificări; una dintre ele se referă la senzori de tip:

1) activ, consumator de energie, de exemplu radar (măsurarea distanțelor prin emitere de radiații electromagnetice)

2) pasiv, de exemplu fotorezistența cu care se poate măsura intensitatea luminii incidente.

În automatizare, informația calitativă/cantitativă măsurabilă livrată de senzori, dupa o eventuală amplificare și prelucrare servește la controlul și reglarea sistemelor tehnice automate.

In functie de semnalul de intrare senzorii sunt:

mecanici

a)pozitie, viteza si acceleratie (liniară, unghiulară)

b)fortă

c)presiune

d)densitate , masă

e)debit

f)vâscoziate

e)amplitudinea și spectrul undei mecanice

electrici

a)potential electric, tensiune

b)curent electric, sarcină

c)conductivitate, rezistentă electrică

d)câmp electric

magnetici

a)câmp magnetic

b)flux magnetic

c)permeabilitate

termici

a)temperatură

b)conductivitate termică

c)caldura specifică

chimici

a)compuși

radioactivi

a)reflexivitate

b)indicele de refracție

c)intensitate

d)energie

e) amplitudinea, viteza de propagare si faza undei

Specificațiile senzorilor:

Sensibilitate

Numărul stimulilor la care reacționează

Stabilitate

Rezoluție

Precizie

Selectivitate

Viteză de reacție (răspuns)

Condiții exterioare

Caracteristici de supraîncărcare

Liniaritate

Histereză

Formatul semnalului de ieșire

Durată de viață

Cost, mărime, greutate

fig.2 Senzor termocuplu de tip K (Cr-Al)

Gama de temperatură: -50…800 0C

Domeniu de utilizare: cazane de ardere combustibil

2.3. Motoare electrice

Motoarele asincron (de inducție) se folosesc ptr antrenarea pompelor de recirculare în circuitul de climatizare, ventilatoarelor din centralele de tratare a aerului și alte aplicații unde avem nevoie de mișcare, deoarece sunt robuste, fiabile și nu necesită întreținere regulată.

Principalele dezavantaje sunt curentul de pornire și cuplul la pornire mai redus, aceste dezavantaje pot fi reduse folosind convertoare statice de frecvență sau a demaroarelor electronice. În plus folosind convertoarele de frecvență putem regla turația ventilatorului sau debitul pompei.

Mașina Asincronă (Inducție)

Fig.3 Motor asincron cu rotorul în scurt-circuit (bare rotor din cupru) [2]

Mașina asincronă (de inducție) este în momentul actual cea mai răspândită mașină electrică, alimentată în curent alternativ, poate fi pornită direct de la rețea fară elemente ajutătoare.

Avantajele mașinii asincrone cu rotorul în scurt-circuit:

-robustă(gabarit redus).

-pret redus(barele rotorul se pot confecționa din aluminiu, nu necesită înfășurare de compensare).

-performanțe bune(randament bun).

-intreținere simplă(fară contacte alunecătoare).

-sigura(simplu de folosit,fară părți alimentate neizolate).

-pornire directă de la rețea.

Ca dezavantaje putem vorbi de :

-caracteristica mecanică dură(șoc mare de pornire).

-curent de pornire mare.

-reglarea turației imposibilă la pornirea directă.

-factorul de putere scăzut.

Primele trei dezavantaje pot fi reduse folosind convertoare statice de frecvență, iar ultimul poate fi compensat folosind condensatoare.

Pentru puteri sub 5.5kW, motoarele pot fi pornite direct, șocul de curent fiind compensat de rețea. Pentru puteri mai mari, trebuie folosite porniri speciale:

-pornirea stea-triunghi, pornirea la tensiune scăzuta, tensiune de fază.

-pornirea folosind demaroare electronice sau convertoare statice de frecvență.

Motorul asincron cu rotorul în scurt-circuit este cel mai folosit in acționările electrice de puteri medii și mari, datorită acestor avantaje.

Pentru puteri mici, acolo unde precizia este mai importantă, se folosesc motoare de curent continuu cu excitație magnet permanent sau motoare de curent continuu fără perii (bruseless DC) ,care sunt defapt motoare sincrone cu magnet permanent, care au invertorul inclus în caracasa motorului și sunt alimentate in curent continuu.

Se folosesc pentru deschiderea automată a trapelor, ferestrelor de evacuare, vanelor de amestec, actuatoarelor, etc.

Fig.4 Actuator desfacut cu mecanism cremaliera [3]

2.4. Convertoare statice de frecventa

Acționările electrice cu motoare de inducție au fost revoluționate odata cu apariția convertoarelor statice de frecvență, ele înlăturând marele dezavantaj al motoarelor de inducție, putând lucra la turații diferite.

Pentru viteze mai mari decât cea nominală, mașina electrică intră în regim de slăbire de flux (defluxaj), ea funcționând la putere constantă (P=MΩ), cuplul scăzând odată cu creșterea vitezei peste cea nominală.

Fig.5 Diagrama cuplu în funcție de viteză (regim normal și slăbire de flux)

Avantajele folosirii convertoarelor statice de frecventă în acționări electrice:

-economie în consumul de energie electrică.

-optimizarea proceselor industriale, motorul poate lucra intr-o buclă de reglare automată.

-control simplu.

-curenți de pornire mici.

-cuplu de pornire mare.

-elimină șocul mecanic de la pornire.

-frânare rapidă.

Un dezavantaj ar fi că motoarele asincron sunt proiectate să lucreze cu undă sinusoidală pura, iar datorită modulației PWM în jurul zecilor de kHz, (4-20kHz) , pot apărea curenți turbionari care se închid prin carcasa motorului, ceea ce va duce în timp la o uzură precoce a lagărelor.

Pentru controlul debitului de aer dintr-o instalație de ventilație, sau climatizare a unei clădiri, controlul debitului de agent termic prin pompe de recirculare, convertoarele statice de frecvență pot fi cele mai eficiente soluții pentru automatizare.

Convertoarele pot comunica printr-o rețea internă, ceea ce poate duce la un control de la distanță a lor, sincronizarea a două sau a mai multor motoare.

CFS sunt compuse din 3 parți principale:

redresor, care poate fi comandat sau necomandat (diode, tiristoare, IGBT)

filtru, este etajul intermediar care poate fi capacitiv sau capacitiv-inductiv.

invertor, este compus dintr-o punte de tranzistoare (6 tranzistoare ptr comanda unui motor trifazic), care lucrează in regim de comutație (MOS-FET pentru puteri medii și IGBT pentru puteri mari) și diode de fugă în antiparalel cu fiecare tranzistor care asigură o cale de curent, atunci cand motorul intră în regim de frană (generator).

Schema de principiu a unui CFS:

Fig.6 Etaje: Redresor/Filtru/Invertor.

3.Iluminat.

3.1.Tipuri de lămpi.

Dupa principul de funcționare lămpile se pot imparți în trei mari categori:

lămpi cu incandescență, ele sunt bazate pe fenomenul radiației termice sau radiația corpului negru încălzit.

lămpi cu descarcare electrică în gaz și vapori metalici, ele se bazează pe principul fluorescenței.

-aici întâlnim lămpi cu vapori de Na si Hg, la înaltă sau joașa presiune.

lămpi cu LED.

Lămpile cu incandescență se bazează pe principiul radiției corpului negru formulat de Stefan-Boltzmann.

