SISTEM INFORMATIC DESTINAT MONITORIZĂRII ȘI SUPRAVEGHERII PROCESELOR MULTISENZORIALE [311515]

UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA DE AUTOMATICĂ ȘI CALCULATOARE

PROIECT DE DIPLOMĂ

SISTEM INFORMATIC DESTINAT MONITORIZĂRII ȘI SUPRAVEGHERII PROCESELOR MULTISENZORIALE

ÎNDRUMĂTOR:

Prof. Dr. Ing. VALENTIN SGÂRCIU

ABSOLVENT: [anonimizat] 1

Elementele unei bucle de control 5

Senzorii ca elemente esentiale ale proceselor multisenzoriale 4

Ce sunt senzorii? 8

Definiții pentru senzori și biosenzori 8

Categorii de senzori 13

Echipamente și tehnologii de comunicație folosite 23

RS-232 23

Modemul HART (USB-HART) 25

Termorezistența 26

Sursa de tensiune stabilizată 29

Transmițătorul universal HART 31

Baia Termostata (Tecal 425F) 32

Calculatorul de comandă 33

Schema de principiu a aplicației 4

Protocolul de comunicație HART 4

Principiul de funcționare 4

Aplicația PACTware MATLAB pentru realizarea măsurătorilor și determinarea procesului și a regulatorului 4

Aplicația PACTware 4

Aplicația MATLAB 4

Aplicația LabView 4

Concluzii 4

Lista de figuri

Figura 1.1. Sistem de reglare automată (SRA) 1

Figura 1.3. Controlul continuu pentru amestecarea lichidelor 4

Figura 1.4. Bloc diagramă a elementelor care alcătuiesc calea de feedback într-o buclă de control a procesului 4

Figura 1.5. Defalcarea elementelor de măsură și control 4

Figura 1.6. Termocuplul. Reprezentare principială. Conectare în circuitul de măsurare a temperaturii 4

Figura 1.7. [anonimizat] 4

Figura 1.8. RS232 4

Figura 1.9. Modem HART 4

Figura 1.10. Senzori temperatură de tip termorezistență 4

Figura 1.11. Punte redresoare 4

Figura 1.12. Sursă de tensiune stabilizată 4

Figura 1.13. Siemens SITRANS TH300 4

Figura 1.14. Placa transmițătoare de temperatură HART 4

Figura 1.15. Dispozitiv termic de tip TECAL 4

1.Introducere

Automatica este stiinta care se ocupa cu studiul conducerii proceselor industriale si a relatiilor intre marimile acestora. Dupa cum spunea domnul profesor Dumitrache in « [anonimizat] 1 », « succesul sau insuccesul unui proiect de automatizare a proceselor industriale depinde in esenta de doi factori :

a) gradul de intelegere si de cunoastere a modurilor de functionare a procesului condus si b) capacitatea de manipulare a conceptelor specifice teoriei sistemelor, a reprezentarii formale a semnalelor si a principiilor reglarii (conducerii) ».

Sistemele de reglare automata (SRA) [anonimizat] o [anonimizat]. Structura unui sistem de reglare automata arata ca mai jos :

Figura 1.1. Sistem de reglare automata (SRA)

SRA functioneaza astfel : se impune o referinta, care se doreste sa fie urmarita de marimea de iesire (reglata) , pe baza erorii (diferenta intre iesirea procesului si referinta impusa), [anonimizat]. [anonimizat], incercandu-[anonimizat], [anonimizat] a instalatiei.

2. Elementele unei bucle de control

Procesul este o operatie prin care o serie de iesiri sunt controlate printr-o serie de intrari, care pot fi de mai multe tipuri : fizice, chimice, electrice etc. Măsurarea este determinarea amplitudinii fizice a aparameter dintr-un material, valoarea de măsurare trebuie să fie coerente și repetabile.

Senzorii sunt utilizati în mod obișnuit pentru măsurarea parametrilor fizici. Un traductor este dispozitiv care poate converti parametrul fizic în mod repetat și fiabil într-o formă care poate fi folosită sau înțeleasă.

Exemplele includ temperatura de conversie, presiune, forță sau curg într-un semnal electric, mișcare măsurabilă sau o citire gauge.

În figura 1.3, senzorul pentru măsurarea debitelor este o celulă DP. Detectarea erorii este determinarea diferenței dintre amplitudinea variabilei măsurate și un punct de referință set dorit. Orice diferență între cele două este un semnal de eroare, care este amplificat și condiționat pentru a conduce un element de control. Controlerul uneori efectuează detectarea, în timp ce punctul de referință este stocată în mod normal, în memoria controlerului.

Controler-ul este un sistem bazat pe un microprocesor care poate determina pasul următor să fie luate într-un proces secvențial, sau evaluează semnalul de eroare în control continuu proces pentru a stabili ce măsuri trebuie luate. Controlerul poate condiționa în mod normal, semnalul, cum ar fi corectarea semnalului pentru efectele temperaturii sau neliniaritate în senzor.

Figura 1.3 continuous control for liquid mixing

Regulatorul are, de asemenea, parametrii elementului de control de intrare de proces, precum și condițiile de semnul erorii pentru a conduce elementul final.

Controlerul poate monitoriza mai multe semnale de intrare, care sunt uneori legate între ele, și pot conduce mai multe elemente de control simultan. Controlerele sunt în mod normal se face referire la controlerele logice programabile ca (PLC) . Aceste dispozitive utilizează rețele scară pentru programarea funcțiilor de control.

Figura 1.4 block diagram of the elements that make up the feedback path in a process control loop.

Elementul de control este dispozitivul care controlează materialul care intră în proces (ventilul din figura 1.3).

Elementul este în mod tipic un element de control al fluxului, și poate avea o caracteristica On / Off sau poate asigura un control de linie cu acționare.

elementul de comandă este utilizat pentru a regla intrarea în proces, aducând variabila de ieșire la valoarea punctului stabilit.

(Controlul) și (Elementele de măsurare) în diagrama din figura 1.4 sunt peste simplificate și sunt defalcate în Figure1.5.

(Elementul de măsurare) constă dintr-un

-senzor pentru a măsura proprietățile fizice ale unei variabile,

-un traductor pentru a converti semnalul senzorului într-un semnal electric, și

-un transmițător pentru a amplifica semnalul electric, astfel încât să poată fi transmise fără pierderi.

(Elementul de control) are un dispozitiv de acționare, care se schimbă semnalul electric de la controler într-un semnal pentru a opera supapei, și o supapă de control. În bucla de feedback, controlerul de memorie are și un circuit de însumare pentru a compara punctul setat la semnalul detectat, astfel încât acesta poate genera un semnal de eroare. Regulatorul folosește apoi semnalul de eroare pentru a genera un semnal de corecție pentru a controla valva prin servomotor și variabila de intrare.

Figura 1.5 breakdown of measuring and control elements

3. Senzorii ca elemente esentiale ale proceselor multisenzoriale

3.1. Ce sunt senzorii ?

Avem multe example ,cum ar fi nasul, limba, urechile, ochii și degetele noastre. Ele reprezintă principalele tipuri de senzori. În laborator, unul dintre cele mai cunoscute tipuri de senzori este hârtia de turnesol pentru acizi și baze, care oferă o indicație calitativă, prin intermediul unei reacții de culoare, asupra prezenței sau absenței unui acid.

O metodă mai precisă, care indică gradul de aciditate este măsurarea pH-ului, fie prin utilizarea mai extinsă a reacțiilor coloristice în soluții speciale indicatoare, sau chiar prin lucrări simple de pH.

Cu toate acestea, cea mai bună metodă de măsurare a acidității este utilizarea pH-metrului, care este un dispozitiv electrochimic ce dă un răspuns electric care poate fi citit de un ac indicator ce se deplasează pe o scară gradată, sau pe un dispozitiv digital de citire sau de intrare la un microprocesor.

În astfel de metode, senzorul care răspunde la gradul de aciditate este fie un produs chimic – turnesolul colorant sau un amestec mai complex de coloranți chimici în soluții indicatoare de pH – sau electrodul membrană de sticlă din cadrul pH-metrului.

Putem împărți senzori în mai multe tipuri, cum ar fi: (a) senzori fizici (masă, temperatură, presiune, etc), (b) senzori chimici care măsoară substanțele chimice, prin reacțiile chimice sau fizice, (c) biosenzorii care măsoară substanțele chimice prin utilizarea unui element sensibil biologic etc. Toate aceste dispozitive trebuie să fie conectate la un traductor de un anumit fel, astfel încât are loc o reacție vizibil observabilă.