Orice corp din natură cu temperatura peste 0K(zero absolut) emite radiație sub formă de unde electromagnetice în spațiu. Energia radiantă emisă sub formă de caldură se numește radiație termică. Puterea de emisie depinde atât de natura și temperatura absolută a corpului cât și de lungimea de undă a radiației emise.

Legea lui Stefan-Boltzmann stabilește că puterea emisiei integrale sau puterea radiantă totală a corpului absolut negru este proporțională cu temperatura absolută a acestuia la puterea a IVa.

E=T4

constanta lui Boltzmann, 5.7*10-8 [W/m2K4]

Becul cu incandescență a fost perfecționat de Edison in anul 1879, el a și stabilit standardele pentru socket (ex: E14, E27). Becul cu incandescență este format dintr-un balon de sticlă in care se află vid sau gaze inerte, un filament din Wolfram(Tungsten) și două fire de contact care ies din balon până la terminale.

Datorită temperaturii de 25000 C a filamentului, lampa cu incandescență emite preponderent radiație în infraroșu față de spectrul vizibil, ceea ce îi conferă un randament scăzut.

Pentru a emite în spectrul vizibil , un corp încălzit trebuie să atingă 60000C, cu mult față de temperatura pe care poate să o duca tungstenul, fară a se distruge.

O înbunătățire a lămpii cu incandescență, prin creșterea temperaturii peste 30000C, este folosirea halogenurilor metalice .

Fig.7 Emisie în spectrul vizibil în funcție de temperatură [4]

Fig.8 Becul cu incandescență [5]

Lămpile cu descarcare în vapori metalici au apărut în 1930, se bazează pe fenomenul fluorescenței. Se folosesc intr-o scara mult mai mare față de incandescență în iluminatul stradal, a halelor, etc, deoarece au un randament mult mai ridicat.

Unul din dezavantajele față de incandescență este faptul că nu poate fi conectat direct la rețea, existând elemente auxiliare ca balastul electromagnetic (bobina) și electronic (invetor) pentru limitarea curentului, pentru lămpile cu Hg la joasă presiune, există și starter care scurtcircuitează filamentele pentru obținerea unei temperaturi pentru străpungerea gazului, iar pentru lămpile cu Na la joasă și înaltă presiune se folosesc pentru străpungerea gazului, ignitoare.

Lămpile cu Na la înaltă presiune sunt cele mai bune din punct de vedere al randamentului, 120 lm/W, emit exclusiv în spectrul vizibil, au indicele de redare a culorilor ridicat, față de cele cu Na la joasă presiune(0.4).

Lămpile cu Na se folosesc la iluminatul stradal, iar în clădiri cele cu Hg la joasă presiune, sub formă de tuburi cilindrice.

Fig.9 Lampa cu vapori de Hg la joasă presiune [6]

Fig.10 Lampa cu vapori de Hg la înaltă presiune [6]

Fig.11 Scheme conectare la rețea lampi cu fluorescență [6]

Lămpile cu LED sunt compuse din LED-uri (light emitting diode) și surse de curent continuu, ele se bazează pe efectul electroluminscenței la polarizarea unei joncțiuni p-n al unui semiconductor.

Electrolumiscența a fost descoperită de H. J. Round în 1907, folosind un cristal de carbură de siliciu (SiC)

Deabia după primul deceniu al secolului 21, lămpile cu LED s-au fabricat si vândut la scaraă largă pentru iluminatul stradal și casnic.

Principalele avantaje ale iluminatul cu LED:

-randament foarte bun.

-indice de redare a culorilor mare(nu distorsionează culorile)

-durată de viată mare.

Dezavantaje:

-necesită surse de curent continuu stabilizate.

-nu rezistă în medii cu temperatură ridicată.

În momentul actual, iluminatul cu LED este cel mai avantajos din punct de vedere al calității și consumului, iar cu creșterea producției prețul surselor și aparatelor a scăzut.

Fig.12 a) LED mică putere b) LED mare putere [7]

3.2. Aparate de iluminat

Aparatul sau corpul de iluminat este ansambul constructiv format din sursa de lumină, sistemul de distribuție și repartiție spatială a fluxului luminos (reflector) și sistemul de rezistentă mecanică (armatura mecanică) în care se montează accesorile lămpii (balast, dulie,starter,ignitor)

Corpurile de iluminat au umatoarele funcții:

-distribuie fluxul luminos în spatiu.

-modifică componenta spectrală a luminii.

-diminueaza luminanța surselor de lumină, atunci când evita orbirea.

-asigură sustinerea mecanica a sursei de iluminat.

-asigură protecția mecanică.

-asigură protecția împotriva apei sau altor agenți chimici.

-asigură alimentarea cu energie electrică și izolează electric cu mediul înconjurător.

Locul geometric ale extremităților vectorilor intensitate luminoasă pentru un unghi solid de 4π formează o suprafată fotometrica (corp fotometric).

Prin intersecția unei suprafețe fotometrice și un plan meridian (β), rezultă o curbă fotometrică.

Din punct de vedere a formei curbei fotometrice, corpurile de iluminat pot fi:

-simetrice, când suprafața fotometrică rezultă prin rotirea unei curbe fotometrice în jurul axului meridian, și ca urmare corpul fotometric poate fi reprezentat printr-o singură curbă fotometrică.

-practic simetrice, când valoarea intensității luminoase de la un plan meridian la altul nu diferă cu mai mult de 20%.

-asimetrice, când valorile intensității luminoase de la un plan meridian la altul diferă cu mai mult de 20%.

Curbele fotometrice ale corpurilor de iluminat, sunt important de cunoscut pentru proiectarea unei instalații de iluminat interioare și exterioare.

Fig.13 Corp de iluminat ELBA IEHM-06-250W

Fig.14 Curba fotometrică (Dialux).

3.3. Comanda circuitelor de iluminat

Pentru o cameră sau un dormitor, aprinderea și stingerea unui bec se poate face simplu, prin folosirea unui întrerupător, dar atunci când avem de comandat iluminatul unei hale, săli de conferință sau iluminatul stradal, lucrurile nu mai sunt așa de simple.

Trebuie ținut cont de condiția de aprindere, de exemplu comanda iluminatului unui hol sau a unei scări se poate face prin senzori de mișcare și de lumină; dacă avem de comandat un iluminat stradal, sau exterior putem face printr-un senzor de lumină sau a unui releu de timp, în cazul releului de timp, orele trebuie ajustate regulat dupa ciclul solar.

Pentru alimentarea mai multor lămpi, atunci cand curentul electric este destul mare, trebuie folosite relee de forța sau contactoare care și separă partea de comandă cu cea de forță.

Trebuie ținut cont și de iluminatul în caz de urgență, sau lămpi de EXIT, care trebuie să aibă sursă de energie autonomă, baterii sau acumulatoare. Pentru săli care au mai multe destinații, trebuie separate circuitele în funcție de necesitate.

exemplu de iluminat in 3 trepte (40%, 60%, 100%)

Fig.15 Distribuitia corpurilor de iluminat.

4. Alimentarea cu energie electrică.

4.1. Separarea cunsumatorilor în neprioritari și prioritari.

Datorită importanței unui sistem sau proces, există consumatori care trebuie să fie alimentați cu energie electrică în orice situație, pentru a evita accidente sau alte probleme.

Dupa importanța lor putem împarți consumatori în:

1) neprioritari, nefuncționarea lor nu pun în pericol materiale sau oameni, procesul tehnologic poate fi reluat fară probleme.

2) prioritari, sunt consumatorii care sunt importanți din punct de vedere al securități sau a unui proces tehnologic, pot suporta un gol scurt în alimentare.

-aici putem vorbi de pompe pentru circuitul de răcire al unui echipament, de instalația de stingere în caz de incendiu, uși automate, iluminat de siguranță, etc.

-consumatori prioritari au posibilitatea de a fi alimentați și dintr-o sursă de rezervă, de exemplu un grup electrogen, care poate să realimenteze consumatorii în cateva zeci de secunde.

3) vitali, care exclusiv trebuie să fie alimentați cu energie electrică și ea să fie în parametrii nominali.

-de obicei acești consumatori au baterii de acumulatori încorporati sau sunt alimentați din surse neîntreruptibile (UPS)

-putem vorbi de comanda la o instalație de detecție și stingere automata a incendiilor, elevatoare, calculatoare care reglează procese importante, sisteme de control acces sau efracție, lămpi de ieșire urgență, sisteme de avertizare acustică în caz de calamitați,etc.

Aclanșarea automată a rezervei (AAR) are funcția de a menține continuitatea cu energie electrică a unor consumatoare, în cazul în care alimentarea principală este întreruptă, trecând automat pe sursa secundară de alimentare cu energie electrică.

AAR-ul trebuie să aibe urmatoarele caracteristici:

-nu permite închiderea simultană a surselor de alimentare, prin interblocaje (electrice și mecanice).

-timpul de trecere pe rezervă și revenirea trebuie programat.

-revine dupa un timp stabilit pe reteua de bază, atunci când revine alimentarea.

-indică starea întreruptoarelor și a rețelelor de alimentare.

-se poate arma/rearma automat și manual.

Fig.16 Distribuția consumatorilor în funcție de prioritate.

4.3. Grup electrogen

Grupurile electrogene sunt surse energetice de rezervă, pentru consumatori ce utilizează sisteme de alimentare cu energie electrică (aeroporturi, spitale , bănci, etc). Grupurile electrogene se utilizează si în zone greu accesibile unde nu există o rețea de alimentare cu energie electrică.

Utilizarea grupurilor electrogene confera: autonomie energetică, mobilitate și costuri reduse de infrastructură.

Clasificarea grupurilor electrogene:

1) destinație.

-portabile.

-profesionale.

-pentru sudură.

-silențioase.

-industriale.

2) puterea generată.

-de putere mică, echipate cu motor pe benzină.

-de putere mare, echipate cu motor diesel.

Pornirea grupului se poate face manual,cu sfoară, pentru grupurile mici și automată, cu electromotor, volantă, pentru cele de putere mare.

Grupul electrogen este compus dintr-un motor cu ardere internă cu combustibil lichid sau gazos, un generator sincron, care produce energia electrică, un regulator pentru turația motorului termic, un regulator pentru tensiunea electrică (reglează curentul de excitație), acumulatoare (12V, 24V) si electromotor pentru pornirea automată, sincronoscop sau AAR.

Fig.17 Grup electrogen antrenat de motor diesel cu pornire automata [8]

5. Simularea unui BMS folosind Arduino.

5.1. Arduino.

Arduino este o platformă electronică open-source bazată pe hardware și software ușor de utilizat. Plăcile arduino au capacitatea de a citi intrări, de exemplu lumina de la un senzor, un deget de pe buton și un mesaj online, și o transformă intr-o ieșire, activând un motor, activând un LED.

Se poate comanda plăcuța ce să facă, prin trimiterea unui set de instrucțiuni către microcontrolerul de pe aceasta. Pentru a face acest lucru, se folosește limbajul de programare Arduino (bazat pe cablare) și software-ul Arduino (IDE), bazat pe procesare.

Primul Arduino a fost lansat în 2005, având ca țintă asigurarea unei soluții ieftine și simple pentru începători și profesioniști, spre a crea dispozitive capabile să interacționeze cu mediul, folosind senzori și sisteme de acționare. Cele mai comune exemple sunt dispozitivele pentru utilizatorii începători precum: roboții simpli, termostatele și/sau detectoarele de mișcare.

Plăcuțele Arduino sunt disponibile comercial sub formă preasamblată sau sub forma unor kituri de asamblat acasă (do-it-yourself). Specificațiile schemelor sunt disponibile pentru orice utilizator, permițând oricui să fabrice plăcuțe Arduino. Adafruit Industries estimase la mijlocul anului 2011 că peste 300.000 de plăcuțe oficiale Arduino au fost produse , iar în 2013 700.000 de plăcuțe oficiale erau în posesia utilizatorilor.

Un microcontroler instalat pe Arduino vine preprogramat cu un bootloader care simplifică încărcarea programelor pe memoria flash a cipului, în comparație cu alte dispozitive care necesită programatoare externe. Acest aspect face Arduino o soluție simplă, permițând programarea de pe orice computer ordinar. În prezent, bootloader-ul optiboot este bootloader-ul implicit instalat pe Arduino UNO.

La nivel conceptual, când se folosește mediul de dezvoltare integrat Arduino, programarea tuturor plăcuțelor se face prin conexiune serială. Implementarea acesteia diferă în funcție de versiunea hardware.

Unele plăcuțe Arduino au implementate convertoare de nivel logic pentru a realiza conversia între nivelele logice RS-232 și cele TTL.

Plăcuțele Arduino din prezent sunt programate prin USB, având integrate cipuri de conversie USB-serial, cum ar fi FTDI FT232. Unele modele UNO, mai noi, folosesc un cip AVR separat programat să funcționeze ca un convertor USB-serial, care poate fi reprogramat printr-un port ICSP dedicat. Alte variante, cum ar fi Arduino Mini și versiunea neoficială Boarduino, folosesc adaptoare detașabile USB-serial, cabluri, Bluetooth sau alte metode.

Deoarece avem nevoie de multe intrări (analogice și digitale) și ieșiri vom folosi Arduino MEGA 2560, care dispunde de 16 intrări analogice, 54 intrări/ieșiri digitale, dintre care 15 sunt programabile PWM, față de Arduino Uno care are 6 intrări analogice, 14 intrări/ieșiri digitale, (6 sunt programabile PWM).

fig.18 Arduino MEGA 2560. [9]

Arduino MEGA 2560 este bazat pe un procesor ATmega2560, frecvența de ceas este asigurată de un quart cu frecvență de 16MHz, memorie EEPROM de 4kb, SRAM 8kb și flash 256 kb. Convertorul analog-numeric este pe 10 biți.

5.2. Senzori

Rolul senzorului este de a transforma o marime fizică de intrare (energie), provenită din mediu, într-o mărime electrică de ieșire, mărime ce poate fi masurată, prelucrată și afisată. În diferite discipline, pe lângă noțiunea de senzor, se utilizează noțiunea de traductor.

Un traductor este un dispozitiv elementar, capabil într-un anumit domeniu de măsurare, să convertească o mărime fizică de intrare într-o mărime electrică de ieșire.

Traductorul în sine nu conține elemente de procesare, scopul lui este doar realizarea conversiei.

Un senzor este un dispozitiv bazat pe un traductor, capabil să convertească o marime neelectrică într-o mărime electrică și să o proceseze în concordanță cu un algoritm dat, cu scopul de a furniza o ieșire ușor interfațabilă cu un sistem de calcul.

Într-un sistem mecatronic, senzorii și traductorii permit modulului de procesare obținerea de informații despre proces și mediu. Fără aceste dispozitive, sistemul nu poate funcționa. De multe ori, calitatea sistemului mecatronic este în cea mai mare parte dependența de calitatea sistemului de senzori și traductoare.