Senzorii chimici și biosenzorii sunt în general preocupați de detectarea și măsurarea substanțelor chimice specifice, care pot sau nu pot fi ei înșiși biologic. Ne vom referi, de obicei, la un astfel de material ca substrat, deși analitul este folosit uneori ca termen mai general.

Termocuplul

Un termocuplu este un senzor folosit pentru măsurarea temperaturii. Termocuplurile sunt formate din două fire de diferite metale. firele sunt sudate împreună la un capăt, creând o joncțiune. Această joncțiune este locul unde temperatura este măsurată.
Când joncțiunea are o schimbare de temperatură, se creează o tensiune.
Tensiunea poate fi apoi interpretată folosind tabelele de referință ale termocuplurilor pentru a calcula temperatura.

Există multe tipuri de termocupluri, fiecare având propriile caracteristici unice în ceea ce privește domeniul de temperatură, durabilitatea, rezistența la vibrații, rezistența chimică și compatibilitatea aplicațiilor.

Tipurile J, K, T, & E sunt termocuplurile "Base Metal", cele mai comune tipuri de

termocupluri.
Tipurile de termocupluri R, S și B sunt termocupluri "Noble Metal", care sunt utilizate în aplicații cu temperatură înaltă

-Interval specific de temperatură:

Type K Thermocouple Thermocouple grade wire, –454 to 2,300F (–270 to 1260C)

Extension wire, 32 to 392F (0 to 200C)

Tip J Termocuplu
Sondă termocuplă, -346 până la 1400F (-210 până la -760C)
Sârmă de extensie, de la 32 la 392 ° F (0 până la 200 ° C)

Termocuplu de tip T
Sondă termocuplă, între -454 și 700F (-270 până la 370C)
Sârmă de extensie, de la 32 la 392 ° F (0 până la 200 ° C)

Termocuplu de tip E
Sondă termocuplă, între -454 și 1600F (-270 până la 870C)
Sârmă de extensie, de la 32 la 392 ° F (0 până la 200 ° C)

Tip N Termocuplu
Sondă termocuplă, -454 până la 2300F (-270 până la 392 ° C)
Sârmă de extensie, de la 32 la 392 ° F (0 până la 200 ° C)

Tipul S termocuplu
Sondă termocuplă, -58 până la 2700F (-50 până la 1480C)
Sârmă de extensie, de la 32 la 392 ° F (0 până la 200 ° C)

Termocuplu de tip R
Sondă termocuplă, -58 până la 2700F (-50 până la 1480C)
Sârmă de extensie, de la 32 la 392 ° F (0 până la 200 ° C)

Termocuplu de tip B
Sondă termocuplă, de la 32 până la 3100F (0 până la 1700C)
Sârmă de extensie, de la 32 la 212 ° F (0 până la 100 ° C)

Termocuplurile sunt utilizate în multe aplicații industriale, științifice și OEM.
Acestea se regăsesc în aproape toate piețele industriale: generarea de energie electrică, petrol / gaz, farmaceutică, bioTech.

Termocuplurile sunt de asemenea utilizate în aparatele de zi cu zi cum ar fi sobe, cuptoare și prăjitoare de pâine.

Termocuplurile sunt selectate din cauza limitelor lor de cost scăzut, de temperatură ridicată.

3.2.Definiții pentru senzori și biosenzori

Uneori există diferențe de utilizare pentru termeni de senzori, traductoare, biosenzori și elemente de acționare. Vom folosi senzorul pentru a descrie întregul dispozitiv, după definiția din Oxford English Dictionary, adică un senzor este un dispozitiv care detectează sau măsoară o proprietate fizică și înregistrează, indică sau răspunde în caz contrar la aceasta.

Vom defini un traductor ca un dispozitiv care transformă o modificare observată (chimică sau fizică) într-un semnal măsurabil. În senzorii chimici, acesta din urmă este, de obicei, un semnal electronic, a cărui mărime este proporțională cu concentrația unei substanțe chimice specifice sau un set de produse chimice. Termenul de actuator, adică a pune în acțiune, este uneori întâlnit. Acesta este partea dispozitivului care produce afișarea.

Un senzor chimic este definit în cartea R. W. Catterall ca un dispozitiv care răspunde la un anumit analit într-un mod selectiv printr-o reacție chimică și poate fi utilizată pentru determinarea calitativă sau cantitativă a analitului. Un astfel de senzor se referă la detectarea și măsurarea unei substanțe chimice specifice sau pentru un set de produse chimice.

Biosenzorii sunt într-adevăr un subset de senzori chimici, dar sunt adesea tratați ca un subiect de sine stătător. Un biosenzor poate fi definit ca un dispozitiv care încorporează un element sensibil biologic conectat la un traductor. Analizând, rezultă că acest senzor detectează și măsurările care pot fi pur chimice (chiar anorganice), cu toate că componentele biologice poate fi analitul țintă. Diferența esențială este aceea că elementul de recunoaștere biologică este în natură.

3.3.Categorii de senzori

Un senzor (Sau Traductor de intrare) este folosit pentru a converti informații din domeniul fizic în domeniul electric . Există diferite posibilități pentru a clasifica senzorii, cum ar fi :

– în raport cu măsurandul

– în raport cu domeniile de aplicare

– conform unui model de porturi

– în conformitate cu principiul conversiei

– conform domeniului energetic al măsurandului

– în funcție de considerente termodinamice.

Clasificarea bazată pe măsuratori și domeniul de aplicare

Multe cărți despre senzori folosesc aceasta clasificare pentru ca proiectantul care este interesat de o anumită cantitate ce urmează să fie măsurată, poate găsi rapid o trecere în revistă a metodelor pentru această mărime.

Proiectantul mai experimentat poate consulta, de asemenea, cărți care se ocupă doar cu o mărime măsurată (de exemplu, temperatura sau debitul de lichid).

3.3.2 Clasificarea bazată pe modele de porturi

Clasificarea bazată pe modele de porturi este necesitatea de energie auxiliară ca in (figura).

-senzori direcți sau senzori cu auto-generare sunt Senzorii care nu necesită energie auxiliară pentru funcționarea lor.

-senzori cu modulare sau senzori cu interogare sunt Senzorii care utilizează o sursă de energie suplimentară pentru funcționarea lor.

-Senzorii direcți nu necesită energie suplimentară pentru conversie. Deoarece un senzor direct folosește energia de ieșire direct de la obiectul de măsurat. Un avantaj important al unui senzor direct este compensarea offset-ului la intrare zero, ieșirea este în esență zero. Exemple de senzori direcți sunt senzorii piezoelectrici de accelerație și termocuplul

– Senzorii cu modulare sau interogare folosesc o sursă de energie suplimentară, care este modulată de măsurand; energia de ieșire a senzorului provine în principal din această sursă auxiliară și doar o fracțiune din energie este obținută de la obiectul măsurării. Termenii cu modulare și cu interogare se referă la faptul că măsurandul afectează o proprietate specifică de material care, la rândul ei, este interogată de o cantitate auxiliară.

-Clasificarea bazată pe principii de conversie

Clasificarea în conformitate cu principiile de conversie este adesea folosită pentru motivul că performanța senzorului este determinată în principal de fizica care stă la baza principiului de funcționare.

un anumit tip de senzor poate fi potrivit pentru o varietate de mărimi fizice și în multe aplicații diferite. De exemplu, un senzor magnetic de un anumit tip poate fi aplicat ca senzor de deplasare, ca senzor de viteză, ca senzor tactil și așa mai departe.

-Clasificarea conform domeniului energetic

Se implică o serie de aspecte pentru reprezentarea sistematică a efectelor senzorilor bazate pe domenii energetice. În primul rând, domeniul de energie trebuie sa fie definit.

În al doilea rând, trebuie sa fie alocate atât la intrarea cât și la ieșirea senzorului.

În cele din urmă, deoarece mulți senzori sunt de tip cu modulare, ar trebui, de asemenea, să fie luate în considerare domeniul cantității auxiliare.