5.2.1 Fotorezistorul

Fotorezistorul este un rezistor realizat dintr-un material semiconductor omogen, a cărui rezistență se modifică sub incidență unui flux luminos incident. Se bazeaza pe fenomenul de fotoconductivitate prin care sub influența radiației luminoase sunt eliberați electroni liberi care cresc conductivitatea electrică a semiconductorului și implicit scad rezistență rezistorului (este o aplicație a efectului fotoelectric intern).

Fig.19 Construcție fotorezistor. [10]

Fotorezistorul este format dintr-o peliculă din material semiconductor, depusă prin evaporare în vid pe un grătar metalic care este fixat pe o placă izolatoare. Pelicula este prevazută la capete cu contacte ohmmice care reprezintă terminalele și este protejată prin acoperire cu lac sau prin încapsulare.

Fig.20 Fotorezistor, parți componente. [10]

Performanțele fotorezistorului se apreciază prin mărimile: rezistența la întuneric, dependența de dimensiunile geometrice(w, d, l), și de concentrația de impurități a semiconductorului. Pragul fotoelectric, reprezentând lungimea de undă maximă pâna la care dispozitivul mai funcționează. Sensibilitatea spectrală, reprezintă raportul dintre conductanță fotorezistenței și fluxul luminos incident. Inerția fotorezistenței, reprezentând timpul după care rezistența elementului se stabilizează la noua valoare, atunci când fluxul luminos variază prin salt. Rezistența electrică a fotorezistorului scade o dată cu creșterea intensității fluxului luminos aplicat pe suprafața sensibilă a fotorezistorului.

Fig.21 Diagrama rezistență în funcție de intensitatea luminoasă (scara logaritmica) [10]

Dacă un semiconductor este supus câmpului electromagnetic al undelor luminoase, energia transportată de fotoni dislocă electroni de la nivelul atomilor, rezultând electroni liberi, ca sarcini negative, și ioni, ca sarcini pozitive. Apar astfel purtatori de sarcină, care produc scăderea rezistenței electrice a semiconductorului, fenomen numit efect fotoelectric.

Fotorezistențele se utilizează în subansamblele de masură ale fluxului luminos, aparatele fotografice sau în diverse sisteme de automatizare, cel mai adesea ca detectoare de radiații în gama de frecvențe vizibil-infraroșu îndepărtat.

Fig.22 Citirea tensiunii de pe fotorezistor folosind un divizor rezistiv.

Vom folosi un divizor rezistiv și vom citi pe o intrare analogică căderea de tensiune de pe rezistorul R1, care va crește odată cu scăderea rezistenței fotorezistorului, datorată creșterii fluxului luminos.

5.2.2 LM35 (măsurarea temperaturii)

LM35 este un senzor de temperatură, bazat pe circuite integrate, de mare precizie. Valoarea temperaturii este liniar proporțională cu tensiunea de ieșire a senzorului. Un avantaj este ca senzorul este calibrat în Celsius, nu în Kelvin, ceea ce nu necesită scăderea cu 273 grade.

Consumul de curent de la sursa de energie electrică este redus, 60μA , care incălzeste maxim cu 0.10C. Impedanța de ieșire este redusă.

Senzorul poate măsura între -550 C și 1500 C și se comercializează în pachet mic de plastic, ermetic, capsulă TO-92.

Fig.23 Senzor de temperatură cu caracteristică liniară LM35.

Tensiunea de alimentare este între 4 V și 20 V, senzorul are o precizie de 0.50 C la 250 C și tensiunea de ieșire variază liniar cu temperatura, 10mV/0C.

Senzorul este ieftin, carcasa ermetică ceea ce îi oferă avantajul folosirii în medii umede și exterioare, iar liniaritatea lui îl face sa fie folosit în multe aplicații.

Masurarea temperaturii folosind un microcontroler Arduino și un senzor LM35, se face foarte simplu prin alimentarea senzorului cu 5V si GND de Arduino și ieșirea senzorului o vom conecta la una din intrările analogice. Pentru o mai bună stabilitate, vom conecta o rezistentă de valore mare (10kΩ), între ieșirea senzorului și GND.

Fig.23 Conectare LM35 la Arduino, rezistența se folosește pentru stabilitate.

Deoarece convertorul analog-numeric este pe 10 biți și tensiunea de alimentare este de 5V, vom folosi urmatoarea formulă:

Fig.24 Formulă calcul temperatură în funcție de tensiunea de ieșire, referința de 5V.

LM35 poate lucra și cu tensiunea de referință internă de 1.1V, ceea ce îi oferă o precizie mult mai mare, iar domeniul este de 0-1000 C.

5.2.3 ACS712 (măsurarea curentului electric)

Intensitatea curentului electric poate fi măsurată:

1)direct.

a) ampermetrul, un mare dezavantaj ar fi că circuitul trebuie deschis pentru montarea ampermetrului și putem măsura maxim curenți de valori medii.

b) rezistor calibrat de valori mici și un voltmetru în paralel (I=U/R), ca dezavantaj vom pierde putere pe rezistentă și odată cu încalzirea rezistorului, rezistența lui va varia, iar acest lucru este mai greu de compensat.

2) indirect, măsurarea fluxului produs de intensitatea curentului.

a) transformatoare de măsură curent, se pot monta ușor, pot măsura curenți mari, precizie nu foarte bună (1-2%). Tensiunea de ieșire de pe secundar va fi proporțională cu fluxul produs de curentul ce trece prin conductor.

Cel mai mare dezavantaj este că putem măsura numai în curent alternativ.

b)folosind sonde Hall, ca montaj se aseamănă cu transformatoarele de măsură curent, numai că nu funcționează după principiul inducției electromagnetice, ci folosește efectul Hall.

Datorită variației foarte mici a potențialului electric, sondele hall au în capsula amplificatoare operaționale și circuite de compensare a temperaturii și a neliniarității senzorului.

Fig.25 Principiul de masură a curentului folosind sonda Hall [11]

În anul 1879 fizicianul american Edwin Herbert Hall (1855 – 1938) a observat că atunci când un semiconductor, parcurs de un curent electric, este plasat sub acțiunea unui câmp magnetic, apare o tensiune electrică, proporțională cu curentul electric și perpendiculară pe direcția câmpului magnetic și a curentului electric. Acest efect manifestat în materialele semiconductoare se numește efect Hall.

Curentul electric ce parcurge materialul semiconductor este influențat de câmpul magnetic. Liniile de flux magnetic exercită o forță asupra electronilor (forță Lorenz). Datorită acestei forțe, electronii sunt deviați către o extremitate a semiconductorului, în funcție de intensitatea și direcția liniilor de câmp. Aceasta deviere de electroni produce o diferență de potențial numită tensiune Hall.

Acest efect este mai pronunțat la materialele semiconductoare cum ar fi: arseniura de galiu (GaAs), antimoniura de indiu (InSb) sau arseniura de inidiu (InAs). La materialele conductoare (metale) efectul Hall este foarte slab deoarece densitatea de electroni este foarte mare iar efectul deviației de către câmpul magnetic este insesizabil.

Fig.26 Efectul Hall [12]

Deoarece macheta este alimentată la 12V în curent continuu, vom folosi senzorul de curent ACS712 (30A).