Criteriile pentru alegerea unui senzor sunt variate. Dintre acestea, voi mentiona in cele ce urmeaza:

Tipul masurarii – parametrul care se doreste a fi masurat (de ex, temperatura si presiunea)

Consumul de putere – puterea consumata de senzor va juca un rol insemnat in puterea totala consumata de sistemul de automatizare

Precizia – precizia de masurare a unui senzor este un factor cheie in alegerea senzorului potrivit

Conditiile de mediu – conditiile in care senzorul va fi utilizat va fi un factor in alegerea calitatii unui senzor

Costul – costul senzorului depinde de aplicatie ; poate fi ieftin sau scump

Rezolutie si domeniul de masura – cea mai mica valoare care este masurata si limita de masurare sunt importante in alegerea unui senzor

Calibrarea si repetabilitatea – schimbarea cu timpul a valorilor si abilitatea de a repetea masuratorile in conditii similare

In continuare, voi prezenta cerintele de baza ale senzorilor, de care automatistul trebuie sa tina seama in alegerea lor :

Domeniul de masura – indica limitele intre care se masoara o marime fizica. De exemplu, termocuplul are un domeniu de masura intre 25 – 2500C

Precizia – este gradul de exactitate intre valoarea masurata si valoarea reala

Senzitivitatea – este o relatie intre semnalul de intrare fizic si semnalul de iesire electric calibrat

Stabilitatea – abilitatea senzorului de a produce aceeasi iesire pentru diferite aplicatii cu aceeasi valoare de intrare

Timpul de raspuns – viteza de modificare a iesirii intr-o modificare treapta a intrarii

Linearitate – este o indicatie a deviatiei curbei masurarii actuale fata de cea a masurarii reale

4.Proiectarea sistemelor pentru reglarea automată a temperaturii

În condițiile reglării temperaturii constanta de întârziere a elementului de execuție este semnificativă, iar constanta de întârziere a traductorului de măsură nu se neglijează față de întârzierea procesului.

Rezultă pentru proiectare formă:

În multe aplicații din practică, constantele de întârziere din sunt de valori relativ mari (procesele cu transfer termic sunt lente) și de aceea în algoritmul de reglare se impune un efect anticipativ, adică o componentă derivativă, deci recomandarea unui algortim PID. Ca tehnică de proiectare se alege metoda alocării polilor pentru un sistem de ordin 2 în circuit închis, adică se dorește funcția de transfer:

Cu parametrii care definesc performanțele dinamice ale sistemului. Pentru sistemul în circuit deschis avem:

Se consideră o lege de reglare PID cu factor de interinfluenta q=1, care permite factorizarea:

Respectând condiția >>, se face alegerea :

Și se obține pentru sistemul fizic în circuit deschis:

Din identificarea relației (1.20) cu (1.23) rezultă relația de calcul pentru factorul de amplificare și avem:

Sau

Condiția de acceptare a relației (1.25) este acoperirea performanței timpului de răspuns cu rezultate din suprareglajul impus și din relația:

Pentru ușurința calculului a fost propusă reprezentarea factorizată (cu q=1) a algoritmului PID. Cum adesea regulatorul fizic are o funcție de transfer cu factor de interinfluenta q=2, cu reprezentarea:

Valorile calculate pentru parametrii optimi trebuie să fie corectate.Se încearcă astfel o identificare între parametrii algoritmului PID cu q=1 și cei ai algortimului PID cu q=2. Din (1.21) și (1.27) rezultă:

Se introduc notațiile

Unde prin se notează factorul de corecție:

Relația (1.32) se exprimă astfel:

Sau:

Pentru soluții , este necesar:

Și echivalent se obține inegalitatea:

Această inegalitate impune condiția:

Se poate calcula factorul de corecție din (1.35):

Se obțin parametrii optimi corectați pentru algortimul implementat:

Mărimea de corecție poate lua doar 2 valori din (1.38), dar se reține aceea pentru care .

5.Echipamente si tehnologii de comunicatie folosite

2.1. RS-232

RS-232 este un standard pentru transmiterea de comunicație serială a datelor. Acesta definește în mod formal semnalele de legătură între un DTE (echipament terminal de date), cum ar fi un terminal de calculator și un DCE (echipamente de comunicații de date sau echipament de închidere a circuitului de date), cum ar fi un modem.

Standardul RS-232 este frecvent utilizat în porturi seriale de calculator. Standardul definește caracteristicile electrice și sincronizarea semnalelor, semnificația semnalelor și dimensiunea fizică și pinilor conectorilor.

Dezavantajele RS-232 sunt date de viteză redusă de transmisie, precum si de puterea utila mare consumata.

In ziua de azi, multe calculatoare nu mai sunt echipate cu RS-232 porturi și, astfel, trebuie să se utilizeze un convertor extern USB-RS-232 sau un card de expansiune internă cu una sau mai multe seriale.

Figura … RS232

2.2. Modemul HART (USB-HART)

Interfața MODEM HART USB este proiectata pentru a oferi o legătură de comunicare între un computer desktop sau notebook PC și dispozitivul de câmp HART.

folosind portul serial și software-ul adecvat, nu necesită adaptoare speciale sau surse auxiliare, valoarea curentului necesar fiind de 2mA, iar a tensiunii de 4V curent continuu, energie mai mult decât disponibilă pe interfata RS232, atat la calculatoare cât și la laptopuri.

PC-ul poate fi luat în domeniu și conectat cu rețeaua HART în câteva secunde datorită caracterisiticii USB plug & play.

Modemul HART USB este conectat la HART TRANSMITTER BOARD (HTB) cu 2 cleme, asigură o decuplare galvanică între linia HART și PC. Prin urmare, oferă un COM-port serial, astfel încât aplicațiile deja existente pot fi folosite fără modificări. Deci, USB MODEM HART este comapatibl la software-ul HART existent de ex serverul HCF OPC al Fundației HART Communication.

Software-ul driverului conține, de asemenea, CommDTM USB MODEM HART, o comunicare DTM pentru utilizarea interfeței în cadrul aplicației FDT.

Modemul este proiectat să funcționeze în condiții industriale dure, de aceea este și încapsulat, această protective suplimentară oferindu-i pe lângă protecție de la șocuri și o protecție împotriva temperaturilor extreme.

Figura …Modem HART

2.3 Termorezistența

Traductoarele de temperatură cu termorezistență își bazează funcționarea pe proprietatea metalelor (materiale conductoare) de a produce o sarcină electrică spontană ca rezultat al modificării bruște a temperaturii.

S-au folosit mai ales informații legate de rezistivitate, inversul conductibilității, rezultând dezvoltarea traductoarelor de temperatură cu termorezistență.

Fiecare metal are o rezistivitate specifică ce poate fi determinată experimental. Această rezistență (R) este direct proporțională cu lungimea firului (l) și invers proporțională cu aria secțiunii transversale (S). În cazul unui conductor omogen formula este: R=.

Elementele sensibile rezistive își bazează funcționarea pe proprietatea unor materiale (metale, aliaje, oxizi metalici) de a-și modifica rezistența electrică în funcție de temperatura mediului de lucru în care sunt introduse. Variațiile de rezistență electrică sunt preluate de către un adaptor, care le convertește în semnal electric de ieșire.

Traductoarele de temperatură cu termorezistență sunt realizate din metale a căror rezistență crește cu temperatura. Pentru o variație mică de temperatură rezistivitatea crește liniar cu temperatura:

t=0[1+(t-t0)],

unde

t = rezistivitatea la temperatura t,

0 = rezistivitatea la temperatura t0,

=coeficient de temperatură al termorezistenței.

Măsurarea temperaturii este esențială în industrie.

Această sarcină revine traductoarelor de temperatură cu termorezistențe care sunt disponibile în configurații variate, atât în medii normale (de laborator), cât și în medii cu pericol ridicat de explozie.

Combinând ecuațiile de mai sus, în condițiile în care t0 este temperatura la 0C și punând rezultatul sub forma y=mx+b, rezultă clar că rezistența variază liniar cu temperatura.

Cele mai comune termorezistențe în aplicațiile industriale se obțin prin bobinarea antiinductivă, pe un suport izolant, rezistent la temperatură; elementul sensibil astfel obținut se introduce în teci de protecție, prevăzute cu dispozitive de prindere și cutii de borne.

Pentru fabricarea termorezistențelor se folosește ca suport izolant textolitul, mică sau ceramică.

Pe suportul respectiv se bobinează neinductiv un fir metalic.

Teoretic orice metal poate fi folosit la măsurarea temperaturii.

Metalul ales trebuie să aibă un grad înalt de sensibilitate și abilitatea de a reduce efectele corosive.

Materialul care îndeplinește aceste cerințe cel mai bine este platina și astfel ea a devenit elementul sensibil ales în termorezistențe.

Printre caracteristicile sale se numără de asemenea stabilitatea chimică, disponibilitate în formă pură și proprietățile electrice care sunt foarte bine redate.

Pentru proprietățile sale (punct de topire ridicat , 1772C, rezistența la medii oxidante, reproductibilitatea foarte bună a valorii rezistenței electrice pentru orice temperatură din domeniul de utilizare ), platina este metalul cel mai utilizat în realizarea termorezistențelor pentru aplicații industriale.

Se realizează termorezistențe etalon din platină pentru reproducerea scării de temperatură.

Alte materiale folosite sunt: Cuprul, Nichelul, Wolframul.

În funcție de forma și dimensiunile tecii de protecție, ca și de restricțiile mediului în care se face măsurarea, se poate face o clasificare a termorezistențelor în:

· termorezistențe subminiatură,

· termorezistențe miniatură,

· termorezistențe rapide,

· termorezistențe normale,

· termorezistențe cu cot,

· termorezistențe pentru presiuni înalte,

· termorezistențe multiteacă,

· termorezistențe pentru suprafețe plane.

Fig. Senzori temperatură de tip termorezistență

2.4 Sursa de tensiune stabilizată

Pentru ca montajul realizat să funcționeze, transmițătorul HART trebuie alimentat de la o tensiune constantă,de aceea a fost necesară folosirea unei surse de tensiune care să facă transformarea din 220V curent alternativ în 24V curent continuu.

transmitatorul este un dispozitiv ce are la bază principiul inducției mutuale.

De obicei, acesta este format dintr-un miez feromagnetic pe care sunt înfășurate 2 bobine cu număr de spire diferit.

Dacă prima bobină (înfășurarea primară) este parcursă de un curent electric alternativ, câmpul magnetic generat va fi variabil, iar prin circuitul celei de-a 2-a bobine (înfășurarea secundară) va apărea o variație de flux.

O tensiune electromotoare indusă alternativa se va forma de-a lungul secundarului. Dacă secundarul este închis pe o sarcină rezistivă, aceasta va fi parcursă de un curent alternativ.

Redresorul realizează conversia tensiunii alternative furnizată de ieșirea transformatorului în tensiune pulsatorie (redresare dublă alternanța) cu ajutorul unei punți redresoare.

Puntea redresoare are în component un grup de 4 diode redresoare.

Cea mai importantă proprietate a diodelor semiconductoare este comportarea lor diferită la tensiune de polarizare directe și inverse.

Punte redresoare

Filtrarea se realizează cu ajutorul unui condensator ce reprezintă un ansamblu format din 2 suprafețe numite armaturi, separate printr-un material dielectric,acesta are proprietatea de a acumula sarcini electrice atunci când i se aplică la borne o diferență de potențial.

La alegerea condensatorului de filtraj, trebuie avută în vedere tensiunea maximă de la bornele sale.

Sursa de tensiune stabilizată

2.5. Transmițătorul universal HART

Transmițătorul HART este un dispozitiv ce transmite peste semnalul analogic și valori în format digital ce pot fi interpretate cu ușurință de alte dispozitive digitale. Transmițătorul comunică pe lângă valorile culese de la dispozitivul conectat și starea acestuia.

Un alt avantaj ar fi faptul că acest dispozitiv nu necesită alte fire pentru a transmite datele sau faptul că pot fi legate până la 15 astfel de dispositive ce pot transmite datele culese de la 15 echipamente diferite.(lkn kef)?

Acest transmițător folosește protocolul HART, care poate fi programat cu ajutorul unui configurator HART. Pentru realizarea acestui aspect din lucrare a fost ales echipamentul KMU-Ex0-HLi HART Univ. Transmitter al companiei Hans Turk GmbH & Co. KG.

Acest dispozitiv poate efectua o conexiune cu dispozitivul de la care culege datele pe 2,3 sau 4 fire, culege datele fără a întrerupe bucla, are o precizie mai mare de 0.1 grade Celsius, poate fi configurat on-line și dispune de posibilitatea efectuării de teste.

Semnalul de ieșire este 4-20mA pe 2 fire, alimentarea se poate face cu ajutorul curentului continuu suportând o plajă de la 12V la 30V.

Limitele de scară sunt între 3.5 mA și 23mA, iar intervalul de timp la care se pot face citirile poate fi de la 0 la 15 secunde.

Standardul folosit este HART versiunea 5, dispozitivul putând fi conectat atât în modul point-to-point cât și multi-drop.

Transmițătorul poate fi atât master principal,master secundar, dar și dispozitiv slave, el necesită existența în circuit a unei rezistențe minime de 250 Ω

Fig SIEMEN SITRANS TH 300 Fig HART Temperature Transmitter Board

2.6. Baia Termostata (Tecal 425F)

este o incintă termostatată capabilă să producă o creștere a temperaturii între 0 – 400°C

alimentarea acestuia se face de la rețeaua de 220V curent alternativ 50 Hz ,

pentru reglarea comenzii de încălzire se acționează asupra butoanelor de reglaj aflate deasupra incintei termostatate.

Am ales dispozitivul acesta datorită dimensiunilor sale reduse ce îi conferă portabilitate precum și acuratețea sa , după 10 minute de la stabilizare precizia fiind de 0,05 grade Celsius, Cuptorul dispune de un comutator ON/OFF, are protecție la supra tensiune și poate fi conectat la un calculator prin intermediul portului serial.

Panoul frontal este alcătuit din 3 butoane ce controlează modul de afișare pe ecranul digital, prin apăsarea (și menținerea) butonului “SET” se poate verifica temperatura setată sau se poate comanda o nouă valoare.

Figura Disozitivul termic de tip tecal 4

2.7 Calculatorul de comandă

Calculatorul folosit este pentru a rula aplicatiile ( LabView PACTware techneworks matlab 4.1 ) acesta ocupându-se de monitorizarea și reglarea procesului, fiind în același timp și interfața dintre utilizator și sistemul supravegheat.

3.Schema de principiu a aplicației

Aplicația practică a acestei lucrări constă în reglarea unui sistem termic ce folosește pentru achiziție și comandă protocoale de comunicație de tip industrial.

În figura 4.1 este prezentată schema generală a aplicației care cuprinde, așa cum au fost numerotate în figură:

1: PC/HOST Application

Reprezintă calculatorul local pe care se face achiziția și reglarea și calculatorul care se conectează via INTERNET la acesta și care poate prelua funcțiile sale.

2: dispozitiv termic, Baia Termostatata (Tecal 425F)

este o incintă termostatată capabilă să producă o creștere a temperaturii între 0 – 400°C.

3: HART Transmitter Board;

4: Modem Hart

5: RS232-HART interface;

6: Sursă de tensiune.

Este alimentată la 220V curent alternativ și scoate la ieșire 24 V curent continuu;

7: Multimetru digital

8: termorezistența Pt 100 cu domeniul 0 – 850°C (rezistența este din Platină și are 100 Ω la 0°C), prevăzută, în cutia de borne.

Fig.4.1

Componenta principală a acestei scheme este dispozitivul termic, în cazul de față un cuptor didactic ce folosește protocolul de comunicație RS232, însă acesta poate fi înlocuit de orice alt dispozitiv, de exemplu locul cuptorului poate fi luat de un furnal sau un încălzitor.

Achiziția de date de la cuptor se face cu ajutorul unei termorezistențe, însă poate fi folosit un termocuplu în locul rezistenței.

Întrucât modul de lucru al acestora constă în modificarea valorii rezistenței, iar aceasta este o valoare analogică s-a folosit un transmițător HART, ce preia această valoare și o transformă atât în semnal analogic de 4-20mA cât și în format digital, astfel încât această valoare sa poate fi ințeleasă de un calculator prin intermediul unui modem ce face legătura între el și transmițătorul HART.

4. Protocolul de comunicație HART

4.1 Principiul de funcționare

Hart de la ( Highway, Addressable, Remote, Transducer)

este un protocol popular de comunicare în domeniul automatizării industriale, controlul proceselor, aplicații, automatizări ale fabricilor , Hart a fost introdus la sfârșitul anilor 1980 de către rosemount și a devenit acum unul dintre cele mai mari protocoale de comunicare, cu peste 30 de miliarde de hart decizi la nivel mondial.

HART este un protocol de tip master-slave, ceea ce înseamnă că de fiecare dată când un dispozitiv de câmp dorește să comunice, comunicația trebuie să fie intializata mai întâi de către master. Pot fi conectate doua master-uri la aceeași buclă, masterul principal fiind de obicei un sistem de control distribuit (DCS-distributed control system), un controller logic (PLC) sau un calculator (PC-personal computer). Comunicația se realizează utilizând modul de cablare standard și practicile de integrare în schemele de montaj cele mai obișnuite.