Fig.27 Senzor pentru măsurat curent Hall 20A, ACS712

Caracteristica senzorului, tensiunea de ieșire în funcție de curent, este liniară (100mV/A)

Fig.28 Caracteristica curentului în funcție de tesiunea de ieșire [13]

Fig.29 Conectare ACS712 la Arduino [14]

5.2.4 VCC<25 (măsurarea tensiunii electrice)

VCC25 nu este un senzor propriu-zis, măsurarea tensiunii se face printr-un divizor rezistiv.

Fig.30 VCC<25

Intrarea analogică de la Arduino este limitată la maxim 5V, raportul de transformare a divizorului este 5:1, folosind rezistoare de 30kΩ și respectiv 7.5kΩ. Deci tensiunea maximă pe care o putem măsura fără să distrugem intrarea microcontrolerului, folosind acest divizor, este de 25V. Trebuie să ținem cont ca nici vârfurile de tensiune să nu depașeasca 25V.

Fig.31 Divizor rezistiv

Fig.32 Conectare VCC<25 Arduino [15].

5.2.5 Debitmetrul (măsurarea debitului de lichid)

Senzorul de debit/volum pentru lichide are la bază un traductor de turație, rotorul se conecteaza mecanic, pe același ax, cu un sistem de palete care se află într-o incintă inchisă. Apa circulă în incinta inchisă antrenând turbina.

Volum de lichid ce trece prin incinta inchisă, este direct proporțional cu mișcarea turbinei, volum se calculează folosind funcția debitmetrului.

Fig.33 Debitmetru Hall desfăcut.

Se folosesc două tipuri de traductoare de turație, tahogenerator (analog), turația este proporțională cu tensiunea electromotoare și folosind sonda Hall (digital).

Față de senzorul de curent ACS712, nu ne interesează să măsuram fluxul exact, ci numărăm variația de flux, care corespunde cu mișcarea rotorului, în funcție de rezoluția mișcării unghiulare, putem avea un puls pe rotație, sau două, patru, etc.

Ventilatoarele folosesc același principiu ptr măsurarea turației

Fig.34 Tipuri de tahogeneratoare Hall [12].

Caracteristicile debitmetrului HZ21WA sunt:

-poate măsura un debit între 1-30 dm3(L)/min

-temperatura agentului lichid să nu depășească 1000C

-tensiunea de alimentare: 3-18V

-presiunea maximă: 1.8MPa

-rezistența dielectricului >100MΩ

Fig.35 Debitmetru HZ21WA.

Fig.36 Diagrama debit în funcție de frecvența [datasheet].

5.3 Comanda circuitelor de forță.

Ieșirile digitale de la Arduino au o tensiune de 5V și un curent maxim de 40 mA, ajunge pentru aprinderea unui LED, dar ptr alte aplicații semnalul trebuie amplificat.

Există mai multe metode:

– tranzistoare (bipolare, MOS-FET)

– optocuploare

– relee.

Optocuplorul sau optoizolator, fotocuplor, sau izolator optic, este o componentă care transferă un semnal electric între două circuite izolate prin utilizarea luminii. Optoizolatoarele împiedică tensiunile înalte să afecteze sistemul care primește semnalul. Optoizolatoarele disponibile comercial, rezistă la tensiuni intrare/ieșire de până la 10kV și la șocuri de tensiune cu viteze de până la 10kV/μs. Un tip comun de optoizolator constă dintr-un LED și un fototranzistor în aceeași capsulă. Optoizolatoarele sunt de obicei utilizate pentru transmiterea semnalelor digitale (discrete, on/off), dar unele tehnici permit utilizarea lor pentru semnale analogice (proporționale).

Fig.37 Optocuplor PC817.

5.3.1 Comanda folosind relee electromecanice

Releul electromecanic este un comutator comandat electric, format dintr-un contact( NO COM NC) și o bobină de acționare. Există multe tipuri de relee: relee electromagnetice, magnetoelectrice, reed, termice, temporizatoare, etc, care se folosesc pentru protecții.

Fig.38 Contacte releu.

Releele pot fi alimentate în curent continuu dar și în alternativ (se folosește o spiră în scurtcircuit ptr defazaj), au un consum mic de curent, au o plajă largă de tensiuni de alimentare (5VDC-400VAC).

Cel mai important avantaj pe care îl au releele este că izolează galvanic partea de forță cu cea de comandă.

Pentru protecția microntrolerului, în momentul declanșării bobinei releului, datorită energiei înmagazinate de bobină, se conectează în paralel cu bobina, o diodă invers polarizată, pentru supresare. Dacă alimentăm în curent alternativ, vom folosi varistori.

În montaj am folosit și optocuplor pentru o protecție mai sigură.

Comanda folosind relee nu ne permite posibilitatea reglării turaței unui ventilator sau pompă, reglarea intensitații unei lămpi de iluminat.

Fig.39 Comanda unui bec la 230V, folosind un releu comandat de Arduino.

5.3.2 Comanda folosind tranzistoare

Comanda folosind tranzistoare ofera posibilitatea reglării tensiunii, modulatia în lățime a pulsului (PWM), dar nu oferă izolare galvanică, acest lucru se poate rezolva folosind un optocuplor, care poate lucra in frecvențe de (5-20kHz).

Pentru comanda pompei și ventilatoarelor vom folosi tranzistoare MOS-FET canal-n, IRF630, VDS=200V,ID=9A, lucrează bine în regim de comutație iar pentru consumatorii mari (heater,chiller), vom folosi un MOS-FET canal-n, IRFZ46N, VDS=55V,ID=53A.

Arduino MEGA dispunde de 15 ieșiri programabile PWM, iar Arduino UNO are 6.

Fig.40 Comanda unui MCC prin PWM, folosind un MOS-FET comandat de Arduino.

5.4. Alimentarea cu energie electrică.

Alimentarea proiectului se face din două surse de curent continuu de 12V/6A, iar consumatorii sunt repartizați în prioritari și neprioritari.

Consumatorii prioritari:

-stabilizatorul de tensiune 7V ptr alimentarea microcontrolerului.

-stabilizatorul de tensiune 5V ptr alimentarea blocului de relee.

-iluminat1 50%.

-ventilatoare evacuare.

Consumatorii neprioritari:

-iluminat2 50%.

-pompă recirculare agent termic.

-electrovane.

-încălzitor.

-răcitor.

Încălzitorul și răcitorul nu pot fi alimentate niciodată împreuna, ele lucrând ori în modul încalzire ori răcire, iar pentru menținerea temperaturii, ambele sunt oprite.

5.4.1. Simulare sursă neîntreruptibilă.

Pentru simularea unui UPS (sursă neîntreruptibilă), vom folosi o sursă care are posibilitatea de a încărca un acumulator de 12V, cu o capacitate de 5Ah/7Ah, iar în cazul deconectării tensiunii de la rețea, consumatorii vor fi alimentați din acumulator. Consumatorii care sunt alimentați de pe sursa cu acumulator în tampon, vor fi cei prioritari.

Fig.41 Sursă de curent cuntinuu și acumulator de 12V.

5.4.2. Stabilizatorele de tensiune.

Un stabilizator de tensiune continuă este un circuit care alimentat de la o sursă continuă ce prezintă variații ale tensiunii, furnizeaza o tensiune de ieșire a cărei variație este mult mai mică, se numește stabilizator de tensiune.

Stabilizatoarele te tensiune pot fi: liniare și de comutație.

În proiect vom folosi doua stabilizatoare liniare de tensiune: LM709 și LM705, 9V și respectiv 5V.