Hart ajută la comunicarea de date între sistemele industriale și dispozitivele inteligente , De obicei sistemele de control industrial și de monitorizare curent comunică peste 4-20 milliamps , protocolul Hart poate trimite, recepționa date peste 4 -20 milliamps si communica datele ca un semnale degitale care poate fie trimisa de catre dispozitive de tip smart . De aceea protocolul Hart este atât de popular și este cea mai bună soluție pentru a actualiza Aplicații din fabrică pentru a putea lucra cu dispozitivele de tip smat.

Protocolul hart poate funcționa în două moduri,

-Primul mod este point-to-point or (analog to digital) -Al doilea este multi mode (digital)

-point-to-point sau analog to digital Punctul-la-punct se referă la procesul în care datele poate fi transmise între 4 și 20 miliamperi intre rețele analogice și rețele digitale. Hart Se utilizează (bell 202) În mod standard, semnalele de comunicații digitale suprapuse la un nivel scăzut În vârful celor 4 până la 20 milliamps.

-multi mode (digital) Hart protocol poate lucra, de asemenea, pe un alt mod, modul multi-drop, în cazul în care numai semnale digitale sunt utilizate și semnalul analog este fixat la 4 mA

Protocolul oferă 2 canale de comunicație simultane:

semnalul analog de 4-20 mA și semnalul digital.

-Semnalul analog este utilizat pentru a transmite variabil A principală măsurată (în cazul unui dispozitiv de câmp) prin intermediul buclei de current de tip 4-20 mA.

-Semnalul digital este compus din 2 frecvențe: 1200 Hz și 2400 Hz.

Acestea sunt echivalentul lui “1” și “0”.

Sinusoidele acestor două frecvențe sunt suprapuse direct peste semnalul analogic de 4-20 mA.

O rezistență minimă pe bucla de 230 Ohmi este obligatorie.

Fig. Semnal de tip HART

5.aplicatia PACTware matlab pentru a afla a face masuratorilor si pentru a gasi procesul si regulatorul

5.1Aplicatia PACTware

-Se conectează cablurile USB de la modemurile HART la calculator. -Se identifică porturile COM pentru fiecare modem astfel: click dreapta pe Computer/ Properties/ Device Manager/ Ports (COM & LPT).

-Se deschide programul PACTware aflat pe Desktop.

În fereastra Project, se identifică câmpul Device tag/ HOST PC.

-Se apasa pe HOST PC și selectează Add device.

În noua fereastră, se selectează câmpul Protocol/HART/Driver/HART

Communication după care se apasă butonul OK.

Se observă că sub campul HOST PC s-a adaugat o ramură asociată tipului de comunicație pe un anume port COM.

Se apasa dreapta pe campul COM și selectează Parameter.

În noua fereastră se alege tipul interfeței de comunicație – HART modem și tipul interfeței seriale – portul COM asociat unuia dintre modemurile HART identificate la pasul 2 asociat termocuplului/termorezistenței

De asemenea, se deselectează check box-ul Multimaster and Burst mode support după care se apasă butonul Apply și respectiv OK.

Se observă modificarea câmpului COM cu cel selectat.

Se apasa dreapta pe ramura aceasta, selectează Add device.

În noua fereastră, se selectează câmpul Protocol/All Devices/HART/Device/Generic HART DTM după care se apasă butonul OK.

Se observă apariția câmpului GENERIC.

Se apasa dreapta pe acesta și selectează Connect.

După conectarea dispozitivului, click dreapta din nou și selectează Load from device.

Se apasa dreapta din nou și selectează Measured value/ Measured Values Display.

După selectare se va deschide o fereastră cu valori masurate.

-Se procedează similar pentru cel de-al doilea port COM identidificat la pasul 2 asociat termocuplului/termorezistenței.

Înainte de a introduce termocuplul/termorezistenta Tc în incinta termostatată se citește pe indicatorul INT de pe incinta termostatată valoarea temperaturii mediului ambiant (această valoare – 𝜭0[°C]

– se notează, fiind ulterior necesară la corectarea valorilor obținute) ,citirea este corectă dacă indicația voltmetrului numeric VN este 0,00mV (joncțiunile de măsurare și referință sunt la aceeași temperatură).

Pentru studiului traductorului de temperatură cu termocuplu/termorezistenta se notează din 5C în 5C, pe domeniul 35C – 100C (conform indicațiilor date de INT) tensiunea termo-electromotoare a termocuplului, indicată de VN, curentul de ieșire (Current) în mA și temperatura în °C (PV) indicate în fereastra PACTware .

Rezultatele se trec in tabelul asta de forma

Unde :

– PV – Primary variable în grade Celsius;

– Current – Primary variable în mA.

5.2Aplicatia MATLAB

Unde am pus INT[C] in alt tabel ca o comanda (U) si PV ca o iesira (y) si in matlab si le-am introdus in matlab ca doi vectori.

u =[ 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 90 100 ]

y = [ 36.30 38.80 41.50 44 47.80 51 57 62.90 68.39 73.50 78.80 84.30 89 94.70]

>> plot(u,y)

>>plot(u,y,'*')

Se reprezintă aproximativ acest grafic

Se aproximează liniar caracteristica statică cu ajutorul comenzii Matlab:

>> p=polyfit(u,y,grad)

unde grad=1 deoarece aproximarea este liniara

-Se reprezintă grafic caracteristica statică și aproximarea liniară

efectuată pe același grafic:

>>plot( u , y , '*' , u , polyval(p,u))

-Se reprezintă aproximativ acest grafic :

-Se aleg valorile comenzii [u1÷u2] și ale ieșirii [y1÷y2] ce delimitează zona liniară în care cele două caracteristici (cea măsurată și cea aproximată) au suprapunerea cea mai bună.

-Se completează aceste valori în următorul tabel marcând unitățile de măsură:

-Se alege un PSF în interiorul acestui interval. Se recomandă alegerea PSF-ului aproximativ la mijlocul intervalului.

-Se completează acestă valoare în următorul tabel marcând unitățile de măsură :

-Se alege o treaptă de comandă [u0 ÷ ust] ce se va aplica la intrarea procesului fizic pentru trasarea caracteristicii dinamice la pasul următor. Treapta de comandă se alege în interiorul intervalului de liniaritate stabilit anterior, evitându-se valorile din capetele acestuia.

Observație: Scopul identificării experimentale este de a obține un model matematic cât mai apropiat de comportamentul procesului fizic, în jurul unui punct static de funcționare. Din această cauză treapta de comandă folosită pentru trasarea caracteristicii dinamice se alege în jurul PSF (de preferat la distante egale de acesta).

-Se completează aceste valori în următorul tabel marcând unitățile de măsură:

Caracteristica statică

Observație: Deși răspunsul indicial al unui sistem reprezintă dependența ieșirii acestuia de timp în cazul în care la intrare se aplică o treaptă unitară, este imposibil ca la intrarea sistemelor fizice să se aplice trepte de comandă de la valoarea 0 la valoarea 1. De obicei, comenzile sunt transmise către procese în intervalul 0÷100%.

Trasarea caracteristicii dinamice:

-Se revine la aplicatia PACTware

-Se setează comanda (COMANDA) la valoarea u0 aleasă și se așteaptă atingerea regimului staționar urmărind evoluția ieșirii y (RASPUNS).

-Se aplică treapta de comandă prin setarea comenzii (COMANDA) la valoarea ust aleasă (prin introducerea acestei valori in campus de sub slide-ul aferent si apasarea tastei enter). Se citesc valorile ieșirii (RASPUNS) din 3 în 3 secunde timp de 10 minute.

-Se notează aceste valori

-După finalizare se setează comanda la 0%. -Se inchide Baia Termostata de butonul ON/OFF.

-Se introduc aceste valori în Matlab într-un vector (y).

>>Y = [ 77.50 77.80 77.90 78 78.10 78 78.40 78.50 78.90 79 79.20 79.40 79.70 79.90 80.20 80.60 80.70 80.90 81.20 81.40 81.60 81.80 81.80 81.80 82 82.60 82.80 82.90 83 83.20 83.30 83.60 83.70 83.90 84 84.10 84.10 84.10 84.60 84.70 84.90 85 85 85.10 85.20 85.30 85.40 85.50 85.60 85.60 85.70 85.80 85.80 85.90 86 86.10 86.20 86.20 86.30 86.30 86.40 86.40 86.40 86.60 86.60 86.50 86.60 86.70 86.80 86.90 86.70 86.80 86.80 86.90 87 87 87 87.10 87.10 87.20 87.20 87.20 87.30 87.20 87.30 87.20 87.20 87.20 87.30 87.40 ]

-Se salvează informațiile într-un alt vector în care vor fi prelucrate:

>> yexp = y;

-Se crează un vector al momentelor de timp

>>t=[ 0:3:264] ;

>>n = numel(Y) ;

>>n = numel(t) ;

-Se transformă vectorul de ieșire în procente

>>yproc=((yexp-0)*100)/(120-0)

-Se trasează grafic caracteristica dinamică

>>plot(t,yproc)

-Se reprezintă aproximativ acest grafic

Determinarea parametrilor modelului:

-Se calculează factorul de amplificare KP cu ajutorul formulei:

KP=0.8

-Se determină valoarea timpului tranzitoriu (tt) din caracteristica dinamică a procesului.