Arduino se poate alimenta de pe USB, unde avem 5V și un curent de 500mA, în cazuri mai rare 1A și de pe Vin, unde putem alimenta de la o sursă de curent continuu din exterior, cu tensiunea de 7-12V. Pentru a nu supraîncălzi stabilizatorul de 5V de pe modul Arduino, vom alimenta cu 9V, folosind un stabilizator liniar de tensiune pozitiva LM709.

Pentru a asigura alimentarea blocului de relee cu 5V, nu putem alimenta din sursa internă a microcontrolerului, deoarece consumatorul este destul de mare, vom folosi un stabilizator liniar de tensiune pozitiva LM705.

Dezavantajul stabilizatoarelor liniare este că necesită radiatoare de dimensiuni mari pentru răcire , deoarece diferența de putere o transformă în caldură. De exemplu avem LM705, alimentat de la o sursă de curent continuu de 12V iar consumatorii cer un curent de 500mA, deci puterea disipată în caldură este Pcăldură=ΔU*I=(12-5)*0.5=3.5W, iar puterea cerută de consumatori este P=5*0.5=2.5W. Pierderile de putere sunt mai mari decât puterea cerută, avem randamente foarte mici, dar calitatea este mai bună și nu produce fenomene de interferență, față de cele în comutație.

Fig.42 Stabilizatoare liniare LM709(9V) și LM705(5V).

5.4.3. Schema monofilară.

Sistemul de alimentare al machetei este în curent continuu la o tensiune de 12V, împărțit în două categori: prioritar și neprioritar. Împărțirea se face folosind două surse de curent continuu, una dintre ele folosind un acumulator în tampon simulând o sursă neîntreruptibilă.

Protecția la scurt-circuit pentru circuitele de receptor se face folosind separatoare cu fuzibil de 5mm, iar pentru protecția surselor vom folosi un disjunctor bipolar cu curba C, de 2A.

Fig.43 Schema monofilară

5.5. Sistemul de climatizare.

Încălzirea și răcirea incintelor se face folosind schimbătoare de căldură și agent termic, care este apă ce circula printr-un sistem de conducte cu circuit închis. Agentul termic este încălzit folosind un schimbător și un heater iar pentru răcire vom folosi un chiller.

Comanda radiatorelor se face folosind electrovane solenoidale, care închid și deschid circuitul agentului termic iar circulația se face de către o pompă de recirculatie.

Fig.44 Schema circuitului închis pentru climatizare.

5.5.1 Schimbătoarele de căldura.

Schimbătoarele de caldură sunt echipamente cu transfer termic, care transmit căldura

de la un mediu la altul. Transmiterea căldurii între cele două medii se poate face printr-un perete solid care le separă sau prin amestecare.

Dacă mediile sunt în contact cu peretele desparțitor pe fețe diferite, căldura trecând prin perete, schimbătorul este de tip recuperativ, iar dacă mediile sunt în contact succesiv cu aceeași față a peretelui, căldura acumulându-se în perete și fiind cedată celuilalt mediu ulterior, schimbătorul este de tip regenerativ.

Transferul de căldura se face conform principiului al doilea al termodinamicii, de la mediul mai cald la cel mai rece.

Fig.45 Schimbător de căldură pentru răcitor.

Fig.46 Schimbător de căldură pentru încălzitor.

5.5.2. Încălzitorul.

Încălzitorul poate fi privit ca o centrală termică pe combustibil solid sau gazos, ea este compusă dintr-un un grup de trei rezistențe ceramice, fiecare rezistor are valoarea de 10Ω si o putere de 20W. Deorece alimentăm cu 12.8V vom avea un curent pe fiecare rezistor de: IR= 12.8/10 = 1.28A ~ 1.3A,

iar puterea electrică consumată este:

PR=(1.3)2*10= 16.9W~17W

curentul maxim pe care îl poate duce un rezistor este:

Imax= = = 1.41 A

tensiunea maximă:

Umax= 1.41*10= 14.1 V

puterea totală consumată și curentul

P= 3*17= 54W; I= 3*1.3= 3.9A ~4A

Pentru a simula diferite trepte, vom comanda încălzitorul prin PWM, în funcție de temperatura agentului termic și diferența între temperatura ambientală și temperatura cerută.

Fig.47 Schimbător de căldură cu rezistențele pentru încălzire.

5.5.3. Răcitorul.

Chiller-ul (Răcitorul) este un răcitor de lichid (agent termic), care elimă căldura din lichid printr-un ciclu de refrigerare prin compresie de vapori sau prin absorție. Acest lichid poate fi apoi circulat printr-un schimbător de căldură pentru răcire. Refrigerarea creează căldură reziduală care trebuie evacuată în mediu, sau folosită în alte procese care necesită încălzire, pentru un randament mai bun.

Vom simula răcitorul folosind un modul termoelectric de răcire TEC1-12705, care folosește efectul Peltier, alimentat la 12V în curent continuu și consumă un curent de 5A.

Efectul Peltier a fost descoperit în anul 1834 și poate fi enunțat:

Un curent electric ce străbate punctul de contact a două fire sudate, cauzează apariția unei diferențe de temperatură între cele două puncte sudate.

Efectul Peltier poate fi interpretat inversul efectului Seebeck, care este efectul termocuplului, care produce tensiune electromotoare.

Fig.48 Schimbător de căldură cu TEC1-12705 montat.

Pentru a evacua căldura trebuie să folosim in radiator răcit forțat, iar pe fața cealaltă a modului trebuie să folosim un schimbător de căldură pentru răcirea agentului termic.

5.5.4. Pompa de recirculare.

Pompa de recirculare este folosită pentru mișcarea agentului termic în circuitul termic, de la sursa de încălzire până la radiatoare, care asigură transferul termic cu mediul ambiant.

Vom folosi o pompă cu palete antrenată de un motor brushless DC (motor sincron cu magneți permanenți cu invertorul în carcasă) alimentat de la o sursă de curent continuu de 12V.

Comanda pompei se face prin PWM (minim 40%), în funcție de temperatură.

Fig.49 Pompă de recirculare la 12V.

5.5.5. Electrovane.

Electrovanele sau valvele cu acționare electromagnetică, se mai numesc și valve cu solenoid, sunt valve manuale care sunt comandate electric prin comanda dată de o bobină electromgnetică.

Aceste valve au două stări, nu există poziții intermediare:

– blocată, atunci când bobina nu este alimentată, deci nu există circulație de agent termic.

– deschisă, atunci când bobina este alimentată și există circulație.

Pentru protecție se montează o diodă rapidă 1N4148 in paralel cu bobina și invers polarizată.

Fig.50 Electrovană solenoidală comandată la 12V.

5.5.6. Ventilația.

Ventilația machetei este asigurată de ventilatoare axiale, cu clapete antiretur. Turația ventilatoarelor se face cu comanda unui MOS-FET, IRF630, prin modulația in lățime a pulsului, PWM , având un prag minim de 30% pentru siguranța in funcționare.

Factorul de umplere este scris pe 8 biți, 0-255, deci valoarea factorului de umplere minim este calculată: val= 0.3*255= 76.5 ~77.

Datorită importanței ventilației, ventilatoarele sunt consumatore prioritare.

Fig.51 Ventilator axial alimentat la 12V.

5.6. Sistemul de iluminat.

Iluminatul este împărțit în doua circuite ptr fiecare încăpere, fiecare circuit reprezintă jumătate din numarul de lămpi și este alimentată de pe circuitul prioritar iar celălalt de pe neprioritar.

În cazul lipsei tensiunii de pe rețeaua principală, există 50% din numărul de lămpi alimentate de pe alimentarea de rezervă, acumulator.

Fig.52 Bandă LED-uri.

Comanda iluminatului se face printr-un bloc de relee, care asigură și separarea cu partea de forță.

Lămpile vor fi module de benzi cu LED-uri, alimentate la 12V.

Fig.53 Bloc de relee

6. SCADA

Fig.54 Interfață de comunicare

6.1. SCADA folosind Labview si Arduino.

Sistemul poate lucra in două moduri:

manual, atunci când noi comandăm pompa, electrovanele, încălzitorul, răcitorul și circuitele de iluminat în funcție de temperaturiile sau gradul de iluminare.

automat, atunci când noi selectam modul de lucru, încălzire sau răcire și îi impunem temperaturi de referință pentru ficare încapere și gradul de iluminare.

Protecții folosite:

interblocajul între încălzire și răcire

pompa nu foate fi pornită, dacă cel puțin una din electrovane nu este acționată.

încălzitorul când atinge temperatura maximă se oprește, dar pompa de recirculare funcționează.

radiatorul pentru evacuarea căldurii de la răcitor are protecție la temperatură maximă.

avertizare la lipsa tensiunii de rețea (230VAC) și la disjunctor declanșat.

Fig.54 Temperaturiile din încăperi, temperaturiile de referință și modul automat.

Fig.55 Toate temperaturile din sistem.

Fig.56 Electrovanele, ventilatoarele, pompa, încălzitor, răcitor.

Fig.57 Modul de lucru automat pentru iluminat, iluminat de referință.

Fig.58 Panou pentru comanda iluminatului.

Fig.59 Voltmetre, ampermetru și avertizare lipsă tensiune rețea și disjunctor declanșat

Fig.60 Masurarea temperaturilor (Labview).

Fig.61 Masurarea tensiunilor și curentului electric (Labview).

Fig. 62 Comanda iluminatului manulă și automată (Labview).

Fig. 63 Diagramă Putere Absorbită.

Fig. 64 Comanda climatizării manulă și automată (Labview).

Fig. 65 Comanda manulă a ventilatoarelor (Labview).

6.2. Programare Arduino pentru standalone.

#include <Wire.h>

int mVperAmp = 100;

unsigned int Raw1,Raw1m,Raw3,Raw4 = 0;

double Vin1,Vout1,Vin2,Vout2,ilV1,ilV2,ilVExt = 0;

int ACSoffset = 2485;

double Volt1 = 0;

double Amp1= 0;

int Vref1,Vref2,Vref3,ilref1,ilref2,ilrefExt;

boolean INCALZIRE,RACIRE,AUT_IL=0;

volatile int NbTopsFan; //masoara variatia semnalului

int Calc;

int pwm1,pwm2,C1I,C2I,C3I,C1R,C2R,C3R;

int hallsensor = 2; //debitmetru

int heater=6; //heater

int chiller=7; //chiller

int pompa=8; //pompa recirculare

int ventC1=5; //ventilator C1

int ventC2=3; //ventilator C2

int ventC3=4; //ventilator C3

int valvC1=24; //electrovana C1

int valvC2=22; //electrovana C2

int valvC3=23; //electrovana C3

int mcb=34; //contact auxiliar MCB

int rel=35; //contact releu prezenta tensiune

int ilumC1N=48; //ilum C1 normal

int ilumC2N=50; //ilum C2 normal

int ilumC3N=52; //ilum C3 normal

int ilumExtN=46; //ilum exterior normal

int ilumC1U=49; //ilum C1 ups

int ilumC2U=51; //ilum C2 ups

int ilumC3U=53; //ilum C3 ups

int ilumExtU=47; //ilum exterior ups

int ldr1 = A0; //LDR C1

int ldr2 = A1; //LDR C2

int ldrExt=A2; //LDR exterior

int t1 = A3; // temperatura retur

int t2 = A4; // temperatura radiator heater

int t3 = A5; // temperatura tur

int t4 = A6; // temperatura C3

int t5 = A7; // temperatura C1

int t6 = A8; // temperatura C2

int t7 = A9; // temperatura radiator chiller

int t8 = A10;// temperatura chiller

int t9 = A11;// temperatura exterior

const int ACS_N = A12; //curent normal

const int ACS_UPS = A13; //curent UPS

int V_N=A14;

int V_UPS=A15;

float temp1,temp2,temp3,temp4,temp5,temp6,temp7,temp8;

float mT1,mT2,mT3,mT4,mT5,mT6,mT7,mT8;

void rpm () //functia care masoara turatia

{

NbTopsFan++; //variatia

}

void setup()

{

pinMode(hallsensor, INPUT);

attachInterrupt(0, rpm, RISING); //intrerupere

pinMode(pompa, OUTPUT);

digitalWrite(pompa, LOW);

pinMode(heater, OUTPUT);

digitalWrite(heater, LOW);

pinMode(chiller, OUTPUT);

digitalWrite(chiller, LOW);

pinMode(ventC1, OUTPUT);

digitalWrite(ventC1, LOW);

pinMode(ventC2, OUTPUT);

digitalWrite(ventC2, LOW);

pinMode(ventC3, OUTPUT);

digitalWrite(ventC3, LOW);

pinMode(valvC1, OUTPUT);

digitalWrite(valvC1, LOW);

pinMode(valvC2, OUTPUT);

digitalWrite(valvC2, LOW);

pinMode(valvC3, OUTPUT);

digitalWrite(valvC3, LOW);

pinMode(mcb, INPUT);

pinMode(rel, INPUT);

pinMode(ilumC1N, OUTPUT);

digitalWrite(ilumC1N, HIGH);

pinMode(ilumC2N, OUTPUT);

digitalWrite(ilumC2N, HIGH);

pinMode(ilumC3N, OUTPUT);

digitalWrite(ilumC3N, HIGH);

pinMode(ilumExtN, OUTPUT);

digitalWrite(ilumExtN, HIGH);

pinMode(ilumC1U, OUTPUT);

digitalWrite(ilumC1U, HIGH);

pinMode(ilumC2U, OUTPUT);

digitalWrite(ilumC2U, HIGH);

pinMode(ilumC3U, OUTPUT);

digitalWrite(ilumC3U, HIGH);

pinMode(ilumExtU, OUTPUT);

digitalWrite(ilumExtU, HIGH);

Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

{

ilV1=(analogRead((ldr1*5)/1024.0));

ilV2=(analogRead((ldr1*5)/1024.0));

ilVExt=(analogRead((ldrExt*5)/1024.0));

mT1 = analogRead(t1);

mT2 = analogRead(t2);

mT3= analogRead(t3);

mT4= analogRead(t4);

mT5= analogRead(t5);

mT6= analogRead(t6);

mT7= analogRead(t7);

mT8= analogRead(t8);

temp1=((mT1*500)/1024.0);

temp2=((mT2*500)/1024.0);

temp3=((mT3*500)/1024.0);

temp4=((mT4*500)/1024.0);

temp5=((mT5*500)/1024.0);

temp6=((mT6*500)/1024.0);

temp7=((mT7*500)/1024.0);

temp8=((mT8*500)/1024.0);

NbTopsFan = 0;

sei();

delay (1000);

cli();

Calc = (NbTopsFan * 100 / 7.5);

Raw1 = analogRead(ACS_N);

{

Raw1m=0;

for (int x = 0; x < 50; x++)

{

Raw1m=Raw1m+Raw1;

}

Raw1=Raw1m/50;

}

Volt1 = (Raw1 / 1024.0) * 5030; // mV

Amp1 = ((Volt1 – ACSoffset) / mVperAmp);