>>y1 = yproc(1) + 0.95 * ( 72.6 – yproc(1) )

>>grid

-> tt = 200

-Se calculează din tt constanta de timp a procesului (TP) astfel:

Tp=67

Reprezentarea grafică a timpului mort și a timpului tranzitoriu

-Se scrie expresia funcției de transfer a procesului de ordinul I în forma :

Hp(s)

Hp(s)

-Se calculazea Regulatorul dupa forma asta :

HR(s)

HR(s)

5.3 aplicatia LabView

Cap.X. Realizarea aplicației în mediul de dezvoltare LabVIEW

X.1. De ce LabVIEW?

LabVIEW este un limbaj grafic de programare care permite dezvoltarea de aplicații utilizând pictograme. Spre deosebire de limbajele de programare textuale, în cadrul cărora instrucțiunile sunt cele care determină execuția programului, LabVIEW-ul folosește, în locul acestora, fluxul de date evidențiat printr-o prezentare grafică adecvată.

LabVIEW-ul conține biblioteci extinse de funcții și subrutine care pot fi utilizate în numeroase aplicații, precum achiziția, prelucrarea, analiza, prezentarea și stocarea datelor. Cu ajutorul unor echipamente de achiziție de semnale de la diverse tipuri de senzori/traductoare, LabVIEW-ul permite utilizarea performantă a calculatorului pentru măsurarea diverselor mărimi fizice, precum și controlul anumitor procese.

În LabVIEW un VI este constituit cu ajutorul următoarelor trei componente:

Panoul frontal, care servește ca interfață cu utilizatorul;

Diagrama bloc, care conține sub formă grafică codurile sursă care realizează funcționarea VI- ului;

Pictograma (icon) și panoul conector, prin intermediul cărora este identificat VI-ul și se asigură posibilitatea ierahizării, adică a interconectării în cadrul altui VI, constituind un subVI (asemănător cu o subrutină).

Deschiderea unei aplicații LabVIEW se face accesând LabVIEW din lista de programe, sau executând click pe pictograma aferentă aflată în Desktop-ul calculatorului, pe ecranul monitorului apare caseta de dialog introductivă din fig.X.1, în care, apăsând pe butonul New VI, se vor deschide principalele două ferestre – Panoul frontal și Diagrama bloc – care vor permite dezvoltarea unei noi aplicații. În cazul în care se dorește deschiderea unui VI realizat anterior se apasă butonul Open VI și se caută fișierul în care a fost salvat respectivul VI.

Fig.X.1. Caseta introductivă de lansare a programului LabVIEW 11

Fig.X.2. Panoul frontal și diagrama bloc la lansarea unui blank VI în LabVIEW 2011

X.2. Mijloace pentru construirea unei aplicații în LabVIEW

Principalele mijloace pentru construirea unei aplicații LabVIEW sunt: meniurile, butoanele și paletele.

Meniurile

Pe bara de meniuri sunt listate șapte tipuri, aceleași pentru ambele ferestre, având atât opțiuni comune tuturor aplicațiilor din alte medii de programare, cât și opțiuni specifice LabVIEW: File, Edit, View, Project, Operate, Tools, Windows, Help.

Butoanele

Pe bara de butoane din fereastra panoului frontal se pot vedea 11 butoane și casete ale căror denumiri se vizualizează poziționând mouse-ul deasupra lor. Semnificațiile acestora, în ordinea de la stânga la dreapta, sunt prezentate în cele ce urmează: Run, Run Continuously, Abort Execution, Pause, Text Setings, Align Objects, Distribute Objects, Resize Objects, Reorder, Search, Show Context Help Window;

Pe bara de butoane din fereastra diagramei bloc se pot vedea 16 butoane, dintre care primele 4 sunt identice și ocupă aceleași poziții 1…4 ca și cele din fereastra panoului frontal, urmate de Highlight Execution, Retain Wire Values, Start Single Stepping (înainte), Start Single Stepping (înapoi), Step Out, urmate de cele 4 din panou completate cu Clean Up Diagram și având în final pe cele două comune (panou și diagramă).

Paletele

LabVIEW dispune de 3 palete grafice care servesc la crearea și operarea cu VI-uri. Afișarea paletelor se face din meniul View, care conține opțiuni de afișare cu denumirile lor.

Dacă în panoul frontal se activează opțiunea View urmată de Tools, se obține paletaTools – fig.X.3 – folosită și în diagrama bloc. Se observă pe figură că este activată opțiunea Automatic Tool Selection, care – în LabVIEW 2011 – permite cursorului să ia automat una din cele 10 opțiuni funcție de locul unde este poziționat.

Fig.X.3. Paleta de unelte (Tools)

Paleta Controls (Controale) se poate afișa numai atât timp cât este deschisă fereastra panoului frontal (este aferentă numai acesteia). În fig.X.4 este reprezentată această paletă obținută fie făcând click dreapta cu mouse-ul poziționat pe panoul frontal, fie activând meniul View urmat de Controls.

Fig.X.4. Paleta de controale (Controls)

Paleta Functions (Funcții) se poate afișa numai atât timp cât este deschisă fereastra diagramei bloc (este aferentă numai acesteia). În fig.X.5 este reprezentată această paletă vizibilă fie făcând click dreapta pe mouse in bloc diagram, fie activând – tot în bloc diagram – View urmat de Functions. În fig.X.5 s-a detaliat subpaleta Programming întrucât este cea mai folosită în aplicații.

Fig.X.5. Paleta de funcții (Functions)

X.3. Obiectele din diagrama bloc și relația cu cele din panoul frontal

Obiectele utilizate în diagrama bloc sunt denumite terminale, noduri sau funcții, legate între ele prin conexiuni (wires).

Terminalele

Obiectele din panoul frontal apar în diagrama bloc sub formă de terminale. Astfel, terminalele reprezintă porturi de intrare și de ieșire, care permit schimbul de informații între panoul frontal și diagrama bloc. Datele care se introduc prin controalele dispuse pe panoul frontal sunt transmise în diagrama bloc prin terminale de intrare, iar rezultatele funcționării ies din diagrama bloc și sunt transmise indicatoarelor din panoul frontal prin terminalele de ieșire.

În tabelul care urmează sunt listate tipurile de terminale pentru date numerice, booleene și șiruri:

După cum se poate observa, terminalele controalelor se pot deosebi prin aceea că au linia exterioară a dreptunghiurilor mai groasă decât la cele ale indicatoarelor, iar vârfurile de săgeată sunt plasate pe latura din dreapta și orientate către exterior, pe când la indicatoare sunt plasate pe latura din stânga și orientate către interior. Simbolurile înscrise în dreptunghiuri și culorile sunt diferite în funcție de tipurile de date și de caracteristicile de reprezentare ale acestora.

Nodurile

Nodurile sunt obiecte în diagrama bloc care au intrări și /sau ieșiri și care execută anumite operații în funcționarea VI-ului. Ele sunt asemănătoare declarațiilor, operatorilor, funcțiilor, subrutinelor de la limbajele de programare convenționale.

X.4. Gruparea datelor în LabVIEW

În raport de complexitate și de necesitățile de prelucrare, în mediul LabVIEW se pot aplica trei modalități de grupare a datelor, denumite în limba engleză String, Array și Cluster.

String-uri

Prin String, în traducere curentă șir, se înțelege o succesiune de caractere ASCII care, de regulă, reprezintă un text în care pot fi și caractere care nu se afișează. String-urile se folosesc pentru crearea de mesaje simple de text, pentru transferul datelor numerice către anumite instrumente, pentru stocarea datelor pe disc, pentru inițierea unor instrucțiuni etc. Pe panoul frontal, String-urile apar sub formă de tabele, de casete pentru introducere de texte, sau de etichete. În diagrama bloc pentru editarea și operarea cu string-uri se accesează diferitele opțiuni care sunt afișate în subpaleta String din paleta Functions, așa după cum se arată in fig.X.6.