Raw3=analogRead(V_N);

Vout1=(Raw3*5.03)/1024.0;

Vin1=Vout1/(7.5/(7.5+30));

Raw4=analogRead(V_UPS);

Vout2=(Raw4*5.03)/1024.0;

Vin2=Vout2/(7.5/(7.5+30));

}

{

Vref1=0; //test

Vref2=35; //test

INCALZIRE=1; //test

RACIRE=0; //test

if (Vref1>temp6) // calcul pwm incalzire

{

C1I=1;

}

else

{

C1I=0;

}

if (Vref2>temp6)

{

C2I=1;

}

else

{

C2I=0;

}

if (Vref3>temp4)

{

C3I=1;

}

else

{

C3I=0;

}

if (temp2>45) // protectie supraincingere radiator heater

{

pwm1=0;

}

else

{

pwm1=((50*C1I)+(50*C2I)+(50*C3I));

}

if (temp7>45) // protectie supraincingere radiator chiller

{

pwm2=0;

}

else

{

pwm2=255;

}

if ((INCALZIRE == 1)&&(Vref1>temp6)) //mod incalzire

{

digitalWrite(valvC1, HIGH);

delay(1500);

digitalWrite(pompa, HIGH);

analogWrite(heater,pwm1);

}

else

{

digitalWrite(valvC1, LOW);

}

if ((INCALZIRE == 1)&&(Vref2>temp6))

{

digitalWrite(valvC2, HIGH);

delay(1500);

digitalWrite(pompa, HIGH);

analogWrite(heater,pwm1);

}

else

{

digitalWrite(valvC2, LOW);

}

if ((INCALZIRE == 1)&&(Vref3>temp4))

{

digitalWrite(valvC3, HIGH);

delay(1500);

digitalWrite(pompa, HIGH);

analogWrite(heater,pwm1);

}

else

{

digitalWrite(valvC3, LOW);

}

if ((RACIRE == 1)&&(Vref1<temp6)) //mod racire

{

digitalWrite(valvC1, HIGH);

delay(1500);

digitalWrite(pompa, HIGH);

analogWrite(chiller,pwm2);

}

else

{

digitalWrite(valvC1, LOW);

}

if ((RACIRE == 1)&&(Vref2<temp6))

{

digitalWrite(valvC2, HIGH);

delay(1500);

digitalWrite(pompa, HIGH);

analogWrite(chiller,pwm2);

}

else

{

digitalWrite(valvC2, LOW);

}

if ((RACIRE == 1)&&(Vref3<temp4))

{

digitalWrite(valvC3, HIGH);

delay(1500);

digitalWrite(pompa, HIGH);

analogWrite(chiller,pwm2);

}

else

{

digitalWrite(valvC3, LOW);

}

if ((INCALZIRE==1)&&(RACIRE==1)) //interblocaj

{

pwm1=0;

pwm2=0;

}

ilref1=50;

AUT_IL =1;

if ((AUT_IL == 1)&&(ilref1>=50)) //iluminat C1

{

digitalWrite(ilumC1U, LOW);

digitalWrite(ilumC1N, HIGH);

delay(500);

}

else

{

digitalWrite(ilumC1N, LOW);

}

if ((AUT_IL == 1)&&(ilref2>=50)) //iluminat C2,C3

{

digitalWrite(ilumC2U, LOW);

digitalWrite(ilumC2N, HIGH);

digitalWrite(ilumC3U, LOW);

digitalWrite(ilumC3N, HIGH);

delay(500);

}

else

{

digitalWrite(ilumC2U, LOW);

digitalWrite(ilumC3U, LOW);

}

if ((AUT_IL == 1)&&(ilrefExt>=50)) //iluminat exterior

{

digitalWrite(ilumExtU, LOW);

digitalWrite(ilumExtN, HIGH);

delay(500);

}

else

{

digitalWrite(ilumExtU, LOW);

}

Serial.print (Calc);

Serial.println (" dL/min");

Serial.println(ilV1);

Serial.println(analogRead(ldr2));

Serial.println(temp1);

Serial.println(temp2);

Serial.println(temp3);

Serial.println(temp4);

Serial.println(temp5);

Serial.println(temp6);

Serial.println(temp2);

Serial.println(temp8);

Serial.println(Amp1);

Serial.println(Vin1);

Serial.println(Vin2);

Serial.println(pwm1);

}

}

7. Concluzii.

– Partea automată și manuală funcționează corespunzător.

– Sistemul are informație despre funcționarea unui actuator,incalzitor,etc din comandă, deci există un martor pentru funcționare fizică.

– Fotorezistoarele nu sunt cele mai bune soluții în cazul unei măsurări precise a intensități lumioase.

– Brushless DC, care sunt motoare sincrone cu magnet permanent cu invertorul încorporat în carcasă și alimentate în curent continuu, nu sunt pentru controlul turației folosind PWM.

– Senzorul de curent, ACS712, cu efect Hall are eroare mare la curenți mici.

– Inerție termică mare.

Datasheets

Bibliografie

http://www.enviregional.com/solutions-details/bms [1]

http://roelectricianulautorizat.blogspot.ro/2015/01/pornirea-intr-un-singur-sens-motorului.html [2]

http://s.hswstatic.com/gif/power-lock-actuator2.jpg [3]

http://www.scientia.ro/tehnologie/cum-functioneaza-lucrurile/355-cum-functioneaza-becul-cu-incandescenta.html [5]

http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/LAMPI-ELECTRICE-PENTRU-ILUMINA54646.php [6]

http://www.tehnium-azi.ro/page/articole_articles/_/articles/notiuni-teoretice-din-electronica/led-uri-si-montaje-cu-led-uri-r39 [7]

http://www.e-energetice.ro/generator-de-curent-grup-electrogen-aksa-ad600.html[8]

https://arduino-info.wikispaces.com/MegaQuickRef [9]

http://cursuri.flexform.ro/courses/L2/document/ClujNapoca/grupa1/Aranyi_Iulia/site/fotorezistenta.html [10]

https://www.theautomationstore.com/what-is-a-ct-current-transformer-or-current-transducer [11]

http://www.e-automobile.ro/categorie-electronica/106-senzor-hall.html [12]

http://www.allegromicro.com/en/Products/Current-Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-Amp-Integrated-Conductor-Sensor-ICs/ACS712/ACS712-ACS713-Frequently-Asked-Questions.aspx [13]

http://henrysbench.capnfatz.com/henrys-bench/arduino-current-measurements/acs712-current-sensor-user-manual [14]

http://henrysbench.capnfatz.com/henrys-bench/arduino-voltage-measurements/arduino-25v-voltage-sensor-module-user-manual/ [15]

https://program-plc.blogspot.ro/2015/05/communication-between-scada-and-arduino.html*

http://www.swduino.com/

http://users.utcluj.ro/~rdanescu/pmp-c05.pdf

http://users.utcluj.ro/~rdanescu/pmp_c03.pdf

OPC Server for Arduino

https://ro.wikipedia.org/wiki/Senzor

http://www.scrigroup.com/tehnologie/electronica-electricitate/CORPURI-DE-ILUMINAT83118.php

arduino wikipedia

http://cursuri.flexform.ro/courses/L2/document/ClujNapoca/grupa6/Bagoly_Martin/site/traductori.html

http://aut.unitbv.ro/aut/electronica/cel/curs/SCELstabilizatoare.pdf

labview books and tutorials

arduino tutorials

datasheets