Fig. X.6 Subpaleta String din paleta Functions

Array-uri

Spre deosebire de elementele scalare, care reprezintă o singură valoare, de un anumit tip, elementele vectoriale/matriceale pot cuprinde, într-o manieră ordonată, mai multe valori de același tip și se reprezintă sub forma unui tablou (tabel), denumit în limba engleză Array. Un Array poate avea deci una sau mai multe dimensiuni și pe fiecare dimensiune câte un număr de până la 2-1 elemente (limita permisă de memorie). Elementele componente ale unui array pot fi numerice, booleene, string-uri, valori ale unei forme de undă (grafic) etc, cu restricția de a fi toate de același tip. Array-urile sunt utile în cazul operării cu colecții de date similare și când se efectuează calcule repetitive.

Pentru a fi dispus în panou, un Array se selectează din meniul Array & Cluster al paletei Controls. În diagrama bloc, terminalul unui element Array se caracterizează prin prezența unor paranteze drepte, a căror grosime este proporțională cu numărul de dimensiuni; selecția unui element se face din subpaleta Array exemplificată în fig.X.7.

Fig.X.7. Subpaleta Array din paleta Functions

Cluster-e

Elementele de tip Cluster sunt structuri de date ce pot conține mai multe valori, de tipuri și dimensiuni diferite. Un Cluster poate conține, de exemplu, o valoare numerică, două booleene și una alfanumerică (text), sau poate conține o combinație de valori scalare, vectoriale și chiar alte elemente de tip Cluster (de exemplu, o valoare numerică, un Array de valori booleene și un Cluster format din trei valori alfanumerice și una booleană).

Pentru a fi introdus în panoul unei aplicații, un element de tip Cluster se selectează din meniul Array & Cluster al paletei Functions, așa cum este exemplificat în fig.X.8.

Fig.X.8. Subpaleta Cluster din paleta Functions

X.5. Structuri de programare în LabVIEW

Structurile de programare sunt componente ale diagramei ale căror simboluri se găsesc în subpaleta Structures a paletei de funcții având formele din fig.X.9. Fiecare structură are un contur distinct în interiorul căruia se poate include o parte din diagrama bloc (este denumită subdiagramă) și care funcționează conform cu regulile respectivei structuri.

Fig.X.9. Subpaleta Structures din paleta Functions

Foarte folosite sunt:

Bucla For

O buclă For este o structură repetitivă care execută de un număr fixat de ori porțiunea de diagramă pe care o conține (subdiagramă). O execuție a porțiunii interne de diagramă poartă numele de iterație. O buclă For, redată în fig.X. 10, dispune în colțul stânga-sus de un terminal (notat cu N), la care trebuie legată o valoare care să specifice numărul de iterații pe care bucla urmează să le execute.

Fig.X.10. Bucla For

Bucla While

Bucla While este o structură repetitivă cu condiție de terminare, adică execută porțiunea de diagramă pe care o conține până când la terminalul de continuare (aflat în colțul dreapta-jos) apare o anumită valoare booleană. Atunci când o buclă While este dispusă în diagramă, terminalul său de continuare se află în starea implicită Continue If True.

Bucla va continua să execute iterații succesive atât timp cât la terminalul său de continuare ajunge o valoare logică True.

În fig.X.11 se prezintă situația în care la condiționare s-a ales cazul (cel mai frecvent) Stop if True.

Fig.X.11. Bucla While

Structura Case

Atunci când este dispusă în diagramă, o structură Case, redată în fig.X.12, conține două ferestre (True și False), fiecare dintre acestea cu propriul flux de date. Pe conturul structurii se află dispus un terminal selector (de culoare verde, conținând semnul întrebării). Structura Case va executa doar una din cele două ferestre, în funcție de valoarea booleană (True sau False) conectată la terminalul său selector.

Fig.X.12. Structura Case

Structuri Flat/Stacked Sequence

O structură secvențială, de regulă dispune de mai multe ferestre (subdiagrame), fiecare dintre acestea cu propriul flux de date. Structura Sequence execută în ordine ferestrele respective. De exemplu, în fig.X.13.a este reprezentată – la construcție – structura Sequence, care poate fi o succesiune de secvențe ca în fig.X.13.b (Flat Sequence), sau suprapuse ca în fig.X.13.c (Stacked Sequence).

Fig.X.13. Structuri Flat/Stacked Sequence

X.6. Indicatoare pentru vizualizarea semnalelor și graficelor de funcții în LabVIEW

Mediul de programare LabVIEW dispune, în meniul Graph al paletei de controale, de o serie de elemente pentru reprezentări grafice. Cele mai utilizate sunt cele aflate pe prima linie a meniului Graph: elementele Waveform Chart (numit pe scurt Chart), Waveform Graph (numit pe scurt Graph) și XY Graph.

În fig.X.14 se pot vedea pictogramele acestor indicatoare, diferențele între cele trei elemente sunt reprezentate de modurile în care acestora il se transmit coordonatele punctelor prin care va fi trasat graficul.

În meniurile proprii ale indicatoarelor grafice se află sub-meniul Visible Items, care conține o serie de opțiuni, prin intermediul cărora se pot obține facilități de afișare.

Fig.X.14. Indicatoare grafice pentru semnale

Fig.X.26. Schema blocului ADAPTOR SEMNALE

X.7. SubVI-uri folosite în dezvoltarea aplicației în LabVIEW

Dezvoltatorii mediului LabVIEW au adus – în permanență – îmbunătățiri pentru realizarea de aplicații, prin crearea unor subVI-uri capabile de operații complexe.

Când informația deținută despre un astfel de subVI este săracă se apelează la Context Help prin apelarea acestuia de pe prima bară, fie în panoul frontal sau în diagrama bloc.

Dacă informația prezentată în Context Help nu este suficientă se apelează la cea detaliată prin activarea Detailed help din partea inferioară a Context Help.

Blocul de reglare PID se trage în diagramă din subpaleta Functions / Control Design & Simulation / PID, așa cum se prezintă în fig.X.32 de mai jos, cu Hepl-ul de context și cel detaliat expuse în continuare.

Fig.X.15. Subpaleta Control Design & Simulation / PID

Fig.X.16. NI_PID_pid.lvlib:PID.vi

X.8. Realizarea programului în LabVIEW 2011 pentru simularea instalației termice TECAL 425F

În esență, instalația TECAL 425F – așa cum este prezentată principial în fig. 4.1 – se compune dintr-o incintă paralelipipedică, în care se studiază fenomenele simulate.

Motopompele, traductoarele și sesizoarele de temperatură folosesc la monitorizarea și controlul aerului din incintă, în funcție de regimul de comandă asigurat.

De remarcat că simulatorul este realizat pentru un caz mai general, în sensul că motopompele M1 și M2 folosesc la încălzirea instalației, iar M3 și M4 la răcirea acesteia.

Pentru vizualizarea fenomenelor trebuie simulată instalația ca și semnalele ce au rolul de realizare a regimurilor de lucru.

În consecință, este necesar să se simuleze prin imagini sugestive instalația reală, ca și componentele folosite pentru operare, cu simbolistica normală din situațiile pornit / oprit.

S-a realizat un panou frontal al instalației ca în fig.X.17 (cazul când toate motopompele sunt pornite), mai apropiat de realitatea fizică a instalației TECAL 425F, prin includerea rezervorului tampon de încălzire/răcire, precum și sugerarea încălzirii rezervorului de lucru B1 prin motopompele M1 și M2, respectiv a răcirii acestuia cu motopompele M3 și M4.

Pentru comparație, în fig.X.18 este prezentat panoul frontal al instalației pentru situația în care sunt în funcțiune doar două motopompe.

Fig.X.17. Panoul frontal al instalației TECAL 425F realizat în LabVIEW 2011

Pe panou se plasează – din paleta Controls / Modern / Numeric – un controale de tip Tank, care se dimensionează corespunzător și se gradează ca în fig.X.40/41, iar din Classic / Classic Numeric se trage un Vertical Pointer Slide căruia i se schimbă Label-ul în Setpoint și i se adaugă un Digital Display (cu mouse-ul poziționat pe slide și actionat cu click dreapta).

Fig.X.18. Panoul frontal al instalației TECAL 425F pentru cazul cu două motopompe pornite

Motopompele și conductele de legătură se iau din programul DSC (Dataloging Supervisory Control) descărcat de pe site-ul National Instrument pentru versiunea Windows 7 pe 32 de biți.

Fiecărei motopompe i se atribuie o variabilă booleană de tip Switch when Pressed, care la o apăsare ia culoarea verde, iar la o nouă apăsare ia culoarea roșie.

Se asociază cele două culori cu situația motopompă în funcțiune (culoare verde), respectiv motopompă oprită (culoare roșie).

Tot pe panoul frontal se trage din subpaleta Modern / Graph un Waveform Chart căruia i se fac prelucrările necesare pentru a arăta ca în fig.X.40/41 cu eticheta Process Chart.

De asemenea, din subpaleta Modern / Boolean se trag în panou trei Round LED-uri, cărora li se atribuie etichetele SLmax (nivel maxim), SLmed (nivel mediu) și SLmin (nivel minim).

În sfârșit, din subpaleta Classic / Classic Boolean se trage un Hexagonal Stop Button care va fi folosit pentru oprirea aplicației.

Se trece în diagrama bloc unde se realizează următoarele operații – fig.X.19:

pentru simulare se folosește un subVI dezvoltat special pentru aplicații în bucle de reglare, cu configurația și semnificația terminalelor din fig.X.20. Elementele plasate în diagramă sunt în concordanță cu cerințele subVI-ului Plant Simulator.vi.

se realizează o buclă While pe conturul căreia – cu click dreapta pe mouse – se realizează un Shift Register pentru a incrementa iterațiile în funcție de semnul ieșirii Process variable (%) prin intermediul primitivei In Range and Coerce cu limitele 100 (superioară), respectiv 0 (inferioară).

pe intrarea Manipuleted Variable (Output %) se plasează suma debitelor de la motopompele M1 și M2, iar pe intrarea Process Load suma debitelor motopompelor M3 și M4; de reținut că motopompele M1, M2 și M4 au debitele constante și egale cu 33% din valoarea maximă, iar motopompa M3 – în regim manual – are debitul maxim 100%.

Fig.X.19. Diagrama bloc a simulatorului instalației TECAL 425F

Fig.X.20. SubVI-ul Plant Simulator.vi

se observă că valoarea curentă a temperaturii se găsește în tank 1;

valorile booleene pentru motopompe acționează și asupra segmentelor de conductă aferente, astfel că ele se colorează în albastru atunci când motopompa corespunzătoare se activează (devine verde); totodată, prin selectorul Select aferent, la activarea unei motopompe aceasta trece din debit 0% în debit nominal;

celelalte intrări aferente subVI-ului Plant Simulator.vi sunt în concordanță cu recomandările dezvoltatorilor acestuia;

rularea aplicației se face din panoul frontal prin Run, iar oprirea prin butonul STOP.

Fiind în regim manual – buclă deschisă, se va observa evoluția temperaturii în rezervor, fără a-l putea corela cu Setpoint-ul fixat pe panou.

X.9. Simularea cu interfața LabVIEW 2011

Așa cum s-a precizat anterior, s-a realizat un simulator al instalației TECAL 425F în LabVIEW 2011, folosind panoul dezvoltat în acest sens, la care s-a adăugat un subVI de tip NI_PID_pid.lvlib:PID.vi în diagrama bloc și s-au efectuat conexiunile necesare funcționării în buclă închisă.

Se observă – în toate figurile care urmează că apare un bloc explicit cu cei trei parametri care caracterizează un controller PID, valorile acestora fiind posibil de schimbat într-o stare inițială sau în timpul rulării aplicației.

Aplicația realizată s-a salvat sub denumirea de Simulator TECAL 425F in LabVIEW 2011.vi .

Cu ajutorul acestei aplicații s-au simulat diferite regimuri de funcționare ale instalației, în care s-au folosit controller-e PID și PI, cu patru, trei și două motopompe în funcțiune, fără a schimba însă valorile parametrilor controller-ului.

Fig.X.21. Simulator LabVIEW instalație TECAL 425 cu controller PID, două motopompe și treaptă negativă

Fig.X.22. Simulator LabVIEW instalație TECAL 425F cu controller PID, două motopompe și treaptă pozitivă

Fig.X.25. Simulator LabVIEW instalație TECAL 425F cu controller PI, patru motopompe și treaptă negativă

Fig.X.26. Simulator LabVIEW instalație TECAL 425F cu controller PI, patru motopompe și treaptă pozitivă

Fig.X.27. Simulator LabVIEW instalație TECAL 425F cu controller PI, trei motopompe și treaptă negativă

Fig.X.28. Simulator LabVIEW instalație TECAL 425F cu controller PI, trei motopompe și treaptă pozitivă

8.CONCLUZII

Pentru o bună acordare a controllerului de temperatură funcție de valoarea reală din incintă, am procedat la modelarea procesului real pe un stand didactic TECAL 425F realizat de firma TECHNE, la care am considerat doar cazul reglării temperaturii prin intermediul debitului de admisie/evacuare a aerului cald. Precizez că această situație corespunde realității fizice a procesului din incinta termostatată.

În cadrul proiectului am adus o serie de realizări proprii orientate către interfațarea instalației TECAL 425F cu mediul LabVIEW, ca și realizarea unui studiu comparativ pe baza datelor ridicate în funcționare reală, respectiv în regim simulat. Astfel:

am realizat o interfață a instalației în LabVIEW 2011 care sugerează procesele de transfer caloric dintre mediul extern și cel din interiorul instalației, în concordanță cu realitatea fizică, mult mai sugestivă față de cea prezentată în programul Matlab;

am realizat un program în LabVIEW 2011 de simulare a instalației TECAL 425F cu ajutorul căruia am putut face comparații cantitative privind performanțele controllerului în regim dinamic.

În cadrul proiectului am efectuat o gamă diversificată de experimente, după cum urmează:

utilizarea mediului de dezvoltare LabVIEW pentru realizarea unui program de conducere a instalației TECAL 425F, cu ajutorul căruia s-au ridicat date experimentale pentru situații similare celor prezentate anterior;

folosirea simulatorului dezvoltat în LabVIEW 2011, cu care s-au imaginat situații diferite, atât în privința controllerului folosit, cât și funcționarea cu un număr diferit de motopompe, urmărindu-se răspunsul la treaptă pozitivă, respectiv negativă.

Din analiza comparativă a datelor experimentale a rezultat că instalația TECAL 425 F răspunde la fel atunci când este condusă cu calculatorul prin RS 232, respectiv mediul LabVEW, atât în regim real cât și în regim simulat.

Aceste rezultate mă determină să afirm că dezvoltările făcute în cadrul proiectului sunt în concordanță cu supozițiile inițiale, iar realizările proprii sunt corecte.

In concluzie, consider ca mediul Labview se preteaza pentru realizarea unor propotipuri si simularea acestora. Mai mult de atat, in contextul proiectului prezent, acesta poate fi continuat prin modelarea altor procese pe instalatia TECAL 425F intrebuintand LabView, precum si interconectarea acestora prin intermediul Matlab sau Simulink.

A_Biologically_Based_Framework_for_Distributed_Sensory_Fusion_and_Data_Processing.

A_Model_of_Federated_Evidence_Fusion_for_Real-Time_Traffic_State_Estimation.

A_Sensor_Data_Fusion_Procedure_for_Environmental_Monitoring_Applications_by_a_Configurable_Network_of_Smart_Web-Sensors.

Advanced_Sensor_and_Dynamics_Models_with_an_Application_to_Sensor_Management.

Agent_Based_Sensor_and_Data_Fusion_in_Forest_Fire_Observer.

Anomaly_Detection_&amp.

Data_Fusion_Performance_Evaluation_for_Dissimilar_Sensors_Application_to_Road_Obstacle_Tracking.

Design_of_an_Intelligent_Housing_System_Using_Sensor_Data_Fusion_Approaches.

Elements_of_Sequential_Detection_with_Applications_to_Sensor_Networks.

IR_Barrier_Data_Integration_for_Obstacle_Detection.

Model-based_Data_Fusion_in_Industrial_Process_Instrumentation.

Monte_Carlo_Methods_for_Node_Self-Localization_and_Nonlinear_Target_Tracking_in_Wireless_Sensor_Networks.

Multi-Sensor_&amp.

Multisensor_Data_Fusion_Strategies_for_Advanced_Driver_Assistance_Systems.

Multisensory_Data_Fusion_for_Ubiquitous_Robotics_Services.

Three_Strategies_for_Fusion_of_Land_Cover_Classification_Results_of_Polarimetric_SAR_Data.

Trajectory_Generation_and_Object_Tracking_of_Mobile_Robot_Using_Multiple_Image_Fusion.

Introduction to Instrumentation, Sensors, and Process Control.

Sensors and Transducers.

Updating_Scarce_High_Resolution_Images_with_Time_Series_of_Coarser_Images_a_Bayesian_Data_Fusion_Solution.

https://www.mathworks.com/products/matlab.html.

http://www.ni.com/ro-ro/shop/labview.html.